Atomvåben er de mest effektive i menneskehedens historie med hensyn til omkostninger / effektivitet: de årlige omkostninger ved at udvikle, teste, fremstille og vedligeholde driften af disse våben udgør fra 5 til 10 procent af militærbudgettet i USA og Den Russiske Føderation - lande med et allerede dannet atomproduktionskompleks, udviklet atomkraftteknik og tilgængeligheden af en flåde af supercomputere til matematisk modellering af atomeksplosioner.
Brugen af nukleare anordninger til militære formål er baseret på egenskaben af atomer af tunge kemiske grundstoffer til at henfalde til atomer af lettere elementer med frigivelse af energi i form af elektromagnetisk stråling (gamma- og røntgenstråler) samt i form for kinetisk energi til spredning af elementarpartikler (neutroner, protoner og elektroner) og atomkerner af lettere elementer (cæsium, strontium, jod og andre)
De mest populære tunge elementer er uran og plutonium. Deres isotoper udsender ved splittelse af deres kerne fra 2 til 3 neutroner, som igen forårsager fission af atomkernenes nærliggende atomer osv. En selvudbredende (såkaldt kæde) reaktion med frigivelse af en stor mængde energi forekommer i stoffet. For at starte reaktionen kræves en vis kritisk masse, hvis volumen vil være tilstrækkelig til at fange neutroner med atomkerner uden udsendelse af neutroner uden for stoffet. Kritisk masse kan reduceres med en neutronreflektor og en initierende neutronkilde
Fissionsreaktionen startes ved at kombinere to subkritiske masser til en superkritisk eller ved at komprimere en sfærisk skal af en superkritisk masse til en kugle og derved øge koncentrationen af fissilt stof i et givet volumen. Fissilt materiale kombineres eller komprimeres ved en direkte eksplosion af et kemisk sprængstof.
Ud over fissionsreaktionen af tunge grundstoffer anvendes reaktionen af syntese af lette elementer i nukleare ladninger. Termonuklear fusion kræver opvarmning og komprimering af stof op til flere titusinder af millioner grader og atmosfærer, som kun kan tilvejebringes på grund af den energi, der frigives under fissionsreaktionen. Derfor er termonukleære ladninger designet i henhold til en totrinsplan. Isotoperne af hydrogen, tritium og deuterium (der kræver minimumsværdier for temperatur og tryk for at starte fusionsreaktionen) eller en kemisk forbindelse, lithiumdeuterid (sidstnævnte, under påvirkning af neutroner fra eksplosionen i det første trin, er delt til tritium og helium) bruges som lette elementer. Energi i fusionsreaktionen frigives i form af elektromagnetisk stråling og kinetisk energi fra neutroner, elektroner og heliumkerner (såkaldte alfapartikler). Fusionsreaktionens energifrigivelse pr. Masseenhed er fire gange højere end fissionsreaktionen
Tritium og dets selvforfaldne produkt deuterium bruges også som en kilde til neutroner til at starte fissionsreaktionen. Tritium eller en blanding af hydrogenisotoper går under virkningen af komprimering af plutoniumskallen delvist ind i en fusionsreaktion med frigivelse af neutroner, som omdanner plutonium til en superkritisk tilstand.
Hovedkomponenterne i moderne atomsprænghoveder er som følger:
-stabil (spontant ikke-fissil) isotop af uran U-238, ekstraheret fra uranmalm eller (i form af en urenhed) fra fosfatmalm;
-radioaktiv (spontant fissil) isotop af uran U-235, ekstraheret fra uranmalm eller fremstillet af U-238 i atomreaktorer;
-radioaktiv isotop af plutonium Pu-239, fremstillet af U-238 i atomreaktorer;
- stabil isotop af hydrogen deuterium D, ekstraheret fra naturligt vand eller fremstillet af protium i atomreaktorer
- radioaktiv isotop af brinttritium T, fremstillet af deuterium i atomreaktorer;
- stabil isotop af lithium Li-6, ekstraheret fra malm;
- stabil isotop af beryllium Be-9, ekstraheret fra malm;
- HMX og triaminotrinitrobenzen, kemiske sprængstoffer.
