سلاح های هسته ای از نظر هزینه / کارآیی م theثرترین در تاریخ بشریت هستند: هزینه های سالانه توسعه ، آزمایش ، ساخت و نگهداری این سلاح ها از 5 تا 10 درصد از بودجه نظامی ایالات متحده را تشکیل می دهد. فدراسیون روسیه - کشورهایی که دارای مجموعه تولید هسته ای هستند ، مهندسی انرژی اتمی را توسعه داده اند و در اختیار ناوگان ابر رایانه برای مدل سازی ریاضی انفجارهای هسته ای هستند.
استفاده از دستگاههای هسته ای برای اهداف نظامی بر اساس ویژگی اتمهای عناصر شیمیایی سنگین برای تجزیه به اتمهای عناصر سبک تر با انتشار انرژی در قالب تابش الکترومغناطیسی (محدوده اشعه گاما و اشعه ایکس) و همچنین در شکل انرژی جنبشی پراکندگی ذرات بنیادی (نوترونها ، پروتونها و الکترونها) و هسته اتمهای عناصر سبک تر (سزیم ، استرانسیوم ، ید و دیگران)
محبوب ترین عناصر سنگین اورانیوم و پلوتونیوم هستند. ایزوتوپهای آنها ، هنگام شکافتن هسته آنها ، از 2 تا 3 نوترون ساطع می کنند ، که به نوبه خود باعث شکافت هسته های اتم های مجاور و غیره می شود. یک واکنش خود انتشار (به اصطلاح زنجیره ای) با انتشار مقدار زیادی انرژی در ماده رخ می دهد. برای شروع واکنش ، جرم بحرانی خاصی مورد نیاز است که حجم آن برای جذب نوترون توسط هسته اتمی بدون انتشار نوترون در خارج از ماده کافی خواهد بود. جرم بحرانی را می توان با یک بازتابنده نوترونی و یک منبع نوترونی آغاز کننده کاهش داد
واکنش شکافت با ترکیب دو جرم زیر بحرانی در یک توده فوق بحرانی یا با فشرده سازی یک پوسته کروی از یک توده فوق بحرانی در یک کره آغاز می شود و در نتیجه غلظت ماده شکافت پذیر در یک حجم معین افزایش می یابد. مواد شکافتنی با انفجار مستقیم مواد منفجره شیمیایی ترکیب یا فشرده می شوند.
علاوه بر واکنش شکافت عناصر سنگین ، واکنش سنتز عناصر سبک در بارهای هسته ای استفاده می شود. همجوشی حرارتی نیاز به گرم کردن و فشرده سازی ماده تا چند ده میلیون درجه و اتمسفر دارد که تنها به دلیل انرژی آزاد شده در طول واکنش شکافت می تواند تأمین شود. بنابراین ، بارهای هسته ای بر اساس یک طرح دو مرحله ای طراحی می شوند. ایزوتوپهای هیدروژن ، تریتیوم و دوتریوم (برای شروع واکنش همجوشی به حداقل مقدار دما و فشار نیاز دارند) یا یک ترکیب شیمیایی ، لیتیوم دوترید (دومی ، تحت تأثیر نوترونها از انفجار مرحله اول ، تقسیم می شود. به تریتیوم و هلیوم) به عنوان عناصر سبک استفاده می شود. انرژی در واکنش همجوشی به شکل تابش الکترومغناطیسی و انرژی جنبشی نوترون ها ، الکترون ها و هسته های هلیوم (به اصطلاح ذرات آلفا) آزاد می شود. انتشار انرژی واکنش همجوشی در واحد جرم چهار برابر بیشتر از واکنش شکافت است
تریتیوم و دوتریوم محصول خود پوسیدگی آن نیز به عنوان منبع نوترون برای شروع واکنش شکافت استفاده می شود. تریتیوم یا مخلوطی از ایزوتوپهای هیدروژن ، تحت عمل فشرده سازی پوسته پلوتونیوم ، با انتشار نوترونها ، که پلوتونیوم را به حالت فوق بحرانی تبدیل می کند ، تا حدی وارد واکنش همجوشی می شود.
