Branduoliniai ginklai yra efektyviausi žmonijos istorijoje kainos ir efektyvumo požiūriu: metinės šių ginklų kūrimo, bandymo, gamybos ir eksploatavimo išlaidos sudaro nuo 5 iki 10 procentų JAV karinio biudžeto ir Rusijos Federacija - šalys, turinčios jau suformuotą branduolinės gamybos kompleksą, išplėtotą atominės energetikos inžineriją ir turėdamos superkompiuterių parką, skirtą matematiniam branduolinių sprogimų modeliavimui.
Branduolinių prietaisų naudojimas kariniams tikslams grindžiamas sunkiųjų cheminių elementų atomų savybe suskaidyti į lengvesnių elementų atomus, išskiriant energiją elektromagnetinės spinduliuotės pavidalu (gama ir rentgeno spinduliai), taip pat elementariųjų dalelių (neutronų, protonų ir elektronų) ir lengvesnių elementų (cezio, stroncio, jodo ir kitų) atomų branduolių kinetinės energijos forma
Populiariausi sunkieji elementai yra uranas ir plutonis. Jų izotopai, dalijant branduolį, išskiria nuo 2 iki 3 neutronų, o tai savo ruožtu sukelia kaimyninių atomų branduolių skilimą ir kt. Medžiagoje įvyksta savaime plintanti (vadinamoji grandininė) reakcija, kai išsiskiria didelis energijos kiekis. Norint pradėti reakciją, reikalinga tam tikra kritinė masė, kurios tūrio pakaks, kad atominiai branduoliai sugautų neutronus, neišskiriant neutronų už medžiagos ribų. Kritinę masę galima sumažinti naudojant neutronų reflektorių ir inicijuojantį neutronų šaltinį
Skilimo reakcija pradedama sujungiant dvi subkritines mases į vieną superkritinę masę arba suspaudžiant sferinį superkritinės masės apvalkalą į sferą, taip padidinant skiliųjų medžiagų koncentraciją tam tikrame tūryje. Skaldoma medžiaga yra sujungiama arba suspaudžiama nukreipiant cheminio sprogmens sprogimą.
Be sunkiųjų elementų skilimo reakcijos, branduoliniuose krūviuose naudojama lengvųjų elementų sintezės reakcija. Termobranduolinei sintezei reikia kaitinti ir suspausti medžiagą iki kelių dešimčių milijonų laipsnių ir atmosferos, o tai gali būti padaryta tik dėl skilimo reakcijos metu išsiskiriančios energijos. Todėl termobranduoliniai krūviai suprojektuoti pagal dviejų pakopų schemą. Vandenilio, tričio ir deuterio izotopai (kurių sintezės reakcijai pradėti reikia minimalių temperatūros ir slėgio verčių) arba cheminis junginys, ličio deuteridas (pastarasis, veikiamas neutronų nuo pirmojo etapo sprogimo) į tričio ir helio) yra naudojami kaip šviesos elementai. Sintezės reakcijos metu energija išsiskiria elektromagnetinės spinduliuotės ir neutronų, elektronų ir helio branduolių (vadinamųjų alfa dalelių) kinetinės energijos pavidalu. Sintezės reakcijos energijos išsiskyrimas masės vienetui yra keturis kartus didesnis nei skilimo reakcijos
Tričio ir jo savaiminio skilimo produkto deuterio taip pat naudojamas kaip neutronų šaltinis skilimo reakcijai inicijuoti. Tričio arba vandenilio izotopų mišinys, suspaudžiant plutonio apvalkalą, iš dalies įsilieja į sintezės reakciją ir išsiskiria neutronai, dėl kurių plutonis virsta superkritine būsena.
Pagrindiniai šiuolaikinių branduolinių galvučių komponentai yra šie:
-stabilus (savaime neskaldomas) urano izotopas U-238, išgautas iš urano rūdos arba (priemaišos pavidalu) iš fosfato rūdos;
-radioaktyvus (spontaniškai skiliantis) urano izotopas U-235, išgautas iš urano rūdos arba pagamintas iš U-238 branduoliniuose reaktoriuose;
-radioaktyvusis plutonio izotopas Pu-239, pagamintas iš U-238 branduoliniuose reaktoriuose;
- stabilus vandenilio deuterio D izotopas, išgautas iš natūralaus vandens arba pagamintas iš protio branduoliniuose reaktoriuose;
- radioaktyvusis vandenilio tričio izotopas T, pagamintas iš deuterio branduoliniuose reaktoriuose;
- stabilus ličio izotopas Li-6, išgautas iš rūdos;
- stabilus berilio Be-9 izotopas, išgautas iš rūdos;
- HMX ir triaminotrinitrobenzenas, cheminiai sprogmenys.
