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Text File  |  2003-06-29  |  19KB  |  360 lines

  1. This note is currently being revised in the light of new information
  2. supplied by Lindl's ICF paper. 24/11/1995
  3.  
  4. TELLER-ULAM CONSTRUCTION
  5.  
  6. "... it is my judgement in these things that when you see something that
  7.  is technically sweet you go ahead and do it and you argue about what to
  8.  do about it only after you have had your technical success. That is the
  9.  way it was with the atomic bomb. I do not think anyone opposed making it;
  10.  there were some debates about what to do with it after it was made."
  11.  
  12.                     Robert J. Oppenheimer
  13.                         on the H-bomb
  14.                 
  15. "Don't bother me with your conscientious scruples. After all, the thing's
  16.              superb physics."
  17.  
  18.                     Enrico Fermi on the H-bomb
  19.  
  20. The basic problem of the H-bomb is to use the energy and particles 
  21. released in a fission device to firstly compress and secondly heat 
  22. a mass of fusion fuel. Fusion can only occur under temperatures,
  23. pressures, and densities at, or exceeding, those found at the centre
  24. of the sun. The latter is the case for a H-bomb since the reactions
  25. in the bomb occur on a much shorter scale than those in the sun.
  26.  
  27. You have to have extremely fast moving nuclei to overcome
  28. electrostatic repulsion of the positive proton charges. You need
  29. about 1 trillion atmospheres (8,000,000,000 tonnes/square inch) or
  30. about 1 million megabars. This leads to extremely densely packed
  31. atoms and molecules, which increases the likelihood and frequency
  32. (rate) of collisions. High compactification of fissile material
  33. also reduces the mean free path of fast neutrons. To achieve these
  34. goals, you have to configure the secondary just right. The Teller-
  35. Ulam multistage configuration does precisely this. It is thought
  36. that three main concepts are involved in this design. 
  37.  
  38. You should think of a H-bomb as a multistage engine, with 3 explosive
  39. stages. Since the explosions occur so quickly, it seems like only
  40. one flash occurs, whereas 3 actually do. These correspond to the
  41. initial fission of the primary, the fusion of the secondary, and the
  42. fission of the casing or fusion tamper. In the case of a neutron
  43. bomb, the casing may be made out of a non-fissionable material like
  44. lead, so you would only get two explosions.
  45.  
  46. Separation of Stages
  47.  
  48. Much detail as to what goes in inside a H-bomb was gained in 1954
  49. during the Ivy Mike fallout. By a careful analysis of the fallout
  50. products, you could work out roughly where the energy came from.
  51. In particular, you looked at the ratio of higher Z radioisotopes in
  52. the fallout. You tried to find evidence as to whether these products
  53. had been exposed to unusually high neutron fluxes. Compression of
  54. the U-235 sparkplug in the secondary would increase the probability of
  55. multiple neutron exposure. Hence the formation of elements like
  56. transuranic Einsteinium and Fermium, which were first detected in the
  57. Ivy Mike fallout. See the references for evidence of massive Li6D compression
  58. and multiple neutron exposure.
  59.  
  60. The British designed their first H-bomb after examining American supplied
  61. Russian fallout from the Joe-4 test.
  62.  
  63. Around 50% of the H-bomb energy comes from fusion. The other 50% is
  64. from fission of the U-238 fusion capsule tamper or weapons casing.
  65. The fusion-boosted implosion core just serves as a trigger, and gives
  66. at most a few hundred kT of energy. Ted Taylor has done calculations
  67. showing it is possible to get into the megaton range for extremely
  68. efficient fusion-boosted imploders. Tritium gas is injected into the
  69. core during implosion to achieve boosting.
  70.  
  71. For a given volume of Pu or U, you would find an equivalent volume of
  72. Li6D to be 25 times less massive, due to differing densities. If you
  73. fused this amount of Li6D, you would get 3 times as much energy as
  74. you would fissioning the equivalent amount of Pu or U, taking into
  75. account the energy released per reaction. Note that although a single
  76. fission releases more energy than a single fusion event, the fission
  77. releases the binding energy of 235 nucleons, whereas the fusion does
  78. the same for five or six nucleons. If you had 235/6 = 40 fusions, you
  79. would release more energy overall than fission of 235 nucleons. In a H-bomb
  80. it follows you need about 10x the volume of Li6D than Pu or U, to
  81. achieve a 50% energy release ratio. In other words, H-bombs have
  82. a small mass of U or Pu, and a much larger mass of Li6D. In a reaction,
  83. 100% of the material never fuses. With experience, 10% is an outstanding
  84. result. For a beginner, 1% is a good start.
  85.  
  86. The Failed Classical Super Design
  87.  
