Le armi nucleari sono le più efficaci nella storia dell'umanità in termini di costo/efficienza: i costi annuali di sviluppo, collaudo, produzione e mantenimento in funzione di queste armi costituiscono dal 5 al 10 per cento del bilancio militare degli Stati Uniti e la Federazione Russa - paesi con un complesso di produzione nucleare già formato, sviluppato l'ingegneria dell'energia atomica e la disponibilità di una flotta di supercomputer per la modellazione matematica delle esplosioni nucleari.
L'uso di dispositivi nucleari per scopi militari si basa sulla proprietà degli atomi di elementi chimici pesanti di decadere in atomi di elementi più leggeri con il rilascio di energia sotto forma di radiazione elettromagnetica (gamma gamma e raggi X), nonché in la forma dell'energia cinetica delle particelle elementari di dispersione (neutroni, protoni ed elettroni) e dei nuclei degli atomi di elementi più leggeri (cesio, stronzio, iodio e altri)
Gli elementi pesanti più popolari sono l'uranio e il plutonio. I loro isotopi, quando fissino il loro nucleo, emettono da 2 a 3 neutroni, che a loro volta provocano la fissione dei nuclei degli atomi vicini, ecc. Nella sostanza si verifica una reazione autopropagante (la cosiddetta catena) con il rilascio di una grande quantità di energia. Per avviare la reazione è necessaria una certa massa critica, il cui volume sarà sufficiente per la cattura di neutroni da parte dei nuclei atomici senza l'emissione di neutroni all'esterno della sostanza. La massa critica può essere ridotta con un riflettore di neutroni e una sorgente di neutroni iniziale
La reazione di fissione viene lanciata combinando due masse subcritiche in una massa supercritica o comprimendo un guscio sferico di una massa supercritica in una sfera, aumentando così la concentrazione di materia fissile in un dato volume. Il materiale fissile è combinato o compresso da un'esplosione diretta di un esplosivo chimico.
Oltre alla reazione di fissione degli elementi pesanti, la reazione di sintesi degli elementi leggeri viene utilizzata nelle cariche nucleari. La fusione termonucleare richiede il riscaldamento e la compressione della materia fino a diverse decine di milioni di gradi e atmosfere, che possono essere fornite solo a causa dell'energia rilasciata durante la reazione di fissione. Pertanto, le cariche termonucleari sono progettate secondo uno schema a due stadi. Gli isotopi dell'idrogeno trizio e deuterio (che richiedono valori minimi di temperatura e pressione per avviare la reazione di fusione) o un composto chimico - deuteride di litio (quest'ultimo, sotto l'azione dei neutroni dall'esplosione del primo stadio, è suddiviso in trizio ed elio) sono usati come elementi leggeri. L'energia nella reazione di fusione viene rilasciata sotto forma di radiazione elettromagnetica ed energia cinetica di neutroni, elettroni e nuclei di elio (le cosiddette particelle alfa). Il rilascio di energia della reazione di fusione per unità di massa è quattro volte superiore a quello della reazione di fissione
Il trizio e il suo prodotto di autodecadimento deuterio sono anche usati come fonte di neutroni per iniziare la reazione di fissione. Il trizio o una miscela di isotopi di idrogeno, sotto l'azione della compressione del guscio di plutonio, entra parzialmente in una reazione di fusione con il rilascio di neutroni, che trasformano il plutonio in uno stato supercritico.
I componenti principali delle moderne testate nucleari sono i seguenti:
- isotopo stabile (spontaneamente non fissile) dell'uranio U-238, estratto dal minerale di uranio o (sotto forma di impurezza) dal minerale di fosfato;
- isotopo radioattivo (spontaneamente fissile) dell'uranio U-235, estratto dal minerale di uranio o prodotto dall'U-238 nei reattori nucleari;
- isotopo radioattivo del plutonio Pu-239, prodotto dall'U-238 nei reattori nucleari;
- isotopo stabile dell'idrogeno deuterio D, estratto dall'acqua naturale o prodotto dal protio nei reattori nucleari;
- isotopo radioattivo dell'idrogeno trizio T, prodotto dal deuterio nei reattori nucleari;
- isotopo stabile del litio Li-6, estratto dal minerale;
- isotopo stabile del berillio Be-9, estratto dal minerale;
- HMX e triaminotrinitrobenzene, esplosivi chimici.
La massa critica di una palla di U-235 con un diametro di 17 cm è di 50 kg, la massa critica di una palla di Pu-239 con un diametro di 10 cm è di 11 kg. Con un riflettore di neutroni al berillio e una sorgente di neutroni al trizio, la massa critica può essere ridotta rispettivamente a 35 e 6 kg.
Per eliminare il rischio di funzionamento spontaneo delle cariche nucleari, usano il cosiddetto. Pu-239 per armi, purificato da altri isotopi meno stabili di plutonio a un livello del 94%. Con una periodicità di 30 anni, il plutonio viene purificato dai prodotti del decadimento nucleare spontaneo dei suoi isotopi. Per aumentare la resistenza meccanica, il plutonio è legato con l'1% in massa di gallio e rivestito con un sottile strato di nichel per proteggerlo dall'ossidazione.
La temperatura dell'autoriscaldamento delle radiazioni del plutonio durante lo stoccaggio delle cariche nucleari non supera i 100 gradi Celsius, che è inferiore alla temperatura di decomposizione di un esplosivo chimico.
A partire dal 2000, la quantità di plutonio per armi a disposizione della Federazione Russa è stimata a 170 tonnellate, gli Stati Uniti a 103 tonnellate, più diverse decine di tonnellate accettate per lo stoccaggio dai paesi della NATO, dal Giappone e dalla Corea del Sud, che non possiedono armi nucleari. La Federazione Russa ha la più grande capacità di produzione di plutonio al mondo sotto forma di armi e reattori nucleari veloci. Insieme al plutonio al costo di circa 100 dollari al grammo (5-6 kg per carica), il trizio viene prodotto ad un costo di circa 20 mila dollari USA al grammo (4-5 grammi per carica).
I primi progetti per le cariche di fissione nucleare furono Kid e Fat Man, sviluppati negli Stati Uniti a metà degli anni '40. Quest'ultimo tipo di carica differiva dalla prima nella complessa attrezzatura per sincronizzare la detonazione di numerosi detonatori elettrici e nelle sue grandi dimensioni trasversali.
Il "Kid" è stato realizzato secondo uno schema di cannone: una canna di artiglieria è stata montata lungo l'asse longitudinale del corpo della bomba ad aria compressa, alla cui estremità ovattata c'era una metà del materiale fissile (uranio U-235), la seconda metà del materiale fissile era un proiettile accelerato da una carica di polvere. Il fattore di utilizzo dell'uranio nella reazione di fissione era di circa l'1%, il resto della massa dell'U-235 è caduto sotto forma di ricaduta radioattiva con un'emivita di 700 milioni di anni.
"Fat Man" è stato realizzato secondo uno schema implosivo: una sfera cava di materiale fissile (plutonio Pu-239) era circondata da un guscio fatto di uranio U-238 (spingitore), un guscio di alluminio (estintore) e un guscio (implosione generatore) costituito da cinque segmenti ed esagonali di un esplosivo chimico, sulla cui superficie esterna sono stati installati detonatori elettrici. Ogni segmento era una lente di detonazione di due tipi di esplosivi con diversi tassi di detonazione, convertendo l'onda di pressione divergente in un'onda sferica convergente, comprimendo uniformemente il guscio di alluminio, che, a sua volta, comprimeva il guscio di uranio e quello - la sfera di plutonio fino a quando la sua cavità interna non si è chiusa. Un assorbitore di alluminio è stato utilizzato per assorbire il rinculo dell'onda di pressione mentre passa in un materiale con una densità più elevata e uno spintore di uranio è stato utilizzato per trattenere inerte il plutonio durante la reazione di fissione. Nella cavità interna della sfera di plutonio si trovava una sorgente di neutroni, costituita dall'isotopo radioattivo polonio Po-210 e berillio, che emetteva neutroni sotto l'influenza della radiazione alfa del polonio. Il fattore di utilizzo della materia fissile era di circa il 5 percento, l'emivita del fallout radioattivo era di 24 mila anni.
Immediatamente dopo la creazione di "Kid" e "Fat Man" negli Stati Uniti, sono iniziati i lavori per ottimizzare la progettazione di cariche nucleari, sia cannoni che schemi di implosione, volti a ridurre la massa critica, aumentare il tasso di utilizzo della materia fissile, semplificare la sistema di detonazione elettrico e riducendo le dimensioni. Nell'URSS e in altri stati - proprietari di armi nucleari, le accuse sono state inizialmente create secondo uno schema implosivo. Come risultato dell'ottimizzazione del design, la massa critica del materiale fissile è stata ridotta e il suo fattore di utilizzo è stato aumentato più volte a causa dell'uso di un riflettore di neutroni e di una sorgente di neutroni.
Il riflettore di neutroni al berillio è un guscio metallico spesso fino a 40 mm, la sorgente di neutroni è trizio gassoso che riempie una cavità in plutonio, o idruro di ferro impregnato di trizio con titanio immagazzinato in un cilindro separato (booster) e rilascia trizio sotto l'azione del riscaldamento dall'elettricità immediatamente prima di utilizzare una carica nucleare, dopo di che il trizio viene alimentato attraverso il gasdotto nella carica. Quest'ultima soluzione tecnica consente di moltiplicare la potenza della carica nucleare a seconda del volume di trizio pompato, e facilita anche la sostituzione della miscela di gas con una nuova ogni 4-5 anni, poiché l'emivita del trizio è 12 anni. Una quantità eccessiva di trizio nel booster consente di ridurre la massa critica del plutonio a 3 kg e aumentare significativamente l'effetto di un fattore così dannoso come la radiazione di neutroni (riducendo l'effetto di altri fattori dannosi: un'onda d'urto e una radiazione luminosa). Come risultato dell'ottimizzazione del design, il fattore di utilizzo del materiale fissile è aumentato al 20%, in caso di eccesso di trizio, fino al 40%.
Lo schema del cannone è stato semplificato a causa del passaggio all'implosione radiale-assiale creando una serie di materiale fissile sotto forma di un cilindro cavo, schiacciato dall'esplosione di due estremità e una carica esplosiva assiale
Lo schema di implosione è stato ottimizzato (SWAN) realizzando il guscio esterno dell'esplosivo sotto forma di un ellissoide, che ha permesso di ridurre il numero di lenti di detonazione a due unità distanziate dai poli dell'ellissoide - la differenza nel velocità dell'onda di detonazione nella sezione trasversale della lente di detonazione assicura l'avvicinamento simultaneo dell'onda d'urto alla superficie sferica lo strato interno dell'esplosivo, la cui detonazione comprime uniformemente il guscio di berillio (combinando le funzioni di un riflettore di neutroni e un ammortizzatore di rinculo dell'onda di pressione) e una sfera di plutonio con una cavità interna riempita di trizio o sua miscela con deuterio
L'implementazione più compatta dello schema di implosione (utilizzato nel proiettile sovietico da 152 mm) è l'esecuzione di un assieme esplosivo-berillio-plutonio sotto forma di un ellissoide cavo con uno spessore di parete variabile, che fornisce la deformazione calcolata dell'assieme sotto l'azione di un'onda d'urto da un'esplosione esplosiva in una struttura sferica finale
Nonostante vari miglioramenti tecnici, la potenza delle cariche di fissione nucleare è rimasta limitata al livello di 100 Ktn in TNT equivalente a causa dell'inevitabile espansione degli strati esterni di materia fissile durante l'esplosione con l'esclusione della materia dalla reazione di fissione.
Pertanto, è stato proposto un progetto per una carica termonucleare, che include sia elementi di fissione pesante che elementi di fusione leggera. La prima carica termonucleare (Ivy Mike) è stata realizzata sotto forma di un serbatoio criogenico riempito con una miscela liquida di trizio e deuterio, in cui si trovava una carica nucleare implosiva di plutonio. A causa delle dimensioni estremamente grandi e della necessità di un raffreddamento costante del serbatoio criogenico, nella pratica è stato utilizzato uno schema diverso: un "puff" implosivo (RDS-6s), che include diversi strati alternati di uranio, plutonio e deuteride di litio con un riflettore esterno in berillio e una fonte interna di trizio
Tuttavia, la potenza del "puff" era limitata anche dal livello di 1 Mtn a causa dell'inizio delle reazioni di fissione e sintesi negli strati interni e dell'espansione degli strati esterni non reagiti. Per superare questa limitazione, è stato sviluppato uno schema per la compressione degli elementi leggeri della reazione di sintesi mediante radiazione a raggi X (secondo stadio) dalla reazione di fissione degli elementi pesanti (primo stadio). L'enorme pressione del flusso di fotoni di raggi X rilasciati nella reazione di fissione consente di comprimere il deuteruro di litio 10 volte con un aumento di densità di 1000 volte e riscaldato durante il processo di compressione, dopo di che il litio viene esposto al flusso di neutroni dal reazione di fissione, trasformandosi in trizio, che entra in reazioni di fusione con deuterio. Lo schema a due stadi di una carica termonucleare è il più pulito in termini di resa radioattiva, poiché i neutroni secondari dalla reazione di fusione bruciano l'uranio / plutonio non reagito in elementi radioattivi di breve durata e i neutroni stessi si estinguono nell'aria con un raggio d'azione di circa 1,5 km.