Kritinė rutulio, pagaminto iš U-235, kurio skersmuo yra 17 cm, masė yra 50 kg, kritinė rutulio masė, pagaminta iš Pu-239, kurios skersmuo yra 10 cm, yra 11 kg. Naudojant berilio neutronų reflektorių ir tričio neutronų šaltinį, kritinė masė gali būti sumažinta atitinkamai iki 35 ir 6 kg.
Siekiant pašalinti savaiminio branduolinių užtaisų veikimo riziką, jie naudoja vadinamuosius. ginklų klasės Pu-239, išgrynintas iš kitų mažiau stabilių plutonio izotopų iki 94%. 30 metų periodiškumu plutonis išvalomas iš jo izotopų savaiminio branduolinio skilimo produktų. Siekiant padidinti mechaninį stiprumą, plutonis yra legiruotas 1 masės proc. Galio ir padengtas plonu nikelio sluoksniu, kad apsaugotų jį nuo oksidacijos.
Laikant branduolinius užtaisus, plutonio savaiminio šildymo radiacijos temperatūra neviršija 100 laipsnių Celsijaus, o tai yra žemesnė už cheminio sprogmens skilimo temperatūrą.
2000 m. Rusijos Federacijos turimas ginkluotės klasės plutonio kiekis yra 170 tonų, JAV - 103 tonos, plius kelios dešimtys tonų, priimtų saugoti iš NATO šalių, Japonijos ir Pietų Korėjos, kurie neturi branduolinio ginklo. Rusijos Federacija turi didžiausius pasaulyje plutonio gamybos pajėgumus ginklų ir branduolinių greitųjų reaktorių pavidalu. Kartu su plutonu, kurio kaina yra apie 100 JAV dolerių už gramą (5–6 kg už vieną įkrovimą), tričio gamyba kainuoja apie 20 tūkst. JAV dolerių už gramą (4-5 gramai už vieną įkrovimą).
Ankstyviausi branduolio skilimo užtaisai buvo „Vaikas ir riebus žmogus“, sukurtas JAV 1940-ųjų viduryje. Pastarasis krūvio tipas nuo pirmojo skyrėsi sudėtinga daugelio elektrinių detonatorių detonacijos sinchronizavimo įranga ir dideliais skersiniais matmenimis.
„Vaikas“buvo pagamintas pagal patrankos schemą - išilginėje oro bombos korpuso ašyje buvo sumontuota artilerijos vamzdis, kurio duslusis galas buvo pusė daliosios medžiagos (urano U -235), antroji pusė daliosios medžiagos buvo miltelių užtaisu pagreitintas sviedinys. Urano panaudojimo faktorius skilimo reakcijoje buvo apie 1 proc., Likusi U-235 masė iškrito radioaktyvių nuosėdų pavidalu, o jo pusinės eliminacijos laikas yra 700 milijonų metų.
„Riebus žmogus“buvo pagamintas pagal neįtikėtiną schemą-tuščiavidurių skiliųjų medžiagų sferą (Pu-239 plutonį) apgaubė apvalkalas, pagamintas iš urano U-238 (stūmiklis), aliuminio apvalkalas (gesintojas) ir apvalkalas (sprogimas) generatorius), sudarytas iš penkių ir šešiakampių cheminio sprogmens segmentų, ant kurių išorinio paviršiaus buvo sumontuoti elektriniai detonatoriai. Kiekvienas segmentas buvo dviejų tipų sprogmenų, turinčių skirtingą detonacijos greitį, detonacinis lęšis, pavertęs besikeičiančią slėgio bangą į sferinę konvergencinę bangą, tolygiai suspaudžiant aliuminio apvalkalą, kuris savo ruožtu suspaudė urano apvalkalą, o kitas - plutonio sferą, kol vidinė ertmė uždaryta. Slėgio bangos atatrankai sugerti, kai ji patenka į didesnio tankio medžiagą, buvo naudojamas aliuminio absorberis, o skilimo reakcijos metu plutonio inertiškam laikymui buvo naudojamas urano stūmiklis. Vidinėje plutonio sferos ertmėje buvo neutronų šaltinis, pagamintas iš radioaktyvaus polonio Po-210 izotopo ir berilio, kurie, veikiami alfa spinduliuotės iš polonio, skleidė neutronus. Skaldomųjų medžiagų panaudojimo faktorius buvo apie 5 proc., Radioaktyviųjų nuosėdų pusinės eliminacijos laikas-24 tūkst.
Iškart po to, kai JAV buvo sukurtos „Kid“ir „Fat Man“, buvo pradėtas optimizuoti branduolinių užtaisų, tiek patrankų, tiek susprogdinimo schemų, dizainas, siekiant sumažinti kritinę masę, padidinti skiliųjų medžiagų panaudojimo lygį, supaprastinti elektrinė detonacijos sistema ir mažinant dydį. SSRS ir kitose valstybėse - branduolinių ginklų savininkės, kaltinimai iš pradžių buvo sukurti pagal apgaulingą schemą. Optimizavus konstrukciją, kritinė skiliųjų medžiagų masė sumažėjo, o panaudojimo koeficientas kelis kartus padidėjo dėl neutronų atšvaito ir neutronų šaltinio naudojimo.
