Ядерная бомба с опорой на собственные силы

В этой дисциплине весело пересекаются отрывочные знания о том, как должна выглядеть инфраструктура и технологии разработки ядерного оружия и отрывочные знания о положении дел в этих самых странах, на которые нацелен взгляд исследователя. 
Сегодня разбираем ядерный потенциал Северной Кореи (СК).



К сожалению, у Северной Кореи нет своего Мордехая Вануну и есть риск, что половина атомного комплекса этой страны спрятана по подземным и подгорным выработкам. Тем не менее, можно предполагать некоторую логику построения ядерно-оружейного комплекса, которая служит ограничителем в оценке количества и качества ядерного оружия у этой страны.
Прежде всего, разработка и производство ядерной бомбы распадается на множество задач, очень разных по сложности. Сделать систему синхронного подрыва имплозивного заряда сложно, но требует несопоставимо меньше ресурсов, чем произвести заветные ~6 килограмм плутония 239 оружейного качества на каждую бомбу. Реально, над новой ядерной державой всегда довлеют задачи получения ядерных оружейных материалов, а остальное уже идет прицепом.


Что характерно, найти описания, схемы и изображения оборудования радиохимических заводов, предназначенных для извлечения плутония на порядок сложнее, чем подобное по ядерным реакторам (в т.ч. наработчикам плутония) и даже ранним ядерным боезарядам. На фотографии выше ячейка завода по извлечению плутония в Хэнфорде, США.

В случае СК стране повезло - на территории есть месторождения урана (найденные советскими геологами и сначала разрабатывавшиеся китайцами), оцениваемые в 20-40 тысяч тонн природного урана. Приложив определенные (довольно приличные) усилия, северные корейцы способны превратить эту руду в металл. Какие развилки есть дальше?

1. Самый простой вариант - это графитовые канальные реакторы для производства оружейного плутония. При этом реактор мощностью 100 мегаватт будет способен наработать ~25 килограмм оружейного плутония (4 заряда) в год.
   


2. Работая на природном уране графитовый реактор способен превратить в плутоний примерно 0,1% массы загруженного урана - дальше концентрация (выгорающего) U235 упадет ниже критичной. Если урана мало, а бомб хочется много - можно перейти на более эффективные тяжеловодные реакторы.
   


3. Вариант три - построить обогатительные заводы и питать реакторы слегка обогащенным ураном. Или перейти на боезаряды, сделанные из высокообогащенного урана.
   

Каждый из вариантов требует своего набора технологий и заводов, выпускающих необходимые промежуточные продукты - их и можно поискать в импорте страны и спутниковых фотографий.


Первый инструмент в руках исследователей чужих секретов - слежка за активностью на выбраных площадках (ядерный центр в северокорейском Йонбёне на фото) - поиск изменений, передвижений транспорта, следов работы крупных установок (на фото - нет сброса охлаждающей воды с реактора - значит он остановлен, либо на небольшой мощности).

Начиная с варианта один, северной корее понадобилось бы создать:

• Спроектировать и построить графитовый реактор мощностью >10 МВт. При внешней простоте эта задача тянет за собой наличие тяжелого машиностроения и производства специфических материалов, например очень чистого графита
  


• Построить завод по переработке облученного ядерного топлива (для извлечения наработанного плутония). Эта задача требует наличия хорошей химической промышленности и создания нетривиальных химических аппаратов: платиновых растворителей топлива в азотной кислоте, центробежных экстракторов, специфических фильтрующих аппаратов . Кроме того, она требует наличия целой плеяды специалистов в радиохимии, просто химии и ядерной физике
  


• К всему этому идет прицепом спецметаллургия и металлобработка, работающая с ураном и плутонием (токсичными и активными металлами). Хотя объемы для нескольких зарядов в год невелики, оборудование и его детали для подобных производств можно попытаться отследить в импорте.
  


