Nükleer silahlar, maliyet / verimlilik açısından insanlık tarihindeki en etkili silahlardır: bu silahların geliştirilmesi, denenmesi, üretilmesi ve işletilmesinin yıllık maliyetleri, Birleşik Devletler askeri bütçesinin yüzde 5 ila 10'unu oluşturmaktadır ve Rusya Federasyonu - halihazırda oluşturulmuş bir nükleer üretim kompleksine sahip ülkeler, gelişmiş atom enerjisi mühendisliği ve nükleer patlamaların matematiksel modellemesi için bir süper bilgisayar filosunun mevcudiyeti.
Nükleer cihazların askeri amaçlarla kullanılması, ağır kimyasal elementlerin atomlarının, elektromanyetik radyasyon (gama ve X-ışını aralıkları) şeklinde enerji salınımı ile daha hafif elementlerin atomlarına bozunma özelliğine dayanır. saçılma temel parçacıkların (nötronlar, protonlar ve elektronlar) ve daha hafif elementlerin atomlarının çekirdeklerinin (sezyum, stronsiyum, iyot ve diğerleri) kinetik enerjisinin şekli
En popüler ağır elementler uranyum ve plütonyumdur. İzotopları, çekirdeklerini parçalarken 2 ila 3 nötron yayar, bu da sırayla komşu atomların çekirdeklerinin bölünmesine neden olur, vb. Maddede büyük miktarda enerji salınımı ile kendiliğinden yayılan (zincir adı verilen) bir reaksiyon meydana gelir. Reaksiyonu başlatmak için, hacmi, maddenin dışına nötron emisyonu olmadan atom çekirdeği tarafından nötronların yakalanması için yeterli olacak belirli bir kritik kütle gereklidir. Kritik kütle, bir nötron reflektörü ve bir başlatıcı nötron kaynağı ile azaltılabilir
Fisyon reaksiyonu, iki kritik altı kütlenin bir süper kritik kütlede birleştirilmesiyle veya bir süper kritik kütlenin küresel kabuğunun bir küreye sıkıştırılmasıyla başlatılır, böylece belirli bir hacimdeki bölünebilir maddenin konsantrasyonu artar. Bölünebilir malzeme, kimyasal bir patlayıcının yönlendirilmiş patlamasıyla birleştirilir veya sıkıştırılır.
Ağır elementlerin fisyon reaksiyonuna ek olarak, nükleer yüklerde hafif elementlerin sentez reaksiyonu kullanılır. Termonükleer füzyon, yalnızca fisyon reaksiyonu sırasında salınan enerji nedeniyle sağlanabilen, maddenin on milyonlarca dereceye ve atmosfere kadar ısıtılmasını ve sıkıştırılmasını gerektirir. Bu nedenle, termonükleer yükler iki aşamalı bir şemaya göre tasarlanmıştır. Hidrojen, trityum ve döteryum izotopları (füzyon reaksiyonunu başlatmak için minimum sıcaklık ve basınç değerleri gerektirir) veya bir kimyasal bileşik, lityum döteryum (ikincisi, ilk aşamadaki patlamadan nötronların etkisi altında) bölünür. trityum ve helyuma dönüştürülür) hafif elementler olarak kullanılır. Füzyon reaksiyonundaki enerji, elektromanyetik radyasyon ve nötronların, elektronların ve helyum çekirdeklerinin (alfa parçacıkları olarak adlandırılan) kinetik enerjisi şeklinde salınır. Füzyon reaksiyonunun birim kütle başına enerji salınımı, fisyon reaksiyonununkinden dört kat daha fazladır.
Trityum ve kendi kendine bozunma ürünü döteryum, fisyon reaksiyonunu başlatmak için bir nötron kaynağı olarak da kullanılır. Plütonyum kabuğunun sıkıştırılmasının etkisi altında trityum veya hidrojen izotoplarının bir karışımı, plütonyumu süper kritik bir duruma dönüştüren nötronların salınmasıyla kısmen bir füzyon reaksiyonuna girer.
