Vũ khí hạt nhân là loại vũ khí hiệu quả nhất trong lịch sử nhân loại về mặt chi phí / hiệu quả: chi phí hàng năm để phát triển, thử nghiệm, chế tạo và duy trì hoạt động của những loại vũ khí này chiếm từ 5 đến 10% ngân sách quân sự của Hoa Kỳ và Liên bang Nga - các quốc gia có tổ hợp sản xuất hạt nhân đã hình thành, kỹ thuật điện nguyên tử phát triển và sự sẵn có của một đội siêu máy tính để mô hình toán các vụ nổ hạt nhân.
Việc sử dụng các thiết bị hạt nhân cho mục đích quân sự dựa trên đặc tính của nguyên tử các nguyên tố hóa học nặng để phân rã thành nguyên tử của các nguyên tố nhẹ hơn với việc giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ (dãy gamma và tia X), cũng như trong dạng động năng của các hạt cơ bản tán xạ (neutron, proton và electron) và hạt nhân của nguyên tử các nguyên tố nhẹ hơn (xêzi, stronti, iot và các nguyên tố khác)
Các nguyên tố nặng phổ biến nhất là uranium và plutonium. Các đồng vị của chúng, khi phân hạch hạt nhân của chúng, phát ra từ 2 đến 3 nơtron, do đó gây ra sự phân hạch của các hạt nhân của các nguyên tử lân cận, v.v. Phản ứng tự lan truyền (gọi là dây chuyền) giải phóng một lượng lớn năng lượng xảy ra trong chất. Để bắt đầu phản ứng, cần phải có một khối lượng tới hạn nhất định, khối lượng này sẽ đủ để hạt nhân nguyên tử bắt giữ các nơtron mà không làm phát xạ nơtron ra bên ngoài chất. Khối lượng tới hạn có thể được giảm bớt bằng một gương phản xạ nơtron và một nguồn nơtron khởi động
Phản ứng phân hạch được bắt đầu bằng cách kết hợp hai khối lượng dưới tới hạn thành một khối lượng siêu tới hạn hoặc bằng cách nén một vỏ hình cầu có khối lượng siêu tới hạn vào một khối cầu, do đó làm tăng nồng độ của chất phân hạch trong một thể tích nhất định. Vật liệu phân hạch được kết hợp hoặc nén bằng một vụ nổ trực tiếp của chất nổ hóa học.
Ngoài phản ứng phân hạch của các nguyên tố nặng, phản ứng tổng hợp các nguyên tố nhẹ được dùng làm điện tích hạt nhân. Phản ứng tổng hợp nhiệt hạch đòi hỏi sự đốt nóng và nén vật chất lên đến vài chục triệu độ và khí quyển, chỉ có thể được cung cấp do năng lượng giải phóng trong phản ứng phân hạch. Do đó, các điện tích nhiệt hạch được thiết kế theo sơ đồ hai giai đoạn. Các đồng vị của hydro, triti và đơteri (yêu cầu giá trị nhiệt độ và áp suất tối thiểu để bắt đầu phản ứng nhiệt hạch) hoặc hợp chất hóa học, lithium deuteride (hợp chất sau, dưới tác dụng của neutron từ vụ nổ ở giai đoạn đầu, được chia thành triti và heli) được dùng làm nguyên tố nhẹ. Năng lượng trong phản ứng nhiệt hạch được giải phóng dưới dạng bức xạ điện từ và động năng của neutron, electron và hạt nhân heli (được gọi là hạt alpha). Năng lượng toả ra của phản ứng nhiệt hạch trên một đơn vị khối lượng lớn gấp bốn lần phản ứng phân hạch
Triti và sản phẩm tự phân rã của nó là đơteri cũng được sử dụng làm nguồn nơtron để bắt đầu phản ứng phân hạch. Triti hoặc hỗn hợp các đồng vị hydro, dưới tác dụng của lực nén của vỏ plutonium, một phần tham gia vào phản ứng nhiệt hạch với sự giải phóng neutron, biến plutonium thành trạng thái siêu tới hạn.