• Наконец, различные базовые отрасли - например производство алюминиевых сплавов, при возникновении ядерно-оружейных потребителей также насыщаются специфическим оборудованием, например по производству высокоточных бесшовных труб.
  

Сложнее, конечно, если все эти единицы оборудования разрабатываются и производятся в стране - сверху возможно разглядеть только совсем уникальные элементы - типа уранового рудника, реактора или производство тяжелой воды. Однако, когда встает вопрос о разработке (с предварительными научными исследованиями) сотен единиц оборудования, то любая страна пытается сэкономить усилия и время через импорт “невинных” промежуточных элементов. 
Северная Корея, видимо, начала проявлять интерес к ядерному оружию еще во время Корейской войны и довольно настойчиво просила еще в 50х годах “старших братьев” СССР и Китай о передаче технологий. В результате торговли СССР построил в центре Йонбён бассейновый реактор типа ИРТ-2000 и пустил его в 1967 году. Это учебный реактор, совершенно неприспособленный к производству плутония. Этому мешает тепловая мощность, позволяющая производить всего несколько сот грамм плутония в год, необходимость использования обогащенного топлива (т.е. поставки топлива контролировались СССР), и неудобное для переработки топливо в виде урана в магниевой матрице. Все эти особенности наверняка возникли не случайно.


По внешней форме ИРТ-2000 можно понять, что этот реактор больше нацелен на вывод слабых пучков гамма-излучения и нейтронов от активной зоны, чем на переработку топлива. Тем не менее своб роль в обучении ядерных физиков, в измерении различных констант в ядерной программе Северной Кореи он сыграл.

Пущенный в 60х реактор больше чем на десятилетие отвлек Северную Корею от собственной ядерной программой, и как мне кажется, умело служил морковкой для северокорейских товарищей, хорошо оценивовавших свои силы и надеявшихся получить ядерную индустрию от “северного брата”. Однако к концу 70х СК все же переключается на самостоятельную программу и с 1980 по 1986 строит в том же Йонбёне канальный графитовый газоохлаждаемый реактор (схожий по идеологии с Magnox) мощностью 20 или 25 тепловых мегаватт и завод по изготовлению свежего топлива для этого реактора. Это практически идеальный вариант для дешевого промышленного реактора: канальная схема позволяет осуществлять сверхкороткую выдержку топливных блоков, газовый теплоноситель позволяет не думать о коррозионных проблемах. Важно отметить, что чем короче выдержка, тем выше кпд трансмутации U238 в Pu239 и чище плутоний (меньше старших изотопов), но одновременно тем меньше содержание плутония в топливе и тем больше его остается из-за конечности эффективности химической экстракции из раствора. Поэтому есть некий оптимум выдержки, обычно от 400 до 1000 МВт*дней на тонну топлива.

Скорость трансмутации урана в плутоний в зависимости от выгорания.

Видно, что выгоднее как можно более короткие выдержки топлива, однако при концтрации плутония меньше 0,05% эффективность его извлечения из раствора ОЯТ в азотной кислоте начинает падать и все больше плутония теряется. В то же время выдержка больше 1000 МВт*дней на тонну начинает вызывать распухание металлического топлива, и усложнять технологию облучения. Кстати, в энергетических реакторах стандартные выгорания лежат в диапазоне 40-60 тысяч МВт*дней на тонну.


Здание северокорейского "Магнокса", вытянувшего всю корейскую программу производства плутония. В прессе он часто фигурирует как 5-мегаваттный реактор, но речь идет о электрической а не тепловой мощности, хотя понятно, что задачей этого реактора является совсем не выработка электричества.
Вслед за канальным реактором, на той же площадке в 1992 последовал пуск комплекса по радиохимической переработке, началось строительство 200 мегаваттного реактора (формально энергетического, но того же удобного для целей производства плутония типа Magnox). Одновременно все там же, в Йонбёне, были созданы лаборатории по работе со взрывчаткой, аналогичные имещимся в Лос-Аламосе и Арзамасе-16. 



