Armele nucleare sunt cele mai eficiente din istoria omenirii în ceea ce privește costul / eficiența: costurile anuale pentru dezvoltarea, testarea, fabricarea și menținerea în funcțiune a acestor arme reprezintă de la 5 la 10 la sută din bugetul militar al Statelor Unite și Federația Rusă - țări cu un complex de producție nuclear deja format, au dezvoltat ingineria energiei atomice și disponibilitatea unei flote de supercalculatoare pentru modelarea matematică a exploziilor nucleare.
Utilizarea dispozitivelor nucleare în scopuri militare se bazează pe proprietatea atomilor de elemente chimice grele de a se descompune în atomi de elemente mai ușoare cu eliberarea de energie sub formă de radiații electromagnetice (gama și razele X), precum și în forma energiei cinetice a dispersării particulelor elementare (neutroni, protoni și electroni) și a nucleilor de atomi ai elementelor mai ușoare (cesiu, stronțiu, iod și altele)
Cele mai populare elemente grele sunt uraniul și plutoniul. Izotopii lor, atunci când își fisionează nucleul, emit de la 2 la 3 neutroni, care la rândul lor determină fisiunea nucleilor atomilor vecini etc. În substanță are loc o reacție de auto-propagare (așa-numitul lanț) cu eliberarea unei cantități mari de energie. Pentru a începe reacția, este necesară o anumită masă critică, al cărei volum va fi suficient pentru captarea neutronilor de către nucleii atomici fără emisia de neutroni în afara substanței. Masa critică poate fi redusă cu un reflector de neutroni și o sursă de neutroni de inițiere
Reacția de fisiune este inițiată prin combinarea a două mase subcritice într-una supercritică sau prin comprimarea unei cochilii sferice a unei mase supercritice într-o sferă, crescând astfel concentrația de materie fisibilă într-un volum dat. Materialul fisil este combinat sau comprimat printr-o explozie dirijată a unui exploziv chimic.
Pe lângă reacția de fisiune a elementelor grele, reacția de sinteză a elementelor ușoare este utilizată în sarcinile nucleare. Fuziunea termonucleară necesită încălzirea și compresia materiei până la câteva zeci de milioane de grade și atmosfere, care pot fi furnizate numai datorită energiei eliberate în timpul reacției de fisiune. Prin urmare, sarcinile termonucleare sunt proiectate în conformitate cu o schemă în două etape. Izotopii hidrogenului, tritiului și deuteriului (care necesită valori minime de temperatură și presiune pentru a începe reacția de fuziune) sau un compus chimic, deuterida de litiu (acesta din urmă, sub acțiunea neutronilor din explozia primei etape, este divizat în tritiu și heliu) sunt folosite ca elemente ușoare. Energia din reacția de fuziune este eliberată sub formă de radiație electromagnetică și energie cinetică a neutronilor, electronilor și nucleelor de heliu (așa-numitele particule alfa). Eliberarea de energie a reacției de fuziune pe unitate de masă este de patru ori mai mare decât cea a reacției de fisiune
Tritiul și produsul său deuteriu de auto-descompunere sunt de asemenea utilizate ca sursă de neutroni pentru a iniția reacția de fisiune. Tritiul sau un amestec de izotopi de hidrogen, sub acțiunea comprimării învelișului de plutoniu, intră parțial într-o reacție de fuziune cu eliberarea de neutroni, care transformă plutoniul într-o stare supercritică.
Principalele componente ale focoaselor nucleare moderne sunt următoarele:
- izotop stabil (spontan non-fisil) al uraniului U-238, extras din minereu de uraniu sau (sub formă de impuritate) din minereu fosfat;
- izotop radioactiv (fisionabil spontan) al uraniului U-235, extras din minereu de uraniu sau produs din U-238 în reactoarele nucleare;
- izotop radioactiv al plutoniului Pu-239, produs din U-238 în reactoarele nucleare;
- izotop stabil al hidrogenului deuteriu D, extras din apa naturală sau produs din protiu din reactoarele nucleare;
- izotop radioactiv de hidrogen tritiu T, produs din deuteriu în reactoarele nucleare;
- izotop stabil de litiu Li-6, extras din minereu;
- izotop stabil de beriliu Be-9, extras din minereu;
- HMX și triaminotrinitrobenzen, explozivi chimici.
