Физико-технические основы устройства ядерного оружия

Ядерное оружие (ЯО) - оружие массового поражения взрывного действия, основанное на использовании внутриядерной энергии, выделяющейся при цепных реакциях деления тяжелых ядер неко­торых изотопов урана и плутония или термоядерных реакциях син­теза легких ядер - изотопов водорода (дейтерия и трития) - в более тяжелые, например ядра изотопов гелия.

Это оружие включает различные ядерные боеприпасы (боевые части ракет и торпед, авиационные и глубинные бомбы, артилле­рийские снаряды и мины, снаряженные ядерными зарядными уст­ройствами), средства управления ими и доставки к цели.

Ядерное оружие на настоящий момент является самым мощным оружием массового поражения, обладающим такими поражающи­ми факторами, как ударная волна, световое излучение, проникаю­щая радиация, радиоактивное заражение и электромагнитный им­пульс. Поражающее действие того или иного ядерного взрыва зависит от мощности использованного боеприпаса, вида взрыва и типа ядерного заряда.

Мощность ядерного взрыва принято характеризовать тротиловым эквивалентом. Это означает, что если мощность какого-либо ядерно­го взрыва равна 20 тыс. т, то при данном ядерном взрыве выделяется такая же энергия, как и при взрыве 20 тыс. т. тринитротолуола. Ядерные боеприпасы всех типов, в зависимости от мощности, подразделя­ется на сверхмалые (менее 1 тыс. т), малые (1-10 тыс. т), средние 10 -100 тыс. т), крупные (100 - 1000 тыс. т) и сверхкрупные (более 1000 тыс. т).

Источником энергии ядерного взрыва являются процессы, происходящие в ядрах атомов химических элементов. При различных превращениях ядер - разделении тяжелых ядер на части (осколки) или соединении легких ядер - за малый промежуток времени освобождается огромное количество энергии, называемой ядерной энергией. Иногда, в зависимости от типа заряда, употребляют более узкие понятия, например: атомное (ядерное) оружие (устройства, в которых используются цепные реакции деления), термоядерное оружие (основанное на цепной реакции синтеза), комбинированные заряды, нейтронное оружие.

В качестве ядерного заряда в атомных боеприпасах используется плутоний-239, уран-235 и уран-233.

В ядерных боеприпасах ядра атомов вещества делятся при помощи нейтронов, которые сравнительно легко проникают в ядро томов не преодолевая электрические силы отталкивания. При массе заряда большей его критической массы в миллионные доли секунды протекает цепная ядерная реакция деления атомных ядер, сопровождающаяся выделением огромного количества энергии.

Критическая масса зависит от вида делящего вещества, его чистоты и плотности, а также от 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. 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. В составе ядерно­го заряда находится главная часть - ядерное взрывчатое вещество.

Существуют два способа осуществления ядерного взрыва.

Первый из них состоит в том, чтобы два или несколько подкритических кусков ядерного взрывчатого вещества (ЯВВ) быстро со­единить в один, размеры и масса которого больше критических. Для этого используется выстрел одной частью заряда в другую его часть, закрепленную в противоположном конце металлического цилиндра. Такие боеприпасы называют боеприпасами «пушечно­го типа» (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Ядерный боеприпас «пушечного типа»:

1- детонатор; 2 - заряд взрывчатого вещества;

3 - отражатель нейтронов; 4 - ядерное взрывчатое вещество;

5 - источник нейтронов; 6 - корпус

Второй способ заключается в сильном обжатии подкритической массы ЯВВ, что повышает плотность вещества заряда в несколь­ко раз и переводит систему в надкритическое состояние, так как-критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности вещества. Необходимое для этого обжатие можно получить путем взрыва обычных взрывчатых веществ, окружающих со всех сто­рон сферический заряд с ЯВВ. Такой способ называется имплозив­ным (рис. 1.15).

В термоядерных боеприпасах используются ядерные реакции синтеза атомных ядер легких элементов дейтерия и трития. Взрыв ядерного детонатора вызывает нагрев термоядерного горючего, в результате чего происходит интенсивная реакция, сопровождаю­щаяся выделение огромного количества энергии.

Рис. 1.15. Ядерный боеприпас имплозивного типа:

1 - детонатор; 2 - заряд ВВ; 3 - отражатель нейтронов; 4 - ЯВВ;

5 - источник нейтронов; 6 - корпус

Принципиальная схема устройства термоядерного боеприпаса (водородной бомбы) приведена на рис 1.16.

Рис. 1.16. Схема устройства термоядерного боеприпаса

типа «деление-синтез»:

1 - ядерный детонатор; 2 - заряд дейтерида лития; 3 - корпус

Первой фазой взрыва такого боеприпаса является деление ура­на (плутония), находящегося в ядерном детонаторе. При взрыве ядерного детонатора испускаются нейтроны и рентгеновское из­лучение, которые облучают, а возникшая ударная волна обжимает заряд дейтерида лития. Образование трития и резкое повышение температуры инициируют термоядерную реакцию в боеприпасе (вторая фаза взрыва), в результате которой происходит соедине­ние ядер дейтерия и трития.

Если у заряда корпус изготовить из природного U-238, то быст­рые нейтроны могут вызвать деление ядер U-238. Это будет третья фаза взрыва. Такие боеприпасы, основанные на принципе «деле­ние-синтез-деление», называют трехфазными или комбинирован­ными.

Развитие ядерного оружия привело к созданию нейтронных бо­еприпасов.

Нейтронный боеприпас (рис. 1.17) представляет собой термо­ядерный заряд мощностью не более 10 тыс. т, у которого основная доля энергии выделяется за счет реакции синтеза ядер дейтерия и трития, а количество энергии, получаемой в результате деления тяжелых ядер в детонаторе, минимально, но достаточно для нача­ла реакции синтеза. Нейтронная составляющая проникающей ра­диации малого по мощности ядерного взрыва будет оказывать ос­новное поражающее воздействие на население. Так, для нейтронного боеприпаса на одинаковом расстоянии от эпицентра взрыва доза проникающей радиации примерно в 5-10 раз больше, чем для ядерного боеприпаса той же мощности.

Рис. 1.17.Схема устройства нейтронного боеприпаса «пушечного» типа:

1 - корпус боеприпаса; 2 - смесь дейтерия и трития; 3 - отражатель нейтронов;

4 - заряд Pu-239; 5 - заряд ВВ; 6 - детонатор; 7 - источник нейтронов