Kernwapens is die doeltreffendste in die geskiedenis van die mensdom wat koste / doeltreffendheid betref: die jaarlikse koste vir die ontwikkeling, toetsing, vervaardiging en instandhouding van hierdie wapens beslaan 5 tot 10 persent van die militêre begroting van die Verenigde State en die Russiese Federasie - lande met 'n reeds gevormde kernproduksiekompleks, ontwikkel atoomkrag -ingenieurswese en die beskikbaarheid van 'n vloot superrekenaars vir wiskundige modellering van kernontploffings.
Die gebruik van kerntoestelle vir militêre doeleindes is gebaseer op die eienskap van atome van swaar chemiese elemente om in atome van ligter elemente te verval met die vrystelling van energie in die vorm van elektromagnetiese straling (gamma- en röntgenstrale), sowel as in die vorm van kinetiese energie van verstrooiing van elementêre deeltjies (neutrone, protone en elektrone) en kerne van atome van ligter elemente (sesium, strontium, jodium en ander)
Die gewildste swaar elemente is uraan en plutonium. Hulle isotope, wanneer hulle hul kern splits, stuur van 2 tot 3 neutrone af, wat weer die splitsing van die kerne van naburige atome veroorsaak, ens. 'N Self-voortplantende (sogenaamde ketting) reaksie met die vrystelling van 'n groot hoeveelheid energie vind in die stof plaas. Om die reaksie te begin, is 'n sekere kritieke massa nodig, waarvan die volume voldoende is vir die opneem van neutrone deur atoomkerne sonder die uitstoot van neutrone buite die stof. Kritieke massa kan verminder word met 'n neutronreflektor en 'n initiërende neutronbron
Die splitsingsreaksie word begin deur twee subkritiese massas in een superkritiese massa te kombineer of deur 'n sferiese dop van 'n superkritiese massa in 'n sfeer saam te druk en sodoende die konsentrasie van splitsbare materiaal in 'n gegewe volume te verhoog. Splitsbare materiaal word gekombineer of saamgepers deur 'n gerigte ontploffing van 'n chemiese plofstof.
Benewens die splitsingsreaksie van swaar elemente, word die reaksie van sintese van ligte elemente in kernlading gebruik. Termonukleêre samesmelting vereis verhitting en samedrukking van materie tot 'n paar miljoene grade en atmosferes, wat slegs verskaf kan word as gevolg van die energie wat tydens die splitsingsreaksie vrygestel word. Daarom is termonukleêre ladings ontwerp volgens 'n tweefase-skema. Die isotope van waterstof, tritium en deuterium (wat minimum waardes van temperatuur en druk vereis om die samesmeltingsreaksie te begin) of 'n chemiese verbinding, litiumdeuteried (laasgenoemde, onder die werking van neutrone na die ontploffing van die eerste fase, word verdeel in tritium en helium) word as ligte elemente gebruik. Energie in die samesmeltingsreaksie word vrygestel in die vorm van elektromagnetiese straling en kinetiese energie van neutrone, elektrone en heliumkerne (sogenaamde alfa-deeltjies). Die energievrystelling van die samesmeltingsreaksie per massa -eenheid is vier keer hoër as dié van die splitsingsreaksie
Tritium en sy selfvervalproduk deuterium word ook gebruik as 'n bron van neutrone om die splitsingsreaksie te begin. Tritium of 'n mengsel van waterstofisotope, onder invloed van die samedruk van die plutoniumdop, gaan gedeeltelik in 'n samesmeltingsreaksie met die vrystelling van neutrone, wat plutonium in 'n superkritiese toestand verander.
Die belangrikste komponente van moderne kernkragkoppe is soos volg:
-stabiele (spontaan nie-splisbare) isotoop van uraan U-238, onttrek uit uraanerts of (in die vorm van onreinheid) uit fosfaaterts;
-radioaktiewe (spontaan splitsbare) isotoop van uraan U-235, wat uit uraanerts onttrek word of uit U-238 in kernreaktore geproduseer word;
-radioaktiewe isotoop van plutonium Pu-239, vervaardig uit U-238 in kernreaktors;
- stabiele isotoop van waterstof deuterium D, wat uit natuurlike water onttrek word of uit protium in kernreaktors vervaardig word;
- radioaktiewe isotoop van waterstof tritium T, vervaardig uit deuterium in kernreaktors;
- stabiele isotoop van litium Li-6, onttrek uit erts;
- stabiele isotoop van berillium Be-9, onttrek uit erts;
- HMX en triaminotrinitrobenzeen, chemiese plofstof.
Die kritieke massa van 'n bal gemaak van U-235 met 'n deursnee van 17 cm is 50 kg, die kritieke massa van 'n bal van Pu-239 met 'n deursnee van 10 cm is 11 kg. Met 'n berilliumneutronreflektor en 'n tritiumneutronbron kan die kritieke massa tot onderskeidelik 35 en 6 kg verminder word.
Om die risiko van spontane werking van kerngeld uit te skakel, gebruik hulle die sg. wapengraad Pu-239, gesuiwer van ander, minder stabiele isotope van plutonium tot 'n vlak van 94%. Met 'n periodisiteit van 30 jaar word plutonium gesuiwer uit die produkte van spontane kernafval van sy isotope. Om die meganiese sterkte te verhoog, word plutonium gelegeer met 1 massaprocent gallium en bedek met 'n dun laag nikkel om dit teen oksidasie te beskerm.
Die temperatuur van straling selfverhitting van plutonium tydens die berging van kerngelade oorskry nie 100 grade Celsius nie, wat laer is as die ontbindingstemperatuur van 'n chemiese plofstof.
Vanaf 2000 word die hoeveelheid plutonium van wapengraad tot beskikking van die Russiese Federasie geraam op 170 ton, die Verenigde State - op 103 ton, plus etlike tientalle ton wat aanvaar word vir die stoor van die NAVO -lande, Japan en Suid -Korea, wat nie oor kernwapens beskik nie. Die Russiese Federasie het die grootste plutonium-produksievermoë ter wêreld in die vorm van wapengraad- en kragkern-vinnige reaktore. Saam met plutonium teen ongeveer 100 Amerikaanse dollar per gram (5-6 kg per lading) word tritium vervaardig teen ongeveer 20 duisend dollar per gram (4-5 gram per lading).
Die vroegste ontwerpe van kernsplitsingsheffings was die Kid and Fat Man, wat in die middel van die veertigerjare in die Verenigde State ontwikkel is. Laasgenoemde tipe lading verskil van die eerste in die komplekse toerusting vir die sinchronisering van die ontploffing van talle elektriese ontstekers en in sy groot dwars afmetings.
Die 'Kid' is volgens 'n kanonskema gemaak - 'n artillerievat is langs die lengte -as van die lugbomliggaam gemonteer, aan die gedempte kant waarvan die helfte van die splitsbare materiaal (uraan U -235) was, die tweede helfte van die splitsbare materiaal was 'n projektiel versnel deur 'n poeierlading. Die gebruiksfaktor van uraan in die splitsingsreaksie was ongeveer 1 persent, die res van die U-235-massa val uit in die vorm van radioaktiewe uitval met 'n halfleeftyd van 700 miljoen jaar.
"Fat Man" is gemaak volgens 'n implosiewe skema-'n hol bol van skeurbare materiaal (Pu-239 plutonium) is omring deur 'n dop gemaak van uraan U-238 (pusher), 'n aluminium dop (quencher) en 'n dop (implosie) kragopwekker), wat bestaan uit vyf- en seshoekige segmente van 'n chemiese plofstof, aan die buitekant waarvan elektriese ontstekers geïnstalleer is. Elke segment was 'n ontploffingslens van twee soorte plofstof met verskillende ontploffingssnelhede, wat die uiteenlopende drukgolf omskep in 'n sferiese konvergerende golf, wat die aluminiumdop, wat die uraanskaal op sy beurt saamgepers het, en die een - die plutoniumbol, eweredig saamgepers het binneholte gesluit. 'N Aluminiumabsorbeerder is gebruik om die terugslag van die drukgolf op te neem terwyl dit in 'n materiaal met 'n hoër digtheid beweeg, en 'n uraanstoter is gebruik om plutonium traag vas te hou tydens die splitsingsreaksie. In die binneste holte van die plutoniumsfeer is 'n neutronbron gevind, gemaak van die radioaktiewe isotoop polonium Po-210 en berillium, wat neutrone uitstraal onder die invloed van alfa-straling van polonium. Die gebruiksfaktor van splisbare materiaal was ongeveer 5 persent, die halfleeftyd van radioaktiewe uitval was 24 duisend jaar.
Onmiddellik na die skepping van "Kid" en "Fat Man" in die VSA, is begin met die optimalisering van die ontwerp van kerngeld, beide kanon- en inploffingskemas, wat daarop gemik is om die kritieke massa te verminder, die gebruikstempo van splisbare materiaal te verhoog, elektriese ontploffingstelsel en verminder die grootte. In die USSR en ander state - eienaars van kernwapens, is die aanklagte aanvanklik geskep volgens 'n implosiewe skema. As gevolg van die optimalisering van die ontwerp, is die kritieke massa van splitsbare materiaal verminder, en die gebruikskoëffisiënt daarvan is verskeie kere verhoog as gevolg van die gebruik van 'n neutronweerkaatser en 'n neutronbron.