Masa critică a unei bile din U-235 cu diametrul de 17 cm este de 50 kg, masa critică a unei bile din Pu-239 cu diametrul de 10 cm este de 11 kg. Cu un reflector de neutroni de beriliu și o sursă de neutroni de tritiu, masa critică poate fi redusă la 35 și respectiv 6 kg.
Pentru a elimina riscul de operare spontană a sarcinilor nucleare, aceștia folosesc așa-numitele. Pu-239 de calitate pentru arme, purificat de la alți izotopi mai puțin stabili ai plutoniului la un nivel de 94%. Cu o periodicitate de 30 de ani, plutoniul este purificat din produsele dezintegrării nucleare spontane a izotopilor săi. Pentru a crește rezistența mecanică, plutoniul este aliat cu 1 procent de masă de galiu și acoperit cu un strat subțire de nichel pentru a-l proteja de oxidare.
Temperatura de autoîncălzire a radiației plutoniului în timpul stocării sarcinilor nucleare nu depășește 100 de grade Celsius, care este mai mică decât temperatura de descompunere a unui exploziv chimic.
Începând cu anul 2000, cantitatea de plutoniu armat la dispoziția Federației Ruse este estimată la 170 de tone, Statele Unite - la 103 tone, plus câteva zeci de tone acceptate pentru depozitare din țările NATO, Japonia și Coreea de Sud, care nu posedă arme nucleare. Federația Rusă are cea mai mare capacitate de producție de plutoniu din lume sub formă de reactoare rapide nucleare de calitate și arme. Împreună cu plutoniul la un cost de aproximativ 100 de dolari SUA pe gram (5-6 kg pe încărcare), tritiul este produs la un cost de aproximativ 20 de mii de dolari SUA pe gram (4-5 grame pe încărcare).
Cele mai vechi modele de încărcare a fisiunii nucleare au fost Kid and Fat Man, dezvoltate în Statele Unite la mijlocul anilor 1940. Ultimul tip de încărcare s-a diferit de primul în echipamentul complex pentru sincronizarea detonării numeroaselor detonatoare electrice și în dimensiunile sale transversale mari.
„Kid” a fost realizat după o schemă de tun - un butoi de artilerie a fost montat de-a lungul axei longitudinale a corpului bombei de aer, la capătul înăbușit al cărui jumătate din materialul fisibil (uraniu U-235), a doua jumătate din materialul fisibil era un proiectil accelerat de o încărcare de pulbere. Factorul de utilizare a uraniului în reacția de fisiune a fost de aproximativ 1 la sută, restul masei U-235 a căzut sub formă de precipitații radioactive cu un timp de înjumătățire de 700 de milioane de ani.
„Omul gras” a fost realizat după o schemă implozivă - o sferă goală de material fisibil (plutoniu Pu-239) era înconjurată de o înveliș din uraniu U-238 (împingător), o înveliș din aluminiu (stingător) și o înveliș (implozie) generator), alcătuit din cinci și hexagonale segmente ale unui exploziv chimic, pe suprafața exterioară a căreia au fost instalate detonatoare electrice. Fiecare segment a fost o lentilă de detonare a două tipuri de explozivi cu rate de detonare diferite, transformând unda de presiune divergentă într-o undă sferică convergentă, comprimând uniform carcasa de aluminiu, care la rândul său a comprimat carcasa de uraniu și aceea - sfera de plutoniu până la cavitatea interioară închisă. Un absorbant de aluminiu a fost folosit pentru a absorbi reculul undei de presiune pe măsură ce trece într-un material cu o densitate mai mare, iar un împingător de uraniu a fost folosit pentru a ține inertit plutoniul în timpul reacției de fisiune. În cavitatea interioară a sferei de plutoniu, a fost localizată o sursă de neutroni, realizată din izotopul radioactiv polonium Po-210 și beriliu, care a emis neutroni sub influența radiației alfa din poloniu. Factorul de utilizare a materiei fisibile a fost de aproximativ 5 la sută, timpul de înjumătățire al căderii radioactive a fost de 24 de mii de ani.
Imediat după crearea „Kid” și „Fat Man” în SUA, au început lucrările de optimizare a proiectării sarcinilor nucleare, atât a tunurilor, cât și a schemelor de implozie, vizând reducerea masei critice, creșterea ratei de utilizare a materiei fissile, simplificarea sistem de detonare electrică și reducerea dimensiunii. În URSS și în alte state - proprietari de arme nucleare, acuzațiile au fost inițial create conform unei scheme implozive. Ca urmare a optimizării proiectării, masa critică a materialului fissil a fost redusă, iar coeficientul de utilizare a acestuia a fost crescut de mai multe ori datorită utilizării unui reflector de neutroni și a unei surse de neutroni.
