Vývoj návrhov jadrovej hlavice

Vývoj návrhov jadrovej hlavice
Vývoj návrhov jadrovej hlavice

Video: Vývoj návrhov jadrovej hlavice

Video: Vývoj návrhov jadrovej hlavice
Video: Politické procesy v 50. letech 20. století na Ostravsku 2024, Marec
Anonim

Jadrové zbrane sú z hľadiska nákladov / účinnosti najúčinnejšie v histórii ľudstva: ročné náklady na vývoj, testovanie, výrobu a údržbu týchto zbraní predstavujú 5 až 10 percent vojenského rozpočtu USA a Ruská federácia - krajiny s už vytvoreným komplexom jadrovej výroby, rozvinutou atómovou energetikou a dostupnosťou flotily superpočítačov na matematické modelovanie jadrových výbuchov.

Obrázok
Obrázok

Použitie jadrových zariadení na vojenské účely je založené na vlastnosti atómov ťažkých chemických prvkov na rozpad na atómy ľahších prvkov s uvoľňovaním energie vo forme elektromagnetického žiarenia (rozsahy gama a röntgenových lúčov), ako aj na forma kinetickej energie rozptyľujúcej elementárne častice (neutróny, protóny a elektróny) a jadrá atómov ľahších prvkov (cézium, stroncium, jód a ďalšie)

Vývoj návrhov jadrovej hlavice
Vývoj návrhov jadrovej hlavice

Najpopulárnejšími ťažkými prvkami sú urán a plutónium. Ich izotopy pri štiepení jadra emitujú 2 až 3 neutróny, ktoré následne spôsobujú štiepenie jadier susedných atómov atď. V látke prebieha samovoľne sa šíriaca (takzvaná reťazová) reakcia s uvoľňovaním veľkého množstva energie. Na spustenie reakcie je potrebná určitá kritická hmotnosť, ktorej objem bude postačovať na zachytenie neutrónov atómovými jadrami bez emisie neutrónov mimo látku. Kritickú hmotnosť je možné znížiť pomocou neutrónového reflektora a iniciačného zdroja neutrónov

Obrázok
Obrázok

Štiepna reakcia sa začína spojením dvoch podkritických hmôt do jednej nadkritickej alebo stlačením guľovitého obalu superkritickej hmoty do gule, čím sa zvýši koncentrácia štiepnej hmoty v danom objeme. Štiepny materiál je kombinovaný alebo stlačený riadeným výbuchom chemickej trhaviny.

V jadrových nábojoch sa okrem štiepnej reakcie ťažkých prvkov používa aj reakcia syntézy ľahkých prvkov. Termonukleárna fúzia vyžaduje zahriatie a stlačenie hmoty až na niekoľko desiatok miliónov stupňov a atmosfér, ktoré je možné poskytnúť iba vďaka energii uvoľnenej počas štiepnej reakcie. Preto sú termonukleárne náboje navrhnuté podľa dvojstupňovej schémy. Izotopy vodíka, trícia a deutéria (vyžadujúce minimálne hodnoty teploty a tlaku na spustenie fúznej reakcie) alebo chemická zlúčenina, deuterid lítny (ten je pôsobením neutrónov z výbuchu prvého stupňa rozdelený do trícia a hélia) sa používajú ako ľahké prvky. Energia pri fúznej reakcii sa uvoľňuje vo forme elektromagnetického žiarenia a kinetickej energie neutrónov, elektrónov a jadier hélia (takzvané alfa častice). Uvoľnenie energie fúznej reakcie na jednotku hmotnosti je štyrikrát vyššie ako pri štiepnej reakcii

Obrázok
Obrázok

Tritium a jeho deutérium, ktoré sa rozkladá, sa tiež používajú ako zdroj neutrónov na zahájenie štiepnej reakcie. Tritium alebo zmes izotopov vodíka pôsobením kompresie obalu plutónia čiastočne vstupuje do fúznej reakcie s uvoľňovaním neutrónov, ktoré transformujú plutónium do superkritického stavu.

Hlavné komponenty moderných jadrových hlavíc sú tieto:

-stabilný (spontánne neštiepny) izotop uránu U-238 extrahovaný z uránovej rudy alebo (vo forme nečistoty) z fosfátovej rudy;

-rádioaktívny (spontánne štiepny) izotop uránu U-235, extrahovaný z uránovej rudy alebo vyrobený z U-238 v jadrových reaktoroch;

-rádioaktívny izotop plutónia Pu-239, vyrobený z U-238 v jadrových reaktoroch;

- stabilný izotop vodíka deutéria D extrahovaného z prírodnej vody alebo vyrobeného z protia v jadrových reaktoroch;

- rádioaktívny izotop vodíka tritia T vyrobený z deutéria v jadrových reaktoroch;

- stabilný izotop lítia Li-6, extrahovaný z rudy;

- stabilný izotop berýlia Be-9, extrahovaný z rudy;

- HMX a triaminotrinitrobenzén, chemické výbušniny.

