Költség / hatékonyság szempontjából a nukleáris fegyverek a leghatékonyabbak az emberiség történetében: e fegyverek fejlesztésének, tesztelésének, gyártásának és működtetésének éves költségei az Egyesült Államok katonai költségvetésének 5-10 százalékát teszik ki. az Orosz Föderáció - olyan országok, amelyek már kialakított nukleáris termelési komplexummal rendelkeznek, kifejlesztették az atomenergia -technikát és rendelkezésre állnak egy szuperszámítógép -flotta a nukleáris robbanások matematikai modellezésére.
A nukleáris eszközök katonai célú felhasználása a nehéz kémiai elemek atomjainak azon tulajdonságain alapul, hogy könnyebb elemek atomjaivá bomlanak, miközben elektromágneses sugárzás formájában energiát bocsátanak ki (gamma- és röntgentartományok), valamint az elemi részecskék (neutronok, protonok és elektronok) és a könnyebb elemek atomjainak (cézium, stroncium, jód és mások) szétszóró mozgási energiájának formája
A legnépszerűbb nehéz elemek az urán és a plutónium. Izotópjaik, amikor magjukat hasítják, 2-3 neutront bocsátanak ki, ami viszont a szomszédos atomok magjának hasadását okozza stb. Az anyagban önterjedő (úgynevezett lánc) reakció lép fel, amely nagy mennyiségű energiát szabadít fel. A reakció elindításához egy bizonyos kritikus tömegre van szükség, amelynek térfogata elegendő lesz ahhoz, hogy az atommagok neutronokat rögzítsenek anélkül, hogy az anyagon kívül neutronokat bocsátanának ki. A kritikus tömeg csökkenthető neutron reflektorral és beindító neutronforrással
A hasadási reakció úgy indul meg, hogy két szubkritikus tömeget egyesít egy szuperkritikus tömegbe, vagy egy szuperkritikus tömeg gömbhéját gömbbé préseli, ezáltal növelve a hasadóanyag koncentrációját egy adott térfogatban. A hasadóanyagot vegyi robbanóanyag irányított robbanása kombinálja vagy összenyomja.
A nehéz elemek hasadási reakciója mellett a könnyű elemek szintézisének reakcióját használják a nukleáris töltésekben. A termonukleáris fúzióhoz több tízmillió fokos és légköri anyag felmelegítésére és összenyomására van szükség, ami csak a hasadási reakció során felszabaduló energia miatt biztosítható. Ezért a termonukleáris töltéseket kétlépcsős séma szerint tervezik. A hidrogén, a trícium és a deutérium izotópjai (amelyek minimális hőmérséklet- és nyomásértékeket igényelnek a fúziós reakció elindításához) vagy egy kémiai vegyület, a lítium -deuterid (ez utóbbi, az első szakasz robbanásából származó neutronok hatására) tríciumba és héliumba) könnyű elemként használják. A fúziós reakcióban az energia elektromágneses sugárzás és neutronok, elektronok és héliummagok (ún. Alfa-részecskék) kinetikus energiája formájában szabadul fel. A fúziós reakció egy egységnyi tömegre leadott energiája négyszer nagyobb, mint a hasadási reakcióé
A tríciumot és annak bomlástermékét, a deutériumot neutronforrásként is használják a hasadási reakció elindításához. A trícium vagy a hidrogénizotópok keveréke a plutóniumhéj összenyomása hatására részben fúziós reakcióba lép neutronok felszabadulásával, amelyek a plutóniumot szuperkritikus állapotba hozzák.
A modern nukleáris robbanófejek fő alkotóelemei a következők:
-az U-238 urán stabil (spontán nem hasadó) izotópja, amelyet uránércből vagy (szennyeződés formájában) foszfátércből nyernek ki;
-az U-235 urán radioaktív (spontán hasadó) izotópja, amelyet uránércből nyernek ki vagy az U-238-ból nukleáris reaktorokban állítanak elő;
-a Pu-239 plutónium radioaktív izotópja, amelyet U-238-ból állítanak elő nukleáris reaktorokban;
- a hidrogén -deutérium D izotópja, amelyet természetes vízből nyernek ki vagy nukleáris reaktorokban protiumból állítanak elő;
- T hidrogén -trícium radioaktív izotópja, amelyet nukleáris reaktorokban deutériumból állítanak elő;
- stabil lítium-izotóp, ércből kivont;
- a berillium Be-9 stabil izotópja, ércből nyerve;
- HMX és triaminotrinitrobenzol, kémiai robbanóanyagok.