Reflectorul de neutroni beriliu este o carcasă metalică cu o grosime de până la 40 mm, sursa de neutroni este tritiu gazos care umple o cavitate în plutoniu sau hidrură de fier impregnată cu tritiu cu titan stocat într-un cilindru separat (rapel) și eliberează tritiu sub acțiunea de încălzire. prin electricitate imediat înainte de a utiliza o sarcină nucleară, după care tritiul este alimentat prin conducta de gaz în sarcină. Această din urmă soluție tehnică face posibilă multiplicarea puterii sarcinii nucleare în funcție de volumul de tritiu pompat și facilitează înlocuirea amestecului de gaze cu unul nou la fiecare 4-5 ani, deoarece timpul de înjumătățire al tritiului este 12 ani. O cantitate excesivă de tritiu în rapel face posibilă reducerea masei critice de plutoniu la 3 kg și creșterea semnificativă a efectului unui factor atât de dăunător precum radiația neutronică (prin reducerea efectului altor factori dăunători - o undă de șoc și radiație luminoasă). Ca rezultat al optimizării proiectării, factorul de utilizare a materialului fissil a crescut la 20%, în cazul unui exces de tritiu - până la 40%.
Schema tunului a fost simplificată datorită tranziției la implozia radial-axială prin realizarea unei matrice de material fisibil sub forma unui cilindru gol, zdrobit de explozia a două capete și a unei încărcături explozive axiale.
Schema implozivă a fost optimizată (SWAN) prin realizarea învelișului exterior al explozivului sub formă de elipsoid, ceea ce a făcut posibilă reducerea numărului de lentile de detonare la două unități distanțate de polii elipsoidului - diferența în viteza undei de detonare în secțiunea transversală a lentilei de detonare asigură apropierea simultană a undei de șoc de suprafața sferică a stratului interior al explozivului, a cărui detonare comprimă uniform carcasa beriliului (combinând funcțiile unui reflector de neutroni și un amortizor de recul al undei de presiune) și o sferă de plutoniu cu o cavitate interioară umplută cu tritiu sau amestecul său cu deuteriu
Cea mai compactă implementare a schemei de implozie (utilizată în proiectilul sovietic de 152 mm) este executarea unui ansamblu exploziv-beriliu-plutoniu sub forma unui elipsoid gol cu o grosime variabilă a peretelui, care asigură deformarea calculată a ansamblului sub acțiunea unei unde de șoc dintr-o explozie explozivă într-o structură sferică finală
În ciuda diferitelor îmbunătățiri tehnice, puterea sarcinilor de fisiune nucleară a rămas limitată la nivelul de 100 Ktn în echivalent TNT datorită expansiunii inevitabile a straturilor exterioare de materie fisionabilă în timpul exploziei, cu excluderea materiei din reacția de fisiune.
Prin urmare, a fost propus un design pentru o sarcină termonucleară, care include atât elemente de fisiune grele, cât și elemente de fuziune ușoară. Prima sarcină termonucleară (Ivy Mike) a fost realizată sub forma unui rezervor criogenic umplut cu un amestec lichid de tritiu și deuteriu, în care se afla o sarcină nucleară implosivă de plutoniu. Datorită dimensiunilor extrem de mari și a nevoii de răcire constantă a rezervorului criogen, s-a folosit în practică o schemă diferită - un „puf” imploziv (RDS-6s), care include mai multe straturi alternative de uraniu, plutoniu și deuterură de litiu cu un reflector extern de beriliu și o sursă internă de tritiu
Cu toate acestea, puterea „pufului” a fost, de asemenea, limitată de nivelul de 1 Mtn datorită începutului reacției de fisiune și sinteză în straturile interioare și extinderea straturilor exterioare nereacționate. Pentru a depăși această limitare, a fost dezvoltată o schemă pentru comprimarea elementelor ușoare ale reacției de fuziune prin raze X (a doua etapă) din reacția de fisiune a elementelor grele (prima etapă). Presiunea enormă a fluxului de fotoni cu raze X eliberat în reacția de fisiune permite deuteridului de litiu să fie comprimat de 10 ori cu o creștere a densității de 1000 de ori și încălzit în timpul procesului de compresie, după care litiul este expus fluxului de neutroni din reacție de fisiune, transformându-se în tritiu, care intră în reacții de fuziune cu deuteriu. Schema în două etape a unei sarcini termonucleare este cea mai curată în ceea ce privește randamentul radioactivității, deoarece neutronii secundari din reacția de fuziune ard uraniu / plutoniu nereacționat către elemente radioactive de scurtă durată, iar neutronii înșiși se sting în aer cu un autonomie de aproximativ 1,5 km.
