Kernwapens zijn de meest effectieve in de geschiedenis van de mensheid in termen van kosten/efficiëntie: de jaarlijkse kosten voor het ontwikkelen, testen, vervaardigen en in bedrijf houden van deze wapens vormen 5 tot 10 procent van het militaire budget van de Verenigde Staten en de Russische Federatie - landen met een reeds gevormd nucleair productiecomplex, ontwikkelden kernenergietechniek en de beschikbaarheid van een vloot supercomputers voor wiskundige modellering van nucleaire explosies.
Het gebruik van nucleaire apparaten voor militaire doeleinden is gebaseerd op de eigenschap van atomen van zware chemische elementen om te vervallen in atomen van lichtere elementen met het vrijkomen van energie in de vorm van elektromagnetische straling (gamma- en röntgenstralenbereik), evenals in de vorm van kinetische energie van verstrooiende elementaire deeltjes (neutronen, protonen en elektronen) en kernen van atomen van lichtere elementen (cesium, strontium, jodium en andere)
De meest populaire zware elementen zijn uranium en plutonium. Hun isotopen stoten bij het splijten van hun kern 2 tot 3 neutronen uit, die op hun beurt de splijting van de kernen van naburige atomen veroorzaken, enz. In de stof vindt een zichzelf voortplantende (zogenaamde ketting)reactie plaats waarbij een grote hoeveelheid energie vrijkomt. Om de reactie op gang te brengen, is een bepaalde kritische massa nodig, waarvan het volume voldoende zal zijn om neutronen door atoomkernen te vangen zonder de emissie van neutronen buiten de stof. Kritische massa kan worden verminderd met een neutronenreflector en een initiërende neutronenbron
De splijtingsreactie wordt gestart door twee subkritische massa's te combineren tot één superkritische massa of door een bolvormige schil van een superkritische massa tot een bol samen te drukken, waardoor de concentratie van splijtbare materie in een bepaald volume wordt verhoogd. Splijtbaar materiaal wordt gecombineerd of samengeperst door een gerichte explosie van een chemisch explosief.
Naast de splijtingsreactie van zware elementen, wordt de reactie van synthese van lichte elementen gebruikt in nucleaire ladingen. Thermonucleaire fusie vereist verwarming en compressie van materie tot enkele tientallen miljoenen graden en atmosferen, wat alleen kan worden geleverd door de energie die vrijkomt tijdens de splijtingsreactie. Daarom zijn thermonucleaire ladingen ontworpen volgens een tweetrapsschema. De isotopen van waterstof, tritium en deuterium (vereist minimumwaarden van temperatuur en druk om de fusiereactie te starten) of een chemische verbinding, lithiumdeuteride (de laatste, onder invloed van neutronen van de explosie van de eerste trap, is verdeeld in tritium en helium) worden gebruikt als lichte elementen. Bij de fusiereactie komt energie vrij in de vorm van elektromagnetische straling en kinetische energie van neutronen, elektronen en heliumkernen (zogenaamde alfadeeltjes). De energie-afgifte van de fusiereactie per massa-eenheid is vier keer hoger dan die van de splijtingsreactie
Tritium en zijn zelfbederfproduct deuterium worden ook gebruikt als een bron van neutronen om de splijtingsreactie te initiëren. Tritium of een mengsel van waterstofisotopen, onder invloed van de compressie van de plutoniumschaal, gaat gedeeltelijk een fusiereactie aan met het vrijkomen van neutronen, die plutonium in een superkritische toestand transformeren.
De belangrijkste componenten van moderne kernkoppen zijn als volgt:
- stabiele (spontaan niet-splijtbare) isotoop van uranium U-238, gewonnen uit uraniumerts of (in de vorm van een onzuiverheid) uit fosfaaterts;
- radioactieve (spontaan splijtbare) isotoop van uranium U-235, gewonnen uit uraniumerts of geproduceerd uit U-238 in kernreactoren;
- radioactieve isotoop van plutonium Pu-239, geproduceerd uit U-238 in kernreactoren;
- stabiele isotoop van waterstofdeuterium D, gewonnen uit natuurlijk water of geproduceerd uit protium in kernreactoren;
- radioactieve isotoop van waterstoftritium T, geproduceerd uit deuterium in kernreactoren;
- stabiele isotoop van lithium Li-6, gewonnen uit erts;
- stabiele isotoop van beryllium Be-9, gewonnen uit erts;
- HMX en triaminotrinitrobenzeen, chemische explosieven.
