Физико-технические основы устройства ядерного оружия

Ядерное оружие (устаревшее – атомное оружие) – оружие массового поражения взрывного действия, основанное на использовании внутриядерной энергии, которая выделяется при цепных реакциях деления тяжелых ядер некоторых изотопов урана и плутония или при термоядерных реакциях синтеза легких ядер-изотопов водорода – дейтерия и трития – в более тяжелые, например ядра изотопов гелия. Для указанных реакций характерно чрезвычайно большое выделение энергии на единицу массы прореагированного вещества – в 20–80 млн раз больше, чем при взрыве тротила.

В результате весьма быстрого выделения огромного количества энергии в ограниченном объёме происходит ЯВ, который существенно отличается от взрыва обычных боеприпасов как масштабами, так и характером поражающих факторов: ударной волны, светового излучения, проникающей радиации, радиоактивного заражения (РЗ) и электромагнитного импульса.

Ядерное оружие включает в себя:
- ядерные боеприпасы (ЯБ);
- средства доставки их к цели (носители);
- средства управления боеприпасами.

К ЯБ относятся снаряженные ядерными, термоядерными и нейтронными зарядами:
- боевые части ракет и торпед;
- авиационные и глубинные бомбы;
- артиллерийские снаряды и мины;
- ядерные фугасы.

Ядерный заряд (ЯЗ) – устройство для производства ЯВ (основная часть ЯБ). Часто ЯЗ унифицированы, т. е. одинаковые заряды используются в различных ЯБ.

Классификация ЯЗ. По типу происходящих ядерных реакций ЯЗ делятся на три вида:
- ЯЗ;
- термоядерные заряды;
- комбинированные заряды.

Ядерные заряды – заряды, энергия взрыва которых обусловлена только реакцией деления (называются ядерными, атомными или однотактными (однофазными) зарядами деления). В качестве делящегося вещества используются изотопы, уран-235, плутоний-239, существуют и другие элементы, атомы которых способны делиться под воздействием тепловых нейтронов, но практического интереса для производства ЯЗ они не представляют из-за сильной радиоактивности, короткого периода полураспада и других причин.

Принцип получения ЯВ состоит в том, чтобы довести определенное количество делящегося вещества до массы больше критической, когда в нем начнется неуправляемая цепная реакция деления атомов. Например, для урана-235 95%-ной чистоты критическая масса составляет 50 кг, такую массу имеет шар диаметром 9 см.

По устройству ЯЗ бывают двух типов:
- пушечного типа – в таких зарядах делящееся вещество разделено на несколько частей, каждая из которых имеет массу меньше критической. Для производства взрыва эти части быстро соединяются в один кусок, размеры и масса которого больше критических, с этой целью используют выстрел частей друг в друга (рис. 1.1);

- имплозивного типа (имплозия – сходящаяся взрывная волна), в таких зарядах делящееся вещество представляет собой единое целое, но размеры и плотность его таковы, что система находится в подкритическом состоянии. Вокруг ядерного взрывчатого вещества располагаются заряды обычного взрывчатого вещества (ВВ), при одновременном подрыве которых делящееся вещество подвергается сильному обжатию и плотность его возрастает, так что оно переходит в надкритическое состояние, в результате чего и создаются условия для начала цепной реакции деления (рис. 1.2).

В своем составе ЯЗ любого типа имеет источник и отражатель нейтронов. Так как нельзя рассчитывать на своевременное начало цепной реакции от наличия свободных нейтронов в среде заряда и окружающей, для этих целей служит источник нейтронов. Отражатель нейтронов повышает мощность взрыва за счет увеличения времени реакции. Считается, если увеличить время реакции на 0,000 000 1 с, то мощность взрыва возрастет в 2 раза. Любой боеприпас разрушается до того, как прореагирует все делящееся вещество заряда, остальное безвозвратно теряется. Отношение массы прореагировавшего вещества к исходному называют коэффициентом полезного действия (КПД) заряда.

КПД выше у зарядов имплозивного типа, но заряды пушечного типа имеют лучшие массогабаритные показатели, поэтому в современных ЯЗ используют оба принципа получения ЯВ, все зависит от того, какой параметр приоритетен при создании конкретного ЯВ устройства.

