Nuklearno oružje je najefikasnije u istoriji čovječanstva u smislu cijene / efikasnosti: godišnji troškovi razvoja, ispitivanja, proizvodnje i održavanja u pogonu ovog oružja čine od 5 do 10 posto vojnog budžeta Sjedinjenih Država i Ruska Federacija - zemlje s već formiranim kompleksom nuklearne proizvodnje, razvijenim atomskim inženjeringom i dostupnošću flote superračunara za matematičko modeliranje nuklearnih eksplozija.
Korištenje nuklearnih uređaja u vojne svrhe temelji se na svojstvu atoma teških kemijskih elemenata da se raspadaju u atome lakših elemenata uz oslobađanje energije u obliku elektromagnetskog zračenja (gama i rendgenski rasponi), kao i u oblik kinetičke energije raspršivanja elementarnih čestica (neutrona, protona i elektrona) i jezgara atoma lakših elemenata (cezij, stroncij, jod i drugi)
Najpopularniji teški elementi su uran i plutonij. Njihovi izotopi pri fisiji jezgre emitiraju 2 do 3 neutrona, što opet uzrokuje fisiju jezgri susjednih atoma itd. U tvari se događa samoproširujuća (tzv. Lančana) reakcija s oslobađanjem velike količine energije. Za početak reakcije potrebna je određena kritična masa, čiji će volumen biti dovoljan za hvatanje neutrona atomskim jezgrama bez emisije neutrona izvan tvari. Kritična masa se može smanjiti neutronskim reflektorom i inicirajućim izvorom neutrona
Reakcija fisije započinje kombiniranjem dvije podkritične mase u jednu nadkritičnu ili komprimiranjem sferne ljuske nadkritične mase u sferu, čime se povećava koncentracija cijepljive tvari u određenom volumenu. Cjepljivi materijal se kombinira ili komprimira usmjerenom eksplozijom kemijskog eksploziva.
Osim reakcije fisije teških elemenata, reakcija sinteze lakih elemenata koristi se u nuklearnim nabojima. Termonuklearna fuzija zahtijeva zagrijavanje i kompresiju tvari do nekoliko desetina milijuna stupnjeva i atmosfera, što se može osigurati samo zbog energije oslobođene tijekom reakcije fisije. Stoga su termonuklearni naboji projektirani prema dvostupanjskoj shemi. Izotopi vodika, tricija i deuterija (koji zahtijevaju minimalne vrijednosti temperature i tlaka za početak fuzijske reakcije) ili kemijskog spoja, litijev deuterid (potonji se pod djelovanjem neutrona iz eksplozije prve faze dijeli u tricij i helij) koriste se kao laki elementi. Energija u fuzijskoj reakciji oslobađa se u obliku elektromagnetskog zračenja i kinetičke energije neutrona, elektrona i jezgri helija (tzv. Alfa čestice). Oslobađanje energije fuzijske reakcije po jedinici mase četiri je puta veće od reakcije fisije
Tricij i njegov deuterij koji se sam raspada koriste se i kao izvor neutrona za pokretanje reakcije fisije. Tricij ili smjesa izotopa vodika pod djelovanjem kompresije plutonijeve ljuske djelomično ulazi u fuzijsku reakciju s oslobađanjem neutrona koji pretvaraju plutonij u nadkritično stanje.
Glavne komponente modernih nuklearnih bojevih glava su sljedeće:
-stabilan (spontano ne fisioni) izotop uranijuma U-238, ekstrahovan iz uranijumske rude ili (u obliku nečistoće) iz fosfatne rude;
-radioaktivni (spontano cepljivi) izotop uranijuma U-235, ekstrahovan iz uranijumske rude ili proizveden iz U-238 u nuklearnim reaktorima;
-radioaktivni izotop plutonijuma Pu-239, proizveden iz U-238 u nuklearnim reaktorima;
- stabilan izotop vodikovog deuterijuma D, ekstrahiran iz prirodne vode ili proizveden iz protija u nuklearnim reaktorima;
- radioaktivni izotop vodikovog tricija T, proizveden iz deuterija u nuklearnim reaktorima;
- stabilan izotop litijuma Li-6, ekstrahovan iz rude;
- stabilan izotop berilijuma Be-9, ekstrahovan iz rude;
- HMX i triaminotrinitrobenzen, hemijski eksplozivi.