Kritická hmotnosť lopty vyrobenej z U-235 s priemerom 17 cm je 50 kg, kritická hmotnosť lopty vyrobenej z pu-239 s priemerom 10 cm je 11 kg. S reflektorom neutrónu berýlia a zdrojom neutrónu trícia je možné kritickú hmotnosť znížiť na 35 kg, respektíve 6 kg.

Na elimináciu rizika spontánnej prevádzky jadrových nábojov používajú tzv. zbraňového stupňa Pu-239, čisteného z ostatných, menej stabilných izotopov plutónia, na úroveň 94%. S periodicitou 30 rokov sa plutónium čistí z produktov spontánneho jadrového rozpadu jeho izotopov. Aby sa zvýšila mechanická pevnosť, plutónium je legované 1 hmotnostným percentom gália a potiahnuté tenkou vrstvou niklu, aby bolo chránené pred oxidáciou.

Obrázok
Obrázok

Teplota samovoľného zahrievania plutónia počas skladovania jadrových nábojov nepresahuje 100 stupňov Celzia, čo je nižšia teplota ako teplota rozkladu chemickej trhaviny.

Od roku 2000 sa množstvo plutónia na úrovni zbraní, ktoré má Ruská federácia k dispozícii, odhaduje na 170 ton, Spojené štáty - na 103 ton a niekoľko desiatok ton prijatých na uskladnenie z krajín NATO, Japonska a Južnej Kórey, ktoré nevlastnia jadrové zbrane. Ruská federácia má najväčšiu výrobnú kapacitu plutónia na svete vo forme rýchlych jadrových reaktorov na výrobu zbraní a energetických. Spolu s plutóniom za cenu približne 100 amerických dolárov za gram (5-6 kg na jedno nabitie) sa trícium vyrába za cenu približne 20 tisíc amerických dolárov za gram (4-5 gramov na jedno nabitie).

Najskoršími návrhmi nábojov jadrového štiepenia boli Kid and Fat Man, vyvinuté v USA v polovici štyridsiatych rokov minulého storočia. Druhý typ náboja sa líšil od prvého v komplexnom zariadení na synchronizáciu detonácie mnohých elektrických rozbušiek a vo veľkých priečnych rozmeroch.

„Kid“bol vyrobený podľa schémy dela - delostrelecký hlaveň bol namontovaný pozdĺž pozdĺžnej osi telesa vzduchovej bomby, na ktorého tlmenom konci bola jedna polovica štiepneho materiálu (urán U -235), druhá polovica. štiepneho materiálu bol projektil urýchlený práškovou náplňou. Faktor využitia uránu pri štiepnej reakcii bol asi 1 percento, zvyšok hmoty U-235 vypadol vo forme rádioaktívneho spadu s polčasom rozpadu 700 miliónov rokov.

Obrázok
Obrázok

„Fat Man“bol vyrobený podľa implozívnej schémy-dutá guľa štiepneho materiálu (Pu-239 plutonium) bola obklopená škrupinou vyrobenou z uránu U-238 (posúvač), hliníkovou škrupinou (zhášač) a škrupinou (implózia) generátor), tvorený päť- a šesťuholníkovými segmentmi chemickej trhaviny, na ktorého vonkajšom povrchu boli nainštalované elektrické rozbušky. Každý segment bol detonačnou šošovkou dvoch typov výbušnín s rôznymi rýchlosťami detonácie, ktoré premieňali rozbiehajúcu sa tlakovú vlnu na sférickú konvergujúcu vlnu a rovnomerne stláčali hliníkový plášť, ktorý následne stláčal uránový obal, a ten - sféru plutónia, až kým vnútorná dutina uzavretá. Na absorbovanie spätného rázu tlakovej vlny pri jej prechode do materiálu s vyššou hustotou bol použitý hliníkový absorbér a počas štiepnej reakcie na inertné držanie plutónia bol použitý posunovač uránu. Vo vnútornej dutine sféry plutónia sa nachádzal zdroj neutrónov vyrobený z rádioaktívneho izotopu polónia Po-210 a berýlia, ktoré emitovali neutróny pod vplyvom alfa žiarenia z polónia. Faktor využitia štiepnej hmoty bol asi 5 percent, polčas rozpadu rádioaktívneho spadu bol 24 tisíc rokov.