Фотография места в фабрике переработки ОЯТ, где располагалась машина, разрезавшая ОЯТ ТВС и передававшая их на растворение в начале процесса Purex. Да, к сожалению, тут нужно включать воображение.

Понятно, что еще с конца 80х международная дипломатия, и прежде всего американцы, пытались разными способами затормозить ядерную программу Северной Кореи. В частности, в 1991 году США убрали из Южной Кореи свое тактическое ядерное оружие, и продвинули заключение между двумя кореями договора о безъядерном статусе полуострова. По этому соглашению начались визиты инспекторов МАГАТЭ на ядерные объекты СК, которые, впрочем, шли беспроблемно только до появления желания посмотреть основные ядерно-оружейные объекты, в частности завод по переработке ОЯТ, после чего стороны вошли в двухлетний клинч. Следующий раунд дипломатии в 1994 году привел к договоренности с СК о заморозке программы переработки плутония и об остановке и разборе реактора (и отказе от строительства новых), взамен на поставки продовольствия, топлива и обещания построить 2 гигаватта АЭС в Северной Кореи.
К моменту подписания этой договоренности, называвшейся “Agreed Framework”, инспекторы МАГАТЭ насчитали наличие ~24 килограмм облученного плутония в ОЯТ 25-мегаваттного Magnox, в основном хранившегося в бассейне выдержки при реакторе. Незначительная часть этого топлива (для понимания - эти 24 килограмма содержалось в примерно 8000 облученых ТВС весом 60 тонн) была переработана на 1994 год, но, видимо, непосредственной возможности собрать ядерную бомбу у Кореи еще не было, дипломаты затормозили страну буквально в полугоде от такой возможности.


Снимок бассейна выдержки топлива корейского газо-графитового реактора. По-видимому это корзины с простыми стержневыми твэлами, схожими с блочками, облучавшимися в советский промышленных уран-графитовых реакторах.
Самое удивительное в этой договоренности то, что она довольно долго выполнялась: Северная Корея остановила реактор и не перерабатывала ОЯТ (что контролировалось МАГАТЭ), получала мазут и ждала начала строительства двух гигаваттных блоков (их должна была построить KEPCO, и даже провела в 2002 году церемонию “первого бетона” на строительстве АЭС). Однако в 2002 году США обвинили СК в наличии у них секретного центрифужного производства, где мог производится оружейный уран, в ответ СК обвинила всех подряд в предвзятости. Конфликт закончился фактическим разрушением “Agreed Framework”.
Вообще говоря, газоцентрифужное производство частно подается как одна из опаснейших ядерно-оружейных технологий. На деле надо понимать, что газовые центрифуги сложны не только конструктивно, но и производственно (это прецизионная механика из не самых простых материалов, которую надо выпускать в огромных объемах). Для маленькой страны, которая хочет получить в руки ядерную бомбу, ГЦ является неочевидной темой для освоения.


А это фотография остатков печей, в которых выплавляли уран и отливали блочки для твэлов.

Во-первых, для производства 30-40 кг оружейного урана в год необходимо построить более сотни тысяч центрифуг, каждая размером примерно с 155 миллиметровый снаряд. Кроме того нужно построить конверсионно-сублиматные производства, превращающие двуокись урана UO2 в гексафторид урана UF6. К ним нужны производства чистого фтора, плавиковой кислоты, фреонов, а также множества материалов, из которых будет собирается система, по которым будут перемещаться эти адские газы (никелевые сплавы и нержавеющие стали, тефлон).
Во-вторых, создать мощную бомбу на базе только 235 урана сложно - простая имплозивная схема дает слишком большое и тяжелое устройство, которое невозможно поставить на ракету, а варианты с бустингом, композитным ядром, слойки и т.п. - требуют совершенно другого уровня развития ядерно-оружейного комплекса и в конце концов того же плутония.
Однако Северная Корея пошла по этому пути, возможно, подталкиваемая удачным запретом на производство плутония. Так или иначе у исследователей ядерной программы СК кроме развлечения с подсчетом объемов плутония добавились еще более зыбкие рассуждения про объемы наработанного оружейного урана и его возможное применение. 