Berilio neutronų atšvaitas yra iki 40 mm storio metalinis apvalkalas, neutronų šaltinis yra dujinis tričio užpildantis plutonio ertmę, arba tričiu impregnuotas geležies hidridas su titanu, laikomu atskirame cilindre (stiprintuvas) ir kaitinant išskiria tričio elektros energija prieš pat naudojant branduolinį krūvį, po to tričio dujotiekiu tiekiamas į įkrovą. Pastarasis techninis sprendimas leidžia padauginti branduolinio krūvio galią, priklausomai nuo pumpuojamo tričio tūrio, taip pat palengvina dujų mišinio pakeitimą nauju kas 4-5 metus, nes tričio pusinės eliminacijos laikas yra 12 metų. Tričio perteklius stiprintuve leidžia sumažinti kritinę plutonio masę iki 3 kg ir žymiai padidinti tokio kenksmingo veiksnio kaip neutronų spinduliuotė poveikį (sumažinant kitų žalingų veiksnių - smūginės bangos ir šviesos spinduliuotės - poveikį). Dėl dizaino optimizavimo skiliųjų medžiagų panaudojimo koeficientas padidėjo iki 20%, o esant tričio pertekliui - iki 40%.
Patrankos schema buvo supaprastinta dėl perėjimo prie radialinio ašinio susprogdinimo, padarius skiliųjų medžiagų masyvą tuščiavidurio cilindro pavidalu, susmulkintą sprogus dviem galiniams ir vienam ašiniam sprogstamajam užtaisui
Implanavimo schema buvo optimizuota (SWAN), padarius sprogmens išorinį apvalkalą elipsoido pavidalu, o tai leido sumažinti detonacinių lęšių skaičių iki dviejų vienetų, esančių atskirai nuo elipsoido polių - skirtumas sprogimo bangos greitis sprogimo lęšio skerspjūvyje užtikrina, kad smūgio banga tuo pačiu metu priartėtų prie rutulio paviršiaus, vidinio sprogmens sluoksnio, kurio detonacija tolygiai suspaudžia berilio apvalkalą (derindama neutronų atšvaito funkcijas ir slėgio bangų atatrankos sklendė) ir plutonio sfera, kurios vidinė ertmė užpildyta tričiu arba jo mišiniu su deuteriu
Kompaktiškiausias sprogimo schemos įgyvendinimas (naudojamas sovietiniame 152 mm sviedinyje) yra sprogstamojo berilio-plutonio mazgo, atliekamo tuščiavidurio elipsoido, kurio kintamas sienelės storis, vykdymas, kuris suteikia apskaičiuotą sąrankos deformaciją. veikiant smūgio bangai nuo sprogimo iki galutinės sferinės struktūros
Nepaisant įvairių techninių patobulinimų, branduolio dalijimosi krūvių galia išliko ribota iki 100 Ktn TNT ekvivalento, nes sprogimo metu neišvengiamai išsiplėtė skiliųjų medžiagų išoriniai sluoksniai, neskaitant skilimo reakcijos.
Todėl buvo pasiūlytas termobranduolinio įkrovimo dizainas, apimantis ir sunkius dalijimosi elementus, ir lengvus sintezės elementus. Pirmasis termobranduolinis užtaisas (Ivy Mike) buvo pagamintas kriogeninio rezervuaro, pripildyto skystu tričio ir deuterio mišiniu, pavidalu, kuriame buvo neįtikėtinas plutonio branduolinis užtaisas. Dėl itin didelių matmenų ir poreikio nuolat aušinti kriogeninį baką, praktiškai buvo naudojama kitokia schema - impulsinis „išpūtimas“(RDS -6s), apimantis kelis kintančius urano, plutonio ir ličio deuterido sluoksnius. išorinis berilio atšvaitas ir vidinis tričio šaltinis
Tačiau „pūtimo“galią taip pat apribojo 1 Mtn lygis dėl skilimo ir sintezės reakcijos pradžios vidiniuose sluoksniuose ir nesureagavusių išorinių sluoksnių išsiplėtimo. Siekiant įveikti šį apribojimą, buvo sukurta schema, skirta susiliejimo reakcijos lengvųjų elementų suspaudimui rentgeno spinduliais (antrasis etapas) iš sunkiųjų elementų skilimo reakcijos (pirmasis etapas). Didžiulis rentgeno spindulių fotonų srauto slėgis, išsiskiriantis skilimo reakcijoje, leidžia ličio deuteridą suspausti 10 kartų, padidinant tankį 1000 kartų ir kaitinti suspaudimo proceso metu, po to ličio veikiamas neutronų srautas. skilimo reakcija, virsta tričiu, kuris įsijungia į sintezės reakcijas su deuteriu. Dviejų pakopų termobranduolinio krūvio schema yra švariausia pagal radioaktyvumo išeigą, nes sintezės reakcijos antriniai neutronai sudegina nereaguotą uraną / plutonį iki trumpaamžių radioaktyviųjų elementų, o patys neutronai užgesinami ore. diapazonas apie 1,5 km.
