Broń jądrowa jest najbardziej efektywna w historii ludzkości pod względem kosztów/wydajności: roczne koszty opracowania, testowania, produkcji i utrzymania w eksploatacji tej broni stanowią od 5 do 10 procent budżetu wojskowego Stanów Zjednoczonych i Federacja Rosyjska - kraje z już utworzonym kompleksem produkcji jądrowej, rozwiniętą energetyką atomową i dostępnością floty superkomputerów do matematycznego modelowania wybuchów jądrowych.
Wykorzystanie urządzeń jądrowych do celów wojskowych opiera się na właściwości rozpadu atomów ciężkich pierwiastków chemicznych na atomy pierwiastków lżejszych z uwolnieniem energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego (zakresy gamma i rentgenowskie), a także w forma energii kinetycznej rozpraszania cząstek elementarnych (neutronów, protonów i elektronów) oraz jąder atomów lżejszych pierwiastków (cezu, strontu, jodu i innych)
Najpopularniejszymi pierwiastkami ciężkimi są uran i pluton. Ich izotopy podczas rozszczepiania jądra emitują od 2 do 3 neutronów, co z kolei powoduje rozszczepienie jąder sąsiednich atomów itp. W substancji zachodzi reakcja samorozprzestrzeniająca się (tzw. łańcuchowa) z uwolnieniem dużej ilości energii. Aby rozpocząć reakcję, wymagana jest pewna masa krytyczna, której objętość będzie wystarczająca do wychwytywania neutronów przez jądra atomowe bez emisji neutronów na zewnątrz substancji. Masę krytyczną można zmniejszyć za pomocą reflektora neutronów i inicjującego źródła neutronów
Reakcja rozszczepienia rozpoczyna się przez połączenie dwóch mas podkrytycznych w jedną nadkrytyczną lub przez sprasowanie kulistej powłoki masy nadkrytycznej w kulę, zwiększając w ten sposób koncentrację materii rozszczepialnej w danej objętości. Materiał rozszczepialny jest łączony lub kompresowany przez ukierunkowaną eksplozję chemicznego materiału wybuchowego.
Oprócz reakcji rozszczepienia pierwiastków ciężkich, reakcja syntezy pierwiastków lekkich jest wykorzystywana w ładunkach jądrowych. Fuzja termojądrowa wymaga ogrzewania i kompresji materii do kilkudziesięciu milionów stopni i atmosfer, co może być zapewnione tylko dzięki energii uwalnianej podczas reakcji rozszczepienia. Dlatego ładunki termojądrowe są projektowane zgodnie ze schematem dwustopniowym. Izotopy wodoru, trytu i deuteru (wymagające minimalnych wartości temperatury i ciśnienia do rozpoczęcia reakcji fuzji) lub związek chemiczny, deuterek litu (ten ostatni, pod działaniem neutronów z wybuchu pierwszego stopnia, jest podzielony w tryt i hel) są używane jako lekkie pierwiastki. Energia w reakcji fuzji uwalniana jest w postaci promieniowania elektromagnetycznego oraz energii kinetycznej neutronów, elektronów i jąder helu (tzw. cząstek alfa). Uwalnianie energii w reakcji syntezy jądrowej na jednostkę masy jest czterokrotnie wyższe niż w przypadku reakcji rozszczepienia
Tryt i jego produkt samorozpadu, deuter, są również wykorzystywane jako źródło neutronów do inicjowania reakcji rozszczepienia. Tryt lub mieszanina izotopów wodoru pod wpływem ściskania powłoki plutonu częściowo wchodzi w reakcję fuzji z uwolnieniem neutronów, które przekształcają pluton w stan nadkrytyczny.
Główne elementy nowoczesnych głowic nuklearnych to:
- stabilny (samoistnie nierozszczepialny) izotop uranu U-238, ekstrahowany z rudy uranu lub (w postaci domieszki) z rudy fosforanowej;
- radioaktywny (samorzutnie rozszczepialny) izotop uranu U-235, ekstrahowany z rudy uranu lub wytwarzany z U-238 w reaktorach jądrowych;
- radioaktywny izotop plutonu Pu-239, wytworzony z U-238 w reaktorach jądrowych;
- stabilny izotop wodoru deuter D, ekstrahowany z wody naturalnej lub wytwarzany z protu w reaktorach jądrowych;
- radioaktywny izotop wodoru tryt T, wytwarzany z deuteru w reaktorach jądrowych;
- stabilny izotop litu Li-6, ekstrahowany z rudy;
- stabilny izotop berylu Be-9, wyekstrahowany z rudy;
- HMX i triaminotrinitrobenzen, chemiczne materiały wybuchowe.