Den kritiske masse af en kugle lavet af U-235 med en diameter på 17 cm er 50 kg, den kritiske masse af en kugle lavet af Pu-239 med en diameter på 10 cm er 11 kg. Med en berylliumneutronreflektor og en tritiumneutronkilde kan den kritiske masse reduceres til henholdsvis 35 og 6 kg.
For at eliminere risikoen for spontan drift af nukleare afgifter bruger de den såkaldte. våbenklasse Pu-239, renset fra andre, mindre stabile isotoper af plutonium til et niveau på 94%. Med en periodicitet på 30 år renses plutonium fra produkterne af spontant atomisk henfald af dets isotoper. For at øge den mekaniske styrke legeres plutonium med 1 masse % gallium og belægges med et tyndt lag nikkel for at beskytte det mod oxidation.
Temperaturen ved stråling, selvopvarmning af plutonium under lagring af nukleare ladninger overstiger ikke 100 grader Celsius, hvilket er lavere end nedbrydningstemperaturen for et kemisk sprængstof.
Fra 2000 anslås mængden af våbenplutonium til rådighed for Den Russiske Føderation til 170 tons, USA - til 103 tons plus flere titalls tons accepteret til opbevaring fra NATO -landene, Japan og Sydkorea, som ikke besidder atomvåben. Den Russiske Føderation har den største produktionskapacitet i plutonium i verden i form af våbenklasse og kraftige atomreaktorer. Sammen med plutonium til en pris af ca. 100 amerikanske dollars pr. Gram (5-6 kg pr. Opladning) produceres tritium til en pris af omkring 20 tusind amerikanske dollars pr. Gram (4-5 gram pr. Opladning).
De tidligste design af nukleare fissionsafgifter var Kid and Fat Man, udviklet i USA i midten af 1940'erne. Sidstnævnte ladningstype adskilte sig fra den første i det komplekse udstyr til synkronisering af detonation af talrige elektriske detonatorer og i dets store tværgående dimensioner.
"Kid" blev fremstillet i henhold til et kanonskema - en artilleri -tønde blev monteret langs luftbombelegemets længdeakse, i den dæmpede ende hvoraf den ene halvdel af det fissile materiale (uran U -235), anden halvdel af det fissile materiale var et projektil accelereret med en pulverladning. Udnyttelsesfaktoren for uran i fissionsreaktionen var omkring 1 procent, resten af U-235-massen faldt ud i form af radioaktivt nedfald med en halveringstid på 700 millioner år.
"Fat Man" blev fremstillet i henhold til en implosiv ordning-en hul kugle af fissilt materiale (Pu-239 plutonium) var omgivet af en skal lavet af uran U-238 (pusher), en aluminiumskal (slukker) og en skal (implosion) generator), der består af fem- og sekskantede segmenter af et kemisk sprængstof, på hvilken den ydre overflade blev installeret elektriske detonatorer. Hvert segment var en detonationslinse af to typer sprængstoffer med forskellige detonationshastigheder, der konverterede den divergerende trykbølge til en sfærisk konvergerende bølge, der komprimerede aluminiumskallen ensartet, hvilket igen komprimerede uranskallen, og den ene - plutoniumkuglen indtil dens indre hulrum lukket. En aluminiumsabsorber blev brugt til at absorbere rekylen fra trykbølgen, da den passerer ind i et materiale med en højere densitet, og en uranpusher blev brugt til inert at holde plutonium under fissionsreaktionen. I plutoniumkuglens indre hulrum blev der fundet en neutronkilde, fremstillet af den radioaktive isotop polonium Po-210 og beryllium, som udsendte neutroner under påvirkning af alfa-stråling fra polonium. Udnyttelsesfaktoren for fissilt stof var omkring 5 procent, halveringstiden for radioaktivt nedfald var 24 tusind år.
Umiddelbart efter oprettelsen af "Kid" og "Fat Man" i USA begyndte arbejdet med at optimere udformningen af nukleare afgifter, både kanon- og implosionsordninger, der sigter mod at reducere den kritiske masse, øge udnyttelsesgraden af fissilt stof, forenkle elektrisk detonationssystem og reducere størrelsen. I Sovjetunionen og andre stater - ejere af atomvåben, blev anklagerne oprindeligt oprettet efter en implosiv ordning. Som et resultat af optimering af designet blev den kritiske masse af fissilt materiale reduceret, og koefficienten for dets udnyttelse blev øget flere gange på grund af brugen af en neutronreflektor og en neutronkilde.