اجزای اصلی کلاهک های هسته ای مدرن به شرح زیر است:
-ایزوتوپ پایدار (خود به خود غیر شکننده) اورانیوم U-238 ، استخراج شده از سنگ معدن اورانیوم یا (به صورت ناخالصی) از سنگ فسفات ؛
-ایزوتوپ رادیواکتیو (شکافتن خود به خود) اورانیوم U-235 ، استخراج شده از سنگ معدن اورانیوم یا تولید شده از U-238 در راکتورهای هسته ای ؛
-ایزوتوپ رادیواکتیو پلوتونیوم Pu-239 ، تولید شده از U-238 در راکتورهای هسته ای ؛
- ایزوتوپ پایدار هیدروژن دوتریوم D ، استخراج شده از آب طبیعی یا تولید شده از پروتیوم در راکتورهای هسته ای ؛
- ایزوتوپ رادیواکتیو تریتیم هیدروژن ، تولید شده از دوتریوم در راکتورهای هسته ای ؛
- ایزوتوپ پایدار لیتیوم Li-6 ، استخراج شده از سنگ معدن ؛
- ایزوتوپ پایدار بریلیوم Be-9 ، استخراج شده از سنگ معدن ؛
- HMX و triaminotrinitrobenzene ، مواد منفجره شیمیایی.
جرم بحرانی یک توپ ساخته شده از U-235 با قطر 17 سانتی متر 50 کیلوگرم است ، جرم بحرانی یک توپ ساخته شده از Pu-239 با قطر 10 سانتی متر 11 کیلوگرم است. با بازتاب کننده نوترون بریلیوم و منبع نوترون تریتیوم ، جرم بحرانی را می توان به ترتیب به 35 و 6 کیلوگرم کاهش داد.
برای از بین بردن خطر عملکرد خودجوش بارهای هسته ای ، از اصطلاحاً استفاده می کنند. Pu-239 با درجه سلاح ، از سایر ایزوتوپهای پلوتونیوم با ثبات کمتر تا 94 درصد خالص شده است. با دوره ای 30 سال ، پلوتونیوم از محصولات پوسیدگی خود به خود هسته ایزوتوپهای آن خالص می شود. به منظور افزایش استحکام مکانیکی ، پلوتونیوم با 1 درصد جرم گالیوم آلیاژ می شود و با یک لایه نازک نیکل پوشانده می شود تا از اکسیداسیون محافظت شود.
دمای خود تابشی پلوتونیوم در طول ذخیره سازی بارهای هسته ای از 100 درجه سانتیگراد تجاوز نمی کند ، که کمتر از دمای تجزیه مواد منفجره شیمیایی است.
از سال 2000 ، میزان پلوتونیوم درجه سلاح در اختیار فدراسیون روسیه 170 تن برآورد شده است ، ایالات متحده - 103 تن ، به علاوه چند ده تن که برای ذخیره سازی از کشورهای ناتو ، ژاپن و کره جنوبی پذیرفته شده است. که سلاح هسته ای ندارند فدراسیون روسیه دارای بزرگترین ظرفیت تولید پلوتونیوم در جهان به شکل راکتورهای سریع هسته ای با درجه سلاح و قدرت است. همراه با پلوتونیوم با هزینه حدود 100 دلار آمریکا در هر گرم (5-6 کیلوگرم در هر بار شارژ) ، تریتیوم با هزینه ای در حدود 20 هزار دلار آمریکا در هر گرم (4-5 گرم در هر بار شارژ) تولید می شود.
اولین طرح های اتهام شکافت هسته ای ، بچه و چاق مرد بود ، که در ایالات متحده در اواسط دهه 1940 توسعه یافت. نوع اخیر بار در تجهیزات پیچیده برای همگام سازی انفجار چاشنی های الکتریکی متعدد و ابعاد عرضی بزرگ آن متفاوت از نوع اول است.
"بچه" طبق یک طرح توپ ساخته شد - یک لوله توپخانه در امتداد محور طولی بدنه بمب هوایی نصب شده بود ، در انتهای خفه آن نیمی از مواد شکافتنی (اورانیوم U -235) ، نیمه دوم قرار داشت. از مواد شکافت پذیر یک پرتابه بود که با بار پودری شتاب می گرفت. فاکتور استفاده از اورانیوم در واکنش شکافت حدود 1 درصد بود ، بقیه جرم U-235 به صورت ریزش رادیواکتیو با نیمه عمر 700 میلیون سال از بین رفت.
