Разработване на конструкции на ядрена бойна глава

Разработване на конструкции на ядрена бойна глава
Разработване на конструкции на ядрена бойна глава

Видео: Разработване на конструкции на ядрена бойна глава

Видео: Разработване на конструкции на ядрена бойна глава
Видео: Невероятная Советская Техника 2024, Март
Anonim

Ядрените оръжия са най -ефективните в историята на човечеството по отношение на разходи / ефективност: годишните разходи за разработване, тестване, производство и поддържане в експлоатация на тези оръжия съставляват от 5 до 10 процента от военния бюджет на САЩ и Руската федерация - държави с вече сформиран ядрен производствен комплекс, развита атомна енергетика и наличие на парк суперкомпютри за математическо моделиране на ядрени експлозии.

Образ
Образ

Използването на ядрени устройства за военни цели се основава на свойството на атомите на тежки химични елементи да се разпадат в атоми на по-леки елементи с отделяне на енергия под формата на електромагнитно излъчване (гама и рентгенови диапазони), както и в формата на кинетична енергия на разсейващи елементарни частици (неутрони, протони и електрони) и ядра на атоми от по -леки елементи (цезий, стронций, йод и други)

Разработване на конструкции на ядрена бойна глава
Разработване на конструкции на ядрена бойна глава

Най -популярните тежки елементи са уран и плутоний. Техните изотопи, когато делят ядрото си, отделят от 2 до 3 неутрона, които от своя страна предизвикват деленето на ядрата на съседните атоми и т.н. В веществото протича саморазпространяваща се (т.нар. Верижна) реакция с освобождаване на голямо количество енергия. За да започне реакцията, е необходима определена критична маса, чийто обем ще бъде достатъчен за улавяне на неутрони от атомни ядра без излъчване на неутрони извън веществото. Критичната маса може да бъде намалена с рефлектор на неутрон и иницииращ източник на неутрони

Образ
Образ

Реакцията на делене започва чрез комбиниране на две подкритични маси в една свръхкритична или чрез компресиране на сферична обвивка със свръхкритична маса в сфера, като по този начин се увеличава концентрацията на делящо се вещество в даден обем. Делящият се материал се комбинира или компресира чрез насочена експлозия на химически експлозив.

В допълнение към реакцията на делене на тежки елементи, реакцията на синтез на леки елементи се използва в ядрените заряди. Термоядреният синтез изисква нагряване и компресиране на материята до няколко десетки милиони градуса и атмосфери, които могат да бъдат осигурени само поради енергията, отделена по време на реакцията на делене. Следователно термоядрените заряди са проектирани по двустепенна схема. Изотопите на водород, тритий и деутерий (изискващи минимални стойности на температура и налягане за стартиране на реакцията на синтез) или химично съединение, литиев деутерид (последният, под действието на неутрони от експлозията на първия етап, се разделя в тритий и хелий) се използват като леки елементи. Енергията в реакцията на синтез се отделя под формата на електромагнитно излъчване и кинетична енергия на неутрони, електрони и хелиеви ядра (т.нар. Алфа частици). Енергийното освобождаване на реакцията на синтез на единица маса е четири пъти по -висока от тази на реакцията на делене

Образ
Образ

Тритий и неговият продукт на саморазпадане деутерий също се използват като източник на неутрони за иницииране на реакцията на делене. Тритий или смес от водородни изотопи, под действието на компресията на плутониевата обвивка, частично влиза в реакция на синтез с отделяне на неутрони, които превръщат плутония в свръхкритично състояние.

Основните компоненти на съвременните ядрени бойни глави са следните:

-стабилен (спонтанно неделящ се) изотоп на уран U-238, извлечен от уранова руда или (под формата на примес) от фосфатна руда;

-радиоактивен (спонтанно делящ се) изотоп на уран U-235, извлечен от уранова руда или произведен от U-238 в ядрени реактори;

-радиоактивен изотоп на плутоний Pu-239, произведен от U-238 в ядрени реактори;

- стабилен изотоп на водородния деутерий D, извлечен от естествена вода или произведен от протиум в ядрени реактори;

- радиоактивен изотоп на водороден тритий Т, произведен от деутерий в ядрени реактори;

- стабилен изотоп на литий Li-6, извлечен от руда;

- стабилен изотоп на берилий Be-9, извлечен от руда;

- HMX и триаминотринитробензен, химически експлозиви.

