Общая характеристика ядерного оружия

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

З ДИСЦИПЛІНИ «ПЕРЕТВОРЮВАЛЬНА ТЕХНІКА»

ДЛЯ СПЕЦІАЛІСТІВ СПЕЦІАЛЬНОСТІ 7.090603

«Електротехнічні системи електроспоживання»

Укладачі: Микола Степанович Путілін

Андрій Олександрович Бойко

Конспект лекций

Тема 1. Ядерное оружие и основы устройства.

1.Общая характеристика ядерного оружия.

2.Виды ядерных взрывов.

3.Поражающие факторы ядерного взрыва.

4.Характеристика очага ядерного поражения.

5.Нейтронные боеприпасы.

6.Средства доставки и носители ядерного оружия

Общая характеристика ядерного оружия.

Ядерным оружием (ЯО) называются боеприпасы, действие которых основано на использовании внутриядерной энергии, выделяющейся при взрывных ядерных реакциях.

К ядерным боеприпасам относятся боевые части ракет и торпед, авиационные бомбы, артиллерийские снаряды, глубинные бомбы и мины (атомные фугасы), снаряженные ядерными зарядами.

Поражающими факторами ядерного оружия являются: ударная волна, световое излучение, проникающая радиация, радиоактивное заражение и электромагнитный импульс.

Поражающие действия ядерного взрыва зависят от мощности боеприпаса, вида взрыва, типа ядерного заряда.

Мощность ядерного боеприпаса принято характеризовать тротиловым эквивалентом – массой обычного взрывчатого вещества (тротила), энергия взрыва которого эквивалентна энергии взрыва данного ядерного боеприпаса. Тротиловый эквивалент измеряется в тоннах, килотоннах или мегатоннах (т, кт, Мт).

По мощности ядерные боеприпасы подразделяются на сверхмалые (менее 1 кт), малые (1-10 кт), средние (10-100 кт), крупные (100-1000 кт) и сверхкрупные (более 1000 кт).

Источником энергии ядерного взрыва являются процессы, происходящие в ядрах атомов химических элементов. При различных превращениях ядер – разделении тяжелых ядер на две части (осколки) или соединении легких ядер – в течение весьма малого промежутка времени освобождается огромное количество энергии, называемой ядерной энергией. Так, при делении всех ядер атомов, находящихся в I г урана-235, освобождается такое же количество энергии, как при взрыве тротилового заряда массой 20 т.

Примечание. Почти вся масса атома химического элемента сосредоточена в его ядре. Масса ядра определяется количеством нуклонов (протонов и нейтронов). Легкие ядра – ядра химических элементов с меньшим числом нуклонов (расположены в верхней части периодической системы Д. И. Менделеева), тяжелые – ядра химических элементов с большим числом нуклонов (расположены в нижней части периодической системы). Между нуклонами действуют особого рода силы – ядерные. Вследствие огромного превышения сил притяжения над силами отталкивания ядра большей части химических элементов чрезвычайно прочны. Прочность ядер характеризуется энергией связи. По своей величине энергия связи равна той работе, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны. Такое же количество энергииосвобождается при образовании ядра из нуклонов. В зависимости от типа ядерного заряда и характера происходящих взрывных реакций различают два основных вида ядерных боеприпасов: атомные (ядерные) и термоядерные.

В атомных боеприпасах энергия взрыва получается в результате цепной реакции деления тяжелых ядер атомов вещества заряда - ядерного взрывчатого вещества (ЯВВ).

В качестве ядерного заряда в атомных боеприпасах используются плутоний-239, уран-235 и уран-233. Деление атомных ядер радиоактивных химических элементов может происходить самопроизвольно или при воздействии на них различных элементарных частиц.

В ядерных боеприпасах ядра атомов вещества заряда делятся при помощи нейтронов, которые сравнительно легко проникают в ядро атомов, и, поскольку они нейтральны, им не приходится преодолевать электрические силы отталкивания.

При определенной массе заряда (больше его критического значе­ния) протекает цепная ядерная реакция деления атомных ядер в миллионные доли секунды, сопровождающаяся выделением огромного количества энергии.

Критическая масса – это такое количество ядерного вещества, находящегося в определенных условиях, в котором протекает самоподдерживающаяся реакция деления атомных ядер – процесс деления идет с постоянной скоростью. В этом случае коэффициент развития реакции К_рр = 1 (К_рр определяет число делений ядер, вызванное одним делением в предыдущем звене реакции). При высокой степени надкритичности К_рр > 1, т. е. когда число последующих делений значительно превышает число предыдущих делений, реакция протекает лавинообразно в миллионные доли секунды и представляет собой ядерный взрыв.

Критическая масса зависит от вида делящегося вещества, его чистоты и плотности, а также формы заряда.