A 17 cm átmérőjű U-235-ös golyó kritikus tömege 50 kg, a 10 cm átmérőjű Pu-239-ből készült golyó kritikus tömege 11 kg. A berillium -neutron reflektorral és a trícium -neutronforrással a kritikus tömeg 35, illetve 6 kg -ra csökkenthető.
A nukleáris töltések spontán működésének kockázatának kiküszöbölésére használják az ún. fegyveres Pu-239, a plutónium egyéb, kevésbé stabil izotópjaitól 94%-ig tisztítva. 30 éves időszakonként a plutóniumot megtisztítják izotópjainak spontán magbomlásának termékeiből. A mechanikai szilárdság növelése érdekében a plutóniumot 1 tömegszázalék galliummal ötvözik, és vékony nikkelréteggel vonják be, hogy megvédjék az oxidációtól.
A plutónium sugárzás önmelegedésének hőmérséklete a nukleáris töltések tárolása során nem haladja meg a 100 Celsius fokot, ami alacsonyabb, mint egy vegyi robbanóanyag bomlási hőmérséklete.
2000 -től az Orosz Föderáció rendelkezésére álló fegyverminőségű plutónium mennyiségét 170 tonnára, az Egyesült Államokat 103 tonnára becsülik, plusz több tonna tonnát fogadtak el tárolásra a NATO -országokból, Japánból és Dél -Koreából, amelyek nem rendelkeznek atomfegyverrel. Az Orosz Föderáció rendelkezik a világ legnagyobb plutónium-termelési kapacitásával fegyverminőségi és erőművi gyorsreaktorok formájában. A plutóniummal együtt, körülbelül 100 amerikai dollár / gramm áron (5-6 kg töltésenként), a tríciumot körülbelül 20 ezer amerikai dollár (gramm töltésenként) áron állítják elő.
A nukleáris hasadások legkorábbi tervei a Kid and Fat Man voltak, amelyeket az Egyesült Államokban fejlesztettek ki az 1940-es évek közepén. Az utóbbi típusú töltés különbözött az elsőtől a sok elektromos detonátor robbantását szinkronizáló komplex berendezésben és nagy keresztirányú méreteiben.
A "kölyök" ágyúvázlat szerint készült - tüzérségi csövet szereltek fel a légbomba test hossztengelye mentén, amelynek tompa végén a hasadóanyag (U -235 urán) fele volt, a második fele a hasadóanyagból por töltéssel felgyorsított lövedék volt. Az urán hasznosítási tényezője a hasadási reakcióban körülbelül 1 százalék volt, az U-235 tömeg többi része radioaktív csapadék formájában hullott ki, 700 millió éves felezési idővel.
A "Kövér ember" egy impozáns séma szerint készült-a hasadóanyag (Pu-239 plutónium) üreges gömbjét U-238 (toló) uránból készült héj, alumínium héj (kioltó) és héj (robbanás) vette körül generátor), amely egy kémiai robbanóanyag öt- és hatszögletű szegmenséből áll, és amelynek külső felületére elektromos detonátorokat szereltek fel. Mindegyik szegmens kétféle robbanóanyag robbantó lencséje volt, különböző robbanási sebességgel, a szétterülő nyomáshullámot gömb alakú konvergáló hullámmá alakítva, egyenletesen összenyomva az alumíniumhéjat, amely viszont összenyomta az uránhéjat, és a plutónium gömböt, amíg belső üreg zárt. Alumínium abszorberrel vették fel a nyomáshullám visszarúgását, amikor az nagyobb sűrűségű anyagba kerül, és egy uránnyomót használtak a plutónium közömbös tartására a hasadási reakció során. A plutónium gömb belső üregében egy neutronforrás található, amely a Po-210 polónium radioaktív izotópból és a berilliumból készült, amelyek a polónium alfa-sugárzásának hatására neutronokat bocsátottak ki. A hasadóanyag hasznosítási tényezője körülbelül 5 százalék volt, a radioaktív csapadék felezési ideje 24 ezer év.
Közvetlenül a "Kid" és a "Fat Man" amerikai megalkotása után megkezdődött a nukleáris töltések, mind az ágyú-, mind a robbanásveszély -tervezés optimalizálása, amelynek célja a kritikus tömeg csökkentése, a hasadóanyagok hasznosítási arányának növelése, valamint a elektromos detonációs rendszer és a méret csökkentése. A Szovjetunióban és más államokban - az atomfegyverek tulajdonosaiban - a vádakat eredetileg egy impozáns rendszer szerint hozták létre. A tervezés optimalizálása eredményeképpen a hasadóanyag kritikus tömege csökkent, és hasznosítási együtthatója többször megnövekedett a neutronreflektor és a neutronforrás használata miatt.
