Nuklearno oružje najučinkovitije je u povijesti čovječanstva u smislu cijene / učinkovitosti: godišnji troškovi razvoja, ispitivanja, proizvodnje i održavanja u pogonu tog oružja čine od 5 do 10 posto vojnog proračuna Sjedinjenih Država i Ruska Federacija - zemlje s već formiranim kompleksom nuklearne proizvodnje, razvijenim atomskim inženjeringom i dostupnošću flote superračunala 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 s oslobađanjem energije u obliku elektromagnetskog zračenja (rasponi gama i X-zraka), kao i u oblik kinetičke energije raspršivanja elementarnih čestica (neutrona, protona i elektrona) i jezgri atoma lakših elemenata (cezij, stroncij, jod i drugi)
Najpopularniji teški elementi su uran i plutonij. Njihovi izotopi, kad cijepaju svoju jezgru, emitiraju 2 do 3 neutrona, što opet uzrokuje cijepanje 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 može se smanjiti neutronskim reflektorom i inicirajućim izvorom neutrona
Reakcija fisije započinje kombiniranjem dvije podkritične mase u jednu nadkritičnu ili komprimiranjem sferne ljuske nadkritične mase u kuglu, čime se povećava koncentracija cijepljive tvari u zadanom volumenu. Cijepljivi materijal kombinira se 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 desetaka milijuna stupnjeva i atmosfera, što se može osigurati samo zbog energije koja se oslobađa 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 kemijski spoj, litijev deuterid (potonji se pod djelovanjem neutrona iz eksplozije prve faze dijeli u tritij 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 produkt samoraspadanja također se koriste 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 cijepljiv) izotop urana U-238, ekstrahiran iz uranove rude ili (u obliku nečistoće) iz fosfatne rude;
-radioaktivni (spontano cijepajući) izotop urana U-235, ekstrahiran iz uranove rude ili proizveden iz U-238 u nuklearnim reaktorima;
-radioaktivni izotop plutonija Pu-239, proizveden iz U-238 u nuklearnim reaktorima;
- stabilan izotop vodikovog deuterija 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 litija Li-6, ekstrahiran iz rude;
- stabilan izotop berilija Be-9, ekstrahiran iz rude;
- HMX i triaminotrinitrobenzen, kemijski eksplozivi.
Kritična masa kugle napravljene od U-235 promjera 17 cm iznosi 50 kg, kritična masa kugle od Pu-239 promjera 10 cm je 11 kg. S reflektorima berilij neutrona i izvorom neutrona tricija kritična se masa 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 razine od 94%. S periodičnošću od 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 tijekom skladištenja nuklearnih naboja ne prelazi 100 stupnjeva Celzijusa, što je niže od temperature razgradnje kemijskog eksploziva.
Od 2000. godine količina plutonija oružja na raspolaganju Ruske Federacije procjenjuje se na 170 tona, SAD - na 103 tone, plus nekoliko desetaka tona prihvaćenih za skladištenje iz zemalja NATO -a, Japana i Južne Koreje, koji ne posjeduju nuklearno oružje. Ruska Federacija ima najveće svjetske kapacitete za proizvodnju plutonija u obliku nuklearnih brzih reaktora oružja 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 po složenoj opremi za sinkronizaciju detonacije brojnih električnih detonatora i po velikim poprečnim dimenzijama.
"Klinac" je izrađen prema topovskoj shemi - topnička cijev postavljena je uz uzdužnu os tijela zračne bombe, na čijem se prigušenom kraju nalazila jedna 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 kugla 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 kemijskog eksploziva, na čijoj su vanjskoj površini ugrađeni električni detonatori. Svaki segment bio je detonacijska leća dviju vrsta eksploziva s različitim brzinama detonacije, pretvarajući divergentni val pritiska u sferni konvergentni val, jednolično sabijajući aluminijsku ljusku, koja je pak stisnula uranovu ljusku, a onu - sferu plutonija unutarnja šupljina zatvorena. Aluminijski apsorber upotrijebljen je za apsorbiranje trzaja tlačnog vala pri prijelazu u materijal veće gustoće, a potiskivač urana korišten je za inertno držanje plutonija tijekom reakcije fisije. U unutarnjoj šupljini plutonijeve sfere nalazio se izvor neutrona, napravljen od radioaktivnog izotopa polonija Po-210 i berilija, koji je emitirao neutrone pod utjecajem alfa zračenja iz polonija. Faktor iskorištenosti 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, započeli su radovi na optimizaciji dizajna nuklearnih naboja, topovskih i implozijskih shema, čiji je cilj smanjenje kritične mase, povećanje stope iskorištenja fisije, pojednostavljivanje električni sustav detonacije i smanjenje veličine. U SSSR -u i drugim državama - vlasnicima nuklearnog oružja, optužbe su u početku nastale prema implozivnoj shemi. Kao rezultat optimizacije dizajna, kritična masa cijepljivog materijala smanjena je, a koeficijent njegove iskorištenosti nekoliko puta je povećan zbog uporabe neutronskog reflektora i izvora neutrona.
