Las armas nucleares son las más efectivas en la historia de la humanidad en términos de costo / eficiencia: los costos anuales de desarrollo, prueba, fabricación y mantenimiento en funcionamiento de estas armas representan del 5 al 10 por ciento del presupuesto militar de los Estados Unidos y la Federación de Rusia: países con un complejo de producción nuclear ya formado, desarrollaron ingeniería de energía atómica y la disponibilidad de una flota de supercomputadoras para el modelado matemático de explosiones nucleares.
El uso de dispositivos nucleares con fines militares se basa en la propiedad de los átomos de elementos químicos pesados de descomponerse en átomos de elementos más ligeros con la liberación de energía en forma de radiación electromagnética (rangos de rayos gamma y X), así como en la forma de energía cinética de dispersión de partículas elementales (neutrones, protones y electrones) y núcleos de átomos de elementos más ligeros (cesio, estroncio, yodo y otros)
Los elementos pesados más populares son el uranio y el plutonio. Sus isótopos, al fisionar su núcleo, emiten de 2 a 3 neutrones, que a su vez provocan la fisión de los núcleos de átomos vecinos, etc. En la sustancia se produce una reacción de autopropagación (denominada en cadena) con la liberación de una gran cantidad de energía. Para iniciar la reacción se requiere una determinada masa crítica, cuyo volumen será suficiente para la captura de neutrones por los núcleos atómicos sin la emisión de neutrones fuera de la sustancia. La masa crítica se puede reducir con un reflector de neutrones y una fuente de neutrones iniciadores.
La reacción de fisión se inicia combinando dos masas subcríticas en una supercrítica o comprimiendo una capa esférica de una masa supercrítica en una esfera, aumentando así la concentración de materia fisionable en un volumen dado. El material fisionable se combina o comprime mediante una explosión dirigida de un explosivo químico.
Además de la reacción de fisión de elementos pesados, la reacción de síntesis de elementos ligeros se utiliza en cargas nucleares. La fusión termonuclear requiere el calentamiento y la compresión de la materia hasta varias decenas de millones de grados y atmósferas, que solo se pueden obtener debido a la energía liberada durante la reacción de fisión. Por lo tanto, las cargas termonucleares se diseñan de acuerdo con un esquema de dos etapas. Los isótopos de hidrógeno, tritio y deuterio (que requieren valores mínimos de temperatura y presión para iniciar la reacción de fusión) o un compuesto químico, el deuteruro de litio (este último, bajo la acción de neutrones de la explosión de la primera etapa, se divide en tritio y helio) se utilizan como elementos ligeros. La energía en la reacción de fusión se libera en forma de radiación electromagnética y energía cinética de neutrones, electrones y núcleos de helio (las llamadas partículas alfa). La liberación de energía de la reacción de fusión por unidad de masa es cuatro veces mayor que la de la reacción de fisión.
El tritio y el deuterio, producto de su autodesintegración, también se utilizan como fuente de neutrones para iniciar la reacción de fisión. El tritio o una mezcla de isótopos de hidrógeno, bajo la acción de la compresión de la capa de plutonio, entra parcialmente en una reacción de fusión con la liberación de neutrones, que transforman el plutonio en un estado supercrítico.
Los principales componentes de las ojivas nucleares modernas son los siguientes:
- isótopo estable (espontáneamente no fisionable) de uranio U-238, extraído del mineral de uranio o (en forma de impureza) del mineral de fosfato;
- isótopo radiactivo (espontáneamente fisionable) del uranio U-235, extraído del mineral de uranio o producido a partir del U-238 en reactores nucleares;
- isótopo radiactivo de plutonio Pu-239, producido a partir de U-238 en reactores nucleares;
- isótopo estable de hidrógeno deuterio D, extraído de agua natural o producido a partir de protio en reactores nucleares;
- isótopo radiactivo de hidrógeno tritio T, producido a partir de deuterio en reactores nucleares;
- isótopo estable de litio Li-6, extraído del mineral;
- isótopo estable de berilio Be-9, extraído del mineral;
- HMX y triaminotrinitrobenceno, explosivos químicos.
La masa crítica de una pelota hecha de U-235 con un diámetro de 17 cm es 50 kg, la masa crítica de una pelota hecha de Pu-239 con un diámetro de 10 cm es 11 kg. Con un reflector de neutrones de berilio y una fuente de neutrones de tritio, la masa crítica se puede reducir a 35 y 6 kg, respectivamente.
Para eliminar el riesgo de funcionamiento espontáneo de cargas nucleares, utilizan el llamado. Pu-239 de calidad para armas, purificado de otros isótopos de plutonio menos estables hasta un nivel del 94%. Con una periodicidad de 30 años, el plutonio se purifica a partir de los productos de la desintegración nuclear espontánea de sus isótopos. Para aumentar la resistencia mecánica, el plutonio se alea con un 1 por ciento en masa de galio y se recubre con una fina capa de níquel para protegerlo de la oxidación.
La temperatura de autocalentamiento por radiación del plutonio durante el almacenamiento de cargas nucleares no supera los 100 grados Celsius, que es más baja que la temperatura de descomposición de un explosivo químico.
A partir de 2000, la cantidad de plutonio apto para armas a disposición de la Federación de Rusia se estima en 170 toneladas, los Estados Unidos, en 103 toneladas, más varias decenas de toneladas aceptadas para almacenamiento de los países de la OTAN, Japón y Corea del Sur. que no poseen armas nucleares. La Federación de Rusia tiene la mayor capacidad de producción de plutonio del mundo en forma de reactores nucleares rápidos de tipo armamentístico y de potencia. Junto con el plutonio a un costo de aproximadamente 100 dólares estadounidenses por gramo (5-6 kg por carga), el tritio se produce a un costo de aproximadamente 20 mil dólares estadounidenses por gramo (4-5 gramos por carga).
Los primeros diseños de cargas de fisión nuclear fueron Kid y Fat Man, desarrollados en los Estados Unidos a mediados de la década de 1940. Este último tipo de carga se diferenciaba del primero en el complejo equipo para sincronizar la detonación de numerosos detonadores eléctricos y en sus grandes dimensiones transversales.
El "Kid" se fabricó según un esquema de cañón: se montó un cañón de artillería a lo largo del eje longitudinal del cuerpo de la bomba de aire, en cuyo extremo amortiguado se encontraba la mitad del material fisionable (uranio U-235), la segunda mitad del material fisionable era un proyectil acelerado por una carga de pólvora. El factor de utilización del uranio en la reacción de fisión fue de alrededor del 1 por ciento, el resto de la masa del U-235 cayó en forma de lluvia radiactiva con una vida media de 700 millones de años.
"Fat Man" se hizo de acuerdo con un esquema implosivo: una esfera hueca de material fisionable (plutonio Pu-239) estaba rodeada por un caparazón hecho de uranio U-238 (empujador), un caparazón de aluminio (extintor) y un caparazón (implosión) generador), compuesto por cinco segmentos hexagonales de un explosivo químico, en cuya superficie exterior se instalaron detonadores eléctricos. Cada segmento era una lente de detonación de dos tipos de explosivos con diferentes velocidades de detonación, convirtiendo la onda de presión divergente en una onda convergente esférica, comprimiendo uniformemente la capa de aluminio, que a su vez comprimía la capa de uranio, y esa, la esfera de plutonio hasta su cavidad interior cerrada. Se usó un absorbedor de aluminio para absorber el retroceso de la onda de presión cuando pasa a un material con una densidad más alta, y se usó un empujador de uranio para retener el plutonio de manera inerte durante la reacción de fisión. En la cavidad interna de la esfera de plutonio se ubicó una fuente de neutrones, a partir del isótopo radiactivo polonio Po-210 y berilio, que emitió neutrones bajo la influencia de la radiación alfa del polonio. El factor de utilización de la materia fisionable fue de aproximadamente el 5 por ciento, la vida media de la lluvia radiactiva fue de 24 mil años.