Các thành phần chính của đầu đạn hạt nhân hiện đại như sau:
- đồng vị ổn định (tự nhiên không phân hạch) của uranium U-238, được chiết xuất từ quặng uranium hoặc (ở dạng tạp chất) từ quặng photphat;
- đồng vị phóng xạ (phân hạch tự nhiên) của uranium U-235, được khai thác từ quặng uranium hoặc được sản xuất từ U-238 trong các lò phản ứng hạt nhân;
- đồng vị phóng xạ của plutonium Pu-239, được sản xuất từ U-238 trong lò phản ứng hạt nhân;
- đồng vị bền của hydro đơteri D, chiết xuất từ nước tự nhiên hoặc sản xuất từ proti trong lò phản ứng hạt nhân;
- đồng vị phóng xạ của hydro tritium T, được sản xuất từ đơteri trong lò phản ứng hạt nhân;
- đồng vị ổn định của liti Li-6, được chiết xuất từ quặng;
- đồng vị bền của berili Be-9, chiết xuất từ quặng;
- HMX và triaminotrinitrobenzene, chất nổ hóa học.
Khối lượng tới hạn của quả bóng làm bằng U-235 có đường kính 17 cm là 50 kg, khối lượng tới hạn của quả bóng làm bằng Pu-239 có đường kính 10 cm là 11 kg. Với một phản xạ neutron berili và một nguồn neutron triti, khối lượng tới hạn có thể giảm xuống lần lượt là 35 và 6 kg.
Để loại bỏ nguy cơ hoạt động tự phát của các điện tích hạt nhân, họ sử dụng cái gọi là. Pu-239 cấp vũ khí, được tinh chế từ các đồng vị khác, kém ổn định hơn của plutonium ở mức 94%. Với chu kỳ 30 năm, plutonium được tinh chế từ các sản phẩm của quá trình phân rã hạt nhân tự phát của các đồng vị của nó. Để tăng độ bền cơ học, plutonium được hợp kim với 1 phần trăm khối lượng gali và phủ một lớp niken mỏng để bảo vệ nó khỏi quá trình oxy hóa.
Nhiệt độ tự đốt nóng bức xạ của plutonium trong quá trình bảo quản hạt nhân không vượt quá 100 độ C, thấp hơn nhiệt độ phân hủy của một chất nổ hóa học.
Tính đến năm 2000, lượng plutonium cấp vũ khí mà Liên bang Nga xử lý ước tính là 170 tấn, Hoa Kỳ - là 103 tấn, cộng với vài chục tấn được chấp nhận lưu trữ từ các nước NATO, Nhật Bản và Hàn Quốc, không sở hữu vũ khí hạt nhân. Liên bang Nga có năng lực sản xuất plutonium lớn nhất trên thế giới dưới dạng các lò phản ứng nhanh cấp vũ khí và năng lượng hạt nhân. Cùng với plutonium với chi phí khoảng 100 đô la Mỹ mỗi gam (5-6 kg mỗi lần sạc), tritium được sản xuất với chi phí khoảng 20 nghìn đô la Mỹ mỗi gam (4-5 gam mỗi lần sạc).
Các thiết kế sớm nhất về điện tích phân hạch hạt nhân là Kid and Fat Man, được phát triển ở Hoa Kỳ vào giữa những năm 1940. Loại điện tích thứ hai khác với loại điện tích thứ nhất trong thiết bị phức tạp để đồng bộ hóa việc kích nổ nhiều kíp điện và ở kích thước ngang lớn của nó.
"Kid" được chế tạo theo sơ đồ pháo - một nòng pháo được lắp dọc theo trục dọc của thân bom không khí, ở phần cuối bị bóp nghẹt là một nửa vật liệu phân hạch (uranium U-235), nửa sau của vật liệu phân hạch là một viên đạn được gia tốc bởi một điện tích bột. Hệ số sử dụng uranium trong phản ứng phân hạch là khoảng 1%, phần còn lại của khối lượng U-235 rơi ra dưới dạng bụi phóng xạ với chu kỳ bán rã 700 triệu năm.