Reflektor neutrona berilija metalna je ljuska do 40 mm debljine, izvor neutrona je plinoviti tricij koji ispunjava šupljinu u plutoniju, ili željezovim hidridom impregniranim tritijem s titanom pohranjenim 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 naboj. 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 čimbenika - 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 pojednostavljena je zbog prijelaza na radijalno-aksijalnu imploziju izradom niza cijepljivog materijala u obliku šupljeg cilindra, zdrobljenog eksplozijom dvaju krajeva i jednog aksijalnog eksplozivnog naboja
Implozivna shema optimizirana je (SWAN) izradom vanjskog omotača eksploziva u obliku elipsoida, što je omogućilo smanjenje broja leća za detonaciju na dvije jedinice razmaknute od polova elipsoida - razlika u brzina detonacijskog vala u poprečnom presjeku detonacijske leće osigurava istodobno približavanje udarnog vala sfernoj površini unutarnjem sloju eksploziva čija detonacija ravnomjerno komprimira ljusku berilija (kombinirajući funkcije reflektora neutrona i prigušivač povratnog vala tlačnog vala) i plutonijeva kugla s unutarnjom šupljinom ispunjenom tritijem ili njegovom smjesom s deuterijem
Najkompaktnija izvedba implozijske sheme (koja se koristi u sovjetskom projektilu od 152 mm) je izvođenje eksplozivno-berilij-plutonijevog sklopa u obliku šupljeg elipsoida s promjenjivom debljinom stijenke, što osigurava izračunatu deformaciju sklopa pod djelovanjem udarnog vala od eksplozivne eksplozije u konačnu sfernu strukturu
Unatoč raznim tehničkim poboljšanjima, snaga nuklearnih fisijskih naboja ostala je ograničena na razinu od 100 Ktn u ekvivalentu TNT -a zbog neizbježnog širenja vanjskih slojeva cijepljive tvari tijekom eksplozije uz isključenje tvari iz reakcije fisije.
Stoga je predložen dizajn termonuklearnog naboja koji uključuje i teške fisijske 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 "zapuha" također je ograničena razinom od 1 Mtn zbog početka reakcije fisije i sinteze u unutarnjim slojevima i širenja nereagiranih vanjskih slojeva. Kako bi se prevladalo ovo ograničenje, razvijena je shema za kompresiju lakih elemenata fuzijske reakcije pomoću X-zraka (druga faza) iz reakcije fisije teških elemenata (prva faza). Ogroman tlak fluksa rendgenskih fotona koji se oslobađa u reakciji fisije omogućuje da se litijev 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, koja 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 s domet oko 1,5 km.
U svrhu jednolikog prešanja druge faze, tijelo termonuklearnog naboja izrađeno je u obliku ljuske od kikirikija, postavljajući sklop prve faze u geometrijsko žarište jednog dijela ljuske, a sklop druga faza u geometrijskom fokusu drugog dijela ljuske. Sklopovi se ovjese u većinu tijela pomoću pjene ili punila za aerogel. Prema pravilima optike, rentgensko zračenje od eksplozije prvog stupnja koncentrirano je u sužavanju između dva dijela ljuske i ravnomjerno je raspoređeno po površini drugog stupnja. Kako bi se povećala refleksivnost u rasponu X-zraka, unutarnja površina tijela naboja i vanjska površina sklopa drugog stupnja 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 je faza isključena iz njezina sastava zamjenom urana U-238 olovom zbog opasnosti od širenja zone radioaktivnog ispadanja iz cijepanja U-238 izvan poligona. Stvarni kapacitet dvostupanjske izmjene AN-602 bio je 58 milijuna 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 - suvremeni 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 da se unište megagradovi poput New Yorka ili Tokija
Sa stajališta ograničavanja posljedica uporabe nuklearnog oružja (teritorijalna lokalizacija, minimiziranje ispuštanja radioaktivnosti, taktička razina uporabe), tzv. precizni jednostupanjski naboji kapaciteta do 1 Ktn, koji su dizajnirani za uništavanje točkastih ciljeva - raketnih silosa, sjedišta, komunikacijskih centara, radara, raketnih sustava protuzračne obrane, brodova, podmornica, strateških bombardera itd.
Dizajn takvog naboja može se izvesti u obliku implozivnog sklopa, koji uključuje dvije elipsoidne detonacijske leće (kemijski eksploziv iz HMX -a, inertni materijal izrađen od polipropilena), tri sferne ljuske (reflektor neutrona od berilija, piezoelektrični generator izrađen od cezijev jodid, cijepljivi materijal iz plutonija) i unutarnja sfera (fuzijsko gorivo litij -deuterid)
Pod djelovanjem konvergirajućeg valnog tlaka, cezijev jodid stvara supermoćni elektromagnetski impuls, protok elektrona stvara gama zračenje u plutoniju, koje izbacuje neutrone iz jezgri, čime započinje reakciju samoproširenja, rendgenske zrake komprimiraju i zagrijavaju litijev deuterid, neutronski tok stvara tritij iz litija, koji ulazi u reakciju s deuterijem. Centripetalni smjer reakcija fisije i fuzije osigurava 100% uporabu termonuklearnog goriva.
Daljnji razvoj nacrta nuklearnog naboja u smjeru smanjenja snage i radioaktivnosti moguć je zamjenom plutonija uređajem za lasersku kompresiju kapsule sa smjesom tricija i deuterija.