Modern nükleer savaş başlıklarının ana bileşenleri aşağıdaki gibidir:
- uranyum cevherinden veya (bir safsızlık şeklinde) fosfat cevherinden ekstrakte edilen uranyum U-238'in kararlı (kendiliğinden bölünmeyen) izotopu;
- uranyum cevherinden çıkarılan veya nükleer reaktörlerde U-238'den üretilen uranyum U-235'in radyoaktif (kendiliğinden bölünebilir) izotopu;
- nükleer reaktörlerde U-238'den üretilen plütonyum Pu-239'un radyoaktif izotopu;
- doğal sudan ekstrakte edilen veya nükleer reaktörlerde protiyumdan üretilen hidrojen döteryum D'nin kararlı izotopu;
- nükleer reaktörlerde döteryumdan üretilen hidrojen trityum T'nin radyoaktif izotopu;
- cevherden çıkarılan lityum Li-6'nın kararlı izotopu;
- cevherden çıkarılan berilyum Be-9'un kararlı izotopu;
- HMX ve triaminotrinitrobenzen, kimyasal patlayıcılar.
17 cm çapında U-235 topunun kritik kütlesi 50 kg, Pu-239'dan yapılmış 10 cm çapında topun kritik kütlesi 11 kg'dır. Bir berilyum nötron reflektörü ve bir trityum nötron kaynağı ile kritik kütle sırasıyla 35 ve 6 kg'a düşürülebilir.
Nükleer yüklerin kendiliğinden çalışma riskini ortadan kaldırmak için sözde kullanırlar. silah sınıfı Pu-239, plütonyumun diğer daha az kararlı izotoplarından %94'e kadar saflaştırıldı. 30 yıllık bir periyodiklik ile plütonyum, izotoplarının kendiliğinden nükleer bozunmasının ürünlerinden arındırılır. Mekanik mukavemeti arttırmak için plütonyum kütlece yüzde 1 galyum ile alaşımlanır ve oksidasyondan korumak için ince bir nikel tabakası ile kaplanır.
Nükleer yüklerin depolanması sırasında plütonyumun radyasyonun kendi kendine ısınmasının sıcaklığı, kimyasal bir patlayıcının ayrışma sıcaklığından daha düşük olan 100 santigrat dereceyi geçmez.
2000 yılı itibariyle, Rusya Federasyonu'nun emrindeki silah sınıfı plütonyum miktarının 170 ton, Amerika Birleşik Devletleri - 103 ton ve ayrıca NATO ülkeleri, Japonya ve Güney Kore'den depolama için kabul edilen birkaç on ton olduğu tahmin ediliyor. nükleer silaha sahip olmayanlar. Rusya Federasyonu, silah sınıfı ve güçlü nükleer hızlı reaktörler şeklinde dünyanın en büyük plütonyum üretim kapasitesine sahiptir. Gram başına yaklaşık 100 ABD doları (şarj başına 5-6 kg) maliyetindeki plütonyum ile birlikte, trityum, gram başına yaklaşık 20 bin ABD doları (şarj başına 4-5 gram) maliyetle üretilir.
Nükleer fisyon yüklerinin en eski tasarımları, 1940'ların ortalarında Amerika Birleşik Devletleri'nde geliştirilen Kid and Fat Man idi. İkinci tip şarj, çok sayıda elektrikli kapsülün patlamasını senkronize etmek için karmaşık ekipmanda ve büyük enine boyutlarında ilkinden farklıydı.
"Çocuk" bir top şemasına göre yapıldı - hava bombası gövdesinin uzunlamasına ekseni boyunca bir topçu namlusu monte edildi, boğuk ucunda bölünebilir malzemenin bir yarısı (uranyum U-235), ikinci yarısı bölünebilir malzemenin bir kısmı, bir toz yüküyle hızlandırılan bir mermiydi. Uranyumun fisyon reaksiyonunda kullanım faktörü yaklaşık yüzde 1'di, U-235 kütlesinin geri kalanı 700 milyon yıllık yarı ömre sahip radyoaktif serpinti şeklinde düştü.