Obrázok
Obrázok

Ihneď po vytvorení „Kid“a „Fat Man“v USA sa začali práce na optimalizácii návrhu jadrových nábojov, delových aj implozných schém, zameraných na zníženie kritického množstva, zvýšenie miery využitia štiepnej hmoty, zjednodušenie elektrický detonačný systém a zmenšenie veľkosti. V ZSSR a ďalších štátoch - vlastníkoch jadrových zbraní, boli náboje pôvodne vytvorené podľa implozívnej schémy. V dôsledku optimalizácie konštrukcie sa znížila kritická hmotnosť štiepneho materiálu a koeficient jeho využitia sa niekoľkokrát zvýšil v dôsledku použitia neutrónového reflektora a zdroja neutrónov.

Beryliový neutrónový reflektor je kovová škrupina až do hrúbky 40 mm, zdrojom neutrónov je plynné tritium vyplňujúce dutinu v plutóniu alebo tritiom impregnovaný hydrid železa s titánom uloženým v samostatnom valci (posilňovači) a pôsobením tepla sa uvoľňuje trícium elektrickou energiou bezprostredne pred použitím jadrovej vsádzky, potom sa tritium privádza plynovodom do vsádzky. Posledné uvedené technické riešenie umožňuje znásobiť výkon jadrovej náplne v závislosti od objemu čerpaného trícia a taktiež uľahčuje výmenu plynovej zmesi za novú každých 4-5 rokov, pretože polčas rozpadu trícia je 12 rokov. Nadmerné množstvo trícia v posilňovači umožňuje znížiť kritickú hmotnosť plutónia na 3 kg a výrazne zvýšiť účinok takého škodlivého faktora, akým je neutrónové žiarenie (znížením účinku ďalších škodlivých faktorov - rázovej vlny a svetelného žiarenia). V dôsledku optimalizácie dizajnu sa faktor využitia štiepneho materiálu zvýšil na 20%, v prípade prebytku trícia - až na 40%.

Schéma kanónu bola zjednodušená v dôsledku prechodu na radiálno-axiálnu implóziu vytvorením radu štiepneho materiálu vo forme dutého valca, ktorý bol rozdrvený výbuchom dvoch koncových a jedného axiálneho výbušného náboja.

Obrázok
Obrázok

Implozívna schéma bola optimalizovaná (SWAN) vytvorením vonkajšieho obalu výbušniny vo forme elipsoidu, čo umožnilo znížiť počet detonačných šošoviek na dve jednotky vzdialené od pólov elipsoidu - rozdiel v rýchlosť detonačnej vlny v priereze detonačnej šošovky zabezpečuje súčasné priblíženie rázovej vlny k sférickému povrchu vnútornej vrstve výbušniny, ktorej detonácia rovnomerne stláča škrupinu berýlia (kombinuje funkcie neutrónového reflektora a tlmič spätného rázu tlakovej vlny) a guľa plutónia s vnútornou dutinou naplnenou tríciom alebo jeho zmesou s deutériom

Obrázok
Obrázok

Najkompaktnejšou implementáciou schémy implózie (používanej v sovietskom 152 mm projektilu) je prevedenie výbušnej zostavy berýlia a plutónia vo forme dutého elipsoidu s premenlivou hrúbkou steny, ktorá poskytuje vypočítanú deformáciu zostavy pôsobením rázovej vlny z výbušného výbuchu do konečnej sférickej štruktúry

Obrázok
Obrázok

Napriek rôznym technickým vylepšeniam zostala sila nábojov jadrového štiepenia obmedzená na úroveň 100 Ktn v ekvivalente TNT v dôsledku nevyhnutnej expanzie vonkajších vrstiev štiepnej hmoty počas výbuchu s vylúčením hmoty zo štiepnej reakcie.

Preto bol navrhnutý návrh termonukleárneho náboja, ktorý obsahuje prvky ťažkého štiepenia aj prvky ľahkej fúzie. Prvý termonukleárny náboj (Ivy Mike) bol vyrobený vo forme kryogénnej nádrže naplnenej kvapalnou zmesou trícia a deutéria, v ktorej sa nachádzal implozívny jadrový náboj plutónia. Vzhľadom na extrémne veľké rozmery a potrebu neustáleho chladenia kryogénnej nádrže bola v praxi použitá iná schéma - implozívny „puff“(RDS -6s), ktorý obsahuje niekoľko striedajúcich sa vrstiev uránu, plutónia a deuteridu lítneho s externý reflektor berýlia a vnútorný zdroj trícia

