Senjata nuklear adalah yang paling berkesan dalam sejarah umat manusia dari segi kos / kecekapan: kos tahunan pengembangan, pengujian, pembuatan dan penyelenggaraan dalam operasi senjata ini merangkumi 5 hingga 10 persen dari anggaran ketenteraan Amerika Syarikat dan Persekutuan Rusia - negara-negara dengan kompleks pengeluaran nuklear yang sudah terbentuk, mengembangkan kejuruteraan tenaga atom dan ketersediaan armada superkomputer untuk pemodelan matematik letupan nuklear.
Penggunaan alat nuklear untuk tujuan ketenteraan didasarkan pada sifat atom unsur kimia berat untuk merosot menjadi atom unsur-unsur yang lebih ringan dengan pembebasan tenaga dalam bentuk radiasi elektromagnetik (rentang sinar gamma dan sinar-X), serta dalam bentuk tenaga kinetik penyebaran zarah unsur (neutron, proton dan elektron) dan inti atom unsur yang lebih ringan (cesium, strontium, yodium dan lain-lain)
Unsur berat yang paling popular adalah uranium dan plutonium. Isotop mereka, ketika membelah inti mereka, memancarkan 2 hingga 3 neutron, yang seterusnya menyebabkan pembelahan inti atom jiran, dll. Reaksi penyebaran diri (disebut rantai) dengan pembebasan sejumlah besar tenaga berlaku dalam bahan. Untuk memulakan tindak balas, jisim kritikal tertentu diperlukan, isipadu yang mencukupi untuk penangkapan neutron oleh inti atom tanpa pelepasan neutron di luar bahan. Jisim kritikal dapat dikurangkan dengan reflektor neutron dan sumber neutron permulaan
Reaksi pembelahan dimulakan dengan menggabungkan dua jisim subkritikal menjadi satu supercritical atau dengan memampatkan shell sfera jisim supercritical ke dalam sfera, sehingga meningkatkan kepekatan bahan fissile dalam isipadu tertentu. Bahan fisil digabungkan atau dimampatkan oleh letupan langsung bahan letupan kimia.
Sebagai tambahan kepada reaksi pembelahan unsur berat, reaksi sintesis unsur cahaya digunakan dalam cas nuklear. Termonuklear peleburan memerlukan pemanasan dan pemampatan jirim hingga beberapa puluhan juta darjah dan atmosfera, yang dapat diberikan hanya kerana tenaga yang dibebaskan semasa reaksi pembelahan. Oleh itu, cas termonuklear dirancang mengikut skema dua peringkat. Isotop hidrogen, tritium dan deuterium (memerlukan nilai suhu dan tekanan minimum untuk memulakan tindak balas pelakuran) atau sebatian kimia, lithium deuteride (yang terakhir, di bawah tindakan neutron dari letupan tahap pertama, dibahagikan menjadi tritium dan helium) digunakan sebagai unsur cahaya. Tenaga dalam tindak balas peleburan dibebaskan dalam bentuk sinaran elektromagnetik dan tenaga kinetik neutron, elektron dan inti helium (yang disebut zarah alfa). Pelepasan tenaga tindak balas peleburan per unit jisim adalah empat kali lebih tinggi daripada tindak balas pembelahan
Tritium dan deuterium produknya sendiri juga digunakan sebagai sumber neutron untuk memulakan reaksi pembelahan. Tritium atau campuran isotop hidrogen, di bawah tindakan pemampatan shell plutonium, sebahagiannya memasuki reaksi peleburan dengan pembebasan neutron, yang mengubah plutonium menjadi keadaan supercritical.
Komponen utama hulu ledak nuklear moden adalah seperti berikut:
- isotop stabil (spontan non-fissile) uranium U-238, diekstrak dari bijih uranium atau (dalam bentuk kekotoran) dari bijih fosfat;
- isotop radioaktif (fissile spontan) uranium U-235, diekstrak dari bijih uranium atau dihasilkan dari U-238 dalam reaktor nuklear;
- isotop radioaktif plutonium Pu-239, dihasilkan dari U-238 dalam reaktor nuklear;
- isotop hidrogen deuterium D yang stabil, diekstrak dari air semula jadi atau dihasilkan dari protium dalam reaktor nuklear;
- isotop radioaktif hidrogen tritium T, dihasilkan dari deuterium dalam reaktor nuklear;
- isotop litium Li-6 yang stabil, diekstrak dari bijih;
- isotop stabil berilium Be-9, diekstrak dari bijih;
- HMX dan triaminotrinitrobenzene, bahan letupan kimia.
