Atomvåpen er det mest effektive i menneskehetens historie når det gjelder kostnad / effektivitet: de årlige kostnadene ved utvikling, testing, produksjon og vedlikehold av disse våpnene utgjør fra 5 til 10 prosent av militærbudsjettet i USA og Russland - land med et allerede dannet atomproduksjonskompleks, utviklet atomkraftteknikk og tilgjengeligheten av en flåte av superdatamaskiner for matematisk modellering av atomeksplosjoner.
Bruken av kjernefysiske anordninger til militære formål er basert på egenskapen til atomer av tunge kjemiske grunnstoffer til å forfalle til atomer av lettere elementer med frigjøring av energi i form av elektromagnetisk stråling (gamma og røntgenområder), så vel som i formen for kinetisk energi til å spre elementære partikler (nøytroner, protoner og elektroner) og atomkjerner i lettere elementer (cesium, strontium, jod og andre)
De mest populære tunge elementene er uran og plutonium. Isotopene deres, når de fisjonerer kjernen, avgir fra 2 til 3 nøytroner, noe som igjen forårsaker splittelse av kjernene til nærliggende atomer, etc. En selvforplantende (såkalt kjede) reaksjon med frigjøring av en stor mengde energi skjer i stoffet. For å starte reaksjonen kreves en viss kritisk masse, hvis volum vil være tilstrekkelig for fangst av nøytroner med atomkjerner uten utslipp av nøytroner utenfor stoffet. Kritisk masse kan reduseres med en nøytronreflektor og en initierende nøytronkilde
Fisjonreaksjonen startes ved å kombinere to subkritiske masser til en superkritisk eller ved å komprimere et sfærisk skall av en superkritisk masse til en sfære, og dermed øke konsentrasjonen av fissilt materiale i et gitt volum. Splittbart materiale kombineres eller komprimeres ved en direkte eksplosjon av et kjemisk eksplosiv.
I tillegg til fisjonreaksjonen av tunge elementer, brukes reaksjonen av syntese av lette elementer i kjernefysiske ladninger. Termonukleær fusjon krever oppvarming og komprimering av materiell opptil flere titalls millioner grader og atmosfærer, som bare kan gis på grunn av energien som frigjøres under fisjonreaksjonen. Derfor er termonukleære ladninger designet i henhold til en to-trinns ordning. Isotoper av hydrogen, tritium og deuterium (som krever minimumsverdier av temperatur og trykk for å starte fusjonsreaksjonen) eller en kjemisk forbindelse, litiumdeuterid (sistnevnte, under virkning av nøytroner fra eksplosjonen i det første trinnet, er delt til tritium og helium) brukes som lette elementer. Energi i fusjonsreaksjonen frigjøres i form av elektromagnetisk stråling og kinetisk energi fra nøytroner, elektroner og heliumkjerner (såkalte alfapartikler). Energifrigivelsen av fusjonsreaksjonen per masseenhet er fire ganger høyere enn fisjonreaksjonen
Tritium og dets selvforfallsprodukt deuterium brukes også som en kilde til nøytroner for å starte fisjonreaksjonen. Tritium eller en blanding av hydrogenisotoper, under virkningen av komprimering av plutoniumskallet, går delvis i en fusjonsreaksjon med frigjøring av nøytroner, som omdanner plutonium til en superkritisk tilstand.
Hovedkomponentene i moderne atomstridshoder er som følger:
-stabil (spontant ikke-fissil) isotop av uran U-238, ekstrahert fra uranmalm eller (i form av en urenhet) fra fosfatmalm;
-radioaktiv (spontant splittet) isotop av uran U-235, utvunnet fra uranmalm eller produsert fra U-238 i atomreaktorer;
-radioaktiv isotop av plutonium Pu-239, produsert fra U-238 i atomreaktorer;
- stabil isotop av hydrogen deuterium D, ekstrahert fra naturlig vann eller produsert fra protium i atomreaktorer;
- radioaktiv isotop av hydrogentritium T, produsert fra deuterium i atomreaktorer;
- stabil isotop av litium Li-6, ekstrahert fra malm;
- stabil isotop av beryllium Be-9, ekstrahert fra malm;
- HMX og triaminotrinitrobenzen, kjemiske eksplosiver.
