As armas nucleares são as mais eficazes na história da humanidade em termos de custo / eficiência: os custos anuais de desenvolvimento, teste, fabricação e manutenção em operação dessas armas representam de 5 a 10 por cento do orçamento militar dos Estados Unidos e Federação Russa - países com complexo de produção nuclear já formado, desenvolveram engenharia de energia atômica e disponibilidade de frota de supercomputadores para modelagem matemática de explosões nucleares.
O uso de dispositivos nucleares para fins militares baseia-se na propriedade de átomos de elementos químicos pesados se decomporem em átomos de elementos mais leves com a liberação de energia na forma de radiação eletromagnética (gamas de raios-X e gama), bem como em a forma de energia cinética de espalhamento de partículas elementares (nêutrons, prótons e elétrons) e núcleos de átomos de elementos mais leves (césio, estrôncio, iodo e outros)
Os elementos pesados mais populares são o urânio e o plutônio. Seus isótopos, ao fissionar seu núcleo, emitem de 2 a 3 nêutrons, que por sua vez causam a fissão dos núcleos de átomos vizinhos, etc. Uma reação de autopropagação (chamada em cadeia) com a liberação de uma grande quantidade de energia ocorre na substância. Para iniciar a reação, é necessária uma determinada massa crítica, cujo volume será suficiente para a captura dos nêutrons pelos núcleos atômicos sem a emissão de nêutrons fora da substância. A massa crítica pode ser reduzida com um refletor de nêutrons e uma fonte de nêutrons de iniciação
A reação de fissão é iniciada combinando duas massas subcríticas em uma supercrítica ou comprimindo uma concha esférica de uma massa supercrítica em uma esfera, aumentando assim a concentração de matéria físsil em um determinado volume. O material físsil é combinado ou comprimido por uma explosão direcionada de um explosivo químico.
Além da reação de fissão de elementos pesados, a reação de síntese de elementos leves é utilizada em cargas nucleares. A fusão termonuclear requer aquecimento e compressão da matéria em até várias dezenas de milhões de graus e atmosferas, o que pode ser fornecido apenas devido à energia liberada durante a reação de fissão. Portanto, as cargas termonucleares são projetadas de acordo com um esquema de dois estágios. Os isótopos de hidrogênio, trítio e deutério (que requerem valores mínimos de temperatura e pressão para iniciar a reação de fusão) ou um composto químico, deutereto de lítio (este último, sob a ação de nêutrons da explosão do primeiro estágio, é dividido em trítio e hélio) são usados como elementos leves. A energia na reação de fusão é liberada na forma de radiação eletromagnética e energia cinética de nêutrons, elétrons e núcleos de hélio (as chamadas partículas alfa). A liberação de energia da reação de fusão por unidade de massa é quatro vezes maior do que a da reação de fissão
O trítio e seu produto de autodestruição deutério também são usados como fonte de nêutrons para iniciar a reação de fissão. O trítio ou mistura de isótopos de hidrogênio, sob a ação da compressão da casca do plutônio, entra parcialmente em uma reação de fusão com a liberação de nêutrons, que transformam o plutônio em um estado supercrítico.
Os principais componentes das ogivas nucleares modernas são os seguintes:
- isótopo estável (espontaneamente não físsil) do urânio U-238, extraído do minério de urânio ou (na forma de impureza) do minério de fosfato;
- isótopo radioativo (físsil espontaneamente) do urânio U-235, extraído do minério de urânio ou produzido a partir do U-238 em reatores nucleares;
- isótopo radioativo de plutônio Pu-239, produzido a partir do U-238 em reatores nucleares;
- isótopo estável do hidrogênio deutério D, extraído da água natural ou produzido a partir do prótio em reatores nucleares;
- isótopo radioativo de hidrogênio trítio T, produzido a partir de deutério em reatores nucleares;
- isótopo estável de lítio Li-6, extraído do minério;
- isótopo estável de berílio Be-9, extraído do minério;
- HMX e triaminotrinitrobenzeno, explosivos químicos.