Inmediatamente después de la creación de "Kid" y "Fat Man" en Estados Unidos, se comenzó a trabajar para optimizar el diseño de cargas nucleares, tanto esquemas de cañón como de implosión, orientados a reducir la masa crítica, aumentando la tasa de utilización de materia fisionable, simplificando la Sistema de detonación eléctrica y reducción de tamaño. En la URSS y otros estados, propietarios de armas nucleares, los cargos se crearon inicialmente de acuerdo con un esquema implosivo. Como resultado de la optimización del diseño, se redujo la masa crítica de material fisible y se incrementó varias veces el coeficiente de su utilización debido al uso de un reflector de neutrones y una fuente de neutrones.
El reflector de neutrones de berilio es una cubierta de metal de hasta 40 mm de espesor, la fuente de neutrones es tritio gaseoso que llena una cavidad en plutonio, o hidruro de hierro impregnado con tritio con titanio almacenado en un cilindro separado (refuerzo) y libera tritio bajo la acción del calentamiento. por electricidad inmediatamente antes de usar una carga nuclear, después de lo cual el tritio se alimenta a través del gasoducto a la carga. Esta última solución técnica permite multiplicar la potencia de la carga nuclear en función del volumen de tritio bombeado, y también facilita la sustitución de la mezcla de gases por una nueva cada 4-5 años, ya que la vida media del tritio es 12 años. Una cantidad excesiva de tritio en el refuerzo hace posible reducir la masa crítica de plutonio a 3 kg y aumentar significativamente el efecto de un factor tan dañino como la radiación de neutrones (al reducir el efecto de otros factores dañinos: una onda de choque y radiación de luz). Como resultado de la optimización del diseño, el factor de utilización del material fisionable aumentó al 20%, en el caso de un exceso de tritio, hasta el 40%.
El esquema del cañón se simplificó debido a la transición a la implosión radial-axial al hacer una matriz de material fisible en forma de cilindro hueco, aplastado por la explosión de dos cargas explosivas extremas y una axial.
El esquema implosivo se optimizó (SWAN) al hacer que la capa exterior del explosivo en forma de elipsoide, lo que hizo posible reducir el número de lentes de detonación a dos unidades espaciadas entre los polos del elipsoide, la diferencia en el La velocidad de la onda de detonación en la sección transversal de la lente de detonación asegura el acercamiento simultáneo de la onda de choque a la superficie esférica. La capa interna del explosivo, cuya detonación comprime uniformemente la capa de berilio (combinando las funciones de un reflector de neutrones y un amortiguador de retroceso de onda de presión) y una esfera de plutonio con una cavidad interior llena de tritio o su mezcla con deuterio
La implementación más compacta del esquema de implosión (utilizado en el proyectil soviético de 152 mm) es la ejecución de un conjunto explosivo-berilio-plutonio en forma de elipsoide hueco con un espesor de pared variable, que proporciona la deformación calculada del conjunto. bajo la acción de una onda de choque de una explosión explosiva en una estructura esférica final
A pesar de varias mejoras técnicas, el poder de las cargas de fisión nuclear permaneció limitado al nivel de 100 Ktn en TNT equivalente debido a la inevitable expansión de las capas externas de materia fisionable durante la explosión con la exclusión de la materia de la reacción de fisión.
Por lo tanto, se propuso un diseño para una carga termonuclear, que incluye elementos de fisión pesados y elementos de fusión ligeros. La primera carga termonuclear (Ivy Mike) se realizó en forma de tanque criogénico lleno de una mezcla líquida de tritio y deuterio, en el que se ubicó una carga nuclear implosiva de plutonio. Debido a las dimensiones extremadamente grandes y la necesidad de enfriamiento constante del tanque criogénico, en la práctica se utilizó un esquema diferente: una "bocanada" implosiva (RDS-6s), que incluye varias capas alternas de uranio, plutonio y deuteruro de litio con un reflector de berilio externo y una fuente interna de tritio
Sin embargo, el poder del "soplo" también se vio limitado por el nivel de 1 Mtn debido al comienzo de la reacción de fisión y síntesis en las capas internas y la expansión de las capas externas que no reaccionaron. Para superar esta limitación, se desarrolló un esquema para la compresión de elementos ligeros de la reacción de fusión por rayos X (segunda etapa) a partir de la reacción de fisión de elementos pesados (primera etapa). La enorme presión del flujo de fotones de rayos X liberados en la reacción de fisión permite que el deuteruro de litio se comprima 10 veces con un aumento de densidad de 1000 veces y se caliente durante el proceso de compresión, después de lo cual el litio se expone al flujo de neutrones del reacción de fisión, que se convierte en tritio, que entra en reacciones de fusión con el deuterio. El esquema de dos etapas de una carga termonuclear es el más limpio en términos de rendimiento de radiactividad, ya que los neutrones secundarios de la reacción de fusión queman el uranio / plutonio sin reaccionar en elementos radiactivos de vida corta, y los neutrones mismos se extinguen en el aire con un alcance de aproximadamente 1,5 km.