Критическая масса урана-233 и плутония-239 при нормальной плотности и чистоте 93,5 % составляет около 17 кг, а урана-235 – 48 кг. При увеличении примесей в делящемся веществе его критиче­ская масса возрастает. Критическая масса уменьшается обратно пропорционально, квадрату плотности делящегося вещества.

Основными частями ядерного боеприпаса являются: ядерное зарядное устройство (ядерный заряд), блок подрыва с предохранителя­ми и источниками питания и корпус боеприпаса.

Есть два способа осуществления ядерного взрыва. Первый из них состоит в том, что до взрыва ядерное вещество заряда в боеприпасе разделено на отдельные части (куски), каждая из которых имеет массу меньше критической и, следовательно, нет условий для протекания ядерной реакции. Для взрыва необходимо быстро соединить отдельные части заряда в один кусок, размеры и масса которого больше критической. Для соединения двух кусков заряда можно использовать выстрел одной части заряда в другую его часть, закрепленную в противоположном конце прочного металлического цилиндра, напоминающего орудийный ствол. Реакция деления инициируется от специального источника нейтронов. Такие заряды называют зарядами «пушечного» типа (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1. Ядерный заряд деления «пушечного» типа:

а – до взрыва; б – после взрыва ВВ; 1 – детонатор; 2 – заряд ВВ; 3 – отражатель нейтронов; 4 – ЯВВ; 5 – источник нейтронов; 6 – корпус ядерного заряда

Второй способ предполагает сильное обжатие подкритической массы ядерного вещества, что повышает плотность вещества заряда и переводит систему в надкритическое состояние (К_рр > 1), так как критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности вещества. Необходимое для этого обжатие можно получить с помощью взрыва обычного взрывчатого вещества, окружающего со всех сторон сферический ядерный заряд, в котором развивается цепная реакция деления. Такие заряды называют имплозивными. Рисунок 1.2

Рисунок 1.2. Ядерный заряд деления имплозивного типа:

а – до взрыва ВВ, плотность ЯВВ нормальная, масса его меньше критической; б – в момент взрыва ВВ, плотность ЯВВ выше нормальной, масса больше критической;

1 – детонатор; 2 – заряд ВВ; 3 – отражатель нейтронов; 4 – ЯВВ; 5 – источник нейтронов; 6 – корпус ядерного заряда

В термоядерных боеприпасах используются ядерные реакции синтеза (соединения) атомных ядер легких элементов дейтерия и трития. Условия для протекания реакции синтеза могут возникнуть при температуре в десятки миллионов градусов. Поскольку такую температуру удалось получить пока лишь в зоне цепной ядерной реакции, в качестве запального (инициирующего) устройства в термоядерных боеприпасах используются ядерные заряды деления.

В термоядерном боеприпасе вслед за взрывной реакцией деления, которая вызывает нагрев термоядерного горючего, происходит интенсивная реакция соединения ядер атомов дейтерия и трития, сопровождающаяся выделением огромного количества энергии. Ядерные заряды, в которых кроме реакции реакции деления происходит реакция синтеза атомных ядер легких элементов, называются термоядерными зарядами типа «деление – синтез» (двухфазные), (рисунок 1.3.). В таких зарядах, кроме плутония-239, урана-235 или урана-233, ядерным горючим является также смесь дейтерия и трития или соединение дейтерия с литием (дейтерид лития). При использовании дейтерида лития образование трития происходит в процессе самой реакции.

Рисунок 1.3.Схема устройства термоядерного заряда типа «деление - синтез»

(водородная бомба):

1 – ядерный детонатор (заряд действия); 2 – заряд для реакции синтеза (дейтерий лития); 3 – корпус термоядерного заряда

Термоядерная реакция сопровождается выделением нейтронов, обладающих очень большой энергией, – быстрых нейтронов. Такие нейтроны могут вызвать деление ядер урана-238, что позволяет создать заряды, в которых реакция синтеза используется как мощный источник быстрых нейтронов, обусловливающих деление большого числа ядер урана-238, из которого выполняется корпус заряда. В таких зарядах основная доля энергии образуется делением урана-238 – самого распространенного и дешевого ядерного вещества.

Ядерные заряды, энергия взрыва которых освобождается в результате трех ядерных реакций – реакции деления ядер урана или плутония в атомном заряде, реакции синтеза легких элементов термоядерного заряда и реакции деления ядер урана-238 быстрыми нейтронами, образующимися при реакции синтеза, – называют комбинированными зарядами или термоядерными зарядами типа «деление – синтез – деление» (трехфазные).

Следует подчеркнуть, что если мощность боеприпасов, в которых используется реакция деления тяжелых ядер, ограничена определенной величиной (порядка 100 кт), то применение реакции синтеза в термоядерных и комбинированных зарядах позволяет создать оружие практически с неограниченной мощностью.