Masa krytyczna kuli wykonanej z U-235 o średnicy 17 cm wynosi 50 kg, masa krytyczna kuli wykonanej z Pu-239 o średnicy 10 cm wynosi 11 kg. Dzięki berylowemu reflektorowi neutronowemu i trytowemu źródłu neutronów masę krytyczną można zmniejszyć odpowiednio do 35 i 6 kg.
Aby wyeliminować ryzyko samoistnego zadziałania ładunków jądrowych, stosuje się tzw. Pu-239 klasy broni, oczyszczony z innych, mniej stabilnych izotopów plutonu do poziomu 94%. Z okresem 30 lat pluton jest oczyszczany z produktów spontanicznego rozpadu jądrowego jego izotopów. W celu zwiększenia wytrzymałości mechanicznej pluton jest stapiany z 1 procentem masowym galu i pokryty cienką warstwą niklu w celu ochrony przed utlenianiem.
Temperatura radiacyjnego samonagrzewania się plutonu podczas przechowywania ładunków jądrowych nie przekracza 100 stopni Celsjusza, czyli mniej niż temperatura rozkładu chemicznego materiału wybuchowego.
Według stanu na 2000 r. ilość plutonu broni, jakim dysponuje Federacja Rosyjska, szacowana jest na 170 ton, Stany Zjednoczone na 103 tony, plus kilkadziesiąt ton przyjętych do składowania z krajów NATO, Japonii i Korei Południowej, które nie posiadają broni jądrowej. Federacja Rosyjska ma największe na świecie moce produkcyjne plutonu w postaci szybkich reaktorów jądrowych o charakterze zbrojeniowym i energetycznym. Razem z plutonem w cenie około 100 dolarów za gram (5-6 kg na ładunek), tryt jest produkowany w cenie około 20 tysięcy dolarów za gram (4-5 gramów na ładunek).
Najwcześniejsze projekty ładunków rozszczepienia jądrowego to Kid and Fat Man, opracowane w Stanach Zjednoczonych w połowie lat 40. XX wieku. Ten ostatni rodzaj ładunku różnił się od pierwszego złożonym sprzętem do synchronizacji detonacji wielu detonatorów elektrycznych i dużymi wymiarami poprzecznymi.
"Kid" został wykonany według schematu armatniego - wzdłuż osi podłużnej korpusu bomby powietrznej zamontowano lufę artyleryjską, na której tłumionym końcu znajdowała się połowa materiału rozszczepialnego (uran U-235), druga połowa materiału rozszczepialnego był pociskiem przyspieszanym ładunkiem proszkowym. Współczynnik wykorzystania uranu w reakcji rozszczepienia wynosił około 1 procent, reszta masy U-235 wypadła w postaci opadu radioaktywnego z okresem półtrwania 700 milionów lat.
„Grubas” został wykonany według schematu implozyjnego - pustą kulę materiału rozszczepialnego (pluton Pu-239) otoczono powłoką wykonaną z uranu U-238 (popychacz), powłoką aluminiową (wygaszacz) i powłoką (implozja). generator), składający się z pięcio- i sześciobocznych segmentów chemicznego materiału wybuchowego, na zewnętrznej powierzchni którego zainstalowano detonatory elektryczne. Każdy segment był soczewką detonacyjną dwóch rodzajów materiałów wybuchowych o różnych szybkościach detonacji, przekształcającą rozbieżną falę ciśnienia w sferyczną zbieżną falę, jednorodnie ściskającą powłokę aluminiową, która z kolei ściskała powłokę uranu i tę - kulę plutonu aż do jej wnęka wewnętrzna zamknięta. Zastosowano absorber aluminiowy do pochłaniania odrzutu fali ciśnieniowej, gdy przechodzi ona w materiał o większej gęstości, a popychacz uranu został użyty do bezwładnego utrzymywania plutonu podczas reakcji rozszczepienia. W wewnętrznej wnęce kuli plutonu znajdowało się źródło neutronów, wykonane z radioaktywnego izotopu polonu Po-210 i berylu, które emitowało neutrony pod wpływem promieniowania alfa z polonu. Współczynnik wykorzystania materii rozszczepialnej wynosił około 5 procent, okres półtrwania opadu radioaktywnego wynosił 24 tysiące lat.
Natychmiast po stworzeniu „Kid” i „Fat Man” w USA rozpoczęto prace nad optymalizacją konstrukcji ładunków jądrowych, zarówno armatnich, jak i implozyjnych, mających na celu zmniejszenie masy krytycznej, zwiększenie stopnia wykorzystania materii rozszczepialnej, uproszczenie elektryczny system detonacji i zmniejszenie rozmiaru. W ZSRR i innych państwach - właścicielach broni jądrowej ładunki były początkowo tworzone według schematu implozyjnego. W wyniku optymalizacji konstrukcji zmniejszono masę krytyczną materiału rozszczepialnego, a dzięki zastosowaniu odbłyśnika neutronów i źródła neutronów zwiększono kilkukrotnie współczynnik jego wykorzystania.