Berylliumneutronreflektoren er en metalskal op til 40 mm tyk, neutronkilden er gasformig tritium, der fylder et hulrum i plutonium eller tritiumimprægneret jernhydrid med titan lagret i en separat cylinder (booster) og frigiver tritium under virkning af opvarmning med elektricitet umiddelbart før brug af en atomladning, hvorefter tritium føres gennem gasledningen ind i ladningen. Sidstnævnte tekniske løsning gør det muligt at multiplicere atomladningens effekt afhængigt af mængden af pumpet tritium og letter også udskiftning af gasblandingen med en ny hvert 4-5 år, da halveringstiden for tritium er 12 år. En overdreven mængde tritium i booster gør det muligt at reducere den kritiske masse af plutonium til 3 kg og øge effekten af en så skadelig faktor som neutronstråling markant (ved at reducere virkningen af andre skadelige faktorer - en stødbølge og lysstråling). Som et resultat af designoptimering steg fissile materialets udnyttelsesfaktor til 20%, i tilfælde af overskud af tritium - op til 40%.
Kanonsystemet blev forenklet på grund af overgangen til radial-aksial implosion ved at lave en række fissile materialer i form af en hul cylinder, knust af eksplosionen af to ender og en aksial eksplosiv ladning
Det implosive skema blev optimeret (SWAN) ved at lave sprængstofets ydre skal i form af et ellipsoid, hvilket gjorde det muligt at reducere antallet af detonationslinser til to enheder med afstand fra ellipsoidens poler - forskellen i hastigheden af detonationsbølgen i detonationslinsens tværsnit sikrer en samtidig tilgang af stødbølgen til den sfæriske overflade, det indre lag af sprængstoffet, hvis detonation komprimerer berylliumskallen ensartet (kombinerer funktionerne af en neutronreflektor og en trykbølgerekylspjæld) og en plutoniumkugle med et indre hulrum fyldt med tritium eller dets blanding med deuterium
Den mest kompakte implementering af implosionsordningen (anvendt i det sovjetiske 152 mm projektil) er udførelsen af en eksplosiv-beryllium-plutonium-samling i form af en hul ellipsoid med en variabel vægtykkelse, som giver den beregnede deformation af samlingen under påvirkning af en chokbølge fra en eksplosiv eksplosion til en sidste sfærisk struktur
På trods af forskellige tekniske forbedringer forblev effekten af nukleare fissionsafgifter begrænset til niveauet på 100 Ktn i TNT -ækvivalent på grund af den uundgåelige ekspansion af de ydre lag af fissilt stof under eksplosionen med udelukkelse af stof fra fissionsreaktionen.
Derfor blev der foreslået et design for en termonuklear ladning, som omfatter både tunge fissionselementer og lette fusionselementer. Den første termonukleare ladning (Ivy Mike) blev fremstillet i form af en kryogen tank fyldt med en flydende blanding af tritium og deuterium, hvor en implosiv atomladning af plutonium var placeret. På grund af de ekstremt store dimensioner og behovet for konstant afkøling af den kryogene tank blev der i praksis brugt et andet skema - et implosivt "puff" (RDS -6s), som omfatter flere skiftevis lag af uran, plutonium og lithiumdeuterid med en ekstern berylliumreflektor og en intern tritiumkilde
Imidlertid var "pustens" effekt også begrænset af niveauet på 1 Mtn på grund af begyndelsen af fissions- og syntesereaktionen i de indre lag og ekspansionen af uomsatte ydre lag. For at overvinde denne begrænsning blev der udviklet et skema til komprimering af lette elementer i fusionsreaktionen ved hjælp af røntgenstråler (andet trin) fra fissionsreaktionen af tunge elementer (første trin). Det enorme tryk af strømmen af røntgenfotoner, der frigives i fissionsreaktionen, gør det muligt at komprimere litiumdeuterid 10 gange med en stigning i densitet med 1000 gange og opvarmes under komprimeringsprocessen, hvorefter lithium udsættes for neutronstrømmen fra fissionsreaktion, der bliver til tritium, som går i fusionsreaktioner med deuterium. To-trins-ordningen for en termonuklear ladning er den reneste med hensyn til radioaktivitetsudbyttet, da sekundære neutroner fra fusionsreaktionen brænder ureageret uran / plutonium ud til kortvarige radioaktive elementer, og selve neutronerne slukkes i luften med en rækkevidde på cirka 1,5 km.