Die berilliumneutronreflektor is 'n metaaldop tot 40 mm dik, die neutronbron is gasvormig tritium wat 'n holte in plutonium vul, of tritium-geïmpregneerde ysterhidried met titaan wat in 'n aparte silinder (booster) geberg word en tritium vrystel onder verhitting deur elektrisiteit onmiddellik voordat 'n kernlading gebruik word, waarna tritium deur die gaspypleiding na die lading gevoer word. Laasgenoemde tegniese oplossing maak dit moontlik om die krag van die kernlading te vermenigvuldig, afhangende van die volume gepompte tritium, en vergemaklik ook die vervanging van die gasmengsel elke 4-5 jaar met 'n nuwe, aangesien die halfleeftyd van tritium 12 jaar. 'N Oormaat tritium in die booster maak dit moontlik om die kritieke massa van plutonium tot 3 kg te verminder en die effek van so 'n skadelike faktor soos neutronstraling aansienlik te verhoog (deur die effek van ander skadelike faktore - 'n skokgolf en ligstraling te verminder)). As gevolg van ontwerpoptimalisering, het die gebruiksfaktor van splisbare materiaal toegeneem tot 20%, in die geval van 'n oormaat tritium - tot 40%.
Die kanonskema is vereenvoudig as gevolg van die oorgang na radiaal-aksiale implosie deur 'n reeks splitsbare materiaal in die vorm van 'n hol silinder te maak, verpletter deur die ontploffing van twee eindes en een aksiale plofbare lading
Die implosiewe skema is geoptimaliseer (SWAN) deur die buitenste dop van die plofstof in die vorm van 'n ellipsoïde te maak, wat dit moontlik gemaak het om die aantal ontploffingslense te verminder tot twee eenhede met 'n afstand van die pole van die ellipsoïde - die verskil in die die snelheid van die ontploffingsgolf in die dwarssnit van die ontploffingslens verseker die gelyktydige benadering van die skokgolf na die sferiese oppervlak, die binneste laag van die plofstof, waarvan die ontploffing die berillium -dop eenvormig saamdruk (wat die funksies van 'n neutronweerkaatser kombineer en 'n drukgolf terugslag demper) en 'n plutonium bol met 'n binneste holte gevul met tritium of sy mengsel met deuterium
Die mees kompakte implementering van die implosieskema (gebruik in die Sowjet-152 mm-projektiel) is die uitvoering van 'n plofbare berillium-plutonium-samestelling in die vorm van 'n hol ellipsoïde met 'n veranderlike wanddikte, wat die berekende vervorming van die samestelling bied onder die werking van 'n skokgolf van 'n plofbare ontploffing in 'n finale sferiese struktuur
Ten spyte van verskeie tegniese verbeterings, bly die krag van kernsplitsingsgelde beperk tot die vlak van 100 Ktn in TNT -ekwivalent as gevolg van die onvermydelike uitbreiding van die buitenste lae splisbare materiaal tydens die ontploffing, met uitsluiting van materiaal uit die splitsingsreaksie.
Daarom is 'n ontwerp voorgestel vir 'n termonukleêre lading, wat beide swaar splitsingselemente en ligte samesmeltingselemente insluit. Die eerste termonukleêre lading (Ivy Mike) is gemaak in die vorm van 'n kryogene tenk gevul met 'n vloeibare mengsel van tritium en deuterium, waarin 'n implosiewe kernlading van plutonium geleë was. As gevolg van die uiters groot afmetings en die behoefte aan konstante afkoeling van die kryogene tenk, is in die praktyk 'n ander skema gebruik - 'n implosiewe "blaas" (RDS -6s), wat verskeie afwisselende lae uraan, plutonium en litiumdeuteried met 'n eksterne berilliumreflektor en 'n interne tritiumbron
Die krag van die "blaas" is egter ook beperk deur die vlak van 1 Mtn as gevolg van die begin van die splitsings- en sintese -reaksie in die binneste lae en die uitbreiding van ongereageerde buitenste lae. Om hierdie beperking te oorkom, is 'n skema ontwikkel vir die samestelling van ligte elemente van die samesmeltingsreaksie deur X-strale (tweede fase) uit die splitsingsreaksie van swaar elemente (eerste fase). Die enorme druk van die vloed van röntgenfotone wat in die splitsingsreaksie vrygestel word, laat litiumdeuteried 10 keer saam met 'n toename in digtheid met 1000 keer en verhit tydens die kompressieproses, waarna litium blootgestel word aan die neutronvloei van die splitsingsreaksie, verander in tritium, wat met deuterium in fusiereaksies gaan. Die tweestadige skema van 'n termonukleêre lading is die skoonste in terme van die opbrengs van radioaktiwiteit, aangesien sekondêre neutrone uit die fusiereaksie ongereageerde uraan / plutonium uitbrand tot kortstondige radioaktiewe elemente, en die neutrone self in die lug met 'n reikafstand van ongeveer 1,5 km.