Obrázok
Obrázok

Sila „obláčka“bola však tiež obmedzená úrovňou 1 Mtn v dôsledku začiatku štiepnej a syntéznej reakcie vo vnútorných vrstvách a expanzie nezreagovaných vonkajších vrstiev. Aby sa prekonalo toto obmedzenie, bola vyvinutá schéma na kompresiu ľahkých prvkov fúznej reakcie röntgenovým žiarením (druhý stupeň) zo štiepnej reakcie ťažkých prvkov (prvý stupeň). Enormný tlak toku röntgenových fotónov uvoľnených pri štiepnej reakcii umožňuje, aby bol deuterid lítny 10-krát stlačený so zvýšením hustoty 1 000-krát a zahriaty počas procesu kompresie, potom je lítium vystavené toku neutrónov z štiepna reakcia, meniaca sa na trícium, ktoré vstupuje do fúznych reakcií s deutériom. Dvojstupňová schéma termonukleárneho náboja je najčistejšia z hľadiska výťažku rádioaktivity, pretože sekundárne neutróny z fúznej reakcie spaľujú nezreagovaný urán / plutónium na krátkodobo rádioaktívne prvky a samotné neutróny vo vzduchu zhasnú dosah asi 1,5 km.

Na účely rovnomerného krimpovania druhého stupňa je telo termonukleárnej nálože vyrobené vo forme arašidovej škrupiny, čím je zostava prvého stupňa umiestnená v geometrickom ohnisku jednej časti škrupiny a zostava druhá etapa geometrického zamerania druhej časti škrupiny. Zostavy sú zavesené v prevažnej časti tela pomocou penového alebo aerogélového plniva. Podľa pravidiel optiky je röntgenové žiarenie z výbuchu prvého stupňa koncentrované v zúžení medzi dvoma časťami plášťa a je rovnomerne rozložené po povrchu druhého stupňa. Aby sa zvýšila odrazivosť v oblasti röntgenových lúčov, vnútorný povrch nábojového telesa a vonkajší povrch zostavy druhého stupňa sú pokryté vrstvou hustého materiálu: olova, volfrámu alebo uránu U-238. V druhom prípade sa termonukleárny náboj stane trojstupňovým-pôsobením neutrónov z fúznej reakcie sa U-238 zmení na U-235, ktorého atómy vstupujú do štiepnej reakcie a zvyšujú silu výbuchu

Obrázok
Obrázok

Trojstupňová schéma bola začlenená do konštrukcie sovietskej leteckej bomby AN-602, ktorej konštrukčný výkon bol 100 Mtn. Pred testom bol tretí stupeň vylúčený z jeho zloženia nahradením uránu U-238 olovom kvôli riziku rozšírenia zóny rádioaktívneho spadu zo štiepenia U-238 mimo testovacie miesto. Skutočná kapacita dvojstupňovej modifikácie AN-602 bola 58 miliónov ton. Ďalšie zvýšenie výkonu termonukleárnych nábojov je možné dosiahnuť zvýšením počtu termonukleárnych nábojov v kombinovanom výbušnom zariadení. To však nie je potrebné kvôli nedostatku adekvátnych cieľov - moderný analóg AN -602, umiestnený na palube podvodného vozidla Poseidon, má polomer zničenia budov a štruktúr nárazovou vlnou 72 km a polomerom 150 kilometrov dlhých požiarov, čo je dosť na zničenie veľkomiest, ako je New York alebo Tokio

Obrázok
Obrázok

Z hľadiska obmedzenia následkov používania jadrových zbraní (územná lokalizácia, minimalizácia uvoľňovania rádioaktivity, taktická úroveň použitia) je tzv. presné jednostupňové náboje s kapacitou až 1 Ktn, ktoré sú určené na ničenie bodových cieľov - raketové silá, centrály, komunikačné centrá, radary, raketové systémy protivzdušnej obrany, lode, ponorky, strategické bombardéry a pod.

Dizajn takejto nálože môže byť vyrobený vo forme implozívnej zostavy, ktorá obsahuje dve elipsoidné detonačné šošovky (chemická trhavina z HMX, inertný materiál z polypropylénu), tri sférické škrupiny (neutrónový reflektor vyrobený z berýlia, piezoelektrický generátor vyrobený z jodid cézny, štiepny materiál z plutónia) a vnútorná guľa (fúzne palivo deuterid lítny)

Obrázok
Obrázok

Pôsobením konvergujúcej tlakovej vlny generuje jodid cézny superveľmi silný elektromagnetický impulz, tok elektrónov generuje gama žiarenie v plutóniu, ktoré vyrazí neutróny z jadier, čím sa začne samovoľne sa šíriaca štiepna reakcia, röntgenové lúče stláčajú a ohrievajú deuterid lítny, tok neutrónov generuje trícium z lítia, ktoré vstupuje do reakcie s deutériom. Dostredivý smer štiepnych a fúznych reakcií zaisťuje 100% využitie termonukleárneho paliva.

Ďalší vývoj návrhov jadrových nábojov v smere minimalizácie energie a rádioaktivity je možný nahradením plutónia zariadením na laserovú kompresiu kapsuly zmesou trícia a deutéria.

Odporúča: