Ydinaseet ovat kustannustehokkuudeltaan tehokkaimpia ihmiskunnan historiassa: näiden aseiden kehittämisen, testaamisen, valmistuksen ja käytön ylläpidon vuotuiset kustannukset muodostavat 5-10 prosenttia Yhdysvaltain sotilasbudjetista ja Venäjän federaatio - maat, joissa on jo muodostettu ydinvoimakompleksi, kehitetty ydinvoimatekniikka ja saatavilla supertietokonelaivasto ydinräjähdysten matemaattista mallintamista varten.
Ydinlaitteiden käyttö sotilastarkoituksiin perustuu raskaiden kemiallisten alkuaineiden atomien ominaisuuksiin hajota kevyempien elementtien atomeiksi ja vapauttaa energiaa sähkömagneettisen säteilyn muodossa (gamma- ja röntgenalueet) sekä alkuainehiukkasten (neutronit, protonit ja elektronit) ja kevyempien elementtien (cesium, strontium, jodi ja muut) atomien ytimien hajottamisen kineettisen energian muoto
Suosituimmat raskaat alkuaineet ovat uraani ja plutonium. Heidän isotoopinsa, kun halkeavat ydinsä, emittoivat 2-3 neutronia, mikä puolestaan aiheuttaa naapuriatomien ytimien halkeamisen jne. Aineessa tapahtuu itsestään etenevä (ns. Ketjureaktio), jossa vapautuu suuri määrä energiaa. Reaktion käynnistämiseksi tarvitaan tietty kriittinen massa, jonka tilavuus riittää neutronien sieppaamiseen atomin ytimillä ilman neutronien päästöjä aineen ulkopuolelle. Kriittistä massaa voidaan vähentää neutroniheijastimella ja aloittavalla neutronilähteellä
Halkeamisreaktio aloitetaan yhdistämällä kaksi alikriittistä massaa yhdeksi ylikriittiseksi massaksi tai puristamalla ylikriittisen massan pallomainen kuori palloksi, mikä lisää halkeamiskelpoisen aineen pitoisuutta tietyssä tilavuudessa. Halkeava materiaali yhdistyy tai puristuu kemiallisen räjähdysaineen suunnatulla räjähdyksellä.
Raskaiden elementtien halkeamisreaktion lisäksi ydinvarauksissa käytetään kevyiden elementtien synteesireaktiota. Ydinfuusio vaatii aineen lämmittämistä ja puristamista jopa kymmeniä miljoonia asteita ja ilmakehiä, mikä voidaan tuottaa vain fissioreaktion aikana vapautuvan energian vuoksi. Siksi ydinvaraukset on suunniteltu kaksivaiheisen järjestelmän mukaisesti. Vety-, tritium- ja deuterium -isotoopit (jotka edellyttävät lämpötilan ja paineen vähimmäisarvoja fuusioreaktion käynnistämiseksi) tai kemiallinen yhdiste, litiumdeuteridi (jälkimmäinen, ensimmäisen vaiheen räjähdyksen aiheuttamien neutronien vaikutuksesta, jaetaan tritiumiin ja heliumiin). Fuusioreaktion energia vapautuu sähkömagneettisen säteilyn ja neutronien, elektronien ja heliumytimien (ns. Alfahiukkasten) kineettisen energian muodossa. Fuusioreaktion energian vapautuminen massayksikköä kohti on neljä kertaa suurempi kuin halkeamisreaktion
Tritiumia ja sen itsehajoamistuotetta deuteriumia käytetään myös neutronien lähteenä halkeamisreaktion käynnistämiseksi. Tritium tai vety -isotooppien seos alkaa plutoniumkuoren puristuksen vaikutuksesta osittain fuusioreaktioon, kun vapautuu neutroneja, jotka muuttavat plutoniumin ylikriittiseen tilaan.
Nykyaikaisten ydinkärkien pääkomponentit ovat seuraavat:
-uraanin U-238 vakaa (spontaanisti hajoamaton) isotooppi, joka on uutettu uraanimalmista tai (epäpuhtauden muodossa) fosfaattimalmista;
-uraanin U-235 radioaktiivinen (spontaanisti halkeava) isotooppi, joka on uutettu uraanimalmista tai valmistettu U-238: sta ydinreaktoreissa;
-plutoniumin Pu-239 isotooppi, joka on tuotettu U-238: sta ydinreaktoreissa;
- vetydeuterium D: n vakaa isotooppi, joka on uutettu luonnonvedestä tai valmistettu ydinreaktorien protiumista;
- vety -tritium -T -isotooppi, joka on tuotettu ydinreaktorien deuteriumista;
- vakaa malmista uutettu litium Li-6: n isotooppi;
- malmista uutettu beryllium Be-9: n vakaa isotooppi;
- HMX ja triaminotrinitrobentseeni, kemialliset räjähteet.
U-235-pallon, jonka halkaisija on 17 cm, kriittinen massa on 50 kg, Pu-239-pallon, jonka halkaisija on 10 cm, kriittinen massa on 11 kg. Berylliumneutroniheijastimen ja tritiumneutronilähteen avulla kriittinen massa voidaan pienentää 35 ja 6 kg: aan.
Ydinvarausten spontaanin toiminnan riskin poistamiseksi he käyttävät ns. ase-luokan Pu-239, joka on puhdistettu muista, vähemmän vakaista plutonium-isotoopeista 94%: iin. Plutonium puhdistetaan 30 vuoden jaksoittain isotooppiensa spontaanin ydinhajoamisen tuotteista. Mekaanisen lujuuden lisäämiseksi plutonium seostetaan 1 massaprosentilla galliumia ja päällystetään ohuella nikkelikerroksella sen suojaamiseksi hapettumiselta.
Plutoniumin itsestään kuumenevan säteilyn lämpötila ydinvarausten varastoinnin aikana ei ylitä 100 celsiusastetta, mikä on alempi kuin kemiallisen räjähdysaineen hajoamislämpötila.
Vuodesta 2000 lähtien Venäjän federaation käytettävissä olevan aselaatuisen plutoniumin määräksi arvioitiin 170 tonnia, Yhdysvaltoihin 103 tonnia ja useita kymmeniä tonneja, jotka on hyväksytty varastoitavaksi Nato -maista, Japanista ja Etelä -Koreasta, joilla ei ole ydinaseita. Venäjän federaatiolla on maailman suurin plutoniumin tuotantokapasiteetti aseiden ja ydinvoiman nopeiden reaktorien muodossa. Yhdessä plutoniumin kanssa, jonka hinta on noin 100 Yhdysvaltain dollaria grammaa kohden (5-6 kg per lataus), tritiumia tuotetaan noin 20 tuhannen dollarin hinnalla grammaa kohden (4-5 grammaa latausta kohden).
Varhaisimmat ydinfissiomaksut olivat Kid and Fat Man, joka kehitettiin Yhdysvalloissa 1940-luvun puolivälissä. Jälkimmäinen varaustyyppi erosi ensimmäisestä monimutkaisessa laitteistossa, joka synkronoi lukuisten sähköisten räjähdyslaitteiden räjähdyksen, ja sen suurista poikittaisista mitoista.
"Lapsi" tehtiin tykin kaavion mukaan - tykistön tynnyri asennettiin ilmapommirungon pituusakselia pitkin, jonka vaimennettu pää oli puolet halkeamismateriaalista (uraani U -235), toinen puoli halkeamismateriaalista oli jauhevarauksella kiihdytetty ammus. Uraanin käyttökerroin halkeamisreaktiossa oli noin 1 prosentti, muu U-235-massa putosi radioaktiivisen laskeuman muodossa, jonka puoliintumisaika oli 700 miljoonaa vuotta.