"Şişman Adam", patlayıcı bir şemaya göre yapıldı - içi boş bir bölünebilir malzeme küresi (Pu-239 plütonyum), uranyum U-238'den (itici), bir alüminyum kabuktan (söndürücü) ve bir kabuktan (patlama) yapılmış bir kabuk ile çevriliydi. jeneratör), dış yüzeyine elektrikli kapsüllerin monte edildiği kimyasal bir patlayıcının beş ve altıgen bölümlerinden oluşur. Her parça, farklı patlama hızlarına sahip iki tip patlayıcıdan oluşan bir patlama merceğiydi, farklılaşan basınç dalgasını küresel bir yakınsak dalgaya dönüştürdü, alüminyum kabuğu düzgün bir şekilde sıkıştırdı, bu da sırayla uranyum kabuğunu sıkıştırdı ve bu da - plütonyum küresi, iç boşluk kapalı. Basınç dalgasının daha yüksek yoğunluklu bir malzemeye geçerken geri tepmesini emmek için bir alüminyum soğurucu kullanıldı ve fisyon reaksiyonu sırasında plütonyumu eylemsiz olarak tutmak için bir uranyum itici kullanıldı. Plütonyum küresinin iç boşluğunda, radyoaktif izotop polonyum Po-210'dan ve polonyumdan alfa radyasyonunun etkisi altında nötronlar yayan berilyumdan yapılmış bir nötron kaynağı yerleştirildi. Bölünebilir maddenin kullanım faktörü yaklaşık yüzde 5, radyoaktif serpinti yarı ömrü 24 bin yıldı.
ABD'de "Kid" ve "Fat Man" in yaratılmasından hemen sonra, kritik kütleyi azaltmayı, bölünebilir maddenin kullanım oranını arttırmayı, basitleştirmeyi amaçlayan hem top hem de patlama şemaları olan nükleer yüklerin tasarımını optimize etmek için çalışmalar başladı. elektrikli patlama sistemi ve boyutunu küçültme. SSCB ve diğer devletlerde - nükleer silah sahipleri, suçlamalar başlangıçta patlayıcı bir şemaya göre oluşturuldu. Tasarımın optimizasyonunun bir sonucu olarak, bir nötron reflektörü ve bir nötron kaynağının kullanılması nedeniyle bölünebilir malzemenin kritik kütlesi azaltıldı ve kullanım katsayısı birkaç kez artırıldı.
Berilyum nötron reflektörü, 40 mm kalınlığa kadar metal bir kabuktur, nötron kaynağı, plütonyumdaki bir boşluğu dolduran gaz halindeki trityum veya ayrı bir silindirde (güçlendirici) depolanan titanyum ile trityum emdirilmiş demir hidrittir ve ısıtma eylemi altında trityumu serbest bırakır. bir nükleer şarj kullanmadan hemen önce elektrikle, bundan sonra trityum gaz boru hattından şarja beslenir. İkinci teknik çözüm, pompalanan trityumun hacmine bağlı olarak nükleer yükün gücünü arttırmayı mümkün kılar ve ayrıca trityumun yarı ömrü kısa olduğundan, gaz karışımının her 4-5 yılda bir yenisiyle değiştirilmesini kolaylaştırır. 12 yıl. Güçlendiricideki aşırı miktarda trityum, kritik plütonyum kütlesini 3 kg'a düşürmeyi ve nötron radyasyonu gibi zarar verici bir faktörün etkisini önemli ölçüde artırmayı mümkün kılar (diğer zararlı faktörlerin etkisini azaltarak - bir şok dalgası ve ışık radyasyonu). Tasarım optimizasyonunun bir sonucu olarak, bölünebilir malzeme kullanım faktörü, trityum fazlalığı durumunda %40'a kadar %20'ye yükseldi.