Con el fin de engarzar uniformemente la segunda etapa, el cuerpo de la carga termonuclear se realiza en forma de cáscara de maní, colocando el ensamblaje de la primera etapa en el foco geométrico de una parte de la cáscara, y el ensamblaje del segunda etapa en el foco geométrico de la otra parte del caparazón. Los conjuntos se suspenden en la mayor parte del cuerpo mediante relleno de espuma o aerogel. De acuerdo con las reglas de la óptica, la radiación de rayos X de la explosión de la primera etapa se concentra en el estrechamiento entre las dos partes de la carcasa y se distribuye uniformemente sobre la superficie de la segunda etapa. Para aumentar la reflectividad en el rango de rayos X, la superficie interna del cuerpo de carga y la superficie externa del conjunto de la segunda etapa se cubren con una capa de material denso: plomo, tungsteno o uranio U-238. En el último caso, la carga termonuclear se convierte en tres etapas: bajo la acción de los neutrones de la reacción de fusión, el U-238 se convierte en U-235, cuyos átomos entran en una reacción de fisión y aumentan el poder de explosión.
El esquema de tres etapas se incorporó al diseño de la bomba aérea soviética AN-602, cuya potencia de diseño era de 100 Mtn. Antes de la prueba, la tercera etapa se excluyó de su composición al reemplazar el uranio U-238 con plomo debido al riesgo de expandir la zona de lluvia radiactiva de la fisión del U-238 más allá del sitio de prueba. La capacidad real de la modificación de dos etapas del AN-602 fue de 58 Mtn. Se puede lograr un aumento adicional en el poder de las cargas termonucleares aumentando el número de cargas termonucleares en el dispositivo explosivo combinado. Sin embargo, esto no es necesario debido a la falta de objetivos adecuados: el análogo moderno del AN-602, colocado a bordo del vehículo submarino Poseidon, tiene un radio de destrucción de edificios y estructuras por una onda de choque de 72 km y un radio de incendios de 150 km, que es suficiente para destruir megaciudades como Nueva York o Tokio
Desde el punto de vista de limitar las consecuencias del uso de armas nucleares (localización territorial, minimización de la liberación de radiactividad, nivel táctico de uso), el llamado Cargas de precisión de una sola etapa con una capacidad de hasta 1 Ktn, que están diseñadas para destruir objetivos puntuales: silos de misiles, cuarteles generales, centros de comunicaciones, radares, sistemas de misiles de defensa aérea, barcos, submarinos, bombarderos estratégicos, etc.
El diseño de dicha carga se puede realizar en forma de un conjunto implosivo, que incluye dos lentes de detonación elipsoidales (explosivo químico de HMX, material inerte de polipropileno), tres capas esféricas (reflector de neutrones de berilio, generador piezoeléctrico de yoduro de cesio, material fisionable de plutonio) y una esfera interna (combustible de fusión de deuteruro de litio)
Bajo la acción de una onda de presión convergente, el yoduro de cesio genera un pulso electromagnético superpoderoso, el flujo de electrones genera radiación gamma en plutonio, que elimina los neutrones de los núcleos, iniciando así una reacción de fisión autopropagable, los rayos X comprimen y calienta el deuteruro de litio., el flujo de neutrones genera tritio a partir del litio, que reacciona con el deuterio. La dirección centrípeta de las reacciones de fisión y fusión asegura el uso del 100% de combustible termonuclear.
Es posible un mayor desarrollo de diseños de carga nuclear en la dirección de minimizar la potencia y la radiactividad mediante la sustitución del plutonio por un dispositivo para la compresión láser de una cápsula con una mezcla de tritio y deuterio.