"Lihava mies" tehtiin hämmentävän kaavan mukaisesti-onttoa halkeamismateriaalia (Pu-239 plutonium) ympäröi kuori, joka oli valmistettu uraanista U-238 (työntäjä), alumiinikuori (sammutin) ja kuori (räjähdys) generaattori), joka koostuu kemiallisen räjähdysaineen viidestä ja kuusikulmaisesta segmentistä, jonka ulkopinnalle asennettiin sähköisiä räjähdyslaitteita. Kukin segmentti oli kahden tyyppisten räjähteiden räjähdyslinssi, joilla oli erilaiset räjähdysnopeudet ja jotka muuttivat poikkeavan paineaallon pallomaiseksi lähentyväksi aaltoksi, puristivat tasaisesti alumiinikuoren, joka puolestaan puristi uraanikuoren, ja toinen - plutoniumkuula sen sisäontelo suljettu. Paineaallon takaiskun absorboimiseksi käytettiin alumiiniabsorberia, kun se siirtyy suuremman tiheyden omaavaan materiaaliin, ja uraanin työntäjää käytettiin pitämään plutoniumia inertisti halkeamisreaktion aikana. Plutoniumipallon sisäontelossa sijaitsi neutronilähde, joka oli valmistettu radioaktiivisesta isotoopista polonium Po-210 ja beryllium, jotka emittoivat neutroneja poloniumin alfa-säteilyn vaikutuksesta. Halkeamiskelpoisten aineiden käyttökerroin oli noin 5 prosenttia, radioaktiivisen laskeuman puoliintumisaika 24 tuhatta vuotta.
Välittömästi "Kid": n ja "Fat Man": n luomisen jälkeen Yhdysvalloissa aloitettiin ydinvarausten, sekä tykki- että räjähdysjärjestelmien suunnittelun optimointi, joiden tarkoituksena oli vähentää kriittistä massaa, lisätä halkeamiskelpoisten aineiden käyttöastetta ja yksinkertaistaa sähköinen räjähdysjärjestelmä ja pienentää kokoa. Neuvostoliitossa ja muissa valtioissa - ydinaseiden omistajissa - maksut luotiin alun perin häpeällisen järjestelmän mukaisesti. Suunnittelun optimoinnin seurauksena halkeamiskelpoisen materiaalin kriittinen massa pieneni ja sen käyttökerrointa nostettiin useita kertoja neutroniheijastimen ja neutronilähteen käytön vuoksi.
Berylliumneutroniheijastin on metallikuori, jonka paksuus on enintään 40 mm, neutronilähde on kaasumainen tritium, joka täyttää ontelon plutoniumissa, tai tritiumilla kyllästetty rautahydridi titaanilla, joka on varastoitu erilliseen sylinteriin (tehoste) ja vapauttaa tritiumia lämmityksen vaikutuksesta sähköllä juuri ennen ydinvarauksen käyttöä, minkä jälkeen tritium syötetään kaasuputken kautta varaukseen. Jälkimmäinen tekninen ratkaisu mahdollistaa ydinvarauksen tehon moninkertaistamisen pumpatun tritiumin tilavuuden mukaan ja helpottaa myös kaasuseoksen korvaamista uudella 4-5 vuoden välein, koska tritiumin puoliintumisaika on 12 vuotta. Liiallinen määrä tritiumia tehostimessa mahdollistaa plutoniumin kriittisen massan pienentämisen 3 kg: aan ja merkittävästi sellaisen vahingollisen tekijän kuin neutronisäteilyn vaikutuksen lisäämisen (vähentämällä muiden vahingollisten tekijöiden - isku- ja valonsäteilyn - vaikutusta). Suunnittelun optimoinnin seurauksena halkeamiskelpoisten materiaalien käyttökerroin nousi 20%: iin, kun tritiumia ylitettiin - jopa 40%.