  88. Historically, the first theoretical designs for a H-bomb began with the
  89. classical Super. This was a boosted trigger surrounded by a mass of fusion
  90. fuel. When the trigger went off, the heat and shockwave were supposed to
  91. set off an outwardly propagating thermonuclear reaction in the fusion 
  92. material. This didn't work. Calculations by Ulam and von Neumann showed
  93. that temperatures and pressures weren't high enough to sustain such a
  94. reaction. It would 'fizzle'. The design was based on what happens in a
  95. supernova. Here, when material collapses into a neutron star, there is
  96. an amount of 'bouncing' off the core. When the material is reflected, a
  97. chain thermonuclear fusion reaction is set off, releasing a good percentage
  98. of that ever fused by the star over its lifetime.
  99.  
  100. A new idea was called for. This is where Teller, Ulam, and de Hoffmann came
  101. in. Rough calculations showed that sustained fusion could occur if the Li6D
  102. mass was separated from the trigger, possibly in the form of a concentric
  103. cylinder, surrounding a U-235 sparkplug, and surrounded itself by a U-238
  104. pusher. An ablation layer made up of a low-Z hydride surrounds this pusher.
  105. It is possible that primary and secondary are at two foci of an ellipsoid.
  106.  
  107. The main unknowns to the public are currently the design of the casing,
  108. and the shape and size of the secondary, relative to the primary.
  109.  
  110. Compression
  111.  
  112. The problem then is to transfer the energy from the implosion to
  113. this Li6D cylinder, firstly compressing it, and then heating it.
  114. Compression must precede heating since hot materials tend to expand
  115. more than cold ones. This energy transfer is the crucial idea in
  116. a H-bomb. You must compress the Li6D in under a shake, or else the
  117. expanding bomb debris will take everything apart before fusion has
  118. substantially gone underway.
  119.  
  120. The Greenhouse George test showed that a small quantity of D-T could
  121. be ignited by a fission device.
  122.  
  123. Radiation Coupled Implosion
  124.  
  125. Ed Teller has stated that the transfer of energy from the primary to
  126. the secondary is primarily via radiation in the form of soft X-rays,
  127. which travel at light speed. X-rays released by the trigger travel across
  128. the air gap separating the casing from the trigger, and strike the
  129. heavy (high-Z) bomb casing. Radiation pressure generated by the X-rays
  130. is decoupled from the fluid pressure of the fission fragments, which travel
  131. much more slowly.
  132.  
  133. We can learn a lot from Teller's statement. Mechanical (fluid) pressure isn't
  134. the transfer mechanism. Nor are hard (MeV) X-rays straight from nuclear
  135. reactions. Indeed, soft X-rays come from the ionization of a reasonably high-Z
  136. material. The only place this high-Z material could be is the bomb casing,
  137. which is responsible for most of the bomb's weight.
  138.  
  139. It is possible that a blackbody radiation mechanism is responsible
  140. for the tamper implosion.
  141.  
  142. For a few millionths of a second, the insides of the bomb become like
  143. a blackbody. Since the casing is so massive compared to the rest of
  144. the components (including the secondary), it expands relatively
  145. slowly. During the time the vaporised casing expands, a phenomenon known as
  146. X-ray fluorescence causes the casing ions to generates secondary X-rays.
  147. Since the casing atoms have been ionised, when the sea of electrons fall back
  148. into their shells, a uniform emission of secondary soft X-rays is released. 
  149. If the casing is machined just right, it is possible to direct these
  150. onto the secondary fuel mass from all directions, leading to a very even
  151. compression. The X-rays act as a photon gas, which equilibriates at light
  152. speed, much more quickly than a material gas made up of fission particles
  153. would (this would equilibriates at the speed of sound). The problem of
  154. the H-bomb is the calculation of the hydrodynamics, not the nuclear physics.
  155.  
  156. It doesn't have to be soft X-rays which cause the fluorescence. Anything with
  157. enough kinetic energy will do the job - fission fragments or neutrons can do
  158. it. All that needs to be done is to ionise the casing atoms.
  159.  
  160. What happens is that the secondary X-rays deposit their energy onto the
  161. ablation layer almost instantaneously and uniformly from all sides. The
  162. result is instantaneous heating. The surface layer of the fusion target
  163. is vaporised, forming a surrounding plasma envelope. The layer undergoes
  164. a blowoff with great force. This causes the inner part of the wrapper
  165. to compress (Newton's 3rd law) due to rocket recoil. This tamper pushes against
  166. the secondary Li6D fuel mass, and the mass is compressed to a fraction
  167. of its original width. If there is an air gap (levitation) between tamper
  168. and fuel, the tamper can develop more momentum to do the job. This is what
  169. happens in the levitated cores of fission triggers.
  170.  
  171. Since the ablator is composed of low-Z, light material, the blowoff will
  172. put a lot of energy into the expanding plasma. This prevents preheating of
  173. the Li6D fusion fuel before adequate compression is achieved, while still
  174. allowing for inward momentum coupling. In other words, the impulse is high.