Примерно 5 тонн промежуточного продукта (UO3) на фабрике по производству свежего топлива для 20-мегаваттного реактора сложено под камерами МАГАТЭ.

Впрочем, из-за разрушения договоренностей 2002 года Северная Корея поспешила достичь целей, к которым шла еще с 50х, и 9 октября 2006 года взорвала свой первый ядерный боезаряд. Если в 2006 году было очень много скепсиса по поводу реалистичности ядерного испытания, целая “партия тысячи тонн аммонала” из-за низкой мощности подрыва, то сегодня (в 2017 году, после проведения 120+ килотонного испытания) ясно, что за 4 года СК сумела переработать ОЯТ, выделить и очистить плутоний, сконструировать и изготовить боеприпас и войти в клуб ядерных держав.
Кстати, забавно, что за месяц до этого испытания Израиль разбомбил в Сирии некое сооружение, которое МАГАТЭ потом назвали копией 25-мегаваттного корейского реактора, находящегося в процессе монтажа. 
Сложившаяся ситуация вернула за стол переговоров с Северной Кореей США, РФ, Китай, Японию и Южную Корею и через 4 месяца Северная Корея вновь получила обещания всяческой помощи в обмен на заморозку своей ядерной программы. Интересно, конечно, было бы послушать дипломатов, потому что мне, например, решительно непонятно, как можно добиться такого результата. Но факт остается фактом - Северная Корея начала получать плюшки в обмен на постепенный демонтаж своего реактора: летом 2007 года инспекторы МАГАТЭ убедились, что реактор в Йонгбёне остановлен, и взяли под контроль свежее и облученное топливо. Позже было продемонстрировано, что на фабрике по производству свежего топлива демонтировано все оборудования (что бы это ни значило), а летом 2008 года, как вишенка на торте, была взорвана градирня охлаждения йонгбёнского реактора.


Та самая, взорванная в последствии и не восстановленная до сих пор градирня. Очевидно, отсутсвие системы сброса тепла усложняет эксплуатацию реактора, впрочем видимо его перевели на проточное охлаждение водой из соседней реки.


Лебедка для передвижения корзин с ОЯТ на начало переработки (передвижение осущесвлялось по горячей камере за задней стеной). Интересно, что в белом шкафу расположены американские детекторные блоки, способные детектировать работу с ОЯТ.

Впрочем, на этом очередной этап дружбы и согласия вновь закончился. США не исключили СК из списка спонсоров террористов, как обещали, и северокорейцы слегка удивившись выгнали инспекторов МАГАТЭ с объектов и начали их восстановление. 25 мая 2009 года Северная Корея проводит второй подрыв мощностью 4-5 килотонн.


Фотографий испытаний, к сожалению, не существует, зато есть такая замечательная зарисовка "Высший руководитель Ким Чен Ин обучает корейских разработчиков ядерного оружия тонкостям проектирования и производства". Перед Кимом макет мультиточечного имплозивного заряда, схожего с ранними американскими зарядами.

Кстати, остановимся на секунду, и посмотрим как обычно выглядят эти подрывы для всех, не вовлеченных непосредственно в северокорейскую ядерную программу. Поскольку проводятся они в штольнях в горах на северо-востоке страны, то основным свидетельством взрыва являются сейсмические сигнатуры, которые регистрируются в окружающих странах. Сейсмологи говорят, что у ядерного взрыва есть несколько особенностей, и главная из них - фактически наземное расположение источника сейсмического сигнала, тогда как землетрясения обычно имеют источник глубоко под землей.