"Fat Man" được thực hiện theo một kế hoạch nổ - một quả cầu rỗng bằng vật liệu phân hạch (plutonium Pu-239) được bao quanh bởi một vỏ làm bằng uranium U-238 (đẩy), một vỏ nhôm (dập tắt) và một vỏ (nổ máy phát điện), được tạo thành từ các phân đoạn năm và lục giác của một chất nổ hóa học, trên bề mặt bên ngoài có lắp các kíp nổ điện. Mỗi phân đoạn là một thấu kính kích nổ của hai loại chất nổ với tốc độ phát nổ khác nhau, chuyển đổi sóng áp suất phân kỳ thành sóng hội tụ hình cầu, nén đồng nhất vỏ nhôm, lần lượt nén vỏ uranium, và loại đó - quả cầu plutonium cho đến khi khoang trong đóng lại. Một chất hấp thụ bằng nhôm được sử dụng để hấp thụ độ giật của sóng áp suất khi nó truyền vào vật liệu có mật độ cao hơn và một bộ đẩy uranium được sử dụng để giữ nguyên plutonium trong phản ứng phân hạch. Trong khoang bên trong của quả cầu plutonium, một nguồn neutron được đặt, được tạo ra từ đồng vị phóng xạ polonium Po-210 và berili, phát ra neutron dưới ảnh hưởng của bức xạ alpha từ polonium. Hệ số sử dụng của vật chất phân hạch là khoảng 5%, chu kỳ bán rã của bụi phóng xạ là 24 nghìn năm.
Ngay sau khi tạo ra "Kid" và "Fat Man" ở Hoa Kỳ, công việc bắt đầu tối ưu hóa thiết kế các điện tích hạt nhân, cả sơ đồ pháo và vụ nổ, nhằm mục đích giảm khối lượng tới hạn, tăng tỷ lệ sử dụng vật chất phân hạch, đơn giản hóa hệ thống kích nổ điện và giảm kích thước. Ở Liên Xô và các quốc gia khác - chủ sở hữu vũ khí hạt nhân, các cáo buộc ban đầu được tạo ra theo một kế hoạch công khai. Kết quả của việc tối ưu hóa thiết kế, khối lượng tới hạn của vật liệu phân hạch đã giảm xuống, và hệ số sử dụng của nó được tăng lên nhiều lần do việc sử dụng một phản xạ neutron và một nguồn neutron.
Phản xạ neutron berili là một lớp vỏ kim loại dày đến 40 mm, nguồn neutron là triti thể khí lấp đầy một khoang trong plutonium, hoặc hydrua sắt được ngâm tẩm triti với titan được lưu trữ trong một xi lanh riêng biệt (tăng cường) và giải phóng triti dưới tác động của nhiệt. bằng điện ngay trước khi sử dụng điện tích hạt nhân, sau đó triti được đưa qua đường ống dẫn khí vào điện tích. Giải pháp kỹ thuật thứ hai cho phép nhân công suất của điện tích hạt nhân tùy thuộc vào khối lượng triti được bơm, và cũng tạo điều kiện thay thế hỗn hợp khí bằng hỗn hợp khí mới sau mỗi 4-5 năm, vì chu kỳ bán rã của triti là 12 năm. Lượng triti dư thừa trong chất tăng cường có thể làm giảm khối lượng tới hạn của plutonium xuống 3 kg và làm tăng đáng kể ảnh hưởng của yếu tố gây hại như bức xạ neutron (bằng cách giảm ảnh hưởng của các yếu tố gây hại khác - sóng xung kích và bức xạ ánh sáng). Kết quả của việc tối ưu hóa thiết kế, hệ số sử dụng vật liệu phân hạch tăng lên 20%, trong trường hợp dư thừa triti - lên đến 40%.
Sơ đồ pháo đã được đơn giản hóa do chuyển đổi sang vụ nổ xuyên tâm-dọc trục bằng cách tạo ra một mảng vật liệu phân hạch ở dạng hình trụ rỗng, bị nghiền nát bởi vụ nổ hai đầu và một đầu nổ dọc trục.