"مرد چاق" بر اساس یک طرح انفجاری ساخته شد-یک کره توخالی از مواد شکافتنی (پلوتونیوم Pu-239) توسط پوسته ای از اورانیوم U-238 (هل دهنده) ، یک پوسته آلومینیومی (خاموش کننده) و یک پوسته (انفجار احاطه شده بود) ژنراتور) ، از قسمتهای پنج و شش ضلعی مواد منفجره شیمیایی تشکیل شده است ، که در سطح خارجی آن چاشنی های برقی نصب شده است. هر بخش یک عدسی انفجاری از دو نوع مواد منفجره با سرعت های مختلف انفجار بود ، که موج فشار واگرا را به موج همگرا کروی تبدیل می کرد ، به طور یکنواخت پوسته آلومینیوم را فشرده می کرد ، که به نوبه خود پوسته اورانیوم را فشرده می کرد ، و آن یکی - کره پلوتونیوم تا زمانی که حفره داخلی بسته شده است از یک جاذب آلومینیوم برای جذب پس برگشت موج فشار به موادی با چگالی بیشتر استفاده شد و از یک فشار دهنده اورانیوم برای نگه داشتن بی اثر پلوتونیوم در طول واکنش شکافت استفاده شد. در حفره داخلی کره پلوتونیوم ، منبع نوترونی از ایزوتوپ رادیواکتیو polonium Po-210 و بریلیوم ساخته شده بود که تحت تأثیر تابش آلفا از پلونیوم ، نوترون ساطع می کرد. ضریب استفاده از مواد شکافت پذیر حدود 5 درصد و نیمه عمر ریزش پرتوزا 24 هزار سال بود.
بلافاصله پس از ایجاد "بچه" و "مرد چاق" در ایالات متحده ، کار برای بهینه سازی طراحی بارهای هسته ای ، هر دو طرح توپ و انفجار ، با هدف کاهش جرم بحرانی ، افزایش میزان استفاده از مواد شکافتنی ، ساده سازی شروع شد. سیستم انفجار الکتریکی و کاهش اندازه. در اتحاد جماهیر شوروی و سایر ایالت ها - صاحبان سلاح های هسته ای ، اتهامات در ابتدا بر اساس یک طرح انفجاری ایجاد شد. در نتیجه بهینه سازی طرح ، جرم بحرانی مواد شکافت پذیر کاهش یافت و ضریب استفاده از آن به دلیل استفاده از بازتابنده نوترونی و منبع نوترونی چندین برابر افزایش یافت.
بازتاب کننده نوترونی بریلیوم یک پوسته فلزی تا ضخامت 40 میلی متر است ، منبع نوترون تریتیوم گازی است که حفره ای در پلوتونیوم پر می کند یا هیدرید آهن آغشته به تریتیوم با تیتانیوم ذخیره شده در یک استوانه جداگانه (تقویت کننده) و تریتیوم را تحت اثر حرارت آزاد می کند. توسط برق بلافاصله قبل از استفاده از یک بار هسته ای ، پس از آن تریتیوم از طریق خط لوله گاز وارد بار می شود. راه حل فنی اخیر باعث می شود که قدرت بار هسته ای بسته به حجم تریتیوم پمپ شده چندین برابر شود و همچنین جایگزینی مخلوط گاز با مخلوط جدید هر 4-5 سال را تسهیل می کند ، زیرا نیمه عمر تریتیوم 12 سال. مقدار بیش از حد تریتیوم در تقویت کننده باعث می شود که جرم بحرانی پلوتونیوم را به 3 کیلوگرم کاهش داده و تأثیر چنین عامل مخربی مانند تابش نوترونی را به میزان قابل توجهی افزایش دهید (با کاهش تأثیر سایر عوامل آسیب رسان - موج ضربه ای و تابش نور)) در نتیجه بهینه سازی طراحی ، ضریب استفاده از مواد شکافت پذیر به 20 increased و در مورد بیش از حد تریتیوم - تا 40 increased افزایش یافت.