În scopul sertizării uniforme a celei de-a doua etape, corpul sarcinii termonucleare este realizat sub forma unei învelișuri de arahide, plasând ansamblul primei etape în focarul geometric al unei părți a învelișului și ansamblul a doua etapă a focalizării geometrice a celeilalte părți a cochiliei. Ansamblurile sunt suspendate în cea mai mare parte a corpului folosind material de umplutură cu spumă sau aerogel. Conform regulilor optice, radiația de raze X de la explozia primei etape este concentrată în îngustarea dintre cele două părți ale învelișului și este distribuită uniform pe suprafața celei de-a doua etape. Pentru a crește reflectivitatea în gama de raze X, suprafața interioară a corpului de încărcare și suprafața exterioară a ansamblului etapei a doua sunt acoperite cu un strat de material dens: plumb, tungsten sau uraniu U-238. În acest din urmă caz, sarcina termonucleară devine în trei etape - sub acțiunea neutronilor din reacția de fuziune, U-238 se transformă în U-235, ai cărui atomi intră într-o reacție de fisiune și cresc puterea de explozie
Schema în trei etape a fost încorporată în proiectarea bombei aeriene sovietice AN-602, a cărei putere de proiectare era de 100 Mtn. Înainte de test, a treia etapă a fost exclusă din compoziția sa prin înlocuirea uraniului U-238 cu plumb din cauza riscului de extindere a zonei de cădere radioactivă din fisiunea U-238 dincolo de locul testului. Capacitatea efectivă a modificării în două etape a AN-602 a fost de 58 Mtn. O creștere suplimentară a puterii sarcinilor termonucleare poate fi făcută prin creșterea numărului de sarcini termonucleare din dispozitivul combinat exploziv. Cu toate acestea, acest lucru nu este necesar din cauza lipsei unor ținte adecvate - analogul modern al AN-602, amplasat la bordul vehiculului subacvatic Poseidon, are o rază de distrugere a clădirilor și structurilor printr-o undă de șoc de 72 km și o rază de incendii de 150 km, ceea ce este suficient pentru a distruge megalopoli precum New York sau Tokyo
Din punctul de vedere al limitării consecințelor utilizării armelor nucleare (localizare teritorială, minimizarea eliberării de radioactivitate, nivel tactic de utilizare), așa-numitul sarcini de precizie cu o singură treaptă, cu o capacitate de până la 1 Ktn, care sunt proiectate pentru a distruge ținte punctuale - silozuri antirachetă, sedii centrale, centre de comunicații, radare, sisteme antirachete de apărare aeriană, nave, submarine, bombardiere strategice etc.
Proiectarea unei astfel de sarcini poate fi realizată sub forma unui ansamblu imploziv, care include două lentile de detonare elipsoidă (exploziv chimic de la HMX, material inert din polipropilenă), trei cochilii sferice (reflector de neutroni din beriliu, generator piezoelectric din iodură de cesiu, material fisibil din plutoniu) și o sferă internă (combustibil de fuziune cu deuterură de litiu)
Sub acțiunea unei unde de presiune convergente, iodura de cesiu generează un impuls electromagnetic super-puternic, fluxul de electroni generează radiații gamma în plutoniu, care elimină neutronii din nuclee, declanșând astfel o reacție de fisiune de auto-propagare, raze X comprimă și încălzește deuterida de litiu, fluxul de neutroni generează tritiu din litiu, care intră în reacție cu deuteriul. Direcția centripetă a reacțiilor de fisiune și fuziune asigură utilizarea 100% a combustibilului termonuclear.
Dezvoltarea în continuare a proiectelor de încărcare nucleară în direcția minimizării puterii și radioactivității este posibilă prin înlocuirea plutoniului cu un dispozitiv pentru compresia cu laser a unei capsule cu un amestec de tritiu și deuteriu.