De kritische massa van een kogel van U-235 met een diameter van 17 cm is 50 kg, de kritische massa van een kogel van Pu-239 met een diameter van 10 cm is 11 kg. Met een berylliumneutronenreflector en een tritiumneutronenbron kan de kritische massa worden teruggebracht tot respectievelijk 35 en 6 kg.
Om het risico van spontane werking van nucleaire ladingen te elimineren, gebruiken ze de zogenaamde. Pu-239 van wapenkwaliteit, gezuiverd uit andere, minder stabiele isotopen van plutonium tot een niveau van 94%. Met een periodiciteit van 30 jaar wordt plutonium gezuiverd van de producten van spontaan nucleair verval van zijn isotopen. Om de mechanische sterkte te vergroten, wordt plutonium gelegeerd met 1 massaprocent gallium en bedekt met een dunne laag nikkel om het te beschermen tegen oxidatie.
De temperatuur van zelfverhitting van plutonium door straling tijdens opslag van nucleaire ladingen is niet hoger dan 100 graden Celsius, wat lager is dan de ontledingstemperatuur van een chemisch explosief.
Vanaf 2000 wordt de hoeveelheid plutonium van wapenkwaliteit die ter beschikking staat van de Russische Federatie geschat op 170 ton, de Verenigde Staten op 103 ton, plus enkele tientallen tonnen geaccepteerd voor opslag van de NAVO-landen, Japan en Zuid-Korea, die geen kernwapens bezitten. De Russische Federatie heeft de grootste productiecapaciteit voor plutonium ter wereld in de vorm van snelle kernreactoren van kernkwaliteit en kracht. Samen met plutonium tegen een kostprijs van ongeveer 100 dollar per gram (5-6 kg per lading), wordt tritium geproduceerd tegen een kostprijs van ongeveer 20 duizend dollar per gram (4-5 gram per lading).
De vroegste ontwerpen van kernsplijtingsladingen waren de Kid and Fat Man, ontwikkeld in de Verenigde Staten in het midden van de jaren veertig. Het laatste type lading verschilde van het eerste in de complexe apparatuur voor het synchroniseren van de ontploffing van talrijke elektrische ontstekers en in zijn grote dwarsafmetingen.
De "Kid" is gemaakt volgens een kanonschema - een artillerieloop werd gemonteerd langs de lengteas van het luchtbomlichaam, aan het gedempte uiteinde waarvan de ene helft van het splijtbare materiaal (uranium U-235), de tweede helft van het splijtbare materiaal was een projectiel dat werd versneld door een poederlading. De gebruiksfactor van uranium bij de splijtingsreactie was ongeveer 1 procent, de rest van de U-235-massa viel uit in de vorm van radioactieve neerslag met een halfwaardetijd van 700 miljoen jaar.
"Fat Man" werd gemaakt volgens een implosief schema - een holle bol van splijtbaar materiaal (Pu-239 plutonium) werd omgeven door een schaal gemaakt van uranium U-238 (pusher), een aluminium schaal (quencher) en een schaal (implosie generator), bestaande uit vijf- en zeshoekige segmenten van een chemisch explosief, op het buitenoppervlak waarvan elektrische ontstekers waren geïnstalleerd. Elk segment was een ontploffingslens van twee soorten explosieven met verschillende ontploffingssnelheden, die de divergerende drukgolf omzet in een bolvormige convergerende golf, die de aluminium schaal gelijkmatig comprimeert, die op zijn beurt de uraniumschaal samenperst, en die ene - de plutoniumbol tot zijn binnenholte gesloten. Een aluminium absorber werd gebruikt om de terugslag van de drukgolf te absorberen wanneer deze in een materiaal met een hogere dichtheid overgaat, en een uraniumduwer werd gebruikt om plutonium inert vast te houden tijdens de splijtingsreactie. In de binnenholte van de plutoniumbol bevond zich een neutronenbron, gemaakt van de radioactieve isotoop polonium Po-210 en beryllium, die neutronen uitzond onder invloed van alfastraling van polonium. De gebruiksfactor van splijtstof was ongeveer 5 procent, de halfwaardetijd van radioactieve neerslag was 24 duizend jaar.
Onmiddellijk na de oprichting van "Kid" en "Fat Man" in de VS, werd begonnen met het optimaliseren van het ontwerp van nucleaire ladingen, zowel kanon- als implosieschema's, gericht op het verminderen van de kritische massa, het verhogen van de benuttingsgraad van splijtstoffen, het vereenvoudigen van de elektrisch detonatiesysteem en het verminderen van de grootte. In de USSR en andere staten - eigenaren van kernwapens, werden de aanklachten aanvankelijk gemaakt volgens een implosief schema. Door optimalisatie van het ontwerp werd de kritische massa van splijtstoffen verminderd en de benuttingscoëfficiënt meerdere malen verhoogd door het gebruik van een neutronenreflector en een neutronenbron.