Reflektor neutronów berylu to metalowa powłoka o grubości do 40 mm, źródłem neutronów jest gazowy tryt wypełniający wnękę w plutonie lub wodorek żelaza impregnowany trytem z tytanem przechowywany w oddzielnym cylindrze (wzmacniacz) i uwalnia tryt pod wpływem ogrzewania elektrycznie bezpośrednio przed użyciem ładunku jądrowego, po czym tryt jest podawany gazociągiem do ładunku. To ostatnie rozwiązanie techniczne umożliwia zwielokrotnienie mocy ładunku jądrowego w zależności od objętości pompowanego trytu, a także ułatwia wymianę mieszanki gazowej na nową co 4-5 lat, ponieważ okres półtrwania trytu jest 12 lat. Nadmiar trytu w dopalaczu umożliwia zmniejszenie masy krytycznej plutonu do 3 kg i znaczne zwiększenie działania czynnika uszkadzającego, jakim jest promieniowanie neutronowe (poprzez zmniejszenie działania innych czynników uszkadzających - fali uderzeniowej i promieniowania świetlnego). W wyniku optymalizacji konstrukcji współczynnik wykorzystania materiału rozszczepialnego wzrósł do 20%, w przypadku nadmiaru trytu do 40%.
Schemat armaty został uproszczony ze względu na przejście do implozji promieniowo-osiowej poprzez wykonanie szyku materiału rozszczepialnego w postaci wydrążonego cylindra, skruszonego wybuchem dwóch końców i jednego osiowego ładunku wybuchowego
Schemat implozji został zoptymalizowany (SWAN) poprzez wykonanie zewnętrznej powłoki materiału wybuchowego w postaci elipsoidy, co pozwoliło zmniejszyć liczbę soczewek detonacyjnych do dwóch jednostek oddalonych od biegunów elipsoidy - różnica w prędkość fali detonacyjnej w przekroju soczewki detonacyjnej zapewnia jednoczesne zbliżenie się fali uderzeniowej do kulistej powierzchni wewnętrznej warstwy materiału wybuchowego, którego detonacja równomiernie ściska powłokę berylową (łącząc funkcje reflektora neutronowego i tłumika odrzutu fali ciśnieniowej) oraz kuli plutonu z wnęką wewnętrzną wypełnioną trytem lub jego mieszaniną z deuterem
Najbardziej zwartą implementacją schematu implozji (stosowanego w radzieckim pocisku 152 mm) jest wykonanie zespołu wybuchowo-berylowo-plutonowego w postaci pustej elipsoidy o zmiennej grubości ścianki, która zapewnia obliczoną deformację zespołu pod działaniem fali uderzeniowej z eksplozji wybuchowej w ostateczną kulistą strukturę
Pomimo różnych ulepszeń technicznych, moc jądrowych ładunków rozszczepienia pozostała ograniczona do poziomu 100 tys.
Dlatego zaproponowano projekt ładunku termojądrowego, który obejmuje zarówno ciężkie elementy rozszczepienia, jak i lekkie elementy termojądrowe. Pierwszy ładunek termojądrowy (Ivy Mike) powstał w postaci zbiornika kriogenicznego wypełnionego ciekłą mieszaniną trytu i deuteru, w którym znajdował się implozyjny ładunek jądrowy plutonu. Ze względu na wyjątkowo duże gabaryty i konieczność ciągłego chłodzenia zbiornika kriogenicznego w praktyce zastosowano inny schemat - implozyjne „puff” (RDS-6s), który składa się z kilku naprzemiennych warstw deuterku uranu, plutonu i litu z zewnętrzny odbłyśnik berylowy i wewnętrzne źródło trytu
Jednak moc „zaciągnięcia” była również ograniczona przez poziom 1 mln ton ze względu na początek reakcji rozszczepienia i syntezy w warstwach wewnętrznych oraz ekspansję nieprzereagowanych warstw zewnętrznych. Aby przezwyciężyć to ograniczenie, opracowano schemat kompresji lekkich pierwiastków reakcji syntezy promieniami rentgenowskimi (drugi etap) z reakcji rozszczepienia ciężkich pierwiastków (pierwszy etap). Ogromne ciśnienie strumienia fotonów rentgenowskich uwalnianych w reakcji rozszczepienia pozwala na 10-krotne ściskanie deuterku litu z 1000-krotnym wzrostem gęstości i podgrzewanie podczas procesu kompresji, po czym lit jest wystawiony na działanie strumienia neutronów z reakcja rozszczepienia, zamieniająca się w tryt, który wchodzi w reakcje fuzji z deuterem. Dwustopniowy schemat ładunku termojądrowego jest najczystszy pod względem wydajności radioaktywności, ponieważ wtórne neutrony z reakcji syntezy jądrowej wypalają nieprzereagowany uran / pluton na krótkotrwałe pierwiastki promieniotwórcze, a same neutrony są gaszone w powietrzu za pomocą zasięg około 1,5 km.