Den kritiske massen til en ball laget av U-235 med en diameter på 17 cm er 50 kg, den kritiske massen til en ball laget av Pu-239 med en diameter på 10 cm er 11 kg. Med en beryllium nøytronreflektor og en tritium nøytron kilde, kan den kritiske massen reduseres til henholdsvis 35 og 6 kg.
For å eliminere risikoen for spontan drift av kjernefysiske ladninger, bruker de den såkalte. våpenklasse Pu-239, renset fra andre, mindre stabile isotoper av plutonium til et nivå på 94%. Med en periodisitet på 30 år blir plutonium renset fra produktene av spontan kjernefysisk forfall av dets isotoper. For å øke den mekaniske styrken legeres plutonium med 1 masse % gallium og belegges med et tynt lag nikkel for å beskytte det mot oksidasjon.
Temperaturen for stråling selvoppvarming av plutonium under lagring av kjernefysiske ladninger overstiger ikke 100 grader Celsius, som er lavere enn nedbrytningstemperaturen til et kjemisk eksplosiv.
Fra og med 2000 er mengden av våpenklasset plutonium til rådighet for Den russiske føderasjon anslått til 170 tonn, USA - til 103 tonn, pluss flere titalls tonn akseptert for lagring fra NATO -landene, Japan og Sør -Korea, som ikke har atomvåpen. Den russiske føderasjonen har den største produksjonskapasiteten i plutonium i verden i form av våpenklasse og kraftkjernefysiske reaktorer. Sammen med plutonium til en pris av omtrent 100 amerikanske dollar per gram (5-6 kg per ladning), produseres tritium til en kostnad på omtrent 20 tusen amerikanske dollar per gram (4-5 gram per ladning).
De tidligste designene for kjernefysiske avgifter var Kid and Fat Man, utviklet i USA på midten av 1940-tallet. Den sistnevnte typen ladning skilte seg fra den første i det komplekse utstyret for synkronisering av detonering av mange elektriske detonatorer og i sine store tverrmål.
"Barnet" ble laget i henhold til et kanonopplegg - et artilleritønne ble montert langs luftbombelegemets lengdeakse, i den dempede enden var den ene halvdelen av det splittelige materialet (uran U -235), andre halvdel av det fissile materialet var et prosjektil akselerert med en pulverladning. Utnyttelsesfaktoren for uran i fisjonreaksjonen var omtrent 1 prosent, resten av U-235-massen falt ut i form av radioaktivt nedfall med en halveringstid på 700 millioner år.
"Fat Man" ble laget i henhold til en implosiv ordning-en hul sfære av splittbart materiale (Pu-239 plutonium) var omgitt av et skall laget av uran U-238 (pusher), et aluminiumsskall (slukker) og et skall (implosjon) generator), bestående av fem- og sekskantede segmenter av et kjemisk eksplosiv, på den ytre overflaten som elektriske detonatorer ble installert på. Hvert segment var en detonasjonslinse av to typer sprengstoff med forskjellige detonasjonshastigheter, som konverterte den divergerende trykkbølgen til en sfærisk konvergerende bølge, komprimerte aluminiumskallet jevnt, som igjen komprimerte uranskallet, og den ene - plutoniumsfæren til den ble indre hulrom lukket. En aluminiumsabsorber ble brukt til å absorbere rekylen til trykkbølgen når den passerer inn i et materiale med en høyere tetthet, og en uranpusher ble brukt til å holde plutonium inaktivt under fisjonreaksjonen. I det indre hulrommet i plutoniumsfæren ble det funnet en nøytronkilde, laget av den radioaktive isotopen polonium Po-210 og beryllium, som avgav nøytroner under påvirkning av alfa-stråling fra polonium. Utnyttelsesfaktoren for fissilt materiale var omtrent 5 prosent, halveringstiden for radioaktivt nedfall var 24 tusen år.
Umiddelbart etter opprettelsen av "Kid" og "Fat Man" i USA begynte arbeidet med å optimalisere utformingen av kjernefysiske ladninger, både kanon- og implosjonsordninger, med sikte på å redusere den kritiske massen, øke utnyttelsesgraden for splittbare stoffer, forenkle elektrisk detonasjonssystem og redusere størrelsen. I Sovjetunionen og andre stater - eiere av atomvåpen, ble anklagene opprinnelig opprettet i henhold til en implosiv ordning. Som et resultat av optimalisering av designet ble den kritiske massen av splittbart materiale redusert, og utnyttelseskoeffisienten ble økt flere ganger på grunn av bruk av en nøytronreflektor og en nøytronkilde.
Beryllium nøytronreflektoren er et metallskall opp til 40 mm tykt, nøytronkilden er gassformig tritium som fyller et hulrom i plutonium eller tritiumimpregnert jernhydrid med titan lagret i en separat sylinder (booster) og frigjør tritium under virkning av oppvarming med elektrisitet umiddelbart før du bruker en atomladning, hvoretter tritium mates gjennom gassledningen inn i ladningen. Den sistnevnte tekniske løsningen gjør det mulig å multiplisere kraften til atomladningen avhengig av volumet av pumpet tritium, og letter også utskifting av gassblandingen med en ny hvert 4-5 år, siden halveringstiden til tritium er 12 år. En overdreven mengde tritium i booster gjør det mulig å redusere den kritiske massen av plutonium til 3 kg og øke effekten av en så skadelig faktor som nøytronstråling (ved å redusere effekten av andre skadelige faktorer - en sjokkbølge og lysstråling)). Som et resultat av designoptimalisering økte utnyttelsesfaktoren for fissilt materiale til 20%, ved overskudd av tritium - opptil 40%.
Kanonopplegget ble forenklet på grunn av overgangen til radial-aksial implosjon ved å lage en rekke spaltbare materialer i form av en hul sylinder, knust av eksplosjonen av to ender og en aksial eksplosiv ladning
Det implosive opplegget ble optimalisert (SWAN) ved å lage det ytre skallet til eksplosivet i form av en ellipsoid, noe som gjorde det mulig å redusere antall detonasjonslinser til to enheter med avstand fra ellipsoidens poler - forskjellen i hastigheten til detonasjonsbølgen i tverrsnittet av detonasjonslinsen sikrer samtidig tilnærming av sjokkbølgen til den sfæriske overflaten, det indre laget av eksplosivet, hvis detonasjon komprimerer berylliumskallet jevnt (kombinerer funksjonene til en nøytronreflektor og en trykkbølgerekylspjeld) og en plutoniumkule med et indre hulrom fylt med tritium eller dets blanding med deuterium
Den mest kompakte implementeringen av implosjonsordningen (brukt i det sovjetiske 152 mm-prosjektilet) er utførelsen av en eksplosiv-beryllium-plutonium-enhet i form av en hul ellipsoid med variabel veggtykkelse, som gir den beregnede deformasjonen av enheten under virkningen av en sjokkbølge fra en eksplosiv eksplosjon til en siste sfærisk struktur
Til tross for forskjellige tekniske forbedringer, forblir kraften i kjernefysiske avgifter begrenset til nivået på 100 Ktn i TNT -ekvivalenter på grunn av den uunngåelige utvidelsen av de ytre lagene av fissilt materiale under eksplosjonen med utelukkelse av materiale fra fisjonreaksjonen.
Derfor ble det foreslått et design for en termonukleær ladning, som inkluderer både tunge fisjonelementer og lette fusjonselementer. Den første termonukleære ladningen (Ivy Mike) ble laget i form av en kryogen tank fylt med en flytende blanding av tritium og deuterium, der en implosiv atomladning av plutonium var plassert. På grunn av de ekstremt store dimensjonene og behovet for konstant avkjøling av den kryogene tanken, ble en annen ordning brukt i praksis - en implosiv "puff" (RDS -6s), som inkluderer flere alternerende lag med uran, plutonium og litiumdeuterid med en ekstern berylliumreflektor og en intern tritiumkilde
Imidlertid var kraften til "puffen" også begrenset av nivået på 1 Mtn på grunn av begynnelsen av fisjonen og syntesereaksjonen i de indre lagene og utvidelsen av ureagerte ytre lag. For å overvinne denne begrensningen ble det utviklet en ordning for komprimering av lette elementer i fusjonsreaksjonen av røntgenstråler (andre trinn) fra fisjonreaksjonen av tunge elementer (første trinn). Det enorme trykket av strømmen av røntgenfotoner som frigjøres i fisjonreaksjonen gjør at litiumdeuterid kan komprimeres 10 ganger med en tetthetsøkning med 1000 ganger og oppvarmes under kompresjonsprosessen, hvoretter litium utsettes for nøytronstrømmen fra fisjonreaksjon, blir til tritium, som går inn i fusjonsreaksjoner med deuterium. To-trinns skjema for en termonukleær ladning er den reneste når det gjelder utbytte av radioaktivitet, siden sekundære nøytroner fra fusjonsreaksjonen brenner ut uomsatt uran / plutonium til kortlivede radioaktive elementer, og nøytronene selv slukkes i luften med en rekkevidde på ca 1,5 km.