Med henblik på ensartet krympning af det andet trin fremstilles kroppen af den termonukleare ladning i form af en jordnøddeskal, der placerer samlingen af det første trin i det geometriske fokus på en del af skallen og samlingen af anden fase i den geometriske fokusering af den anden del af skallen. Sammensætningerne suspenderes i hovedparten af kroppen ved hjælp af skum eller aerogelfyldstof. I henhold til optikreglerne er røntgenstrålingen fra eksplosionen i det første trin koncentreret i indsnævringen mellem skalets to dele og er jævnt fordelt over overfladen af det andet trin. For at øge reflektiviteten i røntgenområdet er ladningslegemets indre overflade og ydersiden af det andet trin forsynet med et lag tæt materiale: bly, wolfram eller uran U-238. I sidstnævnte tilfælde bliver den termonukleare ladning i tre trin-under virkning af neutroner fra fusionsreaktionen bliver U-238 til U-235, hvis atomer går ind i en fissionsreaktion og øger eksplosionsevnen
Tretrinsordningen blev indarbejdet i designet af den sovjetiske luftbombe AN-602, hvis designkraft var 100 Mtn. Før testen blev det tredje trin udelukket fra dets sammensætning ved at erstatte uran U-238 med bly på grund af risikoen for at udvide zonen med radioaktivt nedfald fra fission af U-238 ud over teststedet. Den faktiske kapacitet i totrinsmodifikationen af AN-602 var 58 Mtn. En yderligere stigning i effekten af termonukleære ladninger kan foretages ved at øge antallet af termonukleare ladninger i den kombinerede eksplosive enhed. Dette er imidlertid ikke nødvendigt på grund af manglen på tilstrækkelige mål - den moderne analog af AN -602, der er placeret ombord på Poseidon undervandsbilen, har en radius for ødelæggelse af bygninger og strukturer ved en stødbølge på 72 km og en radius af brande på 150 km, hvilket er helt nok til at ødelægge megabyer som New York eller Tokyo
Fra et synspunkt om at begrænse konsekvenserne af brugen af atomvåben (territorial lokalisering, minimere frigivelse af radioaktivitet, taktisk anvendelsesniveau), den såkaldte præcisions et -trins ladninger med en kapacitet på op til 1 Ktn, som er designet til at ødelægge punktmål - missilsiloer, hovedkvarter, kommunikationscentre, radarer, luftforsvarsmissilsystemer, skibe, ubåde, strategiske bombefly osv.
Designet af en sådan ladning kan laves i form af en implosiv samling, der omfatter to ellipsoide detonationslinser (kemisk sprængstof fra HMX, inert materiale fremstillet af polypropylen), tre sfæriske skaller (neutronreflektor lavet af beryllium, piezoelektrisk generator lavet af cæsiumiodid, fissilt materiale fra plutonium) og en intern kugle (lithiumdeuteridfusionsbrændstof)
Under virkningen af en konvergerende trykbølge genererer cæsiumiodid en superkraftig elektromagnetisk puls, elektronstrømmen genererer gammastråling i plutonium, som slår neutroner ud af kerner og derved starter en selvudbredende fissionsreaktion, røntgenstråler komprimerer og opvarmer lithiumdeuterid, neutronstrømmen genererer tritium fra lithium, som reagerer med deuterium. Spaltnings- og fusionsreaktionernes centripetale retning sikrer 100% brug af termonuklear brændstof.
Yderligere udvikling af nukleare ladningsdesigner i retning af at minimere effekt og radioaktivitet er mulig ved at erstatte plutonium med en anordning til laserkomprimering af en kapsel med en blanding af tritium og deuterium.