Sơ đồ phát nổ đã được tối ưu hóa (SWAN) bằng cách làm cho vỏ ngoài của chất nổ ở dạng ellipsoid, giúp giảm số lượng thấu kính phát nổ xuống còn hai đơn vị đặt cách nhau từ các cực của ellipsoid - sự khác biệt trong vận tốc của sóng kích nổ trong mặt cắt ngang của thấu kính kích nổ đảm bảo sự tiếp cận đồng thời của sóng xung kích tới bề mặt hình cầu, lớp bên trong của chất nổ, vụ nổ nén đồng nhất vỏ berili (kết hợp các chức năng của phản xạ nơtron và một van điều tiết độ giật sóng áp suất) và một quả cầu plutonium có khoang bên trong chứa đầy triti hoặc hỗn hợp của nó với đơteri
Cách triển khai nhỏ gọn nhất của sơ đồ vụ nổ (được sử dụng trong loại đạn 152 mm của Liên Xô) là thực hiện một tổ hợp nổ-berili-plutonium ở dạng ellipsoid rỗng với độ dày thành thay đổi, cung cấp độ biến dạng tính toán của tổ hợp. dưới tác động của sóng xung kích từ một vụ nổ vào một cấu trúc hình cầu cuối cùng
Mặc dù có nhiều cải tiến kỹ thuật khác nhau, sức mạnh của điện tích phân hạch hạt nhân vẫn bị giới hạn ở mức 100 Ktn tương đương TNT do sự mở rộng không thể tránh khỏi của các lớp bên ngoài của vật chất phân hạch trong vụ nổ với việc loại trừ vật chất khỏi phản ứng phân hạch.
Do đó, một thiết kế đã được đề xuất cho một điện tích nhiệt hạch, bao gồm cả nguyên tố phân hạch nặng và nguyên tố nhiệt hạch nhẹ. Điện tích nhiệt hạch đầu tiên (Ivy Mike) được tạo ra dưới dạng một thùng đông lạnh chứa đầy hỗn hợp lỏng của triti và đơteri, trong đó có một điện tích hạt nhân nổ của plutonium. Do kích thước cực kỳ lớn và nhu cầu làm mát liên tục của thùng đông lạnh, một sơ đồ khác đã được sử dụng trong thực tế - một "bộ phận" nổ (RDS-6), bao gồm một số lớp xen kẽ của uranium, plutonium và lithium deuteride với một phản xạ berili bên ngoài và nguồn triti bên trong
Tuy nhiên, sức mạnh của “khối phồng” cũng bị giới hạn ở mức 1 triệu tấn do sự bắt đầu của phản ứng phân hạch và tổng hợp ở các lớp bên trong và sự mở rộng của các lớp bên ngoài chưa phản ứng. Để khắc phục hạn chế này, một sơ đồ đã được phát triển để nén các nguyên tố nhẹ của phản ứng nhiệt hạch bằng tia X (giai đoạn thứ hai) từ phản ứng phân hạch của các nguyên tố nặng (giai đoạn thứ nhất). Áp suất khổng lồ của dòng photon tia X được giải phóng trong phản ứng phân hạch cho phép lithium deuteride bị nén 10 lần với mật độ tăng lên 1000 lần và được làm nóng trong quá trình nén, sau đó lithium tiếp xúc với dòng neutron từ phản ứng phân hạch, biến thành triti, đi vào phản ứng nhiệt hạch với đơteri. Sơ đồ hai giai đoạn của điện tích nhiệt hạch là sạch nhất về năng suất phóng xạ, vì các neutron thứ cấp từ phản ứng nhiệt hạch đốt cháy uranium / plutonium chưa phản ứng thành các nguyên tố phóng xạ tồn tại trong thời gian ngắn, và bản thân các neutron bị dập tắt trong không khí bằng một tầm bắn khoảng 1,5 km.
