Ang mga sandatang nuklear ay pinakamabisang sa kasaysayan ng sangkatauhan sa mga tuntunin ng gastos / kahusayan: ang taunang gastos ng pagbuo, pagsubok, pagmamanupaktura at pagpapanatili ng pagpapatakbo ng mga sandatang ito ay binubuo mula 5 hanggang 10 porsyento ng badyet ng militar ng Estados Unidos at ang Russian Federation - mga bansang mayroon nang nabuo na kumplikadong produksyon ng nukleyar, bumuo ng atomic power engineering at pagkakaroon ng isang fleet ng supercomputers para sa pagmomodelo ng matematika ng mga pagsabog na nukleyar.
Ang paggamit ng mga aparatong nukleyar para sa mga layunin ng militar ay batay sa pag-aari ng mga atomo ng mabibigat na mga sangkap ng kemikal upang mabulok sa mga atomo ng mas magaan na mga elemento sa paglabas ng enerhiya sa anyo ng electromagnetic radiation (mga saklaw ng gamma at X-ray), pati na rin sa ang form ng kinetic energy ng pagsabog ng mga elementong maliit na butil (neutron, proton at electron) at nuclei ng mga atomo ng mas magaan na mga elemento (cesium, strontium, yodo at iba pa)
Ang pinakatanyag na mabibigat na elemento ay uranium at plutonium. Ang kanilang mga isotopes, kapag nilalagyan ang kanilang nucleus, ay nagpapalabas ng 2 hanggang 3 neutron, na kung saan ay sanhi ng pag-fission ng nuclei ng mga kalapit na atomo, atbp. Ang isang self-propagating (tinatawag na chain) na reaksyon sa paglabas ng isang malaking halaga ng enerhiya ay nangyayari sa sangkap. Upang simulan ang reaksyon, kinakailangan ang isang tiyak na kritikal na masa, na ang dami nito ay sapat para sa pagkuha ng mga neutron ng atomic nuclei nang walang pagpapalabas ng mga neutron sa labas ng sangkap. Ang kritikal na masa ay maaaring mabawasan ng isang neutron reflector at isang nagpapasimulang mapagkukunan ng neutron
Ang reaksyon ng fission ay sinimulan sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng dalawang mga subcritical na masa sa isang supercritical na isa o sa pamamagitan ng pag-compress ng isang spherical shell ng isang supercritical mass sa isang globo, sa gayon pagtaas ng konsentrasyon ng fissile matter sa isang naibigay na dami. Ang materyal na fissile ay pinagsama o naka-compress ng isang nakadirek na pagsabog ng isang paputok na kemikal.
Bilang karagdagan sa fission reaksyon ng mga mabibigat na elemento, ang reaksyon ng pagbubuo ng mga ilaw na elemento ay ginagamit sa mga singil sa nukleyar. Ang fusion ng Thermonuclear ay nangangailangan ng pagpainit at pag-compress ng bagay hanggang sa sampu-sampung milyong mga degree at atmospheres, na maaaring ibigay lamang dahil sa enerhiya na inilabas sa panahon ng reaksyon ng fission. Samakatuwid, ang mga singil na thermonuclear ay dinisenyo ayon sa isang dalawang yugto na pamamaraan. Ang mga isotop ng hydrogen, tritium at deuterium (nangangailangan ng minimum na halaga ng temperatura at presyon upang simulan ang reaksyon ng fusion) o isang compound ng kemikal, lithium deuteride (ang huli, sa ilalim ng pagkilos ng mga neutron mula sa pagsabog ng unang yugto, ay nahahati sa tritium at helium) ay ginagamit bilang mga light element. Ang enerhiya sa reaksyon ng fusion ay inilabas sa anyo ng electromagnetic radiation at kinetic energy ng neutrons, electron at helium nuclei (tinaguriang mga alpha particle). Ang paglabas ng enerhiya ng reaksyon ng fusion bawat masa ng yunit ay apat na beses na mas mataas kaysa sa reaksyon ng fission
Ang Tritium at ang deuterium ng produktong nabubulok sa sarili ay ginagamit din bilang mapagkukunan ng mga neutron upang simulan ang reaksyon ng fission. Ang Tritium o isang halo ng mga hydrogen isotop, sa ilalim ng pagkilos ng compression ng shell ng plutonium, ay bahagyang pumapasok sa isang reaksyon ng fusion sa paglabas ng mga neutron, na nagbago ng plutonium sa isang supercritical na estado.
Ang mga pangunahing bahagi ng modernong mga nukleyar na warhead ay ang mga sumusunod:
- matatag (kusang di-fissile) isotope ng uranium U-238, na nakuha mula sa uranium ore o (sa anyo ng isang karumihan) mula sa phosphate ore;
- radioactive (kusang fissile) isotope ng uranium U-235, na nakuha mula sa uranium ore o ginawa mula sa U-238 sa mga nuclear reactor;
- radioactive isotope ng plutonium Pu-239, na ginawa mula sa U-238 sa mga nuclear reactor;
- matatag na isotope ng hydrogen deuterium D, nakuha mula sa natural na tubig o ginawa mula sa protium sa mga nuclear reactor;
- radioactive isotope ng hydrogen tritium T, na ginawa mula sa deuterium sa mga nuclear reactor;
- matatag na isotope ng lithium Li-6, na nakuha mula sa mineral;
- matatag na isotope ng beryllium Be-9, na nakuha mula sa mineral;
- Ang HMX at triaminotrinitrobenzene, mga pampasabog na kemikal.
Ang kritikal na masa ng isang bola na gawa sa U-235 na may diameter na 17 cm ay 50 kg, ang kritikal na masa ng isang bola na gawa sa Pu-239 na may diameter na 10 cm ay 11 kg. Sa isang beryllium neutron reflector at isang tritium neutron na mapagkukunan, ang kritikal na masa ay maaaring mabawasan sa 35 at 6 kg, ayon sa pagkakabanggit.
Upang maalis ang peligro ng kusang pagpapatakbo ng mga singil sa nukleyar, ginagamit nila ang tinatawag na. armas-grade Pu-239, purified mula sa iba pang, hindi gaanong matatag isotopes ng plutonium sa isang antas ng 94%. Sa pamamagitan ng isang periodicity ng 30 taon, ang plutonium ay purified mula sa mga produkto ng kusang pagkabulok ng nukleyar ng mga isotopes. Upang madagdagan ang lakas na mekanikal, ang plutonium ay pinaglalagyan ng 1 masa na porsyento ng gallium at pinahiran ng isang manipis na layer ng nikel upang maprotektahan ito mula sa oksihenasyon.
Ang temperatura ng pag-init ng sarili sa plutonium sa pag-iimbak ng mga singil sa nukleyar ay hindi hihigit sa 100 degree Celsius, na mas mababa sa temperatura ng agnas ng isang paputok na kemikal.
Noong 2000, ang halaga ng plutonium na may markang sandata sa pagtatapon ng Russian Federation ay tinatayang nasa 170 tonelada, ang Estados Unidos - sa 103 tonelada, kasama ang maraming sampu-tonong tonelada na tinanggap para sa pag-iimbak mula sa mga bansa ng NATO, Japan at South Korea, na hindi nagtataglay ng sandatang nukleyar. Ang Russian Federation ay may pinakamalaking kapasidad sa produksyon ng plutonium sa mundo sa anyo ng mga armas-grade at lakas na mga reactor ng mabilis na nukleyar. Kasama ang plutonium sa halagang halos 100 US dolyar bawat gramo (5-6 kg bawat singil), ang tritium ay ginawa sa halagang 20 libong US dolyar bawat gramo (4-5 gramo bawat singil).
Ang pinakamaagang disenyo ng singil sa nukleyar na piyansa ay ang Kid at Fat Man, na binuo sa Estados Unidos noong kalagitnaan ng 1940s. Ang huling uri ng pagsingil ay naiiba mula sa una sa mga kumplikadong kagamitan para sa pag-synchronize ng pagpapasabog ng maraming mga electric detonator at sa malalaking sukat ng transverse.
Ang "Kid" ay ginawa ayon sa isang scheme ng kanyon - isang artilerya ng bariles ay naka-mount sa kahabaan ng paayon axis ng air bomb body, sa muffled na dulo ay isang kalahati ng fissile material (uranium U-235), ang pangalawang kalahati ng materyal na fissile ay isang projectile na pinabilis ng singil sa pulbos. Ang kadahilanan ng paggamit ng uranium sa fission reaksyon ay halos 1 porsyento, ang natitirang bahagi ng U-235 na masa ay nahulog sa anyo ng pagkahulog ng radioaktif na may kalahating buhay na 700 milyong taon.