  175.  
  176. By this time, the neutrons from the fission will have reached the sparkplug.
  177. The fissioning sparkplug ignites the Li6D annular cylinder from the inside,
  178. while compression occurs on the outside. Burning starts from the inner
  179. edge of the Li6D and, in under 1 ns, a large fraction of the Li6D is ignited.
  180. The core reaches 1000-10,000x the original density, igniting at 100 million
  181. degrees C. 
  182.  
  183. The high energy neutrons (> 1 MeV) released by fusion radiate out and
  184. strike the U-238 atoms of the pusher and expanding casing, causing more
  185. fission.
  186.  
  187. The casing acts as a heavy gas, whose inertia slows the expansion of the
  188. explosion. However, it plays no part in confinement of the fusion fuel. The
  189. compression caused by the imploding tamper does that job. The interatomic
  190. forces between the casing atoms are negligible.
  191.  
  192. The bomb tamper is crucial in confining the reactions until they develop
  193. appreciably.
  194.  
  195. To direct energy onto the secondary, you need firstly to
  196. interact with the casing. All this happens in under 10 shakes.
  197.  
  198. In ICF, a typical fusion sphere consists of layers of: (1) Be or LiH ablator,
  199. (2) a high Z polymer shield, (3) the main Li6D fuel, (4) the U-238 pusher,
  200. (5) a void, and (6) a Li6D ignitor.
  201.  
  202. Note that it's not the fission trigger X-rays which cause the blowoff,
  203. but the secondary X-rays due to the X-ray fluorescence of the high-Z
  204. heavy bomb casing. The casing acts like a hohlraum target. Nothing is
  205. reflected as such. Unlike visible light, which is coupled to optical
  206. bandstates on the surface of metals, X-rays are absorbed due to their
  207. much higher energy. 
  208.  
  209. The X-rays come mainly from the L->K and M->K shell transitions as the
  210. electrons drop down into the K shell vacancy, and hence lose energy.
  211.  
  212. Another possibility for an X-ray source is bremmstrahlung from deccelerating
  213. electrons in the ionised plasma.
  214.  
  215. Eventually, the X-rays manage to diffuse through the expanding bomb casing,
  216. and are released in a huge flux. This causes the initial light burst of a
  217. nuclear explosion, and is responsible for immediate deaths. Considering this
  218. light is 1000x brighter than the sun, this is no surprise! The temperature
  219. soars to over 1000 deg C in microseconds.
  220.  
  221. The mechanism of a H-bomb bears an uncanny relation to indirect drive
  222. ICF. Implosions driven by this method are relatively insensitive to the
  223. nature of the primary beams (they could be lasers or ions just as well).
  224. They are also hydrodynamically more stable. This is important, since the
  225. fusion fuel mass must be compressed symmetrically and evenly. 
  226.  
  227. X-ray - Plasma Interactions
  228.  
  229. This method tends to produce a large volume of target plasma through which
  230. the X-rays must propagate, however. Although it would be more efficient if
  231. the plasma were transparent to this radiation, it is not absolutely 
  232. necessary. A diffuse photon gas due to absorption, scattering, and re-
  233. emission by the target plasma will do.
  234.  
  235. A number of physical effects must be considered. These include:
  236.  
  237.     Absorption:
  238.  
  239.     - X-ray absorption by target
  240.         - inverse bremsstrahlung (generates collisional low temp
  241.             electrons)
  242.         - parametric instabilities (bremsstrahlung induced
  243.             collisionless hot electrons)
  244.         - resonance absorption (collisionless hot electrons)
  245.  
  246. Hot electrons lead to target expansion, which is not good for compression,
  247. for it takes more energy to compress a hot gas than a cold one.
  248.  
  249. Other undesirable effects include:
  250.  
  251.     - stimulated Brillouin scattering
  252.     - stimulated Raman scattering
  253.  
  254. These also generate preheat and hot electrons in the target.
  255.  
  256. We also need to look at:
  257.  
  258.         - thermal conduction (energy absorbed in a critical layer can be
  259.         inihibited from flowing into the ablation region)
  260.  
  261. Conversion Efficiences
  262.  
  263. For planar hohlraums, about 70-80% of the incident energy can be
  264. converted into X-rays. You get better target coupling at short wavelengths.
  265.  
  266. Other Forms of Compression
  267.  
  268. Instead of radiation, could it be a material shockwave which does
  269. the compression? Or a combination of both? It is known that at the
  270. centre of the earth, iron is compressed to 30% its volume, subject to
  271. about 5 Mbars. So we are way beyond the non-compressible regime, into
  272. nonlinear effects. In fact, Ulam proposed using shock waves, but this
  273. would have resulted in less even compression. Compression of the fusion
  274. fuel can get as high as 1000x solid density, at 100 million degrees C.