طرح توپ به دلیل انتقال به انفجار شعاعی-محوری با ایجاد آرایه ای از مواد شکافت پذیر در قالب یک استوانه توخالی ، که در اثر انفجار دو انتهای انفجاری انتهایی و یک محوری خرد شده بود ، ساده شد.
طرح انفجاری با ساخت پوسته بیرونی ماده منفجره به شکل بیضی شکل (SWAN) بهینه شد ، که باعث شد تعداد لنزهای انفجاری به دو واحد فاصله از قطب های بیضی شکل کاهش یابد - تفاوت در سرعت موج انفجار در سطح مقطع عدسی انفجار باعث می شود تا همزمان موج ضربه ای به سطح کروی لایه داخلی ماده منفجره برسد که انفجار آن به طور یکنواخت پوسته بریلیوم را فشرده می کند (ترکیب عملکردهای بازتابنده نوترونی و یک دمپر موج فشار) و یک کره پلوتونیوم با حفره داخلی پر از تریتیوم یا مخلوط آن با دوتریوم
فشرده ترین اجرای طرح انفجار (مورد استفاده در پرتابه 152 میلیمتری شوروی) اجرای یک مجموعه انفجاری بریلیم-پلوتونیوم به شکل بیضی توخالی با ضخامت دیواره متغیر است که تغییر شکل محاسبه شده مجموعه را فراهم می کند. تحت تأثیر یک موج ضربه ای از یک انفجار انفجاری به یک ساختار کروی نهایی
با وجود پیشرفت های فنی مختلف ، قدرت بارهای شکافت هسته ای به دلیل گسترش غیرقابل اجتناب لایه های خارجی ماده شکافت پذیر در طول انفجار با حذف ماده از واکنش شکافت ، به میزان 100 Ktn در معادل TNT محدود بود.
بنابراین ، طرحی برای بار گرمایی هسته ای پیشنهاد شد که شامل عناصر شکافت سنگین و عناصر همجوشی سبک می شود. اولین بار حرارتی هسته ای (آیوی مایک) به شکل یک مخزن برودتی پر از مخلوط مایع تریتیوم و دوتریوم ساخته شد که در آن بار هسته ای انفجاری پلوتونیوم قرار داشت. با توجه به ابعاد بسیار زیاد و نیاز به سرد کردن دائمی مخزن برودتی ، در عمل از طرح متفاوتی استفاده شد - یک "پف" انفجاری (RDS -6s) ، که شامل چندین لایه متناوب اورانیوم ، پلوتونیوم و لیتیوم دوترید با یک بازتابنده بریلیوم خارجی و منبع تریتیوم داخلی
با این حال ، قدرت "پف" نیز به دلیل شروع واکنش شکافت و سنتز در لایه های داخلی و گسترش لایه های خارجی بدون واکنش ، به میزان 1 میلیون تن محدود شد. به منظور غلبه بر این محدودیت ، طرحی برای فشرده سازی عناصر سبک واکنش همجوشی توسط اشعه ایکس (مرحله دوم) از واکنش شکافت عناصر سنگین (مرحله اول) ایجاد شد. فشار عظیم شار فوتون های اشعه ایکس منتشر شده در واکنش شکافت اجازه می دهد تا لیتیوم دوترید 10 بار با افزایش چگالی 1000 برابر فشرده شود و در طول فرآیند فشرده سازی گرم شود ، پس از آن لیتیوم در معرض شار نوترونی از واکنش شکافت ، تبدیل به تریتیوم ، که با واکنش دوتریوم وارد واکنش های همجوشی می شود. طرح دو مرحله ای بار حرارتی هسته ای از نظر بازدهی رادیواکتیویته ، پاک ترین است ، زیرا نوترونهای ثانویه از واکنش همجوشی ، اورانیوم / پلوتونیوم بدون واکنش را به عناصر رادیواکتیو کوتاه مدت می سوزانند و خود نوترون ها با یک هوا در هوا خاموش می شوند. برد حدود 1.5 کیلومتر
به منظور فشردن یکنواخت مرحله دوم ، بدنه بار گرمایی هسته ای به شکل پوسته بادام زمینی ساخته می شود و مجموعه مرحله اول را در کانون هندسی یک قسمت پوسته قرار می دهد و مجموعه ای از مرحله دوم در تمرکز هندسی قسمت دیگر پوسته. مجموعه ها در قسمت عمده بدن با استفاده از فوم یا پرکننده ایروژل معلق می شوند. طبق قوانین نوری ، اشعه ایکس ناشی از انفجار مرحله اول در باریک شدن بین دو قسمت پوسته متمرکز شده و به طور مساوی در سطح مرحله دوم توزیع می شود. به منظور افزایش بازتاب در محدوده اشعه ایکس ، سطح داخلی بدن بار و سطح خارجی مجموعه مرحله دوم با لایه ای از مواد متراکم پوشانده شده است: سرب ، تنگستن یا اورانیوم U-238. در حالت دوم ، بار حرارتی هسته ای سه مرحله ای می شود-تحت تأثیر نوترونهای واکنش همجوشی ، U-238 به U-235 تبدیل می شود ، که اتمهای آن وارد واکنش شکافت شده و قدرت انفجار را افزایش می دهند.