Ang "Fat Man" ay ginawa ayon sa isang implosive scheme - isang guwang na globo ng materyal na fissile (Pu-239 plutonium) ay napalibutan ng isang shell na gawa sa uranium U-238 (pusher), isang shell ng aluminyo (quencher) at isang shell (implosion generator), na binubuo ng limang at hexagonal na mga segment ng isang paputok na kemikal, sa panlabas na ibabaw kung saan naka-install ang mga electric detonator. Ang bawat segment ay isang detonation lens ng dalawang uri ng mga paputok na may iba't ibang mga rate ng detonation, na nagko-convert ng diverging pressure wave sa isang spherical na nagko-convert na alon, pantay na pinipiga ang shell ng aluminyo, na na-compress ang uranium shell, at ang isa - ang plutonium sphere hanggang dito sarado ang panloob na lukab. Ginamit ang isang aluminyo na sumisipsip upang makuha ang pag-urong ng presyon ng alon habang dumadaan ito sa isang materyal na may mas mataas na density, at isang uranium pusher ang ginamit upang hindi mahawakan ang plutonium sa panahon ng reaksyon ng fission. Sa panloob na lukab ng sput ng plutonium, matatagpuan ang isang mapagkukunan ng neutron, na ginawa mula sa radioactive isotope polonium na Po-210 at beryllium, na naglalabas ng mga neutron sa ilalim ng impluwensya ng alpha radiation mula sa polonium. Ang factor ng paggamit ng fissile matter ay halos 5 porsyento, ang kalahating buhay ng radioactive fallout ay 24 libong taon.
Kaagad pagkatapos na likhain ang "Kid" at "Fat Man" sa USA, sinimulan ang trabaho upang ma-optimize ang disenyo ng mga singil sa nuklear, kapwa mga scheme ng kanyon at implosion, na naglalayong bawasan ang kritikal na masa, dagdagan ang rate ng paggamit ng fissile matter, pinapasimple ang electric detonation system at binabawasan ang laki. Sa USSR at iba pang mga estado - mga may-ari ng sandatang nukleyar, ang mga singil ay paunang nilikha ayon sa isang implosive scheme. Bilang isang resulta ng pag-optimize ng disenyo, ang kritikal na masa ng materyal na fissile ay nabawasan, at ang koepisyent ng paggamit nito ay nadagdagan ng maraming beses dahil sa paggamit ng isang neutron reflector at isang neutron na mapagkukunan.
Ang beryllium neutron reflector ay isang metal shell hanggang sa 40 mm na makapal, ang neutron na mapagkukunan ay gas na tritium na pumupuno sa isang lukab sa plutonium, o tritium-impregnated iron hydride na may titanium na nakaimbak sa isang hiwalay na silindro (booster) at naglalabas ng tritium sa ilalim ng aksyon ng pag-init sa pamamagitan ng kuryente kaagad bago gumamit ng isang singil sa nukleyar, pagkatapos na ang tritium ay pinakain sa pamamagitan ng gas pipeline papunta sa singil. Ang huli na solusyon sa teknikal ay ginagawang posible upang maparami ang lakas ng singil ng nukleyar depende sa dami ng pumped tritium, at pinadali din ang pagpapalit ng pinaghalong gas na may bago sa bawat 4-5 na taon, dahil ang kalahating buhay ng tritium ay 12 taon. Ang labis na halaga ng tritium sa booster ay ginagawang posible upang bawasan ang kritikal na masa ng plutonium sa 3 kg at makabuluhang taasan ang epekto ng nasabing nakakapinsalang kadahilanan bilang neutron radiation (sa pamamagitan ng pagbawas ng epekto ng iba pang mga nakakasamang kadahilanan - isang shock wave at light radiation). Bilang isang resulta ng pag-optimize sa disenyo, ang kadahilanan ng paggamit ng materyal na fissile ay tumaas sa 20%, sa kaso ng labis na tritium - hanggang sa 40%.