A massa crítica de uma bola feita de U-235 com um diâmetro de 17 cm é de 50 kg, a massa crítica de uma bola feita de Pu-239 com um diâmetro de 10 cm é 11 kg. Com um refletor de nêutrons de berílio e uma fonte de nêutrons de trítio, a massa crítica pode ser reduzida para 35 e 6 kg, respectivamente.
Para eliminar o risco de operação espontânea de cargas nucleares, eles usam os chamados. Pu-239 para armas, purificado de outros isótopos menos estáveis de plutônio a um nível de 94%. Com uma periodicidade de 30 anos, o plutônio é purificado dos produtos da decadência nuclear espontânea de seus isótopos. Para aumentar a resistência mecânica, o plutônio é ligado com 1 por cento em massa de gálio e revestido com uma fina camada de níquel para protegê-lo da oxidação.
A temperatura de autoaquecimento da radiação do plutônio durante o armazenamento de cargas nucleares não excede 100 graus Celsius, que é mais baixa do que a temperatura de decomposição de um explosivo químico.
Em 2000, a quantidade de plutônio para armas à disposição da Federação Russa é estimada em 170 toneladas, nos Estados Unidos - em 103 toneladas, além de várias dezenas de toneladas aceitas para armazenamento nos países da OTAN, Japão e Coréia do Sul, que não possuem armas nucleares. A Federação Russa tem a maior capacidade de produção de plutônio do mundo na forma de reatores nucleares rápidos para armas e energia. Junto com o plutônio a um custo de cerca de 100 dólares americanos por grama (5-6 kg por carga), o trítio é produzido a um custo de cerca de 20 mil dólares americanos por grama (4-5 gramas por carga).
Os primeiros projetos de cargas de fissão nuclear foram Kid e Fat Man, desenvolvidos nos Estados Unidos em meados da década de 1940. Este último tipo de carga diferia da primeira no complexo equipamento de sincronização da detonação de numerosos detonadores elétricos e em suas grandes dimensões transversais.
O "Kid" foi feito de acordo com um esquema de canhão - um cano de artilharia foi montado ao longo do eixo longitudinal do corpo da bomba de ar, em cuja extremidade abafada estava metade do material físsil (urânio U-235), a segunda metade do material físsil era um projétil acelerado por uma carga de pó. O fator de utilização do urânio na reação de fissão foi de cerca de 1 por cento, o resto da massa do U-235 caiu na forma de precipitação radioativa com meia-vida de 700 milhões de anos.
"Fat Man" foi feito de acordo com um esquema implosivo - uma esfera oca de material físsil (Pu-239 plutônio) foi cercada por uma concha de urânio U-238 (empurrador), uma concha de alumínio (quencher) e uma concha (implosão gerador), composto por segmentos cinco e hexagonais de um explosivo químico, na superfície externa do qual foram instalados detonadores elétricos. Cada segmento era uma lente de detonação de dois tipos de explosivos com taxas de detonação diferentes, convertendo a onda de pressão divergente em uma onda convergente esférica, comprimindo uniformemente a casca de alumínio, que por sua vez comprimia a casca de urânio, e aquela - a esfera de plutônio até sua cavidade interna fechada. Um absorvedor de alumínio foi usado para absorver o recuo da onda de pressão à medida que ela passa para um material com uma densidade mais alta, e um impulsor de urânio foi usado para reter inerte o plutônio durante a reação de fissão. Na cavidade interna da esfera de plutônio, foi localizada uma fonte de nêutrons, feita a partir do isótopo radioativo polônio Po-210 e berílio, que emitia nêutrons sob a influência da radiação alfa do polônio. O fator de utilização da matéria físsil era de cerca de 5 por cento, a meia-vida da precipitação radioativa era de 24 mil anos.