De beryllium-neutronenreflector is een metalen omhulsel tot 40 mm dik, de neutronenbron is gasvormig tritium dat een holte in plutonium vult, of met tritium geïmpregneerd ijzerhydride met titanium opgeslagen in een aparte cilinder (booster) en tritium vrijkomt onder invloed van verwarming door elektriciteit onmiddellijk voor het gebruik van een nucleaire lading, waarna tritium via de gasleiding in de lading wordt geleid. De laatste technische oplossing maakt het mogelijk om het vermogen van de nucleaire lading te vermenigvuldigen, afhankelijk van het volume van het verpompte tritium, en vergemakkelijkt ook de vervanging van het gasmengsel door een nieuw mengsel om de 4-5 jaar, aangezien de halfwaardetijd van tritium is 12 jaar. Een overmatige hoeveelheid tritium in de booster maakt het mogelijk om de kritische massa van plutonium te verminderen tot 3 kg en het effect van een schadelijke factor als neutronenstraling aanzienlijk te vergroten (door het effect van andere schadelijke factoren - een schokgolf en lichtstraling te verminderen)). Door optimalisatie van het ontwerp nam de benuttingsfactor van splijtstoffen toe tot 20%, in het geval van een overmaat aan tritium - tot 40%.
Het kanonschema werd vereenvoudigd door de overgang naar radiaal-axiale implosie door een reeks splijtbaar materiaal te maken in de vorm van een holle cilinder, verpletterd door de explosie van twee uiteinden en één axiale explosieve lading
Het implosieve schema werd geoptimaliseerd (SWAN) door de buitenste schil van het explosief in de vorm van een ellipsoïde te maken, waardoor het aantal detonatielenzen kon worden teruggebracht tot twee eenheden op afstand van de polen van de ellipsoïde - het verschil in de snelheid van de detonatiegolf in de dwarsdoorsnede van de detonatielens zorgt voor de gelijktijdige nadering van de schokgolf naar het bolvormige oppervlak de binnenste laag van het explosief, waarvan de detonatie de berylliumschaal gelijkmatig samendrukt (waarbij de functies van een neutronenreflector en een drukgolfterugslagdemper) en een plutoniumbol met een binnenholte gevuld met tritium of het mengsel daarvan met deuterium
De meest compacte implementatie van het implosieschema (gebruikt in het Sovjet-projectiel van 152 mm) is de uitvoering van een explosief-beryllium-plutoniumsamenstel in de vorm van een holle ellipsoïde met een variabele wanddikte, die de berekende vervorming van het samenstel levert onder invloed van een schokgolf van een explosieve explosie in een uiteindelijke bolvormige structuur
Ondanks verschillende technische verbeteringen bleef het vermogen van kernsplijtingsladingen beperkt tot het niveau van 100 Ktn in TNT-equivalent vanwege de onvermijdelijke uitzetting van de buitenste lagen van splijtstof tijdens de explosie met uitsluiting van materie van de splijtingsreactie.
Daarom werd een ontwerp voorgesteld voor een thermonucleaire lading, die zowel zware splijtingselementen als lichte fusie-elementen omvat. De eerste thermonucleaire lading (Ivy Mike) werd gemaakt in de vorm van een cryogene tank gevuld met een vloeibaar mengsel van tritium en deuterium, waarin zich een implosieve nucleaire lading van plutonium bevond. Vanwege de extreem grote afmetingen en de noodzaak van constante koeling van de cryogene tank, werd in de praktijk een ander schema gebruikt - een implosieve "puff" (RDS-6s), die verschillende afwisselende lagen uranium, plutonium en lithiumdeuteride omvat met een externe berylliumreflector en een interne tritiumbron
De kracht van de "puff" werd echter ook beperkt door het niveau van 1 Mtn vanwege het begin van de splijtings- en synthesereactie in de binnenste lagen en de expansie van niet-gereageerde buitenste lagen. Om deze beperking te overwinnen, werd een schema ontwikkeld voor de compressie van lichte elementen van de fusiereactie door röntgenstralen (tweede fase) van de splijtingsreactie van zware elementen (eerste fase). Door de enorme druk van de flux van röntgenfotonen die vrijkomt bij de splijtingsreactie, kan lithiumdeuteride 10 keer worden gecomprimeerd met een 1000-voudige toename in dichtheid en verwarmd tijdens het compressieproces, waarna lithium wordt blootgesteld aan de neutronenflux uit de splijtingsreactie, verandert in tritium, dat fusiereacties aangaat met deuterium. Het tweetrapsschema van een thermonucleaire lading is het schoonst in termen van radioactiviteitsopbrengst, aangezien secundaire neutronen uit de fusiereactie niet-gereageerd uranium / plutonium verbranden tot kortlevende radioactieve elementen, en de neutronen zelf worden in de lucht gedoofd met een bereik van ongeveer 1,5 km.