Считается, что предел мощности атомных зарядов до 100 килотонн (кт), дальнейшее увеличение мощности связано с решением сложных научно-технических, конструкторских и других задач, что требует определенных и немалых затрат, поэтому проще использовать термоядерные заряды.

Термоядерные заряды. ЯЗ, в которых, кроме реакции деления, проходит термоядерная реакция синтеза ядер легких элементов, называют термоядерными, заряды «деление-синтез», или двухтактными (двухфазными). Ранее их называли водородными. Мощность таких зарядов практически не ограничена, самое мощное термоядерное устройство (бомба, сброшенная с самолета Ту-95) было взорвано на полигоне Новая Земля в 1961 году. Его мощность по различным оценкам составляла от 50 до 75 мегатонн (Мт), во всяком случае, Н. С. Хрущев заявил о 50 Мт. Сама же бомба имела расчетную мощность 100 Мт.

С точки зрения получения энергии представляет интерес реакция синтеза ядер изотопов водорода дейтерия и трития с образованием ядер гелия и нейтронов высокой энергии:

При синтезе 1 кг гелия выделяется в 5 раз больше энергии, чем при делении 1 кг урана.
Тритий – это радиоактивный газ с периодом полураспада 13 лет, к тому же его получение и использование очень дорого и сложно в техническом плане, поэтому в термоядерных зарядах используют дейтерид лития – химически нейтральное твердое вещество. Дейтерид лития, вступая в реакцию с нейтронами взрыва ядерного детонатора, превращается в тритий, с которым и синтезирует дейтерий:

Ядерный детонатор служит для создания условий начала термоядерной реакции – десятки и сотни миллионов градусов, такие температуры на Земле можно получить только при ЯВ. Если корпус термоядерного заряда изготовить из урана U-238, то получится комбинированный заряд. Комбинированные заряды. ЯЗ, энергия взрыва которых высвобождается в результате трех ядерных реакций «деление – синтез – деление», называются комбинированными (трехфазными) – рис. 1.3.

Ядерное горючее (U-238) не делится от воздействия тепловых нейтронов, но делится под воздействием нейтронов высоких энергий, которые образуются в результате синтеза. В бомбе мощностью 100 Мт мощность была снижена за счет замены оболочки заряда из U-238 на свинцовую, другими словами, трехфазный заряд сделали двухфазным.

Нейтронный боеприпас представляет собой маломощный термоядерный заряд мощностью до 10 кт, у которого основная доля энергии выделяется за счет реакции синтеза ядер дейтерия и трития, а количество энергии ядерного детонатора минимально, но достаточно для начала реакции синтеза. Нейтронная составляющая проникающей радиации оказывает основное поражающее воздействие на людей.

В отличие от термоядерных зарядов большой мощности с дейтеридом лития в нейтронных зарядах используют смесь дейтерия и трития, взрыв 13 граммов (г) которой эквивалентен взрыву 1 кт тротила.

По мощности взрыва ЯБ всех типов условно делят на 5 калибров:
- сверхмалые (менее 1 кт);
- малые (1–10 кт);
- средние (10–100 кт);
- крупные (100–1000 кт);
- сверхкрупные (более 1 Мт).

Мощность ЯБ измеряют в тротиловом эквиваленте, причем величина эта условная и в зависимости от параметра, по которому считают мощность, может отличаться иногда значительно. Внешний вид ЯБ зависит от их конструкции и назначения. На корпусе ЯБ имеются отверстия, люки, через которые проводится проверка исправности автоматики ЯЗ устройства. ЯБ Сухопутных войск США и контейнеры, в которых они перевозятся, окрашиваются в зеленый цвет и маркируются желтой краской, а учебные окрашиваются в черный цвет и маркируются белой краской. На корпус боеприпаса желтыми и белыми буквами высотой 2,5 см наносятся: марка боеприпаса ХМ27, ХМ47 или ХМ48, индексы ЯЗ YI, Y2, YЗ, определяющие его тротиловый эквивалент. Кроме того, на всех учебных боеприпасах над обычной маркировкой наносится красная надпись «Тгаining onlу» (только для учебных целей).

К средствам применения ЯО относятся: ракеты тактического, оперативно-тактического и стратегического назначения; самолеты – носители ЯО; крылатые ракеты; подводные лодки; артиллерия, применяющая ЯБ; ядерные мины.