Критичната маса на топка, направена от U-235 с диаметър 17 cm, е 50 kg, критичната маса на топка от Pu-239 с диаметър 10 cm е 11 kg. С рефлектор на берилиев неутрон и източник на тритий неутрони, критичната маса може да бъде намалена съответно до 35 и 6 kg.

За да премахнат риска от спонтанна експлоатация на ядрени заряди, те използват т.нар. оръжие клас Pu-239, пречистен от други, по-малко стабилни изотопи на плутоний до ниво от 94%. С периодичност от 30 години плутонийът се пречиства от продуктите на спонтанен ядрен разпад на неговите изотопи. За да се увеличи механичната якост, плутонийът се легира с 1 масови процента галий и се покрива с тънък слой никел, за да се предпази от окисляване.

Образ
Образ

Температурата на радиационно самонагряване на плутоний по време на съхранение на ядрени заряди не надвишава 100 градуса по Целзий, което е по-ниско от температурата на разлагане на химически експлозив.

Към 2000 г. количеството оръжеен плутоний, с което разполага Руската федерация, се оценява на 170 тона, САЩ - на 103 тона, плюс няколко десетки тона, приети за съхранение от страните от НАТО, Япония и Южна Корея, които не притежават ядрено оръжие. Руската федерация има най-големия капацитет за производство на плутоний в света под формата на оръжейни и мощни ядрени бързи реактори. Заедно с плутоний на цена от около 100 щатски долара за грам (5-6 кг на зареждане), тритий се произвежда на цена от около 20 хиляди щатски долара за грам (4-5 грама на зареждане).

Най-ранните проекти на такси за ядрено делене са Kid and Fat Man, разработени в САЩ в средата на 1940-те. Последният вид заряд се различава от първия по сложното оборудване за синхронизиране на детонацията на множество електрически детонатори и по големите си напречни размери.

„Хлапето“е направено по оръдийна схема - по надлъжната ос на корпуса на въздушната бомба е монтирана артилерийска цев, в заглушения край на която е била половината от делящия се материал (уран U -235), втората половина от делящия се материал е снаряд, ускорен от прахообразен заряд. Коефициентът на използване на уран в реакцията на делене е около 1 %, останалата маса от U-235 е изпаднала под формата на радиоактивни отпадъци с период на полуразпад от 700 милиона години.

Образ
Образ

"Дебел човек" е направен по имплозивна схема-куха сфера от делящ се материал (Pu-239 плутоний) е била заобиколена от черупка от уран U-238 (тласкач), алуминиева обвивка (гасител) и черупка (имплозия генератор), съставен от пет и шестоъгълни сегменти от химически експлозив, на външната повърхност на които са монтирани електрически детонатори. Всеки сегмент представляваше детонационна леща от два вида експлозиви с различна скорост на детонация, превръщаща разсейващата се вълна на налягане в сферична сближаваща се вълна, равномерно компресираща алуминиевата обвивка, която от своя страна компресира урановата обвивка, а тази - плутониевата сфера, докато вътрешната кухина е затворена. Използва се алуминиев абсорбер за абсорбиране на отката на вълната под налягане, когато тя преминава в материал с по -висока плътност, и уранов тласкач, използван за инертно задържане на плутоний по време на реакцията на делене. Във вътрешната кухина на плутониевата сфера е разположен източник на неутрон, направен от радиоактивен изотоп полоний По-210 и берилий, който излъчва неутрони под въздействието на алфа радиация от полоний. Коефициентът на използване на делящо се вещество е около 5 процента, полуживотът на радиоактивните отпадъци е 24 хиляди години.