Imediatamente após a criação de "Kid" e "Fat Man" nos EUA, começaram os trabalhos de otimização do desenho de cargas nucleares, tanto de canhão quanto de esquemas de implosão, visando reduzir a massa crítica, aumentando a taxa de utilização de matéria físsil, simplificando o sistema de detonação elétrica e redução do tamanho. Na URSS e em outros estados - proprietários de armas nucleares, as cargas foram inicialmente criadas de acordo com um esquema implosivo. Como resultado da otimização do projeto, a massa crítica do material físsil foi reduzida, e o coeficiente de sua utilização foi aumentado várias vezes devido ao uso de um refletor de nêutrons e uma fonte de nêutrons.
O refletor de nêutrons de berílio é um invólucro de metal de até 40 mm de espessura, a fonte de nêutrons é trítio gasoso preenchendo uma cavidade em plutônio ou hidreto de ferro impregnado de trítio com titânio armazenado em um cilindro separado (booster) e libera trítio sob a ação do aquecimento por eletricidade imediatamente antes de usar uma carga nuclear, após o que o trítio é alimentado através do gasoduto para a carga. Esta última solução técnica permite multiplicar a potência da carga nuclear em função do volume de trítio bombeado e também facilita a substituição da mistura de gases por uma nova a cada 4-5 anos, já que a meia-vida do trítio é 12 anos. Uma quantidade excessiva de trítio no reforço torna possível reduzir a massa crítica do plutônio para 3 kg e aumentar significativamente o efeito de um fator prejudicial como a radiação de nêutrons (reduzindo o efeito de outros fatores prejudiciais - uma onda de choque e radiação de luz) Como resultado da otimização do projeto, o fator de utilização do material físsil aumentou para 20%, no caso de um excesso de trítio - até 40%.
O esquema do canhão foi simplificado devido à transição para implosão radial-axial pela confecção de uma matriz de material físsil na forma de um cilindro oco, esmagado pela explosão de duas pontas e uma carga explosiva axial
O esquema implosivo foi otimizado (SWAN), tornando a casca do explosivo em forma de elipsóide, o que permitiu reduzir o número de lentes de detonação a duas unidades espaçadas dos pólos do elipsóide - a diferença no a velocidade da onda de detonação na seção transversal das lentes de detonação garante a abordagem simultânea da onda de choque à superfície esférica da camada interna do explosivo, cuja detonação comprime uniformemente a casca de berílio (combinando as funções de um refletor de nêutrons e um amortecedor de recuo de onda de pressão) e uma esfera de plutônio com uma cavidade interna preenchida com trítio ou sua mistura com deutério
A implementação mais compacta do esquema de implosão (usado no projétil soviético de 152 mm) é a execução de um conjunto explosivo-berílio-plutônio na forma de um elipsóide oco com espessura de parede variável, que fornece a deformação calculada do conjunto sob a ação de uma onda de choque de uma explosão explosiva em uma estrutura esférica final
Apesar de várias melhorias técnicas, o poder das cargas de fissão nuclear permaneceu limitado ao nível de 100 Ktn em TNT equivalente devido à expansão inevitável das camadas externas de matéria físsil durante a explosão com a exclusão da matéria da reação de fissão.
Portanto, um projeto foi proposto para uma carga termonuclear, que inclui elementos de fissão pesados e elementos de fusão leves. A primeira carga termonuclear (Ivy Mike) foi feita na forma de um tanque criogênico cheio de uma mistura líquida de trítio e deutério, no qual estava localizada uma carga nuclear implosiva de plutônio. Devido às dimensões extremamente grandes e à necessidade de resfriamento constante do tanque criogênico, um esquema diferente foi usado na prática - um "sopro" implosivo (RDS-6s), que inclui várias camadas alternadas de urânio, plutônio e deutereto de lítio com um refletor externo de berílio e uma fonte interna de trítio
No entanto, o poder do “puff” também foi limitado pelo nível de 1 Mtn devido ao início da fissão e reação de síntese nas camadas internas e a expansão das camadas externas não reagidas. Para contornar esta limitação, foi desenvolvido um esquema para compressão de elementos leves da reação de fusão por raios X (segunda etapa) a partir da reação de fissão de elementos pesados (primeira etapa). A enorme pressão do fluxo de fótons de raios-X liberados na reação de fissão permite que o deutereto de lítio seja comprimido 10 vezes com um aumento na densidade de 1000 vezes e aquecido durante o processo de compressão, após o qual o lítio é exposto ao fluxo de nêutrons do reação de fissão, transformando-se em trítio, que entra em reações de fusão com o deutério. O esquema de dois estágios de uma carga termonuclear é o mais limpo em termos de rendimento de radioatividade, uma vez que nêutrons secundários da reação de fusão queimam urânio / plutônio não reagido em elementos radioativos de vida curta, e os próprios nêutrons são extintos no ar com um alcance de cerca de 1,5 km.