Jisim kritikal bola yang terbuat dari U-235 dengan diameter 17 cm adalah 50 kg, jisim kritikal bola yang terbuat dari Pu-239 dengan diameter 10 cm adalah 11 kg. Dengan reflektor neutron berilium dan sumber neutron tritium, jisim kritikal masing-masing dapat dikurangkan menjadi 35 dan 6 kg.
Untuk menghilangkan risiko operasi cas nuklear secara spontan, mereka menggunakan apa yang disebut. Pu-239 kelas senjata, disucikan dari isotop plutonium lain yang kurang stabil hingga tahap 94%. Dengan berkala 30 tahun, plutonium disucikan dari produk kerosakan nuklear spontan isotopnya. Untuk meningkatkan kekuatan mekanikal, plutonium disatukan dengan 1 massa persen gallium dan dilapisi dengan lapisan nipis nikel untuk melindunginya dari pengoksidaan.
Suhu radiasi pemanasan sendiri plutonium semasa penyimpanan cas nuklear tidak melebihi 100 darjah Celsius, yang lebih rendah daripada suhu penguraian bahan letupan kimia.
Pada tahun 2000, jumlah plutonium kelas senjata yang dimiliki Persekutuan Rusia dianggarkan 170 tan, Amerika Syarikat - 103 tan, ditambah beberapa puluhan tan yang diterima untuk penyimpanan dari negara-negara NATO, Jepun dan Korea Selatan, yang tidak memiliki senjata nuklear. Persekutuan Rusia mempunyai kapasiti pengeluaran plutonium terbesar di dunia dalam bentuk reaktor pantas nuklear bertaraf senjata dan berkuasa. Bersama dengan plutonium dengan harga sekitar 100 dolar AS per gram (5-6 kg setiap cas), tritium dihasilkan dengan kos sekitar 20 ribu dolar AS per gram (4-5 gram setiap cas).
Reka bentuk caj pembelahan nuklear yang paling awal adalah Kid and Fat Man, yang dikembangkan di Amerika Syarikat pada pertengahan tahun 1940-an. Jenis cas yang terakhir berbeza dari yang pertama dalam peralatan kompleks untuk menyegerakkan peledakan banyak detonator elektrik dan dalam dimensi melintangnya yang besar.
"Kid" dibuat menurut skema meriam - tong artileri dipasang di sepanjang paksi longitudinal badan bom udara, di hujungnya yang meredam adalah separuh daripada bahan fisil (uranium U-235), separuh kedua dari bahan fisil adalah sebuah proyektil yang dipercepat oleh cas serbuk. Faktor penggunaan uranium dalam reaksi pembelahan adalah kira-kira 1 peratus, selebihnya jisim U-235 jatuh dalam bentuk kejatuhan radioaktif dengan jangka hayat 700 juta tahun.
"Fat Man" dibuat menurut skema implosif - sfera berongga bahan fisil (Pu-239 plutonium) dikelilingi oleh cangkang yang terbuat dari uranium U-238 (penolak), cangkang aluminium (pemadam) dan cangkang (ledakan generator), terdiri daripada segmen lima dan heksagon dari bahan letupan kimia, di permukaan luar yang dipasang peledak elektrik. Setiap segmen adalah lensa peledakan dari dua jenis bahan peledak dengan kadar peledakan yang berbeza, mengubah gelombang tekanan menyimpang menjadi gelombang penumpukan sfera, memampatkan seragam aluminium, yang seterusnya memampatkan shell uranium, dan yang satu - bola plutonium sehingga rongga dalaman ditutup. Penyerap aluminium digunakan untuk menyerap mundur gelombang tekanan ketika ia masuk ke bahan dengan ketumpatan yang lebih tinggi, dan penolak uranium digunakan untuk menahan plutonium secara tidak aktif selama reaksi pembelahan. Di rongga dalaman sfera plutonium, sumber neutron berada, terbuat dari polonium isotop radioaktif Po-210 dan berilium, yang memancarkan neutron di bawah pengaruh sinaran alfa dari polonium. Faktor penggunaan bahan fisil adalah sekitar 5 peratus, jangka hayat kejatuhan radioaktif adalah 24 ribu tahun.
Sejurus selepas penciptaan "Kid" dan "Fat Man" di Amerika Syarikat, kerja mula mengoptimumkan reka bentuk caj nuklear, baik skema meriam dan letupan, yang bertujuan untuk mengurangkan jisim kritikal, meningkatkan kadar penggunaan bahan fisil, mempermudah sistem letupan elektrik dan mengurangkan ukuran. Di USSR dan negara-negara lain - pemilik senjata nuklear, tuduhan itu pada mulanya dibuat mengikut skema yang tidak tepat. Sebagai hasil pengoptimuman reka bentuk, jisim material fissile dikurangkan, dan pekali penggunaannya meningkat beberapa kali kerana penggunaan reflektor neutron dan sumber neutron.