Top şeması, iki uç ve bir eksenel patlayıcı yükün patlamasıyla ezilmiş, içi boş bir silindir şeklinde bir dizi bölünebilir malzeme yapılarak radyal eksenel patlamaya geçiş nedeniyle basitleştirildi.
Patlama şeması, patlayıcının dış kabuğunu bir elipsoid şeklinde yaparak optimize edildi (SWAN), bu da patlama lenslerinin sayısını elipsoidin kutuplarından aralıklı iki birime düşürmeyi mümkün kıldı - aradaki fark patlama merceğinin enine kesitindeki patlama dalgasının hızı, şok dalgasının küresel yüzeye eşzamanlı yaklaşımını sağlar, patlaması berilyum kabuğunu düzgün bir şekilde sıkıştıran (bir nötron reflektörünün işlevlerini birleştirerek ve patlayıcının iç tabakasını) bir basınç dalgası geri tepme damperi) ve trityum veya döteryum ile karışımı ile doldurulmuş bir iç boşluğu olan bir plütonyum küresi
İç patlama şemasının en kompakt uygulaması (Sovyet 152-mm mermide kullanılır), değişken duvar kalınlığına sahip içi boş bir elips şeklinde patlayıcı-berilyum-plütonyum düzeneğinin gerçekleştirilmesidir ve bu, düzeneğin hesaplanmış deformasyonunu sağlar. patlayıcı bir patlamadan son küresel bir yapıya bir şok dalgasının etkisi altında
Çeşitli teknik gelişmelere rağmen, nükleer fisyon yüklerinin gücü, maddenin fisyon reaksiyonundan hariç tutulmasıyla patlama sırasında bölünebilir maddenin dış katmanlarının kaçınılmaz genişlemesi nedeniyle TNT eşdeğerinde 100 Ktn seviyesi ile sınırlı kaldı.
Bu nedenle, hem ağır fisyon elementlerini hem de hafif füzyon elementlerini içeren bir termonükleer yük için bir tasarım önerildi. İlk termonükleer yük (Ivy Mike), içinde patlayıcı bir nükleer plütonyum yükünün bulunduğu sıvı bir trityum ve döteryum karışımı ile doldurulmuş bir kriyojenik tank şeklinde yapıldı. Son derece büyük boyutlar ve kriyojenik tankın sürekli soğutulması ihtiyacı nedeniyle, pratikte farklı bir şema kullanıldı - çeşitli alternatif uranyum, plütonyum ve lityum döteryum katmanları içeren bir patlayıcı "puf" (RDS-6s). harici berilyum reflektörü ve dahili bir trityum kaynağı
Bununla birlikte, iç katmanlarda fisyon ve sentez reaksiyonunun başlaması ve reaksiyona girmemiş dış katmanların genişlemesi nedeniyle “puf”un gücü de 1 Mtn seviyesi ile sınırlıydı. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için, füzyon reaksiyonunun hafif elementlerinin, ağır elementlerin fisyon reaksiyonundan (birinci aşama) X-ışınları (ikinci aşama) ile sıkıştırılması için bir şema geliştirilmiştir. Fisyon reaksiyonunda salınan X-ışını fotonlarının akışının muazzam basıncı, lityum döteridin 1000 kat bir yoğunluk artışı ile 10 kez sıkıştırılmasına ve sıkıştırma işlemi sırasında ısıtılmasına izin verir, ardından lityum, nötron akışına maruz bırakılır. fisyon reaksiyonu, döteryum ile füzyon reaksiyonlarına giren trityuma dönüşür. Bir termonükleer yükün iki aşamalı şeması, radyoaktivite verimi açısından en temiz olanıdır, çünkü füzyon reaksiyonundan gelen ikincil nötronlar, reaksiyona girmemiş uranyum / plütonyumu kısa ömürlü radyoaktif elementlere yakar ve nötronların kendileri havada söndürülür. menzili yaklaşık 1.5 km.