W celu równomiernego obciskania drugiego stopnia korpus ładunku termojądrowego wykonuje się w postaci łupiny orzecha ziemnego, umieszczając zespół pierwszego stopnia w geometrycznym ognisku jednej części łupiny, a montaż drugi etap w geometrycznym skupieniu drugiej części skorupy. Zespoły są zawieszone w masie ciała za pomocą wypełniacza piankowego lub aerożelowego. Zgodnie z zasadami optyki promieniowanie rentgenowskie z wybuchu pierwszego stopnia koncentruje się w przewężeniu między dwiema częściami powłoki i jest równomiernie rozłożone na powierzchni drugiego stopnia. W celu zwiększenia współczynnika odbicia w zakresie promieniowania rentgenowskiego wewnętrzną powierzchnię korpusu ładunku i zewnętrzną powierzchnię zespołu drugiego stopnia pokrywa się warstwą gęstego materiału: ołowiu, wolframu lub uranu U-238. W tym ostatnim przypadku ładunek termojądrowy staje się trójstopniowy - pod wpływem neutronów z reakcji syntezy jądrowej U-238 zamienia się w U-235, którego atomy wchodzą w reakcję rozszczepienia i zwiększają moc wybuchu
Trzystopniowy schemat został włączony do projektu radzieckiej bomby lotniczej AN-602, której moc konstrukcyjna wynosiła 100 mln ton. Przed testem trzeci etap został wykluczony z jego składu poprzez zastąpienie uranu U-238 ołowiem ze względu na ryzyko rozszerzenia strefy opadu radioaktywnego z rozszczepienia U-238 poza poligon badawczy. Rzeczywista pojemność dwustopniowej modyfikacji AN-602 wyniosła 58 mln ton. Dalszy wzrost mocy ładunków termojądrowych można osiągnąć poprzez zwiększenie liczby ładunków termojądrowych w kombinowanym urządzeniu wybuchowym. Nie jest to jednak konieczne ze względu na brak odpowiednich celów - nowoczesny odpowiednik AN-602, umieszczony na pokładzie pojazdu podwodnego Poseidon, ma promień niszczenia budynków i konstrukcji przez falę uderzeniową o długości 72 km i promień pożarów o długości 150 km, co wystarczy, aby zniszczyć megamiasta, takie jak Nowy Jork czy Tokio
Z punktu widzenia ograniczenia skutków użycia broni jądrowej (lokalizacja terytorialna, minimalizacja emisji promieniotwórczości, taktyczny poziom użycia) tzw. precyzyjne ładunki jednostopniowe o pojemności do 1 tys. ton, przeznaczone do niszczenia celów punktowych – silosów rakietowych, kwater dowodzenia, centrów łączności, radarów, systemów rakietowych obrony przeciwlotniczej, statków, okrętów podwodnych, bombowców strategicznych itp.
Konstrukcja takiego ładunku może być wykonana w postaci zespołu implozyjnego, w skład którego wchodzą dwie elipsoidalne soczewki detonacyjne (wybuch chemiczny z HMX, materiał obojętny z polipropylenu), trzy kuliste powłoki (reflektor neutronów z berylu, generator piezoelektryczny z jodek cezu, materiał rozszczepialny z plutonu) i kula wewnętrzna (paliwo fuzyjne z deuterku litu)
Pod działaniem zbieżnej fali ciśnienia, jodek cezu generuje potężny impuls elektromagnetyczny, przepływ elektronów generuje promieniowanie gamma w plutonie, które wybija neutrony z jąder, inicjując w ten sposób samonastępującą reakcję rozszczepienia, promieniowanie rentgenowskie ściska i podgrzewa deuterek litu, strumień neutronów generuje tryt z litu, który wchodzi w reakcję z deuterem. Dośrodkowy kierunek reakcji rozszczepienia i syntezy zapewnia 100% wykorzystanie paliwa termojądrowego.
Dalszy rozwój konstrukcji ładunku jądrowego w kierunku minimalizacji mocy i radioaktywności jest możliwy dzięki zastąpieniu plutonu urządzeniem do laserowej kompresji kapsuły z mieszaniną trytu i deuteru.