این طرح سه مرحله ای در طراحی بمب هوایی AN-602 شوروی ، قدرت طراحی آن 100 میلیون تن بود. قبل از آزمایش ، مرحله سوم با جایگزینی اورانیوم U-238 با سرب به دلیل خطر گسترش منطقه انفجار رادیواکتیو از شکافت U-238 فراتر از محل آزمایش ، از ترکیب آن حذف شد. ظرفیت واقعی اصلاح دو مرحله ای AN-602 58 تن بود. افزایش بیشتر بارهای گرمایی هسته ای را می توان با افزایش تعداد بارهای هسته ای در دستگاه انفجاری ترکیبی ایجاد کرد. با این حال ، این امر به دلیل فقدان اهداف کافی ضروری نیست - آنالوگ مدرن AN -602 ، که بر روی وسیله نقلیه زیر آب Poseidon قرار گرفته است ، دارای شعاع تخریب ساختمانها و سازه ها در موج ضربه 72 کیلومتر و شعاع آن است. آتش سوزی های 150 کیلومتری ، که برای نابودی شهرهای بزرگ مانند نیویورک یا توکیو کاملاً کافی است
از نظر محدود کردن پیامدهای استفاده از سلاح های هسته ای (محلی سازی سرزمینی ، به حداقل رساندن انتشار رادیواکتیویته ، سطح تاکتیکی استفاده) ، به اصطلاح اتهامات تک مرحله ای با ظرفیت حداکثر 1 Ktn ، که برای نابودی اهداف نقطه ای - سیلوهای موشکی ، مقر ، مراکز ارتباطی ، رادارها ، سیستم های موشکی دفاع هوایی ، کشتی ها ، زیردریایی ها ، بمب افکن های استراتژیک و غیره طراحی شده است.
طراحی چنین شارژ را می توان در قالب یک مجموعه انفجاری ، که شامل دو عدسی انفجار بیضی شکل (مواد منفجره شیمیایی از HMX ، مواد بی اثر ساخته شده از پلی پروپیلن) ، سه پوسته کروی (بازتابنده نوترونی ساخته شده از بریلیم ، ژنراتور پیزوالکتریک ساخته شده) انجام داد. سدیم یدید ، مواد شکافت پذیر از پلوتونیوم) و یک کره داخلی (سوخت همجوشی لیتیوم دوترید)
تحت تأثیر یک موج فشار همگرا ، سزیم یدید یک پالس الکترومغناطیسی فوق العاده ایجاد می کند ، جریان الکترون تابش گاما در پلوتونیوم ایجاد می کند ، که نوترون ها را از هسته ها خارج می کند ، در نتیجه یک واکنش شکافت خود انتشار می یابد ، اشعه ایکس فشرده می کند و لیتیوم دوترید را گرم می کند. ، شار نوترون تریتیوم را از لیتیوم تولید می کند ، که با دوتریوم وارد واکنش می شود. جهت گریز از مرکز واکنش های شکافت و همجوشی استفاده 100٪ از سوخت گرمایی را تضمین می کند.
توسعه بیشتر طرح های بار هسته ای در جهت به حداقل رساندن قدرت و رادیواکتیویته با جایگزینی پلوتونیوم با دستگاه فشرده سازی لیزری کپسول با مخلوط تریتیوم و دوتریوم امکان پذیر است.