После очередного разрыва с западом Северная Корея не только возобновила испытания, но и развила приличную активность по достройке производств в Йонбёне.

Ядерную природу взрыва можно зафиксировать по наличию некоторых короткоживущих радиоизотопов, в частности Ксенона-135 к Ксенону-133. В то время, как в ОЯТ это соотношение составляет около 0,5 в продуктах деления ядерного взрыва оно порядка 100, поэтому повышенное соотношение изотопов яркий маркер взрыва (на деле определение характера источника чуть сложнее и вовлекает другие соотношения изотопов, подробнее здесь). Для северной кореи повышенные соотношения фиксировались в 2006 и 2010 году. Кроме того, характерным признаком является наличие изотопов Ba-140/Cs-140 при отсутствии других изотопов бария и цезия. Это говорит о мгновенном выбросе газов сразу после бурного процесса ядерного деления, т.к. эти изотопы - продукты распада очень короткоживущего ксенона-140. В старом ОЯТ ксенона-140 нет, из свежего горячего он выбрасывается вместе с другими летучими изотопами цезия.


Один из германиевых детекторов, осуществляющий контроль. В центре - сам гамма-спектрометр, на который надевается циллиндрический фильтр с образцами. Вокруг - свинцовая защита толщиной ~200 мм, и спереди это все тоже закрывается 200мм крышкой.

Существует целая сеть из 321 станций международной организации ОДВЗЯИ, которые нацелены на поиск изотопов-маркеров ядерных взрывов, и именно информация с них позволяет вычислять некоторые характеристики ядерных испытаний Кореи. Например, похоже, что испытания 2009 года были проведены в той же камере, что испытания 2006 года, возможно по соображения аккумуляции плутония в одном месте, откуда его потом можно будет добыть. В принципе, если станции захватывают весь спектр летучих продуктов деления, то ОДВЗЯИ способна сказать, был заряд из плутония 239 или урана 235, было термоядерное усиление заряда или нет и даже уточнить сейсмические данные по мощности. Однако далеко не всегда ПД долетали до станций - так для испытания 2009 года выход радионуклидов зафиксировали только в 2010 (видимо, при вскрытии штольни северокорейцами).
После 2009 года СК провела похожие подрывы ~5-10 килотонных зарядов в штольнях в 2013 году и дважды в 2016, и наконец, в сентябре 2017 года был взорван боезаряд, оцененный сейсмологами в 120-400 килотонн.


Буквально за день до подрыва СК распространила вот такие фотографии, намекающие на наличие у СК двухступенчатого термоядерного боеприпаса, возможно даже со схемой радиационной имплозии (хайтек в мире ядерных бомб). Для идиотов сзади имеется плакат, показывающий, что эта бомба влезает в боеголовки имеюшихся у СК баллистических ракет.

120 килотонн означает однозначное освоение Северной Кореей термоядерных боеприпасов (возможно не совсем таких, как их видят СМИ, но практически однозначно боеприпасов часть энергии которых выделяется термоядерным синтезом), что в свою очередь требует наличия мощностей по разделению изотопов лития и водорода (т.е. по получению тяжелой воды) а также, возможно, радиохимической лаборатории, способной работать с тритием.
Боеприпас в несколько сотен килотонн, водруженный на последние достижения северокорейских ракетчиков представляет собой серьезнейшее оружие, до сих пор доступное всего 5 странам мира. Осторожное суммирование возможностей Северной Кореи говорит о наличии у страны от 5 до 15 боеприпасов, которые могут быть конвертированны в заряды подобной мощности.


Не знаток корейских ракет, но эти выглядят достаточно внушительно, что бы быть МБР.

Возможно, правы были аналитики, предупреждавшие в 2011 году, что нападение на Муамара Кадаффи, сдавшего свою ядерную программу в обмен на гарантии безопасности, еще аукнется на востоке.  



Ссылка