A berillium-neutron reflektor egy 40 mm vastag fémhéj, a neutronforrás gáz halmazállapotú trícium, amely kitölti a plutónium üregét, vagy a tríciummal impregnált vas-hidrid titánnal, külön hengerben (emlékeztető), és melegítés hatására tríciumot bocsát ki. közvetlenül a nukleáris töltés használata előtt árammal, majd a tríciumot a gázvezetéken keresztül betáplálják a töltésbe. Ez utóbbi technikai megoldás lehetővé teszi a nukleáris töltés teljesítményének megsokszorozását a szivattyúzott trícium térfogatától függően, és megkönnyíti a gázkeverék cseréjét is 4-5 évente, mivel a trícium felezési ideje 12 év. A túlzott mennyiségű trícium az emlékeztetőben lehetővé teszi a plutónium kritikus tömegének 3 kg -ra történő csökkentését, és jelentősen növeli az olyan káros tényező, mint a neutron sugárzás hatását (más károsító tényezők - lökéshullám és fénysugárzás - hatásának csökkentésével)). A tervezés optimalizálása eredményeként a hasadóanyag -hasznosítási tényező 20%-ra, a trícium -felesleg esetén pedig akár 40%-ra emelkedett.
Az ágyúsémát egyszerűsítették a sugárirányú-tengelyirányú robbanásra való áttérés miatt, mivel egy darab hasadóanyagot készítettek üreges henger formájában, amelyet két végű és egy tengelyirányú robbanótöltet robbanása zúzott össze.
Az impozíciós sémát úgy optimalizálták (SWAN), hogy a robbanóanyag külső burkolatát ellipszoid alakban készítették el, ami lehetővé tette a detonációs lencsék számának csökkentését az ellipszoid pólusaitól távol eső két egységre - a különbség a a detonációs hullám sebessége a detonációs lencse keresztmetszetében biztosítja a lökéshullám egyidejű közeledését a robbanóanyag belső rétegének gömbfelületéhez, amelynek felrobbanása egyenletesen összenyomja a berilliumhéjat (kombinálva a neutron reflektor és a nyomáshullámú visszacsapó csappantyú) és plutóniumgömb, amelynek belső ürege tríciummal vagy annak deutériumkeverékével van feltöltve
A robbanásveszélyes berillium-plutónium szerelvény végrehajtása a robbanásveszélyes berillium-plutónium szerelvény végrehajtása egy üreges ellipszoid formájában, változó falvastagsággal, amely biztosítja a szerelvény kiszámított deformációját. lökéshullám hatására a robbanásveszélyes robbanástól a végső gömbszerkezetig
A különböző technikai fejlesztések ellenére a nukleáris hasadási töltések ereje 100 Ktn -ra korlátozódott TNT -ekvivalensben, mivel a hasadóanyag külső rétegeinek elkerülhetetlen kitágulása a robbanás során, az anyag kizárásával a hasadási reakcióból.
Ezért javasoltak egy tervezést egy termonukleáris töltéshez, amely magában foglalja a nehéz hasadási elemeket és a könnyű fúziós elemeket is. Az első termonukleáris töltés (Ivy Mike) egy kriogén tartály formájában készült, amelyet trícium és deutérium folyékony keverékével töltöttek fel, és amelyben egy plutónium impozáns nukleáris töltése található. A rendkívül nagy méretek és a kriogén tartály állandó hűtésének szükségessége miatt a gyakorlatban más sémát alkalmaztak - egy impozáns "puffanást" (RDS -6s), amely több váltakozó réteg uránt, plutóniumot és lítium -deuteridet tartalmaz külső berillium reflektor és belső tríciumforrás
A „puffadás” erejét azonban az 1 Mtn szint is korlátozta a hasadási és szintézisreakció kezdete miatt a belső rétegekben és a reagálatlan külső rétegek kitágulása miatt. Ennek a korlátozásnak a kiküszöbölése érdekében kidolgoztak egy sémát a fúziós reakció könnyű elemeinek röntgensugarakkal történő összenyomására (második szakasz) a nehéz elemek hasadási reakciójából (első szakasz). A hasadási reakcióban felszabaduló röntgensugár-fotonok óriási nyomása lehetővé teszi a lítium-deuterid 10-szeres összenyomását, 1000-szeres sűrűségnövekedéssel és felmelegedést a tömörítési folyamat során, ezt követően a lítium ki van téve a neutronáramnak. hasadási reakció, tríciummá alakul, amely deutériummal fúziós reakcióba lép. A termonukleáris töltés kétlépcsős sémája a legtisztább a radioaktivitási hozam szempontjából, mivel a fúziós reakcióból származó másodlagos neutronok elreagálatlan uránt / plutóniumot égetnek rövid életű radioaktív elemekké, és a neutronok maguk is kialszanak a levegőben hatótávolsága körülbelül 1,5 km.