Kritična masa kugle napravljene od U-235 promjera 17 cm iznosi 50 kg, kritična masa kugle napravljene od Pu-239 promjera 10 cm je 11 kg. Uz reflektor berilij neutrona i izvor tricija neutrona, kritična masa se može smanjiti na 35 odnosno 6 kg.
Kako bi uklonili rizik od spontanog djelovanja nuklearnih naboja, koriste tzv. oružje Pu-239, pročišćeno od drugih, manje stabilnih izotopa plutonija do nivoa od 94%. Periodično 30 godina, plutonij se čisti od produkata spontanog nuklearnog raspada njegovih izotopa. Kako bi se povećala mehanička čvrstoća, plutonij je legiran s 1 masenim postotkom galija i premazan tankim slojem nikla kako bi se zaštitio od oksidacije.
Temperatura samozagrijavanja zračenja plutonija tokom skladištenja nuklearnih naboja ne prelazi 100 stepeni Celzijusa, što je niže od temperature razgradnje hemijskog eksploziva.
Od 2000. godine količina plutonija oružja na raspolaganju Ruske Federacije procjenjuje se na 170 tona, SAD - na 103 tone, plus nekoliko desetina tona prihvaćenih za skladištenje iz zemalja NATO -a, Japana i Južne Koreje, koji nemaju nuklearno oružje. Ruska Federacija ima najveći kapacitet za proizvodnju plutonija u svijetu u obliku nuklearnih brzih reaktora za oružje i snage. Zajedno s plutonijem po cijeni od oko 100 američkih dolara po gramu (5-6 kg po punjenju), tricij se proizvodi po cijeni od oko 20 tisuća američkih dolara po gramu (4-5 grama po punjenju).
Najraniji projekti nuklearnih fisijskih naboja bili su Kid and Fat Man, razvijeni u Sjedinjenim Državama sredinom 1940-ih. Potonji tip naboja razlikovao se od prvog u složenoj opremi za sinkronizaciju detonacije brojnih električnih detonatora i po velikim poprečnim dimenzijama.
"Kid" je napravljen prema topovskoj shemi - artiljerijska cijev postavljena je duž uzdužne osi tijela zračne bombe, na čijem se prigušenom kraju nalazila polovica cijepljivog materijala (uran U -235), druga polovica cijepljivog materijala bio je projektil ubrzan nabojem praha. Faktor iskorištenosti urana u reakciji fisije bio je oko 1 posto, ostatak mase U-235 ispao je u obliku radioaktivnih padavina s poluživotom od 700 milijuna godina.
"Debeli čovjek" napravljen je prema implozivnoj shemi-šuplja sfera od fisijskog materijala (Pu-239 plutonij) bila je okružena školjkom od urana U-238 (potiskivač), aluminijskom školjkom (gašenjem) i školjkom (implozija) generator), sastavljen od pet i šestougaonih segmenata hemijskog eksploziva, na čijoj su vanjskoj površini ugrađeni električni detonatori. Svaki segment bio je detonacijsko sočivo dvije vrste eksploziva s različitim brzinama detonacije, pretvarajući divergentni val pritiska u sferni konvergentni val, ravnomjerno komprimirajući aluminijsku ljusku, koja je zauzvrat stisnula uranijumsku ljusku, i onu - sferu plutonija sve do unutrašnja šupljina zatvorena. Aluminijski apsorber upotrijebljen je za apsorbiranje trzaja potisnog vala pri prijelazu u materijal veće gustoće, a potiskivač urana korišten je za inertno držanje plutonija tijekom reakcije fisije. U unutrašnjoj šupljini plutonijeve sfere nalazio se izvor neutrona, napravljen od radioaktivnog izotopa polonija Po-210 i berilijuma, koji su emitirali neutrone pod utjecajem alfa zračenja iz polonija. Faktor iskorištenja fisijske tvari bio je oko 5 posto, poluživot radioaktivnih padavina bio je 24 tisuće godina.
Odmah nakon stvaranja "Kid" -a i "Fat Man -a" u SAD -u, započeo je rad na optimizaciji dizajna nuklearnih naboja, kako topovskih tako i shema implozije, s ciljem smanjenja kritične mase, povećanja stope iskorištenja fisije, pojednostavljenja električni detonacijski sustav i smanjenje veličine. U SSSR -u i drugim državama - vlasnicima nuklearnog oružja, optužbe su prvobitno stvorene prema implozivnoj shemi. Kao rezultat optimizacije dizajna, kritična masa cijepljenog materijala smanjena je, a koeficijent njegove iskorištenosti nekoliko puta je povećan zbog upotrebe neutronskog reflektora i izvora neutrona.