Reflektor neutron berilium adalah shell logam setebal 40 mm, sumber neutron adalah tritium gas yang mengisi rongga dalam plutonium, atau hidrida besi yang diresapi tritium dengan titanium yang disimpan dalam silinder yang terpisah (booster) dan melepaskan tritium di bawah tindakan pemanasan dengan elektrik segera sebelum menggunakan muatan nuklear, setelah itu tritium dimasukkan melalui saluran paip gas ke dalam muatan. Penyelesaian teknikal yang terakhir memungkinkan untuk melipatgandakan kekuatan cas nuklear bergantung pada jumlah tritium yang dipam, dan juga memudahkan penggantian campuran gas dengan yang baru setiap 4-5 tahun, kerana waktu hayat tritium adalah 12 tahun. Jumlah tritium yang berlebihan dalam penggalak memungkinkan untuk mengurangkan jisim plutonium kritikal hingga 3 kg dan meningkatkan kesan faktor kerosakan seperti radiasi neutron (dengan mengurangkan kesan faktor kerosakan lain - gelombang kejutan dan radiasi cahaya). Hasil daripada pengoptimuman reka bentuk, faktor penggunaan bahan fisil meningkat menjadi 20%, dalam hal kelebihan tritium - hingga 40%.
Skema meriam dipermudahkan kerana peralihan ke ledakan radial-aksial dengan membuat susunan bahan fisil dalam bentuk silinder berongga, dihancurkan oleh letupan dua hujung dan satu daya letupan paksi
Skema implosif dioptimumkan (SWAN) dengan membuat cangkang luar bahan peledak dalam bentuk ellipsoid, yang memungkinkan untuk mengurangkan jumlah lensa peledakan kepada dua unit yang jaraknya jauh dari kutub ellipsoid - perbezaan pada halaju gelombang peledakan di bahagian silang lensa peledakan memastikan pendekatan serentak gelombang kejutan ke permukaan sfera lapisan dalaman bahan peledak, peledakan yang secara serentak memampatkan shell berilium (menggabungkan fungsi reflektor neutron dan peredam gelombang tekanan) dan sfera plutonium dengan rongga dalaman yang dipenuhi dengan tritium atau campurannya dengan deuterium
Pelaksanaan skema letupan yang paling padat (digunakan dalam projektil 152 mm Soviet) adalah pelaksanaan pemasangan letupan-beryllium-plutonium dalam bentuk elipsoid berongga dengan ketebalan dinding yang berubah-ubah, yang memberikan ubah bentuk pemasangan yang dihitung di bawah tindakan gelombang kejutan dari letupan letupan ke struktur sfera akhir
Walaupun terdapat pelbagai peningkatan teknikal, kekuatan cas pembelahan nuklear tetap terhad pada tahap 100 Ktn dalam setara TNT kerana pengembangan lapisan luaran jirim yang tidak dapat dielakkan semasa letupan dengan pengecualian jirim dari reaksi pembelahan.
Oleh itu, reka bentuk dicadangkan untuk muatan termonuklear, yang merangkumi elemen pembelahan berat dan elemen peleburan cahaya. Muatan termonuklear pertama (Ivy Mike) dibuat dalam bentuk tangki kriogenik yang diisi dengan campuran cair tritium dan deuterium, di mana muatan nuklear plutonium terletak. Oleh kerana dimensi yang sangat besar dan keperluan untuk penyejukan tangki kriogenik secara berterusan, skema yang berbeza digunakan dalam praktik - "puff" implosif (RDS-6s), yang merangkumi beberapa lapisan uranium, plutonium dan lithium deuterida bergantian dengan reflektor berilium luaran dan sumber tritium dalaman
Walau bagaimanapun, kekuatan "puff" juga dibatasi oleh tahap 1 Mtn kerana permulaan reaksi pembelahan dan sintesis pada lapisan dalam dan pengembangan lapisan luar yang tidak bereaksi. Untuk mengatasi keterbatasan ini, skema dikembangkan untuk pemampatan unsur cahaya tindak balas peleburan oleh sinar-X (tahap kedua) dari reaksi pembelahan unsur-unsur berat (tahap pertama). Tekanan yang sangat besar dari fluks foton sinar-X yang dilepaskan dalam reaksi pembelahan membolehkan lithium deuteride dimampatkan 10 kali dengan peningkatan ketumpatan sebanyak 1000 kali dan dipanaskan semasa proses pemampatan, selepas itu litium terkena fluks neutron dari reaksi pembelahan, berubah menjadi tritium, yang memasuki reaksi peleburan dengan deuterium. Skim dua peringkat muatan termonuklear adalah yang paling bersih dari segi hasil radioaktiviti, kerana neutron sekunder dari tindak balas peleburan membakar uranium / plutonium yang tidak bereaksi kepada unsur radioaktif jangka pendek, dan neutron itu sendiri dipadamkan di udara dengan jarak kira-kira 1.5 km.
