Jaderné zbraně jsou z hlediska nákladů / účinnosti nejúčinnější v historii lidstva: roční náklady na vývoj, testování, výrobu a udržování provozu těchto zbraní tvoří 5 až 10 procent vojenského rozpočtu USA a Ruská federace - země s již vytvořeným komplexem jaderné výroby, rozvinutou atomovou energetikou a dostupností flotily superpočítačů pro matematické modelování jaderných výbuchů.
Použití jaderných zařízení pro vojenské účely je založeno na vlastnosti atomů těžkých chemických prvků rozpadat se na atomy lehčích prvků s uvolňováním energie ve formě elektromagnetického záření (rozsahy gama a rentgenového záření), jakož i v forma kinetické energie rozptylující elementární částice (neutrony, protony a elektrony) a jádra atomů lehčích prvků (cesium, stroncium, jód a další)
Nejoblíbenějšími těžkými prvky jsou uran a plutonium. Jejich izotopy při štěpení svého jádra emitují 2 až 3 neutrony, což následně způsobuje štěpení jader sousedních atomů atd. V látce dochází k samovolně se šířící (takzvané řetězové) reakci s uvolněním velkého množství energie. K zahájení reakce je zapotřebí určité kritické množství, jehož objem bude dostatečný pro zachycení neutronů atomovými jádry bez emise neutronů mimo látku. Kritickou hmotnost lze snížit pomocí neutronového reflektoru a iniciačního zdroje neutronů
Štěpná reakce je zahájena spojením dvou podkritických hmot do jedné nadkritické nebo stlačením sférické skořepiny nadkritické hmoty do koule, čímž se zvýší koncentrace štěpné hmoty v daném objemu. Štěpný materiál je kombinován nebo stlačován cílenou explozí chemické výbušniny.
V jaderných náložích se kromě štěpné reakce těžkých prvků využívá reakce syntézy lehkých prvků. Termonukleární fúze vyžaduje zahřátí a stlačení hmoty až na několik desítek milionů stupňů a atmosfér, které lze zajistit pouze díky energii uvolněné během štěpné reakce. Proto jsou termonukleární náboje navrženy podle dvoustupňového schématu. Izotopy vodíku, tritia a deuteria (vyžadující minimální hodnoty teploty a tlaku pro zahájení fúzní reakce) nebo chemické sloučeniny, deuteridu lithného (ten, pod působením neutronů z výbuchu prvního stupně, je rozdělen do tritia a helia) se používají jako lehké prvky. Energie při fúzní reakci se uvolňuje ve formě elektromagnetického záření a kinetické energie neutronů, elektronů a jader hélia (takzvané alfa částice). Uvolňování energie fúzní reakce na jednotku hmotnosti je čtyřikrát vyšší než při štěpné reakci
Tritium a deuterium, které se samo rozkládá, se také používají jako zdroj neutronů k zahájení štěpné reakce. Tritium nebo směs izotopů vodíku, působením stlačení pláště plutonia, částečně vstupuje do fúzní reakce s uvolňováním neutronů, které transformují plutonium do superkritického stavu.
Hlavní součásti moderních jaderných hlavic jsou následující:
-stabilní (samovolně štěpný) izotop uranu U-238, extrahovaný z uranové rudy nebo (ve formě nečistoty) z fosfátové rudy;
-radioaktivní (spontánně štěpný) izotop uranu U-235, extrahovaný z uranové rudy nebo vyrobený z U-238 v jaderných reaktorech;
-radioaktivní izotop plutonia Pu-239, vyrobený z U-238 v jaderných reaktorech;
- stabilní izotop vodíku deuteria D extrahovaného z přírodní vody nebo vyrobeného z protia v jaderných reaktorech;
- radioaktivní izotop vodíku tritia T, vyrobený z deuteria v jaderných reaktorech;
- stabilní izotop lithia Li-6, extrahovaný z rudy;
- stabilní izotop berylia Be-9, extrahovaný z rudy;
- HMX a triaminotrinitrobenzen, chemické výbušniny.
Kritická hmotnost koule vyrobené z U-235 o průměru 17 cm je 50 kg, kritická hmotnost koule vyrobené z Pu-239 o průměru 10 cm je 11 kg. Pomocí reflektoru neutronů berylia a zdroje neutronů tritia lze kritickou hmotnost snížit na 35, respektive 6 kg.
K eliminaci rizika spontánního provozu jaderných nábojů používají tzv. zbraňového stupně Pu-239, očištěného od ostatních, méně stabilních izotopů plutonia na úroveň 94%. S periodicitou 30 let se plutonium čistí z produktů spontánního jaderného rozpadu jeho izotopů. Aby se zvýšila mechanická pevnost, je plutonium legováno 1 hmotnostním procentem galia a potaženo tenkou vrstvou niklu, aby bylo chráněno před oxidací.
Teplota radiačního samozahřívání plutonia během skladování jaderných náloží nepřesahuje 100 stupňů Celsia, což je nižší než teplota rozkladu chemické výbušniny.
Od roku 2000 se množství plutonia na úrovni zbraní, které má Ruská federace k dispozici, odhaduje na 170 tun, Spojené státy - na 103 tun, plus několik desítek tun přijatých ke skladování ze zemí NATO, Japonska a Jižní Koreje, které nemají jaderné zbraně. Ruská federace má největší výrobní kapacitu plutonia na světě v podobě zbraňových a energetických rychlých reaktorů. Spolu s plutoniem za cenu asi 100 amerických dolarů za gram (5-6 kg na jedno nabití) se tritium vyrábí za cenu asi 20 tisíc amerických dolarů za gram (4-5 gramů na jedno nabití).
Nejstarší návrhy poplatků za jaderné štěpení byly Kid and Fat Man, vyvinuté ve Spojených státech v polovině čtyřicátých let minulého století. Druhý typ náboje se od prvního lišil složitým zařízením pro synchronizaci detonace mnoha elektrických rozbušek a velkými příčnými rozměry.
„Kid“byl vyroben podle schématu děla - dělostřelecká hlaveň byla namontována podél podélné osy těla letecké bomby, na jejímž tlumeném konci byla jedna polovina štěpného materiálu (uran U -235), druhá polovina štěpného materiálu byl projektil urychlený práškovou náplní. Faktor využití uranu při štěpné reakci byl asi 1 procento, zbytek hmoty U-235 vypadl ve formě radioaktivního spadu s poločasem rozpadu 700 milionů let.
„Fat Man“byl vyroben podle implozivního schématu-dutá koule štěpného materiálu (Pu-239 plutonium) byla obklopena skořápkou z uranu U-238 (posunovač), hliníkovou skořepinou (zhášeč) a skořápkou (imploze) generátor), tvořený pěti a šestiúhelníkovými segmenty chemické výbušniny, na jejichž vnějším povrchu byly instalovány elektrické rozbušky. Každý segment byl detonační čočkou dvou typů výbušnin s různými detonačními rychlostmi, které přeměňovaly rozbíhající se tlakovou vlnu na sférickou sbíhající se vlnu a rovnoměrně stlačovaly hliníkovou skořepinu, která následně stlačovala uranovou skořepinu, a tu jednu - sféru plutonia, dokud vnitřní dutina uzavřená. K absorbování zpětného rázu tlakové vlny, která přechází do materiálu s vyšší hustotou, byl použit hliníkový absorbér a během štěpné reakce byl k inertnímu držení plutonia použit tlačný uran. Ve vnitřní dutině sféry plutonia byl umístěn neutronový zdroj, vyrobený z radioaktivního izotopu polonia Po-210 a berylia, které emitovaly neutrony pod vlivem alfa záření z polonia. Faktor využití štěpné hmoty byl asi 5 procent, poločas rozpadu radioaktivního spadu byl 24 tisíc let.
Bezprostředně po vytvoření „Kid“a „Fat Man“v USA začaly práce na optimalizaci návrhu jaderných nábojů, jak kanónových, tak implozních schémat, zaměřených na snížení kritického množství, zvýšení míry využití štěpné hmoty, zjednodušení elektrický detonační systém a zmenšení velikosti. V SSSR a dalších státech - majitelích jaderných zbraní, byly náboje původně vytvořeny podle implozivního schématu. V důsledku optimalizace konstrukce byla snížena kritická hmotnost štěpného materiálu a koeficient jeho využití byl několikrát zvýšen díky použití neutronového reflektoru a zdroje neutronů.
Beryliový neutronový reflektor je kovová skořepina až do tloušťky 40 mm, zdrojem neutronů je plynné tritium vyplňující dutinu v plutonia nebo tritiem impregnovaný hydrid železa s titanem uloženým v samostatném válci (posilovač) a uvolňuje tritium působením zahřívání elektřinou bezprostředně před použitím jaderné vsázky, načež je tritium přiváděno plynovodem do vsázky. Druhé technické řešení umožňuje znásobit výkon jaderné vsázky v závislosti na objemu přečerpaného tritia a také usnadňuje výměnu plynné směsi za novou každých 4-5 let, protože poločas tritia je 12 let. Přebytečné množství tritia v posilovači umožňuje snížit kritickou hmotnost plutonia na 3 kg a výrazně zvýšit účinek tak škodlivého faktoru, jakým je neutronové záření (snížením účinku dalších škodlivých faktorů - rázové vlny a světelného záření). V důsledku optimalizace designu se faktor využití štěpného materiálu zvýšil na 20%, v případě přebytku tritia - až na 40%.
Schéma děla bylo zjednodušeno kvůli přechodu na radiálně-axiální implozi vytvořením řady štěpného materiálu ve formě dutého válce rozdrceného výbuchem dvou koncových a jedné axiální výbušné nálože
Implozivní schéma bylo optimalizováno (SWAN) vytvořením vnějšího pláště výbušniny ve formě elipsoidu, což umožnilo snížit počet detonačních čoček na dvě jednotky vzdálené od pólů elipsoidu - rozdíl v rychlost detonační vlny v příčném řezu detonační čočky zajišťuje současné přiblížení rázové vlny k sférickému povrchu vnitřní vrstvy výbušniny, jejíž detonace rovnoměrně stlačí obal berylia (kombinuje funkce neutronového reflektoru a tlumič zpětného rázu tlakové vlny) a sféra plutonia s vnitřní dutinou naplněnou tritiem nebo jeho směsí s deuteriem
Nejkompaktnější implementací implozního schématu (používaného v sovětském 152 mm projektilu) je provedení výbušné sestavy beryllium-plutonia ve formě dutého elipsoidu s proměnlivou tloušťkou stěny, která poskytuje vypočítanou deformaci sestavy působením rázové vlny z explozivního výbuchu do konečné sférické struktury
Přes různá technická vylepšení zůstala síla nábojů jaderného štěpení omezena na úroveň 100 Ktn v ekvivalentu TNT kvůli nevyhnutelné expanzi vnějších vrstev štěpné hmoty během exploze s vyloučením hmoty ze štěpné reakce.
Proto byl navržen návrh termonukleárního náboje, který zahrnuje jak prvky těžkého štěpení, tak prvky lehké fúze. První termonukleární nálož (Ivy Mike) byla vyrobena ve formě kryogenní nádrže naplněné kapalnou směsí tritia a deuteria, ve které byla umístěna implozivní jaderná nálož plutonia. Vzhledem k extrémně velkým rozměrům a potřebě neustálého chlazení kryogenní nádrže bylo v praxi použito jiné schéma - implozivní „puff“(RDS -6s), který obsahuje několik střídajících se vrstev uranu, plutonia a deuteridu lithia s externí reflektor berylia a vnitřní zdroj tritia
Síla „obláčku“však byla také omezena hladinou 1 Mtn v důsledku začátku štěpné a syntézní reakce ve vnitřních vrstvách a expanze nezreagovaných vnějších vrstev. Aby bylo toto omezení překonáno, bylo vyvinuto schéma pro kompresi lehkých prvků fúzní reakce rentgenovými paprsky (druhý stupeň) ze štěpné reakce těžkých prvků (první stupeň). Obrovský tlak toku rentgenových fotonů uvolněných při štěpné reakci umožňuje 10krát stlačit deuterid lithný se zvýšením hustoty 1000krát a zahřát během procesu komprese, načež je lithium vystaveno toku neutronů z štěpná reakce, měnící se v tritium, které vstupuje do fúzních reakcí s deuteriem. Dvoustupňové schéma termonukleárního náboje je z hlediska výtěžku radioaktivity nejčistší, protože sekundární neutrony z fúzní reakce spálí nezreagovaný uran / plutonium na radioaktivní prvky s krátkou životností a samotné neutrony ve vzduchu uhasí dosah asi 1,5 km.
Za účelem rovnoměrného krimpování druhého stupně je tělo termonukleárního náboje vyrobeno ve formě arašídové skořápky, přičemž sestava prvního stupně je umístěna v geometrickém ohnisku jedné části pláště a sestava druhý stupeň geometrického zaměření druhé části skořepiny. Sestavy jsou zavěšeny v převážné části těla pomocí pěnového nebo aerogelového plniva. Podle pravidel optiky je rentgenové záření z výbuchu prvního stupně soustředěno do zúžení mezi oběma částmi pláště a je rovnoměrně rozloženo po povrchu druhého stupně. Aby se zvýšila odrazivost v oblasti rentgenových paprsků, vnitřní povrch nábojového tělesa a vnější povrch sestavy druhého stupně jsou pokryty vrstvou hustého materiálu: olova, wolframu nebo uranu U-238. V druhém případě se termonukleární náboj stává třístupňovým-působením neutronů z fúzní reakce se U-238 mění na U-235, jehož atomy vstupují do štěpné reakce a zvyšují sílu výbuchu
Třístupňové schéma bylo začleněno do konstrukce sovětské letecké bomby AN-602, jejíž konstrukční výkon byl 100 Mtn. Před testem byl třetí stupeň vyloučen ze svého složení nahrazením uranu U-238 olovem kvůli riziku rozšíření zóny radioaktivního spadu ze štěpení U-238 mimo testovací místo. Skutečná kapacita dvoustupňové modifikace AN-602 byla 58 Mtn. Dalšího zvýšení výkonu termonukleárních náloží lze dosáhnout zvýšením počtu termonukleárních nábojů v kombinovaném výbušném zařízení. To však není nutné kvůli nedostatku adekvátních cílů - moderní analog AN -602, umístěný na palubě podvodního vozidla Poseidon, má poloměr zničení budov a struktur rázovou vlnou 72 km a poloměr požárů o délce 150 km, což je dost na zničení velkoměst jako New York nebo Tokio
Z hlediska omezení následků používání jaderných zbraní (územní lokalizace, minimalizace uvolňování radioaktivity, taktická úroveň využití) je tzv. přesné jednostupňové nálože s kapacitou až 1 Ktn, které jsou určeny k ničení bodových cílů - raketová sila, velitelství, komunikační centra, radary, raketové systémy protivzdušné obrany, lodě, ponorky, strategické bombardéry atd.
Návrh takového náboje může být proveden ve formě implozivní sestavy, která obsahuje dvě elipsoidní detonační čočky (chemická trhavina z HMX, inertní materiál z polypropylenu), tři sférické skořepiny (neutronový reflektor z berylia, piezoelektrický generátor vyrobený z jodid cesný, štěpný materiál z plutonia) a vnitřní koule (fúzní palivo deuterid lithný)
Působením sbíhající se tlakové vlny generuje jodid cesný supervelmocný elektromagnetický puls, tok elektronů generuje gama záření v plutoniu, které vyrazí neutrony z jader, čímž zahájí samo se šířící štěpnou reakci, rentgenové paprsky komprimují a ohřívají deuterid lithný Neutronový tok generuje tritium z lithia, které vstupuje do reakce s deuteriem. Dostředivý směr štěpných a fúzních reakcí zajišťuje 100% využití termonukleárního paliva.
Další vývoj návrhů jaderných nábojů ve směru minimalizace výkonu a radioaktivity je možný výměnou plutonia za zařízení pro laserovou kompresi kapsle směsí tritia a deuteria.