For jevn krymping av det andre trinnet, er kroppen til den termonukleære ladningen laget i form av et peanøttskall, og plasserer sammenstillingen av det første trinnet i det geometriske fokuset på en del av skallet, og samlingen av andre trinn i det geometriske fokuset på den andre delen av skallet. Enhetene er suspendert i hoveddelen av kroppen ved hjelp av skum eller aerogel -fyllstoff. I henhold til optikkens regler er røntgenstrålingen fra eksplosjonen i det første trinnet konsentrert i innsnevringen mellom de to delene av skallet og er jevnt fordelt over overflaten til det andre trinnet. For å øke reflektiviteten i røntgenområdet, er den indre overflaten av ladningskroppen og den ytre overflaten av det andre trinnet dekket med et lag av tett materiale: bly, wolfram eller uran U-238. I sistnevnte tilfelle blir den termonukleære ladningen tretrinns-under virkningen av nøytroner fra fusjonsreaksjonen blir U-238 til U-235, hvis atomer går inn i en fisjonreaksjon og øker eksplosjonskraften
Tretrinnsordningen ble innlemmet i utformingen av den sovjetiske luftbomben AN-602, hvis designkraft var 100 Mtn. Før testen ble den tredje fasen ekskludert fra sammensetningen ved å erstatte uran U-238 med bly på grunn av risikoen for å utvide sonen for radioaktivt nedfall fra fisjonen av U-238 utenfor teststedet. Den faktiske kapasiteten til totrinnsmodifiseringen av AN-602 var 58 Mtn. En ytterligere økning i kraften til termonukleære ladninger kan gjøres ved å øke antallet termonukleære ladninger i den kombinerte eksplosive enheten. Dette er imidlertid ikke nødvendig på grunn av mangel på tilstrekkelige mål - den moderne analogen av AN -602, plassert ombord på undervannsbilen Poseidon, har en radius for ødeleggelse av bygninger og strukturer av en sjokkbølge på 72 km og en radius av branner på 150 km, noe som er ganske nok til å ødelegge megabyer som New York eller Tokyo
Fra et synspunkt om å begrense konsekvensene av bruk av atomvåpen (territorial lokalisering, minimering av frigjøring av radioaktivitet, taktisk bruksnivå), den såkalte presisjons ett -trinns ladninger med en kapasitet på opptil 1 Ktn, som er designet for å ødelegge punktmål - missilsiloer, hovedkvarter, kommunikasjonssentre, radarer, luftforsvarsmissilsystemer, skip, ubåter, strategiske bombefly, etc.
Utformingen av en slik ladning kan gjøres i form av en implosiv enhet, som inkluderer to ellipsoide detonasjonslinser (kjemisk eksplosiv fra HMX, inert materiale laget av polypropylen), tre sfæriske skall (nøytronreflektor laget av beryllium, piezoelektrisk generator laget av cesiumjodid, fissilt materiale fra plutonium) og en intern sfære (litiumdeuterid fusjonsdrivstoff)
Under virkningen av en konvergerende trykkbølge genererer cesiumjodid en supermektig elektromagnetisk puls, elektronstrømmen genererer gammastråling i plutonium, som slår ut nøytroner fra kjerner, og derved starter en selvutbredende fisjonreaksjon, røntgenstråler komprimerer og varmer opp litiumdeuterid, genererer nøytronstrømmen tritium fra litium, som reagerer med deuterium. Den sentripetale retningen for fisjon og fusjonsreaksjoner sikrer 100% bruk av termonukleært drivstoff.
Videreutvikling av kjernefysiske ladningsdesigner i retning av å minimere kraft og radioaktivitet er mulig ved å erstatte plutonium med en enhet for laserkomprimering av en kapsel med en blanding av tritium og deuterium.