Образ
Образ

Веднага след създаването на „Kid“и „Fat Man“в САЩ, започна работа по оптимизиране на дизайна на ядрени заряди, както оръдейни, така и имплозионни схеми, насочени към намаляване на критичната маса, увеличаване на степента на използване на делене, опростяване на електрическа детонационна система и намаляване на размера. В СССР и други държави - собственици на ядрени оръжия, първоначално обвиненията бяха създадени по имплозивна схема. В резултат на оптимизиране на конструкцията, критичната маса на делящия се материал беше намалена, а коефициентът на нейното използване е увеличен няколко пъти поради използването на неутронен отражател и източник на неутрони.

Бериловият неутронен рефлектор е метална обвивка с дебелина до 40 mm, източникът на неутрони е газообразен тритий, запълващ кухина в плутоний, или импрегниран с тритий железен хидрид с титан, съхраняван в отделен цилиндър (бустер) и освобождава тритий под действието на нагряване чрез електричество непосредствено преди използване на ядрен заряд, след което тритий се подава през газопровода в заряда. Последното техническо решение дава възможност да се умножи мощността на ядрения заряд в зависимост от обема на изпомпвания тритий, а също така улеснява подмяната на газовата смес с нова на всеки 4-5 години, тъй като периодът на полуразпад на тритий е 12 години. Излишното количество тритий в усилвателя дава възможност да се намали критичната маса на плутоний до 3 кг и значително да се увеличи ефектът на такъв вреден фактор като неутронното излъчване (чрез намаляване на ефекта на други увреждащи фактори - ударна вълна и светлинна радиация)). В резултат на оптимизацията на проекта коефициентът на използване на делящите се материали се увеличава до 20%, в случай на излишък на тритий - до 40%.

Схемата на оръдието беше опростена поради прехода към радиално-аксиална имплозия, като се направи масив от делящ се материал под формата на кух цилиндър, смачкан от експлозията на два края и един аксиален взривен заряд

Образ
Образ

Имплозивната схема беше оптимизирана (SWAN), като направи външната обвивка на експлозива под формата на елипсоид, което направи възможно да се намали броят на детонационните лещи до две единици, раздалечени от полюсите на елипсоида - разликата в скоростта на детонационната вълна в напречното сечение на детонационната леща осигурява едновременното приближаване на ударната вълна към сферичната повърхност на вътрешния слой на експлозива, чиято детонация равномерно компресира берилиевата обвивка (комбинирайки функциите на неутронния рефлектор и амортисьор на вълна под налягане) и плутониева сфера с вътрешна кухина, пълна с тритий или сместа му с деутерий

Образ
Образ

Най-компактното изпълнение на схемата за имплозия (използвана в съветския 152-мм снаряд) е изпълнението на експлозивно-берилиево-плутониево устройство под формата на кух елипсоид с променлива дебелина на стената, което осигурява изчислената деформация на монтажа под действието на ударна вълна от експлозивен взрив в окончателна сферична структура

Образ
Образ

Въпреки различните технически подобрения, мощността на таксите за ядрено делене остава ограничена до нивото от 100 Ktn в еквивалент на тротила поради неизбежното разширяване на външните слоеве от делящо се вещество по време на експлозията с изключване на веществото от реакцията на делене.

Затова беше предложен проект за термоядрен заряд, който включва както тежки делещи се елементи, така и леки термоядрени елементи. Първият термоядрен заряд (Ivy Mike) е направен под формата на криогенен резервоар, напълнен с течна смес от тритий и деутерий, в който е разположен имплозивен ядрен заряд от плутоний. Поради изключително големите размери и необходимостта от постоянно охлаждане на криогенния резервоар, на практика беше използвана различна схема - имплозивна „всмукване“(RDS -6s), която включва няколко редуващи се слоя уран, плутоний и литиев деутерид с външен рефлектор от берилий и вътрешен източник на тритий

Образ
Образ

Силата на „всмукването“обаче също беше ограничена от нивото от 1 Mtn поради началото на реакцията на делене и синтез във вътрешните слоеве и разширяването на нереагиралите външни слоеве. За да се преодолее това ограничение, беше разработена схема за компресиране на леки елементи от реакцията на синтез чрез рентгенови лъчи (втори етап) от реакцията на делене на тежки елементи (първи етап). Огромното налягане на потока от рентгенови фотони, освободени в реакцията на делене, позволява литиевият деутерид да се компресира 10 пъти с увеличаване на плътността с 1000 пъти и да се нагрява по време на процеса на компресия, след което литийът се излага на неутронния поток от реакция на делене, превръщаща се в тритий, която влиза в реакции на сливане с деутерий. Двустепенната схема на термоядрен заряд е най-чистата по отношение на добива на радиоактивност, тъй като вторичните неутрони от реакцията на синтез изгарят нереагиралия уран / плутоний до краткотрайни радиоактивни елементи, а самите неутрони се гасят във въздуха с обхват около 1,5 км.