Với mục đích uốn nếp đồng đều ở giai đoạn thứ hai, phần thân của điện tích nhiệt hạch được làm ở dạng vỏ đậu phộng, đặt phần lắp ráp của giai đoạn đầu vào trọng tâm hình học của một phần vỏ và phần lắp ráp của giai đoạn thứ hai trong trọng tâm hình học của phần khác của vỏ. Các cụm được treo trong phần lớn của cơ thể bằng cách sử dụng chất độn bọt hoặc aerogel. Theo quy luật quang học, bức xạ tia X từ vụ nổ của giai đoạn đầu tiên tập trung ở phần thu hẹp giữa hai phần của vỏ và phân bố đều trên bề mặt của giai đoạn thứ hai. Để tăng khả năng phản xạ trong phạm vi tia X, bề mặt bên trong của thân điện tích và bề mặt bên ngoài của cụm giai đoạn hai được phủ một lớp vật liệu dày đặc: chì, vonfram hoặc uranium U-238. Trong trường hợp thứ hai, điện tích nhiệt hạch trở thành ba giai đoạn - dưới tác dụng của các nơtron từ phản ứng nhiệt hạch, U-238 biến thành U-235, mà các nguyên tử của chúng tham gia vào phản ứng phân hạch và tăng sức nổ.
Sơ đồ ba giai đoạn được kết hợp trong thiết kế bom hàng không AN-602 của Liên Xô, sức mạnh thiết kế của nó là 100 tấn. Trước khi thử nghiệm, giai đoạn thứ ba đã được loại trừ khỏi thành phần của nó bằng cách thay thế uranium U-238 bằng chì do nguy cơ mở rộng vùng bụi phóng xạ từ sự phân hạch của U-238 ra ngoài khu vực thử nghiệm. Công suất thực tế của việc sửa đổi hai giai đoạn của AN-602 là 58 triệu tấn. Có thể tăng thêm sức mạnh của điện tích nhiệt hạch bằng cách tăng số điện tích nhiệt hạch trong thiết bị nổ kết hợp. Tuy nhiên, điều này là không cần thiết do không có đủ mục tiêu - thiết bị tương tự hiện đại của AN-602, được đặt trên phương tiện dưới nước Poseidon, có bán kính phá hủy các tòa nhà và công trình kiến trúc bởi sóng xung kích 72 km và bán kính đám cháy 150 km, đủ để phá hủy các siêu đô thị như New York hay Tokyo
Từ quan điểm hạn chế hậu quả của việc sử dụng vũ khí hạt nhân (nội địa hóa lãnh thổ, giảm thiểu phát tán phóng xạ, mức độ chiến thuật của việc sử dụng), cái gọi là Phím một tầng chính xác có công suất lên đến 1 Ktn, được thiết kế để tiêu diệt các mục tiêu điểm - hầm chứa tên lửa, sở chỉ huy, trung tâm thông tin liên lạc, radar, hệ thống tên lửa phòng không, tàu, tàu ngầm, máy bay ném bom chiến lược, v.v.
Thiết kế của một loại điện tích như vậy có thể được thực hiện dưới dạng một cụm nổ, bao gồm hai thấu kính kích nổ hình elip (chất nổ hóa học từ HMX, vật liệu trơ làm bằng polypropylene), ba vỏ hình cầu (phản xạ neutron làm bằng berili, bộ tạo áp điện làm bằng cesium iodide, vật liệu phân hạch từ plutonium) và một quả cầu bên trong (nhiên liệu tổng hợp lithium deuteride)
Dưới tác dụng của sóng áp suất hội tụ, cesium iodide tạo ra một xung điện từ siêu mạnh, dòng điện tử tạo ra bức xạ gamma trong plutonium, đánh bật neutron ra khỏi hạt nhân, do đó bắt đầu phản ứng phân hạch tự lan truyền, tia X nén và làm nóng lithium deuteride, dòng neutron tạo ra triti từ liti, chất này đi vào phản ứng với đơteri. Chiều hướng tâm của phản ứng phân hạch và nhiệt hạch đảm bảo sử dụng 100% nhiên liệu nhiệt hạch.
Có thể phát triển thêm các thiết kế điện tích hạt nhân theo hướng giảm thiểu công suất và độ phóng xạ bằng cách thay thế plutonium bằng một thiết bị nén laser của một viên nang có hỗn hợp triti và đơteri.