Tykkikaaviota yksinkertaistettiin siirtymisen vuoksi radiaaliaksiaaliseen räjähdykseen tekemällä halkeamiskelpoisen materiaalin sarja ontto sylinteri, joka murskattiin kahden pään ja yhden aksiaalisen räjähdysaineen räjähdyksen vuoksi
Implosiivinen kaava optimoitiin (SWAN) tekemällä räjähteen ulkokuori ellipsoidin muodossa, mikä mahdollisti räjähdyslinssien määrän vähentämisen kahteen yksikköön, jotka ovat erillään toisistaan ellipsoidin napoista - ero räjähdysaallon nopeus räjähdyslinssin poikkileikkauksessa varmistaa, että iskuaalto lähestyy samanaikaisesti pallomaista pintaa räjähdysaineen sisäkerrosta, jonka räjähdys puristaa tasaisesti berylliumkuoren (yhdistäen neutroniheijastimen ja paineaallon takaisinkytkin) ja plutoniumpallo, jonka sisäontelo on täytetty tritiumilla tai sen seoksella deuteriumin kanssa
Räjähdyskaavion kompakti (jota käytettiin Neuvostoliiton 152 mm: n ammuksessa) pienin toteutus on räjähtävän beryllium-plutonium-kokoonpanon suorittaminen ontto ellipsoidi, jonka seinämän paksuus vaihtelee, mikä antaa kokoonpanon lasketun muodonmuutoksen räjähtävästä räjähdyksestä lopulliseen pallomaiseen rakenteeseen kohdistuvan iskuaallon vaikutuksesta
Erilaisista teknisistä parannuksista huolimatta ydinfissiopanosten voima pysyi 100 Ktn: n tasolla TNT -ekvivalenttina, koska halkeamiskelpoisten aineiden ulkokerrosten väistämätön laajentuminen räjähdyksen aikana, lukuun ottamatta ainetta fissioreaktiosta.
Siksi ehdotettiin suunnittelua lämpöydinvaraukselle, joka sisältää sekä raskaita fissioelementtejä että kevyitä fuusioelementtejä. Ensimmäinen ydinvaraus (Ivy Mike) tehtiin kryogeenisen säiliön muodossa, joka oli täytetty tritiumin ja deuteriumin nestemäisellä seoksella, jossa sijaitsi plutoniumin tuhoisa ydinvaraus. Äärimmäisen suurten mittojen ja kryogeenisäiliön jatkuvan jäähdytyksen vuoksi käytännössä käytettiin eri kaavaa - implosiivista "puffia" (RDS -6s), joka sisältää useita vuorottelevia kerroksia uraania, plutoniumia ja litiumdeuteridiä ulkoinen berylliumheijastin ja sisäinen tritiumlähde
Kuitenkin”puffin” tehoa rajoitti myös 1 Mtn -taso, koska sisäkerroissa alkoi fissio- ja synteesireaktio ja reagoimattomat ulkokerrokset laajenivat. Tämän rajoituksen voittamiseksi kehitettiin järjestelmä fuusioreaktion kevyiden elementtien puristamiseksi röntgensäteillä (toinen vaihe) raskaiden elementtien fissioreaktiosta (ensimmäinen vaihe). Halkeamisreaktiossa vapautuvan röntgensäteilyfotonien virtauksen valtava paine mahdollistaa litiumdeuteridin puristamisen 10 kertaa tiheyden lisääntyessä 1000 kertaa ja lämmittämisen puristusprosessin aikana, minkä jälkeen litium altistuu neutronivirralle halkeamisreaktio, muuttuu tritiumiksi, joka alkaa fuusioreaktioihin deuteriumin kanssa. Lämpöydinvarauksen kaksivaiheinen järjestelmä on radioaktiivisuuden suhteen puhtain, koska fuusioreaktion toissijaiset neutronit polttavat reagoimattoman uraanin / plutoniumin lyhytikäisiksi radioaktiivisiksi elementeiksi ja itse neutronit sammutetaan ilmassa kantama noin 1,5 km.