Ai fini della crimpatura uniforme del secondo stadio, il corpo della carica termonucleare è realizzato sotto forma di un guscio di arachidi, ponendo l'assemblaggio del primo stadio nel fuoco geometrico di una parte del guscio e l'assemblaggio del secondo stadio nel fuoco geometrico dell'altra parte del guscio. Gli assemblaggi sono sospesi nella maggior parte del corpo utilizzando schiuma o riempitivo di aerogel. Secondo le regole dell'ottica, i raggi X dell'esplosione del primo stadio sono concentrati nel restringimento tra le due parti del guscio e distribuiti uniformemente sulla superficie del secondo stadio. Per aumentare la riflettività nella gamma dei raggi X, la superficie interna del corpo di carica e la superficie esterna del gruppo del secondo stadio sono ricoperte da uno strato di materiale denso: piombo, tungsteno o uranio U-238. In quest'ultimo caso, la carica termonucleare diventa a tre stadi: sotto l'azione dei neutroni dalla reazione di fusione, l'U-238 si trasforma in U-235, i cui atomi entrano in una reazione di fissione e aumentano la potenza dell'esplosione
Lo schema a tre stadi è stato incorporato nella progettazione della bomba aerea sovietica AN-602, la cui potenza di progettazione era di 100 Mtn. Prima del test, il terzo stadio è stato escluso dalla sua composizione sostituendo l'uranio U-238 con il piombo a causa del rischio di espandere la zona di ricaduta radioattiva dalla fissione dell'U-238 oltre il sito di prova. La capacità effettiva della modifica a due stadi dell'AN-602 era di 58 Mtn. Un ulteriore aumento della potenza delle cariche termonucleari può essere effettuato aumentando il numero di cariche termonucleari nel dispositivo esplosivo combinato. Tuttavia, ciò non è necessario a causa della mancanza di obiettivi adeguati: il moderno analogo dell'AN-602, posto a bordo del veicolo sottomarino Poseidon, ha un raggio di distruzione di edifici e strutture da un'onda d'urto di 72 km e un raggio di incendi di 150 km, abbastanza per distruggere aree metropolitane come New York o Tokyo
Dal punto di vista della limitazione delle conseguenze dell'uso delle armi nucleari (localizzazione territoriale, minimizzazione del rilascio di radioattività, livello di utilizzo tattico), il cosiddetto cariche di precisione a stadio singolo con una capacità fino a 1 Ktn, progettate per distruggere bersagli puntuali: silos missilistici, quartier generali, centri di comunicazione, radar, sistemi missilistici di difesa aerea, navi, sottomarini, bombardieri strategici, ecc.
La progettazione di tale carica può essere realizzata sotto forma di un assemblaggio implosivo, che include due lenti di detonazione ellissoidali (esplosivo chimico di HMX, materiale inerte in polipropilene), tre gusci sferici (riflettore di neutroni in berillio, generatore piezoelettrico in ioduro di cesio, materiale fissile dal plutonio) e una sfera interna (combustibile di fusione al deuteride di litio)
Sotto l'azione di un'onda di pressione convergente, lo ioduro di cesio genera un impulso elettromagnetico super potente, il flusso di elettroni genera radiazioni gamma nel plutonio, che elimina i neutroni dai nuclei, avviando così una reazione di fissione autopropagante, la radiazione a raggi X si comprime e riscalda il deuteride di litio, il flusso di neutroni produce trizio dal litio, che entra in reazione con il deuterio. La direzione centripeta delle reazioni di fissione e fusione garantisce l'utilizzo del 100% del combustibile termonucleare.
Un ulteriore sviluppo di progetti di carica nucleare nella direzione di ridurre al minimo la potenza e la radioattività è possibile sostituendo il plutonio con un dispositivo per la compressione laser di una capsula con una miscela di trizio e deuterio.