A második fokozat egyenletes krimpelése érdekében a termonukleáris töltet teste földimogyoróhéj formájában készül, az első szakasz szerelvényét a héj egyik részének geometriai fókuszába helyezve, és a a héj másik részének geometriai fókuszának második szakasza. A szerelvényeket a test nagy részében hab vagy airgel töltőanyag segítségével függesztik fel. Az optika szabályai szerint az első szakasz robbanásából származó röntgensugárzás a héj két része közötti szűkületben koncentrálódik, és egyenletesen oszlik el a második szakasz felületén. Annak érdekében, hogy növelje a röntgensugárzás visszaverődését, a töltőtest belső felületét és a második fokozat szerelvényének külső felületét sűrű anyagréteg borítja: ólom, wolfram vagy urán U-238. Utóbbi esetben a termonukleáris töltés háromfokozatúvá válik-a fúziós reakcióból származó neutronok hatására az U-238 U-235-vé alakul, amelynek atomjai hasadási reakcióba lépnek és növelik a robbanóerőt
A háromlépcsős sémát beépítették a szovjet AN-602 légi bomba tervezésébe, amelynek tervezési teljesítménye 100 Mtn volt. A vizsgálat előtt a harmadik szakaszt kizárták az összetételéből az U-238 urán ólommal való helyettesítésével, mivel fennáll annak a veszélye, hogy az U-238 hasadása következtében a radioaktív csapadék zónája a vizsgálati helyszínen túl kiterjed. Az AN-602 kétlépcsős módosításának tényleges kapacitása 58 Mtn volt. A termonukleáris töltések teljesítménye tovább növelhető a kombinált robbanószerkezetben lévő termonukleáris töltések számának növelésével. Ez azonban nem szükséges a megfelelő célok hiánya miatt - az AN -602 modern analógja, amelyet a Poseidon víz alatti jármű fedélzetére helyeztek, 72 km -es lökéshullámmal és sugárral roncsolja az épületeket és szerkezeteket 150 kilométeres tüzekből, ami elég ahhoz, hogy elpusztítsanak olyan nagyvárosokat, mint New York vagy Tokió
Az atomfegyver-használat következményeinek korlátozása szempontjából (területi lokalizáció, a radioaktivitás kibocsátásának minimalizálása, a felhasználás taktikai szintje) az ún. precíziós egylépcsős töltések akár 1 Ktn kapacitással, amelyek célja a célpontok - rakétasilók, központ, kommunikációs központok, radarok, légvédelmi rakétarendszerek, hajók, tengeralattjárók, stratégiai bombázók stb. - megsemmisítése.
Az ilyen töltés kialakítása robbanásveszélyes szerelvény formájában történhet, amely két ellipszoid alakú detonációs lencsét tartalmaz (HMX vegyi robbanóanyag, inert anyag polipropilénből), három gömbhéjat (berilliumból készült neutron reflektor, piezoelektromos generátor cézium -jodid, plutóniumból származó hasadóanyag) és egy belső gömb (lítium -deuterid fúziós üzemanyag)
A konvergáló nyomáshullám hatására a cézium-jodid nagyhatalmú elektromágneses impulzust generál, az elektronáram gamma-sugárzást generál a plutóniumban, amely kiüti a neutronokat a magokból, ezáltal önszaporodó hasadási reakciót kezdeményez, a röntgensugarak összenyomják és felmelegítik a lítium-deuteridet, a neutron fluxus lítiumból tríciumot termel, amely reakcióba lép a deutériummal. A hasadási és fúziós reakciók centripetális iránya biztosítja a termonukleáris üzemanyag 100% -os felhasználását.
A nukleáris töltés kialakításának továbbfejlesztése a teljesítmény és a radioaktivitás minimalizálása irányába lehetséges, ha a plutóniumot kicserélik egy kapszula lézeres kompressziós eszközére trícium és deutérium keverékével.
