Tuumarelvad on inimkonna ajaloos kulude ja tõhususe poolest kõige tõhusamad: nende relvade väljatöötamise, katsetamise, tootmise ja töökorras hoidmise aastased kulud moodustavad 5–10 protsenti USA sõjalisest eelarvest ja Vene Föderatsioon - riigid, kus on juba moodustatud tuumatootmiskompleks, arenenud aatomienergeetika ja olemas tuumaplahvatuste matemaatiliseks modelleerimiseks superarvutite laevastik.
Tuumarelvade kasutamine sõjalistel eesmärkidel põhineb raskete keemiliste elementide aatomite omadusel laguneda kergete elementide aatomiteks, eraldades energiat elektromagnetilise kiirguse kujul (gamma- ja röntgenikiirgus), samuti elementaarosakeste (neutronid, prootonid ja elektronid) ja kergemate elementide (tseesium, strontsium, jood jt) aatomituumade hajumise kineetilise energia vorm
Kõige populaarsemad rasked elemendid on uraan ja plutoonium. Nende isotoobid eraldavad oma tuuma lõhustumisel 2–3 neutronit, mis omakorda põhjustavad naaberaatomite tuumade lõhustumist jne. Aines toimub iseeneslikult leviv (nn ahel) reaktsioon suure hulga energia vabanemisega. Reaktsiooni käivitamiseks on vaja teatud kriitilist massi, mille maht on piisav neutronite hõivamiseks aatomituumade poolt ilma neutronite emissioonita väljaspool ainet. Kriitilist massi saab vähendada neutronpeegeldi ja initsieeriva neutroniallika abil
Lõhustumisreaktsiooni alustamiseks ühendatakse kaks alakriitilist massi üheks ülekriitiliseks massiks või surutakse ülakriitilise massi sfääriline kest keraks kokku, suurendades seeläbi lõhustuva aine kontsentratsiooni antud mahus. Lõhustuvat materjali kombineerib või surub kokku keemilise lõhkeaine suunatud plahvatus.
Lisaks raskete elementide lõhustumisreaktsioonile kasutatakse tuumalaengutes kergete elementide sünteesi reaktsiooni. Termotuumasüntees nõuab aine kuumutamist ja kokkusurumist kuni mitukümmend miljonit kraadi ja atmosfääri, mida saab pakkuda ainult lõhustumisreaktsiooni käigus vabaneva energia tõttu. Seetõttu on termotuumalaengud projekteeritud vastavalt kaheastmelisele skeemile. Vesiniku, triitiumi ja deuteeriumi isotoobid (mis vajavad sulandumisreaktsiooni alustamiseks temperatuuri ja rõhu miinimumväärtusi) või keemiline ühend, liitiumdeuteroid (viimane, esimese etapi plahvatusest tulenevate neutronite toimel, jaguneb) triitiumiks ja heeliumiks) kasutatakse kergete elementidena. Sulamisreaktsiooni energia vabaneb elektromagnetilise kiirguse ja neutronite, elektronide ja heeliumi tuumade (nn alfaosakeste) kineetilise energia kujul. Sulamisreaktsiooni energia vabanemine massiühiku kohta on neli korda suurem kui lõhustumisreaktsioonil
Triitiumi ja selle lagunemisprodukti deuteeriumit kasutatakse ka lõhustumisreaktsiooni käivitamiseks neutronite allikana. Triitium või vesiniku isotoopide segu satub plutooniumi kesta kokkusurumisel osaliselt liitmisreaktsiooni, vabastades neutroneid, mis muudavad plutooniumi ülekriitilisse olekusse.
Kaasaegsete tuumalõhkepeade peamised komponendid on järgmised:
-stabiilne (spontaanselt mitte lõhustuv) uraani isotoop U-238, mis on ekstraheeritud uraanimaagist või (lisandi kujul) fosfaatmaagist;
-uraani U-235 radioaktiivne (isesüttiv) isotoop, mis on ekstraheeritud uraanimaagist või toodetud tuumareaktorites U-238;
-plutooniumi isotoop Pu-239, mis on toodetud tuumareaktorites U-238;
- vesinikdeuteerium D stabiilne isotoop, mis on ekstraheeritud looduslikust veest või toodetud protiumist tuumareaktorites;
- tuumareaktorites deuteeriumist toodetud triitiumvesinik T radioaktiivne isotoop;
- stabiilne liitiumi isotoop Li-6, maagist ekstraheeritud;
- stabiilne maagist eraldatud berülliumi isotoop Be-9;
- HMX ja triaminotrinitrobenseen, keemilised lõhkeained.
U-235-st kuuli läbimõõt 17 cm on kriitiline mass 50 kg, Pu-239-st 10 cm läbimõõduga kuuli kriitiline mass on 11 kg. Berülliumi neutronreflektori ja triitiumneutronite allikaga saab kriitilist massi vähendada vastavalt 35 ja 6 kg -ni.
Tuumalaengute spontaanse töö ohu kõrvaldamiseks kasutavad nad nn. relvade klassi Pu-239, mis on puhastatud muudest, vähem stabiilsetest plutooniumi isotoopidest tasemele 94%. 30 -aastase perioodilisusega puhastatakse plutoonium isotoopide spontaanse tuuma lagunemise saadustest. Mehaanilise tugevuse suurendamiseks legeeritakse plutooniumi 1 massiprotsendi galliumiga ja kaetakse õhukese niklikihiga, et kaitsta seda oksüdatsiooni eest.
Plutooniumi kiirguse isekuumenemise temperatuur tuumalaengute ladustamise ajal ei ületa 100 kraadi Celsiuse järgi, mis on madalam keemilise lõhkeaine lagunemistemperatuurist.
2000. aasta seisuga hinnatakse Vene Föderatsiooni käsutuses oleva relvakvaliteediga plutooniumi koguseks 170 tonni, Ameerika Ühendriikidele - 103 tonni, millele lisanduvad mitukümmend tonni NATO riikidest, Jaapanist ja Lõuna -Koreast, millel pole tuumarelvi. Vene Föderatsioonil on maailmas suurim plutooniumi tootmisvõimsus relvade ja võimsusega tuumareaktorite näol. Koos plutooniumiga, mille hind on umbes 100 USA dollarit grammi kohta (5-6 kg laadimise kohta), toodetakse triitiumi umbes 20 tuhande USA dollari eest (4-5 grammi laadimise kohta).
Varasemad tuumalõhustamislaengute kavandid olid Kid and Fat Man, mis töötati välja Ameerika Ühendriikides 1940. aastate keskel. Viimane laenguliik erines esimesest arvukate elektriliste detonaatorite detonatsiooni sünkroniseerimiseks mõeldud keerukate seadmete ja suurte põikimõõtmete poolest.
"Laps" valmistati suurtükiskeemi järgi - piki õhupommi kere pikitelge oli paigaldatud suurtükitünn, mille summutatud otsas oli pool lõhustuvast materjalist (uraan U -235), teine pool lõhustuvast materjalist oli pulbrilaenguga kiirendatud mürsk. Uraani kasutustegur lõhustumisreaktsioonis oli umbes 1 protsent, ülejäänud U-235 mass langes välja radioaktiivse sademete kujul, mille poolestusaeg on 700 miljonit aastat.
"Paks mees" valmistati impossiivse skeemi järgi-õõnes lõhustuvast materjalist kera (Pu-239 plutoonium) ümbritses uraanist U-238 (tõukur), alumiiniumkestast (kustutaja) ja kestast (plahvatus) valmistatud kesta generaator), mis koosneb keemilise lõhkeaine viiest ja kuusnurksest segmendist, mille välispinnale paigaldati elektrilised detonaatorid. Iga segment oli eri tüüpi plahvatusohtlike ainete detonatsioonilääts, millel oli erinev detonatsioonikiirus, muutes erineva survelaine sfääriliseks koonduvaks laineks, surudes ühtlaselt kokku alumiiniumkesta, mis omakorda surus kokku uraanikesta, ja see teine - plutooniumsfäär. sisemine õõnsus suletud. Rõhulaine tagasilöögi absorbeerimiseks, kui see läheb suurema tihedusega materjali, kasutati alumiiniumist absorbeerijat ja lõhustumisreaktsiooni ajal plutooniumi inertseks hoidmiseks kasutati uraanitõukurit. Plutooniumisfääri sisemises õõnsuses asus neutronite allikas, mis oli valmistatud radioaktiivsest isotoobist poloonium Po-210 ja berülliumist, mis eraldasid neutroneid polooniumist pärineva alfa-kiirguse mõjul. Lõhustuva aine kasutustegur oli umbes 5 protsenti, radioaktiivse sadestumise poolväärtusaeg oli 24 tuhat aastat.
Vahetult pärast "Kid" ja "Fat Man" loomist USA -s alustati tööd tuumalaengute, nii kahurite kui ka lõhkemisskeemide kavandamise optimeerimiseks, mille eesmärk oli vähendada kriitilist massi, suurendada lõhustuvate ainete kasutamise määra, lihtsustada elektriline detonatsioonisüsteem ja selle suuruse vähendamine. NSV Liidus ja teistes osariikides - tuumarelvade omanikes - loodi laengud esialgu ebasoodsa skeemi järgi. Disaini optimeerimise tulemusel vähenes lõhustuva materjali kriitiline mass ning selle kasutamise koefitsienti suurendati mitu korda tänu neutronreflektori ja neutroniallika kasutamisele.