Toisen vaiheen yhtenäistä puristusta varten ydinvarauksen runko valmistetaan maapähkinäkuoren muodossa, jolloin ensimmäisen vaiheen kokoonpano asetetaan kuoren yhden osan geometriseen painopisteeseen ja kuoren toisen osan geometrisen tarkennuksen toinen vaihe. Kokoonpanot ripustetaan runko -osaan vaahto- tai ilmageelitäyteaineella. Optiikan sääntöjen mukaan ensimmäisen vaiheen räjähdyksen aiheuttama röntgensäteily keskittyy kuoren kahden osan väliseen kaventumiseen ja jakautuu tasaisesti toisen vaiheen pinnalle. Heijastavuuden lisäämiseksi röntgenalueella varausrungon sisäpinta ja toisen vaiheen kokoonpanon ulkopinta on peitetty tiheällä materiaalikerroksella: lyijy, volframi tai uraani U-238. Jälkimmäisessä tapauksessa lämpöydinvarauksesta tulee kolmivaiheinen-fuusioreaktion neutronien vaikutuksesta U-238 muuttuu U-235: ksi, jonka atomit alkavat halkeamisreaktion ja lisäävät räjähdysvoimaa
Kolmivaiheinen järjestelmä sisällytettiin Neuvostoliiton AN-602-ilmapommin suunnitteluun, jonka suunnitteluteho oli 100 Mtn. Ennen testiä kolmas vaihe jätettiin sen koostumuksen ulkopuolelle korvaamalla uraani U-238 lyijyllä, koska U-238: n halkeamasta aiheutuvan radioaktiivisen laskeuman vyöhykkeen laajeneminen testipaikan ulkopuolella on vaarassa. AN-602: n kaksivaiheisen muutoksen todellinen kapasiteetti oli 58 Mtn. Lämpöydinvarausten tehoa voidaan edelleen lisätä lisäämällä ydinvarausten määrää yhdistetyssä räjähdelaitteessa. Tämä ei kuitenkaan ole välttämätöntä riittävien kohteiden puutteen vuoksi - AN -602: n nykyaikaisella analogilla, joka on sijoitettu vedenalaisen Poseidon -ajoneuvon alukseen, on rakennusten ja rakenteiden tuhoutumissäde 72 km: n iskuaalto ja säde 150 kilometrin tulipaloista, mikä riittää tuhoamaan suurkaupungit, kuten New York tai Tokio
Ydinaseiden käytön seurausten rajoittamisen kannalta (alueellinen lokalisointi, radioaktiivisuuden vapautumisen minimointi, taktinen käyttöaste) ns. tarkat yksivaiheiset lataukset, joiden kapasiteetti on jopa 1 Ktn ja jotka on suunniteltu tuhoamaan pistekohteet - ohjussiilot, päämaja, viestintäkeskukset, tutkat, ilmapuolustusohjusjärjestelmät, alukset, sukellusveneet, strategiset pommikoneet jne.
Tällainen varaus voidaan suunnitella räjähtävän kokoonpanon muodossa, joka sisältää kaksi ellipsoidista räjähdyslinssiä (kemiallinen räjähdysaine HMX: stä, inertti materiaali polypropeenista), kolme pallomaista kuorta (neutroniheijastin berylliumia, pietsosähköinen generaattori cesiumjodidi, plutoniumin halkeava materiaali) ja sisäinen pallo (litiumdeuteridin fuusiopolttoaine)
Yhdistyvän paineaallon vaikutuksesta cesiumjodidi synnyttää supervoimakkaan sähkömagneettisen pulssin, elektronivirta tuottaa gammasäteilyä plutoniumissa, joka lyö neutroneja ytimistä ja käynnistää siten itsestään etenevän halkeamisreaktion, röntgensäteet pakkaa ja lämmittää litiumdeuteridiä, neutronivuo tuottaa litiumista tritiumia, joka reagoi deuteriumin kanssa. Fissio- ja fuusioreaktioiden keskipisteinen suunta takaa 100%: n lämpöydinpolttoaineen käytön.
Ydinvarausmallien kehittäminen edelleen tehon ja radioaktiivisuuden minimoimiseksi on mahdollista korvaamalla plutonium laitteella, joka laskee kapselin tritiumin ja deuteriumin seoksella.
