الأسلحة النووية هي الأكثر فعالية في تاريخ البشرية من حيث التكلفة / الكفاءة: تشكل التكاليف السنوية لتطوير واختبار وتصنيع وصيانة هذه الأسلحة من 5 إلى 10 في المائة من الميزانية العسكرية للولايات المتحدة و الاتحاد الروسي - البلدان التي لديها مجمع إنتاج نووي تم تشكيله بالفعل ، وهندسة طاقة ذرية متطورة ، وتوافر أسطول من أجهزة الكمبيوتر العملاقة للنمذجة الرياضية للانفجارات النووية.
يعتمد استخدام الأجهزة النووية للأغراض العسكرية على خاصية ذرات العناصر الكيميائية الثقيلة لتتحلل إلى ذرات عناصر أخف مع إطلاق الطاقة على شكل إشعاع كهرومغناطيسي (نطاقات جاما والأشعة السينية) ، وكذلك في شكل الطاقة الحركية لتشتت الجسيمات الأولية (النيوترونات والبروتونات والإلكترونات) ونواة ذرات العناصر الأخف (السيزيوم والسترونشيوم واليود وغيرها)
أكثر العناصر الثقيلة شيوعًا هي اليورانيوم والبلوتونيوم. نظائرها ، عند انشطار نواتها ، تنبعث من 2 إلى 3 نيوترونات ، والتي بدورها تسبب انشطار نوى الذرات المجاورة ، إلخ. يحدث تفاعل التكاثر الذاتي (ما يسمى بالسلسلة) مع إطلاق كمية كبيرة من الطاقة في المادة. لبدء التفاعل ، يلزم وجود كتلة حرجة معينة ، سيكون حجمها كافياً لالتقاط النيوترونات بواسطة النوى الذرية دون انبعاث نيوترونات خارج المادة. يمكن تقليل الكتلة الحرجة باستخدام عاكس نيوتروني ومصدر نيوتروني بادئ
يبدأ تفاعل الانشطار بدمج كتلتين دون حرجين في كتلة واحدة فوق حرجة أو بضغط غلاف كروي لكتلة فوق حرجة في كرة ، وبالتالي زيادة تركيز المادة الانشطارية في حجم معين. يتم دمج المواد الانشطارية أو ضغطها عن طريق انفجار موجه لمتفجرات كيميائية.
بالإضافة إلى تفاعل الانشطار للعناصر الثقيلة ، يتم استخدام تفاعل تخليق العناصر الخفيفة في الشحنات النووية. يتطلب الاندماج النووي الحراري تسخين وضغط المادة حتى عشرات الملايين من الدرجات والأغلفة الجوية ، والتي يمكن توفيرها فقط بسبب الطاقة المنبعثة أثناء تفاعل الانشطار. لذلك ، تم تصميم الشحنات النووية الحرارية وفقًا لمخطط من مرحلتين. نظائر الهيدروجين والتريتيوم والديوتيريوم (تتطلب قيمًا دنيا لدرجة الحرارة والضغط لبدء تفاعل الاندماج) أو مركب كيميائي ، ديوتريد الليثيوم (الأخير ، تحت تأثير النيوترونات من انفجار المرحلة الأولى ، ينقسم إلى التريتيوم والهيليوم) كعناصر خفيفة. يتم إطلاق الطاقة في تفاعل الاندماج على شكل إشعاع كهرومغناطيسي وطاقة حركية للنيوترونات والإلكترونات ونواة الهيليوم (ما يسمى بجزيئات ألفا). إن إطلاق الطاقة لتفاعل الاندماج لكل وحدة كتلة أعلى بأربع مرات من تفاعل الانشطار
يستخدم التريتيوم ومنتجه ذاتي الاضمحلال كمصدر للنيوترونات لبدء تفاعل الانشطار. يدخل التريتيوم أو خليط من نظائر الهيدروجين ، تحت تأثير انضغاط قشرة البلوتونيوم ، جزئيًا في تفاعل اندماج مع إطلاق نيوترونات ، والتي تحول البلوتونيوم إلى حالة فوق حرجة.
المكونات الرئيسية للرؤوس النووية الحديثة هي كما يلي:
- نظير مستقر (غير انشطاري تلقائيًا) لليورانيوم U-238 ، المستخرج من خام اليورانيوم أو (في شكل شوائب) من خام الفوسفات ؛
- النظير المشع (الانشطاري تلقائيًا) لليورانيوم U-235 ، المستخرج من خام اليورانيوم أو المنتج من اليورانيوم 238 في المفاعلات النووية ؛
- النظير المشع للبلوتونيوم Pu-239 المنتج من اليورانيوم 238 في المفاعلات النووية ؛
- نظير ثابت للهيدروجين ديوتيريوم D ، المستخرج من المياه الطبيعية أو المنتج من البروتيوم في المفاعلات النووية ؛
- النظير المشع للهيدروجين تريتيوم T ، المنتج من الديوتيريوم في المفاعلات النووية ؛
- نظير مستقر من الليثيوم Li-6 المستخرج من الخام ؛
- نظير مستقر للبريليوم Be-9 ، المستخرج من الخام ؛
- HMX و triaminotrinitrobenzene ، متفجرات كيميائية.
الكتلة الحرجة للكرة المصنوعة من U-235 بقطر 17 سم هي 50 كجم ، والكتلة الحرجة للكرة المصنوعة من البلوتونيوم 239 بقطر 10 سم هي 11 كجم. باستخدام عاكس النيوترون البريليوم ومصدر نيوترون التريتيوم ، يمكن تقليل الكتلة الحرجة إلى 35 و 6 كجم على التوالي.
للقضاء على خطر التشغيل التلقائي للشحنات النووية ، يستخدمون ما يسمى ب. البلوتونيوم - 239 المستخدم في صنع الأسلحة ، والمنقى من نظائر البلوتونيوم الأخرى الأقل استقرارًا إلى مستوى 94٪. على مدار 30 عامًا ، يتم تنقية البلوتونيوم من منتجات الاضمحلال النووي العفوي لنظائره. من أجل زيادة القوة الميكانيكية ، يتم خلط البلوتونيوم بنسبة 1 في المائة من كتلة الغاليوم ومغلف بطبقة رقيقة من النيكل لحمايته من الأكسدة.
لا تتجاوز درجة حرارة التسخين الذاتي الإشعاعي للبلوتونيوم أثناء تخزين الشحنات النووية 100 درجة مئوية ، وهو أقل من درجة حرارة تحلل مادة كيميائية متفجرة.
اعتبارًا من عام 2000 ، قدرت كمية البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة والمتوفر لدى الاتحاد الروسي بنحو 170 طنًا ، والولايات المتحدة - 103 أطنان ، بالإضافة إلى عدة عشرات من الأطنان المقبولة للتخزين من دول الناتو واليابان وكوريا الجنوبية ، التي لا تمتلك أسلحة نووية. يمتلك الاتحاد الروسي أكبر قدرة إنتاج للبلوتونيوم في العالم في شكل مفاعلات نووية سريعة الاستخدام وقادرة على صنع الأسلحة. جنبا إلى جنب مع البلوتونيوم بتكلفة حوالي 100 دولار أمريكي للجرام (5-6 كجم لكل شحنة) ، يتم إنتاج التريتيوم بتكلفة حوالي 20 ألف دولار أمريكي للجرام (4-5 جرام لكل شحنة).
كانت أقدم تصاميم شحنات الانشطار النووي هي كيد ورجل فات ، تم تطويرها في الولايات المتحدة في منتصف الأربعينيات. اختلف النوع الأخير من الشحنة عن النوع الأول في المعدات المعقدة لمزامنة تفجير العديد من أجهزة التفجير الكهربائية وفي أبعادها العرضية الكبيرة.
صُنع "كيد" وفقًا لمخطط مدفع - تم تركيب برميل مدفعي على طول المحور الطولي لجسم القنبلة الجوية ، وفي نهايته المكتومة كان نصف المادة الانشطارية (يورانيوم U-235) ، النصف الثاني من المادة الانشطارية عبارة عن قذيفة تسارعت بواسطة شحنة مسحوق. كان عامل استخدام اليورانيوم في تفاعل الانشطار حوالي 1 في المائة ، بينما سقطت بقية كتلة اليورانيوم 235 على شكل تداعيات إشعاعية بعمر نصف يبلغ 700 مليون سنة.
صُنع "فات مان" وفقًا لمخطط انفجاري - كرة مجوفة من مادة انشطارية (البلوتونيوم Pu-239) كانت محاطة بقذيفة مصنوعة من اليورانيوم U-238 (دافع) وقذيفة من الألومنيوم (مروي) وقذيفة (انفجار داخلي) المولد) ، المكون من خمسة أجزاء سداسية من مادة متفجرة كيميائية ، تم تركيب صواعق كهربائية على السطح الخارجي لها. كان كل جزء عبارة عن عدسة تفجير لنوعين من المتفجرات بمعدلات تفجير مختلفة ، مما يحول موجة الضغط المتباعدة إلى موجة متقاربة كروية ، وتضغط بشكل موحد على غلاف الألمنيوم ، والذي بدوره يضغط قشرة اليورانيوم ، وهذا النوع - كرة البلوتونيوم حتى التجويف الداخلي مغلق. تم استخدام ماص من الألومنيوم لامتصاص ارتداد موجة الضغط أثناء مرورها إلى مادة ذات كثافة أعلى ، واستخدم دافع اليورانيوم للاحتفاظ بالبلوتونيوم بشكل خامل أثناء تفاعل الانشطار. في التجويف الداخلي للكرة البلوتونيوم ، تم تحديد مصدر نيوتروني ، مصنوع من النظير المشع بولونيوم Po-210 والبريليوم ، اللذين ينبعثان من النيوترونات تحت تأثير إشعاع ألفا من البولونيوم. كان عامل الاستفادة من المادة الانشطارية حوالي 5 في المائة ، وكان نصف العمر للتساقط الإشعاعي 24 ألف سنة.
مباشرة بعد إنشاء "Kid" و "Fat Man" في الولايات المتحدة ، بدأ العمل على تحسين تصميم الشحنات النووية ، سواء المدفع أو مخططات الانفجار الداخلي ، بهدف تقليل الكتلة الحرجة ، وزيادة معدل استخدام المادة الانشطارية ، وتبسيط نظام تفجير كهربائي وتقليل الحجم. في الاتحاد السوفياتي والدول الأخرى - أصحاب الأسلحة النووية ، تم إنشاء التهم في البداية وفقًا لمخطط انفجاري. نتيجة لتحسين التصميم ، تم تقليل الكتلة الحرجة للمواد الانشطارية ، وزاد معامل استخدامها عدة مرات بسبب استخدام عاكس نيوتروني ومصدر نيوتروني.
عاكس النيوترون البريليوم عبارة عن غلاف معدني يصل سمكه إلى 40 مم ، ومصدر النيوترون عبارة عن تريتيوم غازي يملأ تجويفًا في البلوتونيوم ، أو هيدريد الحديد المشبع بالتريتيوم مع التيتانيوم المخزن في أسطوانة منفصلة (معزز) ويطلق التريتيوم تحت تأثير التسخين بالكهرباء مباشرة قبل استخدام الشحنة النووية ، وبعد ذلك يتم تغذية التريتيوم عبر خط أنابيب الغاز في الشحنة. يتيح الحل التقني الأخير مضاعفة قوة الشحنة النووية اعتمادًا على حجم التريتيوم الذي يتم ضخه ، كما يسهل أيضًا استبدال خليط الغاز بخليط جديد كل 4-5 سنوات ، نظرًا لأن نصف عمر التريتيوم هو 12 سنة. تجعل الكمية الزائدة من التريتيوم في المعزز من الممكن تقليل الكتلة الحرجة للبلوتونيوم إلى 3 كجم وزيادة تأثير عامل ضار مثل الإشعاع النيوتروني (عن طريق تقليل تأثير العوامل الضارة الأخرى - موجة الصدمة والإشعاع الضوئي). نتيجة لتحسين التصميم ، زاد عامل استخدام المواد الانشطارية إلى 20٪ ، في حالة وجود فائض من التريتيوم - حتى 40٪.
تم تبسيط مخطط المدفع بسبب الانتقال إلى الانفجار الداخلي الشعاعي المحوري عن طريق صنع مجموعة من المواد الانشطارية على شكل أسطوانة مجوفة ، يتم سحقها بانفجار طرفين وشحنة متفجرة محورية واحدة
تم تحسين مخطط الانفجار الداخلي (SWAN) عن طريق صنع الغلاف الخارجي للمتفجر على شكل إهليلجي ، مما جعل من الممكن تقليل عدد عدسات التفجير إلى وحدتين متباعدتين عن أقطاب الشكل الإهليلجي - الفرق في تضمن سرعة موجة التفجير في المقطع العرضي لعدسة التفجير الاقتراب المتزامن لموجة الصدمة إلى السطح الكروي للطبقة الداخلية للمتفجر ، والتي يؤدي تفجيرها إلى ضغط قشرة البريليوم بشكل موحد (تجمع وظائف عاكس النيوترون و مثبط ارتداد موجة الضغط) وكرة بلوتونيوم مع تجويف داخلي مملوء بالتريتيوم أو خليط منه مع الديوتيريوم
التنفيذ الأكثر إحكاما لمخطط الانفجار الداخلي (المستخدم في المقذوف السوفيتي 152 ملم) هو تنفيذ مجموعة متفجرة من البريليوم والبلوتونيوم على شكل إهليلجي مجوف بسمك جدار متغير ، مما يوفر التشوه المحسوب للتجميع تحت تأثير موجة صدمة من انفجار متفجر إلى هيكل كروي نهائي
على الرغم من التحسينات التقنية المختلفة ، ظلت قوة شحنات الانشطار النووي محدودة بمستوى 100 كيلو طن في مكافئ تي إن تي بسبب التوسع الحتمي للطبقات الخارجية للمادة الانشطارية أثناء الانفجار مع استبعاد المادة من تفاعل الانشطار.
لذلك ، تم اقتراح تصميم لشحنة نووية حرارية ، والتي تشمل عناصر الانشطار الثقيل وعناصر الانصهار الخفيف. تم صنع أول شحنة نووية حرارية (Ivy Mike) على شكل خزان مبرد مملوء بمزيج سائل من التريتيوم والديوتيريوم ، حيث توجد شحنة نووية متفجرة من البلوتونيوم. نظرًا للأبعاد الكبيرة للغاية والحاجة إلى التبريد المستمر للخزان المبرد ، تم استخدام مخطط مختلف في الممارسة العملية - "نفث" (RDS-6s) ، والذي يتضمن عدة طبقات متناوبة من اليورانيوم والبلوتونيوم وديوتريد الليثيوم مع عاكس البريليوم الخارجي ومصدر التريتيوم الداخلي
ومع ذلك ، فإن قوة "النفخة" كانت محدودة أيضًا بمستوى 1 مليون طن بسبب بداية تفاعل الانشطار والتوليف في الطبقات الداخلية وتمدد الطبقات الخارجية غير المتفاعلة. من أجل التغلب على هذا القيد ، تم تطوير مخطط لضغط العناصر الخفيفة لتفاعل الاندماج بواسطة الأشعة السينية (المرحلة الثانية) من تفاعل الانشطار للعناصر الثقيلة (المرحلة الأولى). يسمح الضغط الهائل لتدفق فوتونات الأشعة السينية المنبعثة في تفاعل الانشطار بضغط ديوتريد الليثيوم 10 مرات مع زيادة الكثافة بمقدار 1000 مرة وتسخينه أثناء عملية الضغط ، وبعد ذلك يتعرض الليثيوم لتدفق النيوترونات من تفاعل الانشطار ، يتحول إلى التريتيوم ، والذي يدخل في تفاعلات الاندماج مع الديوتيريوم. يعد مخطط الشحنة الحرارية النووية المكون من مرحلتين هو الأنظف من حيث إنتاج النشاط الإشعاعي ، حيث تحرق النيوترونات الثانوية من تفاعل الاندماج اليورانيوم / البلوتونيوم غير المتفاعل إلى عناصر مشعة قصيرة العمر ، ويتم إطفاء النيوترونات نفسها في الهواء باستخدام نطاق حوالي 1.5 كم.
لغرض العقص المنتظم للمرحلة الثانية ، يتكون جسم الشحنة الحرارية النووية على شكل قشرة الفول السوداني ، مع وضع تجميع المرحلة الأولى في التركيز الهندسي لجزء واحد من القشرة ، وتجميع المرحلة الثانية في التركيز الهندسي للجزء الآخر من الغلاف. يتم تعليق التجمعات في الجزء الأكبر من الجسم باستخدام حشو الرغوة أو الهوائي. وفقًا لقواعد البصريات ، يتركز إشعاع الأشعة السينية الناتج عن انفجار المرحلة الأولى في التضييق بين جزأي الغلاف ويتم توزيعه بالتساوي على سطح المرحلة الثانية. من أجل زيادة الانعكاسية في نطاق الأشعة السينية ، يتم تغطية السطح الداخلي لجسم الشحن والسطح الخارجي لتجميع المرحلة الثانية بطبقة من مادة كثيفة: الرصاص أو التنجستن أو اليورانيوم U-238. في الحالة الأخيرة ، تصبح الشحنة الحرارية النووية ثلاثية المراحل - تحت تأثير النيوترونات الناتجة عن تفاعل الاندماج ، يتحول U-238 إلى U-235 ، الذي تدخل ذراته في تفاعل انشطاري وتزيد من قوة الانفجار.
تم دمج المخطط المكون من ثلاث مراحل في تصميم القنبلة الجوية السوفيتية AN-602 ، والتي كانت قوتها التصميمية 100 مليون طن. قبل الاختبار ، تم استبعاد المرحلة الثالثة من تكوينها عن طريق استبدال اليورانيوم U-238 بالرصاص بسبب خطر توسيع منطقة السقوط الإشعاعي من انشطار U-238 خارج موقع الاختبار. القدرة الفعلية لتعديل مرحلتين AN-602 كانت 58 مليون طن. يمكن زيادة قوة الشحنات النووية الحرارية عن طريق زيادة عدد الشحنات النووية الحرارية في الجهاز المتفجر المشترك. ومع ذلك ، هذا ليس ضروريًا بسبب عدم وجود أهداف كافية - التناظرية الحديثة لـ AN-602 ، الموضوعة على متن مركبة Poseidon تحت الماء ، لها دائرة نصف قطرها من تدمير المباني والهياكل بواسطة موجة صدمة تبلغ 72 كم ونصف قطرها من حرائق 150 كم ، وهو ما يكفي لتدمير المدن الكبرى مثل نيويورك أو طوكيو
من وجهة نظر الحد من عواقب استخدام الأسلحة النووية (التوطين الإقليمي ، والتقليل من إطلاق النشاط الإشعاعي ، ومستوى الاستخدام التكتيكي) ، ما يسمى شحنات دقيقة أحادية المرحلة بسعة تصل إلى 1 Ktn ، وهي مصممة لتدمير الأهداف النقطية - صوامع الصواريخ ، والمقار ، ومراكز الاتصالات ، والرادارات ، وأنظمة صواريخ الدفاع الجوي ، والسفن ، والغواصات ، والقاذفات الاستراتيجية ، إلخ.
يمكن إجراء تصميم مثل هذه الشحنة في شكل تجميع داخلي ، والذي يتضمن عدستين تفجير بيضاوي الشكل (متفجر كيميائي من HMX ، مادة خاملة مصنوعة من مادة البولي بروبيلين) ، ثلاث قذائف كروية (عاكس نيوتروني مصنوع من البريليوم ، مولد كهربائي انضغاطي مصنوع من يوديد السيزيوم ، مادة انشطارية من البلوتونيوم) وكرة داخلية (وقود اندماج ديوتريد الليثيوم)
تحت تأثير موجة الضغط المتقاربة ، يولد يوديد السيزيوم نبضًا كهرومغناطيسيًا قويًا للغاية ، ويولد تدفق الإلكترون إشعاع غاما في البلوتونيوم ، والذي يزيل النيوترونات من النوى ، وبالتالي يبدأ تفاعل الانشطار الذاتي الانتشار ، وضغط الأشعة السينية وتسخين ديوتريد الليثيوم ، يولد تدفق النيوترونات التريتيوم من الليثيوم ، والذي يدخل في تفاعل مع الديوتيريوم. يضمن الاتجاه المركزي لتفاعلات الانشطار والاندماج استخدام الوقود النووي الحراري بنسبة 100٪.
يمكن إجراء مزيد من التطوير لتصميمات الشحنة النووية في اتجاه تقليل الطاقة والنشاط الإشعاعي عن طريق استبدال البلوتونيوم بجهاز لضغط الكبسولة بالليزر بمزيج من التريتيوم والديوتيريوم.