İkinci aşamanın tek tip kıvrılması amacıyla, termonükleer yükün gövdesi, birinci aşamanın montajını kabuğun bir parçasının geometrik odağına yerleştiren bir fıstık kabuğu şeklinde yapılır ve kabuğun diğer kısmının geometrik odağındaki ikinci aşama. Montajlar, köpük veya aerojel dolgu maddesi kullanılarak gövdenin büyük kısmında askıya alınır. Optik kurallarına göre, birinci aşamanın patlamasından kaynaklanan X-ışını radyasyonu, kabuğun iki parçası arasındaki daralmada yoğunlaşır ve ikinci aşamanın yüzeyine eşit olarak dağıtılır. X-ışını aralığında yansıtıcılığı artırmak için, yük gövdesinin iç yüzeyi ve ikinci aşama düzeneğinin dış yüzeyi, yoğun bir malzeme tabakasıyla kaplanır: kurşun, tungsten veya uranyum U-238. İkinci durumda, termonükleer yük üç aşamalı hale gelir - füzyon reaksiyonundan nötronların etkisi altında, U-238, atomları bir fisyon reaksiyonuna giren ve patlama gücünü artıran U-235'e dönüşür.
Üç aşamalı şema, tasarım gücü 100 Mtn olan Sovyet AN-602 hava bombasının tasarımına dahil edildi. Testten önce, U-238'in fisyonundan radyoaktif serpinti bölgesini test alanının ötesine genişletme riski nedeniyle uranyum U-238'i kurşunla değiştirerek üçüncü aşama bileşiminden çıkarıldı. AN-602'nin iki aşamalı modifikasyonunun gerçek kapasitesi 58 Mtn idi. Kombine patlayıcı cihazdaki termonükleer yüklerin sayısı artırılarak termonükleer yüklerin gücünde daha fazla artış yapılabilir. Bununla birlikte, yeterli hedeflerin olmaması nedeniyle bu gerekli değildir - Poseidon sualtı aracına yerleştirilen AN-602'nin modern analogu, 72 km'lik bir şok dalgası ve yarıçapı ile bina ve yapıların yıkım yarıçapına sahiptir. New York veya Tokyo gibi mega kentleri yok etmeye yetecek kadar olan 150 km'lik yangınların
Nükleer silah kullanımının sonuçlarının sınırlandırılması açısından (bölgesel lokalizasyon, radyoaktivite salınımının en aza indirilmesi, taktiksel kullanım seviyesi), sözde füze siloları, karargah, iletişim merkezleri, radarlar, hava savunma füze sistemleri, gemiler, denizaltılar, stratejik bombardıman uçakları vb. nokta hedeflerini yok etmek için tasarlanmış 1 Ktn'ye kadar kapasiteli hassas tek aşamalı şarjlar.
Böyle bir yükün tasarımı, iki elipsoidal patlama lensi (HMX'ten kimyasal patlayıcı, polipropilenden yapılmış atıl malzeme), üç küresel kabuk (berilyumdan yapılmış nötron reflektörü, piezoelektrik jeneratörü) içeren bir patlayıcı düzenek şeklinde yapılabilir. sezyum iyodür, plütonyumdan bölünebilen malzeme) ve bir iç küre (lityum döteryum füzyon yakıtı)
Yakınsak bir basınç dalgasının etkisi altında, sezyum iyodür süper güçlü bir elektromanyetik darbe üretir, elektron akışı plütonyumda gama radyasyonu üretir, bu da nötronları çekirdeklerden atar, böylece kendi kendine yayılan bir fisyon reaksiyonu başlatır, X ışınları lityum döteridi sıkıştırır ve ısıtır, nötron akışı, döteryum ile reaksiyona giren lityumdan trityum üretir. Fisyon ve füzyon reaksiyonlarının merkezcil yönü, termonükleer yakıtın %100 kullanımını sağlar.
Güç ve radyoaktiviteyi en aza indirme yönünde nükleer yük tasarımlarının daha da geliştirilmesi, plütonyumun bir trityum ve döteryum karışımı ile bir kapsülün lazerle sıkıştırılması için bir cihazla değiştirilmesiyle mümkündür.