Untuk tujuan pengecutan seragam tahap kedua, badan muatan termonuklear dibuat dalam bentuk cengkerang kacang, meletakkan pemasangan tahap pertama dalam fokus geometri satu bahagian cangkang, dan pemasangan cengkerang tahap kedua dalam fokus geometri bahagian lain dari cengkerang. Susunan digantung di sebahagian besar badan menggunakan busa atau pengisi gel udara. Menurut peraturan optik, sinaran sinar-X dari letupan tahap pertama tertumpu pada penyempitan antara dua bahagian cangkang dan tersebar secara merata di permukaan tahap kedua. Untuk meningkatkan daya kilas dalam julat sinar-X, permukaan dalaman badan cas dan permukaan luar pemasangan tahap kedua ditutup dengan lapisan bahan padat: plumbum, tungsten, atau uranium U-238. Dalam kes terakhir, muatan termonuklear menjadi tiga tahap - di bawah tindakan neutron dari tindak balas pelakuran, U-238 berubah menjadi U-235, yang atomnya memasuki reaksi pembelahan dan meningkatkan daya letupan
Skema tiga peringkat dimasukkan dalam reka bentuk bom udara Soviet AN-602, kekuatan reka bentuknya adalah 100 Mtn. Sebelum ujian, tahap ketiga dikeluarkan dari komposisinya dengan menggantikan uranium U-238 dengan plumbum kerana risiko memperluas zon kejatuhan radioaktif dari pembelahan U-238 di luar tempat ujian. Kapasiti sebenar pengubahsuaian dua peringkat AN-602 adalah 58 Mtn. Peningkatan lebih lanjut dalam kekuatan cas termonuklear dapat dilakukan dengan meningkatkan jumlah cas termonuklear dalam alat peledak gabungan. Walau bagaimanapun, ini tidak diperlukan kerana kekurangan sasaran yang mencukupi - analog moden AN-602, yang diletakkan di atas kenderaan bawah laut Poseidon, mempunyai radius pemusnahan bangunan dan struktur oleh gelombang kejutan 72 km dan radius kebakaran sejauh 150 km, yang cukup memadai untuk menghancurkan bandar raya besar seperti New York atau Tokyo
Dari sudut pandang membatasi akibat penggunaan senjata nuklear (penyetempatan wilayah, meminimumkan pelepasan radioaktiviti, tahap penggunaan taktikal), yang disebut caj tahap tunggal ketepatan dengan kapasitas hingga 1 Ktn, yang dirancang untuk menghancurkan sasaran titik - silo peluru berpandu, markas, pusat komunikasi, radar, sistem peluru berpandu pertahanan udara, kapal, kapal selam, pengebom strategik, dll.
Reka bentuk cas seperti itu dapat dibuat dalam bentuk pemasangan implosif, yang merangkumi dua lensa peledakan elipsoid (bahan peledak kimia dari HMX, bahan lengai yang terbuat dari polipropilena), tiga cangkang bulat (reflektor neutron yang terbuat dari berilium, penjana piezoelektrik yang terbuat dari cesium iodida, bahan fissile dari plutonium) dan sfera dalaman (bahan bakar lithium deuteride fusion)
Di bawah tindakan gelombang tekanan konvergensi, cesium iodida menghasilkan denyutan elektromagnetik yang sangat kuat, aliran elektron menghasilkan sinaran gamma dalam plutonium, yang mengetuk neutron dari nukleus, sehingga memulai reaksi pembelahan yang menyebarkan diri, sinar-X memampatkan dan memanaskan lithium deuteride, fluks neutron menghasilkan tritium dari litium, yang memasuki reaksi dengan deuterium. Arah sentrifetal reaksi pembelahan dan peleburan memastikan penggunaan bahan bakar termonuklear 100%.
Pengembangan lebih lanjut reka bentuk muatan nuklear ke arah meminimumkan daya dan radioaktiviti adalah mungkin dengan mengganti plutonium dengan alat untuk pemampatan laser kapsul dengan campuran tritium dan deuterium.