Vir die eenvormige krimp van die tweede fase, word die liggaam van die termonukleêre lading gevorm in die vorm van 'n grondboontjie -dop, wat die samestelling van die eerste fase in die geometriese fokus van een deel van die dop plaas, en die samestelling van die tweede fase in die meetkundige fokus van die ander deel van die dop. Die samestellings word in die grootste deel van die liggaam opgeskort met behulp van skuim of aerogelvuller. Volgens die optiese reëls is die röntgenstraling van die ontploffing van die eerste fase gekonsentreer in die vernouing tussen die twee dele van die dop en word dit eweredig oor die oppervlak van die tweede fase versprei. Om die reflektiwiteit in die X-straalreeks te verhoog, word die binneste oppervlak van die ladingliggaam en die buitenste oppervlak van die tweede fase-eenheid bedek met 'n laag digte materiaal: lood, wolfram of uraan U-238. In laasgenoemde geval word die termonukleêre lading in drie fases-onder die werking van neutrone uit die fusiereaksie verander U-238 in U-235, waarvan die atome in 'n splitsingsreaksie ingaan en die ontploffingskrag verhoog
Die driefase-skema is opgeneem in die ontwerp van die Sowjet-lugbom AN-602, waarvan die ontwerpkrag 100 Mtn was. Voor die toets is die derde fase van die samestelling daarvan uitgesluit deur uraan U-238 met lood te vervang as gevolg van die risiko dat die sone van radioaktiewe uitval uit die splitsing van U-238 na die toetsplek kan uitbrei. Die werklike kapasiteit van die tweestadige wysiging van die AN-602 was 58 Mtn. 'N Verdere toename in die krag van termonukleêre ladings kan gemaak word deur die aantal termonukleêre ladings in die gekombineerde ploftoestel te verhoog. Vanweë die gebrek aan voldoende teikens is dit egter nie nodig nie - die moderne analoog van die AN -602, wat aan boord van die Poseidon -onderwatervoertuig geplaas is, het 'n radius van vernietiging van geboue en strukture deur 'n skokgolf van 72 km en 'n radius van 150 km se brande, wat voldoende is om groot stede soos New York of Tokio te vernietig
Vanuit die oogpunt om die gevolge van die gebruik van kernwapens te beperk (territoriale lokalisering, die vermindering van radioaktiwiteit, taktiese gebruik), word die sg. presisie enkeltrapladings met 'n kapasiteit van tot 1 Ktn, wat ontwerp is om puntteikens te vernietig - raketsilo's, hoofkwartiere, kommunikasiesentrums, radars, lugafweermissielstelsels, skepe, duikbote, strategiese bomwerpers, ens.
Die ontwerp van so 'n lading kan gemaak word in die vorm van 'n implosiewe samestelling, wat twee ellipsoïdale ontploffingslense insluit (chemiese plofstof van HMX, inerte materiaal gemaak van polipropileen), drie sferiese skulpe (neutronweerkaatser van berillium, piëzo -elektriese kragopwekker van sesiumjodied, splitsbare materiaal van plutonium) en 'n interne sfeer (litiumdeuteriedfusiebrandstof)
Onder die werking van 'n konvergerende drukgolf, genereer sesiumjodied 'n supermagtige elektromagnetiese pols, die elektronvloei genereer gammastraling in plutonium, wat neutrone uit die kerne uitskakel, waardeur 'n self-voortplantende splitsingsreaksie begin, X-strale saamgepers en litiumdeuteried verhit, die neutronvloei genereer tritium uit litium, wat in reaksie met deuterium tree. Die sentripetale rigting van splitsing en samesmeltingsreaksies verseker 100% gebruik van termonukleêre brandstof.
Verdere ontwikkeling van kerngladingsontwerpe in die rigting van die vermindering van krag en radioaktiwiteit is moontlik deur plutonium te vervang deur 'n apparaat vir laserkompressie van 'n kapsule met 'n mengsel van tritium en deuterium.