За целите на равномерното кримпване на втория етап, корпусът на термоядрения заряд е направен под формата на фъстъчена обвивка, поставяйки монтажа на първия етап в геометричния фокус на една част от черупката, а монтажът на втори етап в геометричния фокус на другата част на черупката. Сглобките са окачени в основната част на тялото с помощта на пяна или пълнител от аерогел. Според правилата на оптиката, рентгеновото лъчение от експлозията на първия етап е концентрирано в стеснение между двете части на черупката и е равномерно разпределено по повърхността на втория етап. За да се увеличи отразяващата способност в рентгеновия диапазон, вътрешната повърхност на зарядното тяло и външната повърхност на втория етап са покрити със слой от плътен материал: олово, волфрам или уран U-238. Във втория случай термоядреният заряд става тристепенен-под действието на неутрони от реакцията на синтез U-238 се превръща в U-235, чиито атоми влизат в реакция на делене и увеличават експлозивната мощност

Образ
Образ

Тристепенната схема е включена в дизайна на съветската въздушна бомба Ан-602, чиято проектна мощност е 100 Mtn. Преди изпитването третият етап беше изключен от неговия състав чрез замяна на уран U-238 с олово поради риска от разширяване на зоната на радиоактивни отпадъци от деленето на U-238 извън тестовата площадка. Действителният капацитет на двустепенната модификация на AN-602 е 58 Mtn. По -нататъшно увеличаване на мощността на термоядрените заряди може да бъде направено чрез увеличаване на броя на термоядрените заряди в комбинираното взривно устройство. Това обаче не е необходимо поради липсата на адекватни цели - съвременният аналог на AN -602, поставен на борда на подводния апарат Poseidon, има радиус на разрушаване на сгради и конструкции от ударна вълна от 72 км и радиус на 150 км пожари, което е напълно достатъчно за унищожаване на мегаполиси като Ню Йорк или Токио

Образ
Образ

От гледна точка на ограничаване на последиците от използването на ядрени оръжия (териториална локализация, свеждане до минимум на освобождаването на радиоактивност, тактическо ниво на използване), т.нар. прецизни едностепенни заряди с капацитет до 1 Ktn, които са предназначени за унищожаване на точкови цели - ракетни силози, щабове, комуникационни центрове, радари, ракетни комплекси ПВО, кораби, подводници, стратегически бомбардировачи и др.

Дизайнът на такъв заряд може да бъде направен под формата на имплозивен възел, който включва две елипсоидални детонационни лещи (химически експлозив от HMX, инертен материал, изработен от полипропилен), три сферични черупки (неутронен рефлектор от берилий, пиезоелектричен генератор, изработен от цезиев йодид, делящ се материал от плутоний) и вътрешна сфера (гориво от литиево -деутеридно гориво)

Образ
Образ

Под действието на сближаваща се вълна на налягане цезиевият йодид генерира свръхмощен електромагнитен импулс, електронният поток генерира гама-лъчение в плутоний, който избива неутроните от ядрата, като по този начин инициира саморазпространяваща се реакция на делене, рентгеновите лъчи компресират и загряват литиевия деутерид, неутронният поток генерира тритий от литий, който влиза в реакция с деутерий. Центростремителната посока на реакции на делене и синтез осигурява 100% използване на термоядрено гориво.

По -нататъшното развитие на конструкциите на ядрен заряд в посока на минимизиране на мощността и радиоактивността е възможно чрез замяна на плутоний с устройство за лазерно компресиране на капсула със смес от тритий и деутерий.

Препоръчано: