1.3. Принципы устройства ядерных зарядов на основе реакций

- деления тяжелых ядер;

- термоядерного синтеза;

- принципиально новые типы ЯО 3-го и 4-го поколения

Главной частью ядерного боеприпаса является ядерный заряд, в котором происходят взрывные реакции. Основу ядерного заряда составляет ядерное взрывчатое вещество (ЯВВ), иногда его называют ядерным горючим. Для осуществления ядерного взрыва применяется:

- цепная деления ядер тяжелых элементов, таких как уран-235, уран-233, плутоний-239.

- реакция синтеза ядер легких элементов (термоядерная реакция) изотопов водорода (дейтерия и трития) или дейтерий-литиевая смесь.

Деление ядерного горючего, т.е. ЯВВ происходит под действием нейтронов. Первичный нейтрон, попав в ядро, например урана-235, расщепляет его на два осколка. При этом выделяется два или три вторичных нейтрона и освобождается значительное количество ядерной энергии. Когда количество вторичных нейтронов продолжает нарастать в ядерном веществе количество делящихся ядер лавинообразно увеличивается. Это саморазвивающаяся реакция, начавшись делением одного или нескольких ядер и вовлекающая в процесс деления все больше число ядер называется цепной реакцией. Она протекает в миллионные доли секунды, сопровождается выделением колоссальной энергии и представляет собой ядерный (или как называли прежде атомный) взрыв (Рис.1).

Цепная реакция может развиваться в ядерном веществе только тогда, когда оно будет иметь определенную массу, в противном случае вторичные нейтроны вылетают за пределы вещества, не участвуя в процессе деления ядер. Наименьшее количество ядерного вещества, в котором развивается цепная реакция называется критической массой. Масса вещества, превышающая критическую, носит название надкритической, а если она будет меньше критической – подкритической.

Величина критической массы зависит не только от самого делящегося вещества, но и от его геометрической формы. Заряд, имеющий форму шара будет иметь наименьшую критическую массу.

Критическую массу можно уменьшить, если искусственно увеличить плотность вещества путем обжатия ядерного горючего направленной внутрь взрывной волной от обычного ВВ. Этот метод называется имплозивным. Если ядерный заряд поместить в оболочку – отражатель нейтронов, то величина критической массы будет уменьшаться. Это один из способов осуществления ядерного взрыва (Рис. 2).

Более простой способ называется пушечным.

Пушечный способ состоит в том, чтобы несколько разрозненных подкритических кусков ядерного вещества соединить в единое целое с надкритической массой (Рис. 3).

В зоне ядерной реакции температура может достигать десятков миллионов градусов, а давление несколько миллиардов атмосфер. При таких условиях только небольшая часть ядерного вещества успевает разделиться, остальная же часть ядерного горючего безвозвратно теряется. Отношение количества разделившегося вещества к общему количеству вещества в ядерном заряде называется коэффициентом использования ядерного заряда. В разных зарядах он колеблется от 5 – 7 % до 25 – 30 %.

В ядерных боеприпасах в Хиросиме и Нагасаки коэффициент использования ядерного заряда не превышал 10 %.

Ядерные заряды, в которых используется реакция деления тяжелых ядер, имеют ограничения по мощности. Другой способ создания ядерного заряда с практически неограниченной мощностью состоит в осуществлении реакции синтеза легких ядер. В качестве ядерного горючего здесь применяется смесь изотопов водорода дейтерия (Д) и трития (Т). По этой причине раньше такой боеприпас носил название водородного. Важнейшим условием для протекания реакции синтеза является высокая температура в десятки и сотни миллионов градусов. Для создания такой температуры предусматривается в качестве детонатора реакция деления тяжелых ядер урана-235 или плутония-239. Реакция синтеза может протекать по схеме:

t⁰

Д + Т  ⁴₂Не + ¹₀n + 17,6 МэВ

В качестве ядерного горючего для термоядерной реакции считается возможным использовать дейтерий-литиевую смесь, которая при взаимодействии с нейтронами образует тритий, вступающий в реакцию с дейтерием.

При термоядерных реакциях образуются быстрые и сверхбыстрые нейтроны. Эти нейтроны способны вызывать деление ядер обычного природного урана-238. На основе этого созданы комбинированные термоядерные заряды, где основная часть энергии образуется за счет деления ядер урана-238, образующего своеобразную оболочку ядерного заряда.

Различают ядерные заряды деления (ранее они назывались атомными), термоядерные (водородные) заряды типа «деление- синтез» и комбинированные термоядерные заряды типа «деление-синтез-деление».

Третье поколение ядерного оружия – это рентгеновский лазер. Его действие заключается в накачке энергией ядерного взрыва рабочего тела с последующим излучением им рентгеновских лучей. Однако данное оружие не нашло военного применения и использовалось в качестве блефа американской администрацией в рамках «Стратегической оборонной инициативы» (СОИ) как оружие противоракетной обороны.

ЯО четвертого поколения представляет собой чисто термоядерный боеприпас, в котором реакция синтеза инициируется каким-либо альтернативным источником. С этой целью ведется разработка компактных сверхмощных импульсных источников электромагнитной энергии. Уже сконструированы такие мощные генераторы (FC – генераторы), способные путем сжатия магнитного потока взрывом обычной взрывчатки производить электрический ток, в 10 – 1000 раз превышающий ток в разряде типичной молнии. Предположительно, что подобный генератор использовался в американской электромагнитной бомбе (Е-бомба). Взрыв этой бомбы, 26 марта 2003 года вывел из строя все электронное оборудование телецентра в Багдаде. На базе последних достижений нанотехнологий разработаны мощные накопители электрической энергии. Такие конденсаторы могут быть использованы для накачки микролазеров, расположенных в боеголовке, и тем самым инициировать взрывную реакцию. Применение чисто термоядерного боеприпаса сведет к минимуму радиоактивное заражение.

Нейтронный боеприпас – разновидность ядерных боеприпасов с термоядерным зарядом малой мощности, отличающаяся повышенным выходом нейтронного излучения. В состав заряда нейтронного боеприпаса входит дейтерий-тритиевая смесь. Поражающее действие нейтронного боеприпаса на людей определяется проникающей радиацией, доза которой почти в 10 раз больше такого же по мощности ядерного заряда деления на одном и том же расстоянии от эпицентра взрыва.