Ang pamamaraan ng kanyon ay pinasimple dahil sa paglipat sa radial-axial implosion sa pamamagitan ng paggawa ng isang hanay ng materyal na fissile sa anyo ng isang guwang na silindro, na durog ng pagsabog ng dalawang dulo at isang pagsingil ng ehe ng ehe
Ang implosive scheme ay na-optimize (SWAN) sa pamamagitan ng paggawa ng panlabas na shell ng paputok sa anyo ng isang ellipsoid, na naging posible upang mabawasan ang bilang ng mga detonation lens sa dalawang yunit na may pagitan na hiwalay sa mga poste ng ellipsoid - ang pagkakaiba sa tulin ng tulin ng alon ng detonation sa cross section ng detonation lens na tinitiyak ang sabay na paglapit ng shock wave sa spherical ibabaw ng panloob na layer ng paputok, ang detonation na pare-parehong pinipiga ang beryllium shell (pinagsasama ang mga pag-andar ng isang neutron reflector at isang pressure wave recoil damper) at isang plutonium sphere na may panloob na lukab na puno ng tritium o ang halo nito na may deuterium
Ang pinaka-compact na pagpapatupad ng implosion scheme (ginamit sa projectile ng Soviet 152-mm) ay ang pagpapatupad ng isang explosive-beryllium-plutonium na pagpupulong sa anyo ng isang guwang na ellipsoid na may variable na kapal ng pader, na nagbibigay ng kinakalkula na pagpapapangit ng pagpupulong. sa ilalim ng pagkilos ng isang shock wave mula sa isang paputok na pagsabog sa isang panghuling istraktura ng spherical
Sa kabila ng iba't ibang mga teknikal na pagpapabuti, ang lakas ng mga singil sa nuclear fission ay nanatiling limitado sa antas ng 100 Ktn sa katumbas ng TNT dahil sa hindi maiwasang pagpapalawak ng mga panlabas na layer ng fissile matter sa panahon ng pagsabog kasama ang pagbubukod ng bagay mula sa reaksyon ng fission.
Samakatuwid, iminungkahi ang isang disenyo para sa isang pagsingil ng thermonuclear, na kinabibilangan ng parehong mga mabibigat na elemento ng fission at mga elemento ng light fusion. Ang unang thermonuclear charge (Ivy Mike) ay ginawa sa anyo ng isang cryogen tank na puno ng isang likidong timpla ng tritium at deuterium, kung saan matatagpuan ang isang implosive na singil na nukleyar ng plutonium. Dahil sa napakalaking sukat at ang pangangailangan para sa patuloy na paglamig ng cryogen tank, isang iba't ibang pamamaraan ang ginamit sa pagsasanay - isang implosive "puff" (RDS-6s), na kinabibilangan ng maraming mga alternating layer ng uranium, plutonium at lithium deuteride na may isang panlabas na beryllium reflector at isang panloob na mapagkukunan ng tritium
Gayunpaman, ang lakas ng "puff" ay limitado rin sa antas ng 1 Mtn dahil sa simula ng reaksyon ng fission at synthesis sa mga panloob na layer at ang pagpapalawak ng mga hindi nababagong panlabas na layer. Upang mapagtagumpayan ang limitasyong ito, isang pamamaraan ang binuo para sa pag-compress ng mga light elemento ng pagsasanib ng reaksyon ng X-ray (ikalawang yugto) mula sa fission reaksyon ng mga mabibigat na elemento (unang yugto). Ang napakalaking presyon ng pagkilos ng bagay ng mga X-ray foton na inilabas sa reaksyon ng fission ay nagpapahintulot sa lithium deuteride na ma-compress nang 10 beses na may pagtaas ng density ng 1000 beses at pinainit sa panahon ng proseso ng compression, pagkatapos na ang lithium ay nakalantad sa neutron flux mula sa reaksyon ng fission, nagiging tritium, na pumapasok sa mga reaksyon ng fusion na may deuterium. Ang dalawang yugto na pamamaraan ng isang pagsingil ng thermonuclear ay ang pinakamalinis sa mga tuntunin ng ani ng radioactivity, dahil ang pangalawang neutrons mula sa reaksyon ng fusion ay sinusunog ang hindi nababagong uranium / plutonium sa mga panandaliang elemento ng radioactive, at ang mga neutron mismo ay napapatay sa hangin na may saklaw ng tungkol sa 1.5 km.