Berülliumi neutronreflektor on kuni 40 mm paksune metallkest, neutronite allikas on gaasiline triitium, mis täidab plutooniumi õõnsuse, või triitiumiga immutatud raudhüdriid koos titaaniga, mis on salvestatud eraldi silindrisse (revaktsineerimisseade) ja eraldab kuumutamisel triitiumi elektriga vahetult enne tuumalaengu kasutamist, misjärel triitium juhitakse gaasijuhtme kaudu laengusse. Viimane tehniline lahendus võimaldab mitmekordistada tuumalaengu võimsust sõltuvalt pumbatava triitiumi mahust ning hõlbustab ka gaasisegu asendamist uuega iga 4-5 aasta tagant, kuna triitiumi poolväärtusaeg on 12 aastat. Liigne triitiumikogus võimendis võimaldab vähendada plutooniumi kriitilist massi 3 kg -ni ja suurendada oluliselt sellise kahjuliku teguri nagu neutronkiirgus mõju (vähendades teiste kahjulike tegurite - lööklaine ja valguskiirgus) mõju). Disaini optimeerimise tulemusena suurenes lõhustuva materjali kasutuskoefitsient 20%-ni, triitiumi ülejäägi korral - kuni 40%.
Kahuri skeemi lihtsustati ülemineku tõttu radiaalteljelisele purunemisele, tehes lõhustuva materjali massiivi õõnes silindri kujul, mis purunes kahe otsa ja ühe aksiaalse lõhkelaengu plahvatuse tõttu
Implansiivskeemi optimeeriti (SWAN), tehes lõhkematerjali väliskesta ellipsoidi kujul, mis võimaldas vähendada detonatsiooniläätsede arvu kahe ühikuni, mis asuvad ellipsoidi poolustest eemal. plahvatuslaine kiirus plahvatusläätse ristlõikes tagab lööklaine samaaegse lähenemise sfäärilisele pinnale lõhkeaine sisemisele kihile, mille lõhkamine surub ühtlaselt berülliumi kesta kokku (kombineerides neutronpeegeldi ja survelaine tagasilöögiklapp) ja plutooniumi kera, mille sisemine õõnsus on täidetud triitiumiga või selle seguga deuteeriumiga
Plahvatusskeemi (Nõukogude Liidu 152 mm mürsus kasutatav) kõige kompaktsem teostus on plahvatusohtliku berüllium-plutooniumi komplekti teostamine õõnsa ellipsoidi kujul, millel on muutuv seinapaksus, mis tagab sõlme arvutatud deformatsiooni lööklaine toimel plahvatuslikust plahvatusest lõplikuks sfääriliseks struktuuriks
Hoolimata erinevatest tehnilistest täiustustest jäi tuuma lõhustumise laengute võimsus piirduma 100 Ktn tasemega TNT ekvivalendis, kuna lõhustuva aine väliskihtide paratamatu paisumine plahvatuse ajal, välja arvatud aine lõhustumisreaktsioonist.
Seetõttu pakuti välja termotuumalaengu disain, mis sisaldab nii raskeid lõhustumiselemente kui ka kergeid termotuumasünteesi elemente. Esimene termotuumalaeng (Ivy Mike) valmistati krüogeense paagi kujul, mis oli täidetud triitiumi ja deuteeriumi vedela seguga, milles paiknes plutooniumi imposatiivne tuumalaeng. Tänu ülisuurtele mõõtmetele ja vajadusele pidevalt jahutada krüogeenset paaki kasutati praktikas teistsugust skeemi - implosiivne paisutus (RDS -6s), mis sisaldab mitut vahelduvat kihti uraani, plutooniumi ja liitiumdeuteriidi. väline berülliumi reflektor ja sisemine triitiumi allikas
„Puhvi” võimsust piiras aga ka 1 Mtn tase, mis oli tingitud lõhustumis- ja sünteesireaktsiooni algusest sisemistes kihtides ning reageerimata väliskihtide laienemisest. Selle piirangu ületamiseks töötati välja skeem sulandumisreaktsiooni kergete elementide kokkusurumiseks röntgenkiirte abil (teine etapp) raskete elementide lõhustumisreaktsioonist (esimene etapp). Lõhustumisreaktsioonis vabanev röntgenfotoonide voo tohutu rõhk võimaldab liitiumdeuteriidi 10 korda kokku suruda, suurendades tihedust 1000 korda ja kuumutada kokkusurumisprotsessi ajal, mille järel liitium puutub kokku neutronvooga lõhustumisreaktsioon, muutudes triitiumiks, mis algab deuteeriumiga liitumisreaktsioonides. Termotuumalaengu kaheastmeline skeem on radioaktiivsuse osas kõige puhtam, kuna termotuumasünteesi sekundaarsed neutronid põletavad reageerimata uraani / plutooniumi lühiajalisteks radioaktiivseteks elementideks ja neutronid ise kustuvad õhus sõiduulatus umbes 1,5 km.
