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, подразделяются 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 атомов 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»:

– 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 заряда деления 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

 

Виды ядерных взрывов

 

Взрывы ядерных боеприпасов могут производиться в воздухе на различной высоте, на поверхности земли (воды), а также под землей (водой). В зависимости от этого ядерные взрывы принято разделять на следующие виды: высотный, воздушный, наземный, надводный, подземный и подводный.

Высотный взрыв (наименьшая высота взрыва – 10 км) применяется для поражения воздушных и космических целей (самолетов, головных частей крылатых ракет и др.), а наземные объекты, как правило, существенных разрушений не получают.

При воздушном ядерном взрыве (высота – от сотен метров, до нескольких километров) поражение людей и наземных объектов вызывается ударной волной, световым излучением и проникающей радиацией, радиоактивное заражение при этом практически отсутствует.

Наземный ядерный взрыв осуществляется непосредственно на поверхности земли или на незначительной высоте (до 100 м). При этом в грунте образуется воронка, а облако взрыва, вовлекая в себя большое количество грунта, обусловливает сильное радиоактивное заражение местности. Наземный ядерный взрыв применяется для поражения сооружений большой прочности и для сильного радиоактивного заражения местности.

Подземный взрыв – взрыв, произведенный под землей. Основным поражающим фактором подземного ядерного взрыва является волна сжатия, распространяющаяся в грунте в виде продольных и поперечных сейсмических волн, скорость которых может достигать 5-10 км/с. При этом подземные сооружения получают разрушения подобные разрушениям при землетрясениях. Вместе с тем, образуется сильное радиоактивное заражение в районе взрыва и по направлению движения облака, а световое излучение и проникающая радиация поглощаются грунтом.

Надводный взрыв – взрыв на поверхности воды или на такой высоте, при которой светящаяся область касается поверхности воды.

Вода и пар, образующийся под действием светового излучения, вовлекаются в облако взрыва, после остывания которого выпадают в виде радиоактивного дождя, вызывая сильное радиоактивное заражение прибрежной полосы местности и объектов, находящихся на суше и акватории.

При надводном взрыве основными поражающими факторами являются воздушная ударная волна и расходящиеся от эпицентра конические морские (океанические) волны.

Подводный взрыв – взрыв, произведенный под водой. При взрыве выбрасывается столб воды с грибовидным облаком (султаном), диаметр которого достигает нескольких сотен метров, а высота – нескольких километров. При оседании водяного столба у его основания образуется вихревое кольцо радиоактивного тумана из капель и водяных брызг (базисная волна).

Основным поражающим фактором подводного взрыва является ударная волна в воде, распространяющаяся со скоростью около 1500 м/с. Радиоактивное заражение обусловлено наличием радиоактивного дождя, выпадающего из облаков, образованных из взрывного султана и базисной волны.