Para sa layunin ng pare-parehong crimping ng pangalawang yugto, ang katawan ng thermonuclear charge ay ginawa sa anyo ng isang shell ng peanut, inilalagay ang pagpupulong ng unang yugto sa geometric focus ng isang bahagi ng shell, at ang pagpupulong ng pangalawang yugto sa geometric na pokus ng iba pang bahagi ng shell. Ang mga pagpupulong ay nasuspinde sa karamihan ng katawan gamit ang foam o airgel filler. Ayon sa mga patakaran ng optika, ang X-ray radiation mula sa pagsabog ng unang yugto ay nakatuon sa pagpapakipot sa pagitan ng dalawang bahagi ng shell at pantay na ipinamamahagi sa ibabaw ng ikalawang yugto. Upang madagdagan ang kakayahang sumasalamin sa saklaw na X-ray, ang panloob na ibabaw ng singil ng katawan at ang panlabas na ibabaw ng pangalawang yugto ng pagpupulong ay natakpan ng isang layer ng siksik na materyal: tingga, tungsten, o uranium U-238. Sa huling kaso, ang singil ng thermonuclear ay naging tatlong yugto - sa ilalim ng pagkilos ng mga neutron mula sa reaksyon ng fusion, ang U-238 ay naging U-235, na ang mga atomo ay pumasok sa isang reaksyon ng fission at nadagdagan ang lakas ng pagsabog
Ang three-stage scheme ay isinama sa disenyo ng Soviet AN-602 aerial bomb, ang lakas na disenyo nito ay 100 Mtn. Bago ang pagsubok, ang pangatlong yugto ay naibukod mula sa komposisyon nito sa pamamagitan ng pagpapalit ng uranium U-238 ng tingga sanhi ng peligro na mapalawak ang zone ng radioactive fallout mula sa fission ng U-238 na lampas sa site ng pagsubok. Ang aktwal na kakayahan ng pagbabago ng dalawang yugto ng AN-602 ay 58 Mtn. Ang isang karagdagang pagtaas sa lakas ng mga singil sa thermonuclear ay maaaring gawin sa pamamagitan ng pagtaas ng bilang ng mga singil sa thermonuclear sa pinagsamang aparato ng paputok. Gayunpaman, hindi ito kinakailangan dahil sa kakulangan ng sapat na mga target - ang modernong analogue ng AN-602, na nakalagay sa sakayan ng Poseidon sa ilalim ng sasakyan, ay may isang radius ng pagkawasak ng mga gusali at istraktura ng isang shock wave na 72 km at isang radius ng sunog na 150 km, na kung saan ay sapat na upang sirain ang mga megacity tulad ng New York o Tokyo
Mula sa pananaw ng paglilimita sa mga kahihinatnan ng paggamit ng mga sandatang nukleyar (localization ng teritoryo, pinapaliit ang pagpapalabas ng radioactivity, antas ng taktikal na paggamit), ang tinatawag na eksaktong pagsingil ng mga solong yugto na may kapasidad na hanggang sa 1 Ktn, na idinisenyo upang sirain ang mga target na point - missile silo, punong tanggapan, mga sentro ng komunikasyon, radar, mga sistema ng misil ng pagtatanggol ng hangin, mga barko, submarino, madiskarteng mga bomba, atbp.
Ang disenyo ng naturang pagsingil ay maaaring gawin sa anyo ng isang hindi kapani-paniwala na pagpupulong, na kinabibilangan ng dalawang ellipsoidal detonation lens (kemikal na paputok mula sa HMX, inert na materyal na gawa sa polypropylene), tatlong mga spherical shell (neutron reflector na gawa sa beryllium, piezoelectric generator na gawa sa cesium iodide, materyal na fissile mula sa plutonium) at isang panloob na globo (lithium deuteride fusion fuel)
Sa ilalim ng pagkilos ng isang nag-uugnay na alon ng presyon, ang cesium iodide ay bumubuo ng isang napakalakas na electromagnetic pulse, ang daloy ng elektron ay bumubuo ng radiation ng gamma sa plutonium, na kumakatok sa mga neutron mula sa mga nukleyo, sa gayon pinasimulan ang isang self-propagating fission reaksyon, ang X-ray ay nagsisiksik at nagpapainit ng lithium deuteride, ang neutron flux ay bumubuo ng tritium mula sa lithium, na pumapasok sa reaksyon ng deuterium. Ang direksyon ng sentripetal ng mga reaksyon ng fission at fusion ay nagsisiguro ng 100% na paggamit ng thermonuclear fuel.
Ang karagdagang pag-unlad ng mga disenyo ng singil ng nukleyar sa direksyon ng pagliit ng lakas at radioactivity ay posible sa pamamagitan ng pagpapalit ng plutonium ng isang aparato para sa laser compression ng isang kapsula na may pinaghalong tritium at deuterium.