Teise astme ühtlase pressimise eesmärgil valmistatakse termotuumalaengu korpus maapähklikoore kujul, asetades esimese astme komplekti kesta ühe osa geomeetrilisse fookusesse ja kesta teise osa geomeetrilise fookuse teine etapp. Komplektid riputatakse vahu või õhugeeli täiteaine abil keha põhiosasse. Vastavalt optika reeglitele on esimese astme plahvatusest tulenev röntgenikiirgus koondunud kesta kahe osa vahelisse kitsendusse ja jaotub ühtlaselt teise astme pinnale. Röntgenikiirguse peegeldusvõime suurendamiseks kaetakse laengu keha sisepind ja teise astme sõlme välispind tiheda materjali kihiga: plii, volfram või uraan U-238. Viimasel juhul muutub termotuumalaeng kolmeastmeliseks-sulandumisreaktsiooni neutronite toimel muutub U-238 U-235-ks, mille aatomid alustavad lõhustumisreaktsiooni ja suurendavad plahvatusjõudu
Kolmeastmeline skeem lülitati Nõukogude õhupommi AN-602 projekteerimisse, mille projekteerimisvõimsus oli 100 Mtn. Enne katset jäeti kolmas etapp selle koostisest välja, asendades uraani U-238 pliiga, kuna tekkis oht laiendada U-238 lõhustumisel tekkivat radioaktiivse sadestumise tsooni väljaspool katseala. AN-602 kaheastmelise modifikatsiooni tegelik võimsus oli 58 Mtn. Termotuumalaengute võimsust saab veelgi suurendada, suurendades termotuumalaengute arvu kombineeritud lõhkeseadmes. See pole aga piisavate sihtmärkide puudumise tõttu vajalik - veealuse sõiduki Poseidon pardale paigutatud tänapäevase AN -602 analoogi hoonete ja rajatiste hävitamise raadius on 72 km lööklaine ja raadius 150 km tulekahjudest, mis on täiesti piisav selliste megalinnade nagu New York või Tokyo hävitamiseks
Tuumarelva kasutamise tagajärgede piiramise seisukohast (territoriaalne lokaliseerimine, radioaktiivsuse eraldumise minimeerimine, kasutamise taktikaline tase) on nn. täpsusega üheastmelised laengud võimsusega kuni 1 Ktn, mis on mõeldud punkt -sihtmärkide - raketisilode, peakorteri, kommunikatsioonikeskuste, radarite, õhutõrjeraketisüsteemide, laevade, allveelaevade, strateegiliste pommitajate jne - hävitamiseks.
Sellise laengu saab kujundada plahvatusohtliku sõlmena, mis sisaldab kahte ellipsoidset lõhkematerjali (HMX -i keemiline lõhkeaine, polüpropüleenist valmistatud inertne materjal), kolme sfäärilist kesta (berülliumist neutronreflektor, piesoelektriline generaator) tseesiumjodiid, plutooniumist lõhustuv materjal) ja sisemine kera (liitiumdeuteriid -termokütus)
Ühtse survelaine toimel tekitab tseesiumjodiid ülivõimsa elektromagnetilise impulsi, elektronvoog tekitab plutooniumis gammakiirgust, mis lööb tuumadest välja neutronid, käivitades seeläbi iseeneslikult leviva lõhustumisreaktsiooni, röntgenkiirgus surub kokku ja soojendab liitiumdeuteroidi, tekitab neutronivoog liitiumist triitiumi, mis hakkab deuteeriumiga reageerima. Lõhustumis- ja liitumisreaktsioonide tsentripetaalne suund tagab 100% termotuumakütuse kasutamise.
Tuumalaengu konstruktsioonide edasiarendamine võimsuse ja radioaktiivsuse minimeerimise suunas on võimalik, asendades plutooniumi seadmega, mis on mõeldud kapsli laserkompressiooniks triitiumi ja deuteeriumi seguga.