Reflektor neutronskog berilijuma je metalna ljuska debljine do 40 mm, izvor neutrona je plinoviti tricij koji ispunjava šupljinu u plutonijumu, ili željezni hidrid impregniran tritijem s titanijem uskladišten u posebnom cilindru (pojačivač) i oslobađa tricij pod djelovanjem zagrijavanja električnom energijom neposredno prije korištenja nuklearnog naboja, nakon čega se tricij dovodi kroz plinovod u punjenje. Ovo posljednje tehničko rješenje omogućuje umnožavanje snage nuklearnog naboja ovisno o volumenu ispumpanog tricija, a također olakšava zamjenu plinske smjese novom svakih 4-5 godina, budući da je vrijeme poluraspada tricija 12 godina. Prekomjerna količina tricija u pojačivaču omogućuje smanjenje kritične mase plutonija na 3 kg i značajno povećanje učinka takvog štetnog faktora kao što je neutronsko zračenje (smanjenjem učinka drugih štetnih faktora - udarnog vala i svjetlosnog zračenja).). Kao rezultat optimizacije dizajna, faktor iskorištenja fisijskog materijala povećan je na 20%, u slučaju viška tricija - do 40%.
Topovska shema je pojednostavljena zbog prelaska na radijalno-aksijalnu imploziju tako što je napravljen niz fisionog materijala u obliku šupljeg cilindra, smrvljenog eksplozijom dva kraja i jednog aksijalnog eksplozivnog naboja
Implozivna shema optimizirana je (SWAN) tako što je vanjski omotač eksploziva napravljen u obliku elipsoida, što je omogućilo smanjenje broja detonacijskih leća na dvije jedinice razmaknute od polova elipsoida - razlika u brzina detonacijskog vala u poprečnom presjeku detonacijske leće osigurava istovremeni pristup udarnog vala sfernoj površini unutarnjeg sloja eksploziva čija detonacija ravnomjerno sabija berilijumsku ljusku (kombinirajući funkcije reflektora neutrona i prigušivač povratnog vala tlaka) i plutonijeva kugla s unutarnjom šupljinom ispunjenom tritijem ili njegovom smjesom s deuterijom
Najkompaktnija implementacija implozijske sheme (koja se koristi u sovjetskom projektilu od 152 mm) je izvođenje eksplozivno-berilij-plutonijevog sklopa u obliku šupljeg elipsoida promjenjive debljine stijenke, što osigurava izračunatu deformaciju sklopa pod djelovanjem udarnog vala od eksplozivne eksplozije u konačnu sfernu strukturu
Uprkos raznim tehničkim poboljšanjima, snaga nuklearnih fisionih naboja ostala je ograničena na nivo od 100 Ktn u ekvivalentu TNT -a zbog neizbježnog širenja vanjskih slojeva fisijske tvari tijekom eksplozije uz isključivanje tvari iz reakcije fisije.
Stoga je predložen dizajn termonuklearnog naboja, koji uključuje i teške fisione elemente i lagane fuzijske elemente. Prvi termonuklearni naboj (Ivy Mike) napravljen je u obliku kriogenog spremnika napunjenog tekućom smjesom tricija i deuterija, u kojem se nalazio implozivni nuklearni naboj plutonija. Zbog iznimno velikih dimenzija i potrebe za stalnim hlađenjem kriogenog spremnika, u praksi se koristila drugačija shema - implozivna "puha" (RDS -6s), koja uključuje nekoliko naizmjeničnih slojeva urana, plutonija i litijevog deuterida vanjski reflektor berilija i unutarnji izvor tricija
Međutim, snaga "naduvavanja" također je ograničena nivoom od 1 Mtn zbog početka reakcije fisije i sinteze u unutrašnjim slojevima i širenja nereagiranih vanjskih slojeva. Kako bi se prevladalo ovo ograničenje, razvijena je shema za kompresiju lakih elemenata reakcije fuzije rendgenskim zrakama (druga faza) iz reakcije fisije teških elemenata (prva faza). Ogroman pritisak fluksa rendgenskih fotona koji se oslobađa u reakciji fisije omogućuje da se litij-deuterid komprimira 10 puta s povećanjem gustoće za 1000 puta i zagrije tijekom procesa kompresije, nakon čega je litij izložen neutronskom toku iz reakcija fisije, koja se pretvara u tricij, koji ulazi u reakcije fuzije s deuterijem. Dvostupanjska shema termonuklearnog naboja najčišća je u pogledu prinosa radioaktivnosti, budući da sekundarni neutroni iz reakcije fuzije izgaraju nereagirani uran / plutonij do kratkotrajnih radioaktivnih elemenata, a sami neutroni se u zraku gase sa domet oko 1,5 km.