  275.  
  276. Ulam is said to have come up with the solution to the energy transfer 
  277. problem when he was looking at ways to improve the efficiency of the
  278. trigger. The joint Teller-Ulam paper talked about "hydrodynamic lenses
  279. and radiation mirrors". Could there be some sort of lensing or baffle
  280. system inside the hohlraum, which focusses radiation onto the Li6D via the
  281. casing? I find this highly unlikely. Note that the shorter the wavelength,
  282. the less refracted light gets. It is very hard to bend X-rays, let alone
  283. gamma rays. Also, wouldn't the lens system vaporise before enough radiation
  284. was focussed? "Hydrodynamic lenses" is reminiscent of the shaped charges
  285. used in achieving a spherical shockwave in the trigger implosion.
  286.  
  287. Possible focussing systems include hohlraums shaped like ellipsoids, or
  288. parabaloids with the primary at the focus. It is very difficult to shape
  289. the secondary like a cylinder, and get a compression wave travelling just
  290. before fast neutrons from the sparkplug cause fission - although not
  291. impossible. Another problem with the cylindrical shape is that compressing
  292. from the sides is like squeezing a tube of toothpaste. If the compression
  293. is not fast enough, the material will squirt out the ends.
  294.  
  295. Laser fusion using X-rays to compress pellets of D-T fuel is used in
  296. Livermore's NOVA. Ten pulsed lasers give a temperature of about 10^8 K, and
  297. increase particle density by a factor of 10^3. Each pellet is smaller than
  298. a grain of sand, and absorbs about 200kJ of energy in < 1 ns. Delivered
  299. power is about 2 x 10^14 W, about 100 times the entire world's electric
  300. power generating capacity. This is a peaceful example of inertial confinement
  301. fusion.
  302.  
  303. Neutrons Causing Compression?
  304.  
  305. Neutrons expand out at a slightly greater rate as the fission fragments.
  306. Can they compress the Li6D in time, before the fragments tear everything
  307. apart? A shockwave is just a longitudinal compression of the propagation
  308. medium. Energy is transferred in collisions between the atoms or molecules.
  309.  
  310. If this worked (a classical super design), then the most efficient
  311. way to capture these fission neutrons would be to surround a fission
  312. bomb with fusion fuel, and hope to cause an outward propagating shock wave.
  313. If you didn't surround it, then you'd be wasting lots of neutrons.
  314. The fact that H-bombs don't look like this (big, fat, and round) is evidence
  315. against he idea.
  316.  
  317. Other Theories
  318.  
  319. From: merlin <merlin@neuro.usc.edu>
  320.  
  321. The basic idea is the primary is detonated -- neutrons escape in all
  322. directions -- the secondary could be a hollowed out sphere of U-238
  323. with a Li6D core -- though usually the secondary is elongated to hold
  324. more Li6D.  The neutrons convert Li6D to TD.  They also cause fast
  325. fissions in the U-238 wrapper around the Li6D -- these fast fissions
  326. release an enormous amount of energy -- the energy causes the U-238
  327. to expand (about 2/3 of energy causes expansion outward from center
  328. of the sphere -- but about 1/3 of energy goes into inward compression
  329. -- thereby compressing the TD core) -- the shock compression and
  330. heating of the TD core reaches thermonuclear temperature and pressure
  331. -- then a recursive reaction begins -- fast neutrons from the TD core
  332. cause fast fissions in the U-238 wrapper -- fast fissions in the U-238
  333. wrapper cause additional shock compression and heating of the core --
  334. if optimum fusion temperature or pressure are exceeded the fusion
  335. reaction slows down, fewer neutrons are produced, fewer fast fissions
  336. occur, the U-238 wrapper releases some pressure -- until optimum
  337. fusion temp and pressure is reached again and the recursive reaction
  338. stabilizes (at least until you run out of TD to burn).  This is why
  339. in the traditional hydrogen bomb about half of the yield is fusion
  340. and half of the yield is fission -- the energy has to be balanced in
  341. order to hold the device together long enough to burn as much of the
  342. TD fuel as possible.  In the neutron bomb you get more waste tritium
  343. because most of the U-238 mantle has been stripped away -- and the
  344. device disassembles faster -- with much lower explosive yield.
  345.  
  346. The following diagram is adapted from Matt Kennel's <mbk@lyapunov.UCSD.EDU>:
  347.  
  348.    -------------------------------------------------------
  349.   /        |                                     |
  350.  / oooooo  |===========fusion fuel========================
  351. | oa-bombo --fission spark plug---------------------------
  352.  \ oooooo  |==============================================
  353.   \        |                                             |
  354.    -------------------------------------------------------
  355. <----------><---------------------------...>
  356. implosion    repetition of fusion cells clad in U-238 tampers
  357.  primary
  358.  
  359. 1994
  360.