Para efeito de cravação uniforme do segundo estágio, o corpo da carga termonuclear é feito em forma de casca de amendoim, posicionando a montagem do primeiro estágio no foco geométrico de uma parte da casca, e a montagem do segundo estágio no foco geométrico da outra parte da concha. Os conjuntos são suspensos na maior parte do corpo usando espuma ou enchimento de aerogel. De acordo com as regras da ótica, a radiação de raios X da explosão do primeiro estágio concentra-se no estreitamento entre as duas partes da casca e é uniformemente distribuída pela superfície do segundo estágio. A fim de aumentar a refletividade na faixa de raios-X, a superfície interna do corpo de carga e a superfície externa do conjunto de segundo estágio são cobertas com uma camada de material denso: chumbo, tungstênio ou urânio U-238. Neste último caso, a carga termonuclear passa a ser de três estágios - sob a ação dos nêutrons da reação de fusão, o U-238 se transforma em U-235, cujos átomos entram em uma reação de fissão e aumentam o poder de explosão
O esquema de três estágios foi incorporado ao projeto da bomba aérea soviética AN-602, cujo poder de projeto foi de 100 Mtn. Antes do teste, o terceiro estágio foi excluído de sua composição pela substituição do urânio U-238 por chumbo devido ao risco de expansão da zona de precipitação radioativa da fissão do U-238 para além do local de teste. A capacidade real da modificação de dois estágios do AN-602 era de 58 Mtn. Um novo aumento no poder das cargas termonucleares pode ser feito aumentando o número de cargas termonucleares no dispositivo explosivo combinado. No entanto, isso não é necessário devido à falta de alvos adequados - o análogo moderno do AN-602, colocado a bordo do veículo subaquático Poseidon, tem um raio de destruição de edifícios e estruturas por uma onda de choque de 72 km e um raio de incêndios de 150 km, o que é suficiente para destruir megacidades como Nova York ou Tóquio
Do ponto de vista de limitar as consequências do uso de armas nucleares (localização territorial, minimização da liberação de radioatividade, nível tático de uso), os chamados cargas de precisão de estágio único com capacidade de até 1 Ktn, que são projetadas para destruir alvos pontuais - silos de mísseis, quartéis-generais, centros de comunicações, radares, sistemas de mísseis de defesa aérea, navios, submarinos, bombardeiros estratégicos, etc.
O projeto de tal carga pode ser feito na forma de um conjunto implosivo, que inclui duas lentes de detonação elipsoidal (explosivo químico de HMX, material inerte feito de polipropileno), três conchas esféricas (refletor de nêutron feito de berílio, gerador piezoelétrico feito de iodeto de césio, material físsil de plutônio) e uma esfera interna (combustível de fusão de deutereto de lítio)
Sob a ação de uma onda de pressão convergente, o iodeto de césio gera um pulso eletromagnético superpotente, o fluxo de elétrons gera radiação gama em plutônio, que elimina nêutrons dos núcleos, iniciando assim uma reação de fissão autopropagada, os raios X comprimem e aquecem o deutereto de lítio, o fluxo de nêutrons gera trítio a partir do lítio, que entra em reação com o deutério. A direção centrípeta das reações de fissão e fusão garante 100% do uso de combustível termonuclear.
O desenvolvimento adicional de projetos de carga nuclear no sentido de minimizar a energia e a radioatividade é possível substituindo o plutônio por um dispositivo para compressão a laser de uma cápsula com uma mistura de trítio e deutério.