U svrhu ravnomjernog presovanja druge faze, tijelo termonuklearnog naboja izrađeno je u obliku ljuske kikirikija, postavljajući sklop prve faze u geometrijsko fokusiranje jednog dijela ljuske, a sklop druga faza u geometrijskom fokusu drugog dijela ljuske. Sklopovi se ovjese na većinu tijela pomoću pjene ili punila za aerogel. Prema pravilima optike, rendgensko zračenje od eksplozije prve faze koncentrirano je u suženju između dva dijela ljuske i ravnomjerno je raspoređeno po površini druge faze. Kako bi se povećala refleksivnost u rasponu rendgenskih zraka, unutarnja površina tijela naboja i vanjska površina sklopa druge faze prekrivene su slojem gustog materijala: olova, volframa ili urana U-238. U potonjem slučaju, termonuklearni naboj postaje trostupanjski-pod djelovanjem neutrona iz fuzijske reakcije, U-238 se pretvara u U-235, čiji atomi ulaze u reakciju fisije i povećavaju eksplozivnu moć
Trostupanjska shema ugrađena je u dizajn sovjetske zračne bombe AN-602, čija je projektna snaga bila 100 Mtn. Prije ispitivanja, treća faza je isključena iz svog sastava zamjenom urana U-238 olovom zbog rizika od širenja zone radioaktivnog ispadanja iz cijepanja U-238 izvan poligona. Stvarni kapacitet dvostepene modifikacije AN-602 bio je 58 miliona tona. Daljnje povećanje snage termonuklearnih naboja može se postići povećanjem broja termonuklearnih naboja u kombiniranoj eksplozivnoj napravi. Međutim, to nije potrebno zbog nedostatka odgovarajućih ciljeva - moderni analogni AN -602, postavljen na podvodno vozilo Poseidon, ima radijus uništenja zgrada i građevina udarnim valom od 72 km i polumjer požara od 150 km, što je sasvim dovoljno za uništavanje velikih gradova poput New Yorka ili Tokija
Sa stajališta ograničavanja posljedica upotrebe nuklearnog oružja (teritorijalna lokalizacija, minimiziranje ispuštanja radioaktivnosti, taktički nivo upotrebe), tzv. precizni jednostepeni naboji kapaciteta do 1 Ktn, koji su dizajnirani za uništavanje tačkastih ciljeva - raketnih silosa, štabova, komunikacionih centara, radara, raketnih sistema PVO, brodova, podmornica, strateških bombardera itd.
Dizajn takvog naboja može biti izveden u obliku implozivnog sklopa koji uključuje dva elipsoidna detonacijska sočiva (hemijski eksploziv iz HMX -a, inertni materijal od polipropilena), tri sferne ljuske (neutronski reflektor od berilijuma, piezoelektrični generator od cezijev jodid, cijepljivi materijal iz plutonija) i unutarnja sfera (fuzijsko gorivo s litij -deuteridom)
Pod djelovanjem konvergentnog vala pritiska, cezijev jodid stvara supermoćni elektromagnetski impuls, protok elektrona stvara gama zračenje u plutoniju, koje izbacuje neutrone iz jezgri, čime se pokreće samoproširujuća reakcija fisije, rendgenski zraci komprimiraju i zagrijavaju litij deuterid, neutronski tok stvara tritij iz litija, koji ulazi u reakciju s deuterijem. Centripetalni smjer reakcija fisije i fuzije osigurava 100% upotrebu termonuklearnog goriva.
Daljnji razvoj dizajna nuklearnog naboja u smjeru smanjenja snage i radioaktivnosti moguć je zamjenom plutonija uređajem za lasersku kompresiju kapsule sa smjesom tricija i deuterija.