Siekiant vienodo antrojo pakopos gofravimo, termobranduolinio krūvio korpusas pagamintas žemės riešutų lukšto pavidalu, pirmojo pakopos mazgas įterpiamas į vienos lukšto dalies geometrinį fokusą, o antrasis kitos apvalkalo dalies geometrinio fokusavimo etapas. Surinkimai pakabinami didžiojoje kūno dalyje, naudojant putplasčio arba oro gelio užpildą. Remiantis optikos taisyklėmis, rentgeno spinduliuotė, atsirandanti iš pirmojo etapo sprogimo, yra sutelkta susiaurėjime tarp dviejų apvalkalo dalių ir tolygiai pasiskirsto per antrosios pakopos paviršių. Siekiant padidinti atspindėjimą rentgeno spindulių diapazone, vidinis įkrovimo korpuso paviršius ir išorinis antrojo pakopos paviršiaus paviršius yra padengti tankios medžiagos sluoksniu: švinu, volframu arba uranu U-238. Pastaruoju atveju termobranduolinis krūvis tampa trijų pakopų-veikiant sintezės reakcijos neutronams, U-238 virsta U-235, kurio atomai pradeda skilimo reakciją ir padidina sprogimo galią
Trijų pakopų schema buvo įtraukta į sovietinės bombos AN-602, kurios projektinė galia buvo 100 Mtn, dizainą. Prieš bandymą trečiasis etapas buvo pašalintas iš jo sudėties, pakeičiant uraną U-238 švinu dėl rizikos išplėsti radioaktyviųjų nuosėdų zoną dėl U-238 skilimo už bandymo vietos. Faktinė AN-602 dviejų pakopų modifikacijos talpa buvo 58 mln. Dar labiau padidinti termobranduolinių krūvių galią galima padidinus termobranduolinių krūvių skaičių kombinuotame sprogstamajame įtaise. Tačiau tai nėra būtina dėl to, kad trūksta tinkamų taikinių - šiuolaikinis AN -602 analogas, esantis povandeninėje transporto priemonėje „Poseidon“, turi pastatų ir konstrukcijų sunaikinimo spindulį 72 km smūgio banga ir spinduliu. 150 km gaisrų, kurių visiškai pakanka, kad būtų sunaikinti tokie didmiesčiai kaip Niujorkas ar Tokijas
Žvelgiant iš branduolinių ginklų naudojimo pasekmių ribojimo (teritorinės lokalizacijos, radioaktyvumo išskyrimo minimizavimo, taktinio panaudojimo lygio), vadinamasis. iki 1 Ktn talpos tikslūs vienpakopiai užtaisai, skirti sunaikinti taškinius taikinius - raketų silosas, būstinė, ryšių centrai, radarai, oro gynybos raketų sistemos, laivai, povandeniniai laivai, strateginiai bombonešiai ir kt.
Tokio krūvio konstrukcija gali būti sudaryta iš impulsinio mazgo, kurį sudaro du elipsoidiniai detonaciniai lęšiai (cheminis sprogmuo iš HMX, inertiška medžiaga iš polipropileno), trys sferiniai apvalkalai (neutronų atšvaitas iš berilio, pjezoelektrinis generatorius iš cezio jodidas, skilimo medžiaga iš plutonio) ir vidinė sfera (ličio deuterido lydomasis kuras)
Veikiant susiliejančiai slėgio bangai, cezio jodidas sukuria galingą elektromagnetinį impulsą, elektronų srautas generuoja gama spinduliuotę plutonio, kuris išmuša neutronus iš branduolių, taip pradėdamas savaime sklindančią skilimo reakciją, rentgeno spinduliai suspaudžia ir įkaitina ličio deuteridą., neutronų srautas iš ličio sukuria tričio, kuris reaguoja su deuteriu. Centripetalinė skilimo ir sintezės reakcijų kryptis užtikrina 100% termobranduolinio kuro naudojimą.
Galima toliau plėtoti branduolinio krūvio konstrukcijas, sumažinant galią ir radioaktyvumą, pakeičiant plutonį įtaisą, skirtą kapsulės suspaudimui lazeriu, naudojant tričio ir deuterio mišinį.