Met het oog op het uniform krimpen van de tweede trap, wordt het lichaam van de thermonucleaire lading gemaakt in de vorm van een pinda-schaal, waarbij de assemblage van de eerste trap in de geometrische focus van een deel van de schaal wordt geplaatst, en de assemblage van de tweede fase in de geometrische focus van het andere deel van de schaal. De assemblages worden in het grootste deel van het lichaam opgehangen met behulp van schuim of aerogelvuller. Volgens de regels van de optica wordt de röntgenstraling van de explosie van de eerste trap geconcentreerd in de vernauwing tussen de twee delen van de schaal en gelijkmatig verdeeld over het oppervlak van de tweede trap. Om de reflectiviteit in het röntgenbereik te vergroten, zijn het binnenoppervlak van het ladingslichaam en het buitenoppervlak van de tweede trapconstructie bedekt met een laag dicht materiaal: lood, wolfraam of uranium U-238. In het laatste geval wordt de thermonucleaire lading drietraps - onder invloed van neutronen uit de fusiereactie verandert U-238 in U-235, waarvan de atomen een splijtingsreactie aangaan en het explosievermogen vergroten
Het drietrapsschema werd opgenomen in het ontwerp van de Sovjet AN-602 luchtbom, waarvan de ontwerpkracht 100 Mtn was. Vóór de test werd de derde fase uitgesloten van zijn samenstelling door uranium U-238 te vervangen door lood vanwege het risico van uitbreiding van de zone van radioactieve neerslag van de splijting van U-238 buiten de testlocatie. De werkelijke capaciteit van de tweetrapsmodificatie van de AN-602 was 58 Mtn. Een verdere vergroting van het vermogen van thermonucleaire ladingen kan worden bereikt door het aantal thermonucleaire ladingen in de gecombineerde explosieve inrichting te vergroten. Dit is echter niet nodig vanwege het ontbreken van adequate doelen - de moderne analoog van de AN-602, geplaatst aan boord van het Poseidon-onderwatervoertuig, heeft een straal van vernietiging van gebouwen en constructies door een schokgolf van 72 km en een straal van branden van 150 km, wat voldoende is om megasteden zoals New York of Tokio te vernietigen
Vanuit het oogpunt van beperking van de gevolgen van het gebruik van kernwapens (territoriale lokalisatie, minimaliseren van vrijkomen van radioactiviteit, tactisch gebruiksniveau), de zogenaamde precisie eentrapsladingen met een capaciteit tot 1 Ktn, die zijn ontworpen om puntdoelen te vernietigen - raketsilo's, hoofdkwartieren, communicatiecentra, radars, luchtverdedigingsraketsystemen, schepen, onderzeeërs, strategische bommenwerpers, enz.
Het ontwerp van een dergelijke lading kan worden gemaakt in de vorm van een implosief geheel, dat twee ellipsoïde detonatielenzen omvat (chemisch explosief van HMX, inert materiaal van polypropyleen), drie bolvormige schalen (neutronenreflector gemaakt van beryllium, piëzo-elektrische generator gemaakt van cesiumjodide, splijtstof uit plutonium) en een interne bol (lithiumdeuteride-fusiebrandstof)
Onder invloed van een convergerende drukgolf genereert cesiumjodide een superkrachtige elektromagnetische puls, de elektronenstroom genereert gammastraling in plutonium, die neutronen uit kernen uitschakelt, waardoor een zichzelf voortplantende splijtingsreactie in gang wordt gezet, röntgenstralen comprimeert en verwarmt lithiumdeuteride, de neutronenflux genereert tritium uit lithium, dat in reactie gaat met deuterium. De centripetale richting van splijtings- en fusiereacties zorgt voor 100% gebruik van thermonucleaire brandstof.
Verdere ontwikkeling van ontwerpen voor nucleaire lading in de richting van het minimaliseren van vermogen en radioactiviteit is mogelijk door plutonium te vervangen door een apparaat voor lasercompressie van een capsule met een mengsel van tritium en deuterium.
