Конструкція ядерної зброї — це фізичні, хімічні та інженерні механізми, які призводять до детонації фізичного пакетуThe physics package is the nuclear explosive module inside the bomb casing, missile warhead, or artillery shell, etc., which delivers the weapon to its target. While photographs of weapon casings are common, photographs of the physics package are quite rare, even for the oldest and crudest nuclear weapons. For a photograph of a modern physics package see W80. ядерної зброї. Існує три основних типи конструкції:
Чиста ядерна зброя, найпростіша, найменш технічно вимоглива, була першою створеною ядерною зброєю і наразі є єдиним типом ядерної зброї, який будь-коли використовувався у бойових діях — Сполученими Штатами Америки проти Японії у Другій світовій війні. Зброя прискореного поділу збільшує потужність у порівнянні з конструкцією імплозії, використовуючи невелику кількість термоядерного палива для підсилення ланцюгової реакції поділу. Підсилення може більше ніж вдвічі підвищити потужність чистої ядерної зброї. Ступенева термоядерна зброя — це система з двох або більше «ступенів», найчастіше двох. Перший ступінь зазвичай є зброєю підсиленого ділення, як описано вище (за винятком найдавнішої термоядерної зброї, яка замість цього використовувала зброю чистого ділення). Його детонація створює інтенсивне рентгенівське випромінювання, яке опромінює та стискає другий ступінь, заповнений великою кількістю термоядерного палива. Це запускає послідовність подій, які призводять до термоядерної реакції (синтезу). Цей процес здатний створювати потужність, яка в сотні разів перевищує потужність зброї ділення. Article on the Soviet Tsar Bomba test. Because explosions are spherical in shape and targets are spread out on the relatively flat surface of the earth, numerous smaller weapons cause more destruction. From page 35: «… five five-megaton weapons would demolish a greater area than a single 50-megatonner.».
Четвертий тип, чиста термоядерна зброя, є теоретичною можливістю. Така зброя буде виробляти набагато менше радіоактивних побічних продуктів, ніж поточні конструкції, хоча вона вивільнить величезну кількість нейтронів.
Чиста ядерна зброя була першим типом, яку створювали нові ядерні державами. Великі індустріальні держави з добре розвиненими ядерними арсеналами мають двоступеневу термоядерну зброю, яка є найбільш компактним, масштабованим і економічно ефективним варіантом; розробка такої зброї стає можливою після створення необхідної технічної бази та промислової інфраструктури.
Більшість відомих інновацій у розробці ядерної зброї були винайдені в США, хоча деякі з них пізніше були розроблені незалежно іншими державамиThe United States and the Soviet Union were the only nations to build large nuclear arsenals with every possible type of nuclear weapon. The U.S. had a four-year head start and was the first to produce fissile material and fission weapons, all in 1945. The only Soviet claim for a design first was the Joe 4 detonation on August 12, 1953, said to be the first deliverable hydrogen bomb. However, as Herbert York first revealed in The Advisors: Oppenheimer, Teller and the Superbomb (W.H. Freeman, 1976), it was not a true hydrogen bomb (it was a boosted fission weapon of the Sloika/Alarm Clock type, not a two-stage thermonuclear). Soviet dates for the essential elements of warhead miniaturization — boosted, hollow-pit, two-point, air lens primaries — are not available in the open literature, but the larger size of Soviet ballistic missiles is often explained as evidence of an initial Soviet difficulty in miniaturizing warheads..
Ранні варіанти зброї, яка використовувала чисте ділення, називали атомними бомбами або А-бомбами, а зброю, яка використовувала термоядерний синтез — водневими бомбами або H-бомбами. Однак практики ядерної політики, віддають перевагу термінам ядерний і термоядерний відповідно.
Ядерні реакції Ядерний поділ розділяє або розщеплює важчі атоми з утворенням легших атомів. Ядерний синтез об'єднує легші атоми в більш важкі атоми. Обидві реакції генерують приблизно в мільйон разів більше енергії, ніж порівняні хімічні реакції, що робить ядерні бомби в мільйон разів потужнішими за неядерні бомби, про що заявив французький патент у травні 1939 року..
У певному сенсі ядерний поділ і термоядерний синтез є протилежними і взаємодоповнюючими реакціями, але кожна має свої специфічні особливості. Щоб зрозуміти, як проектується ядерна зброя, корисно знати важливі подібності та відмінності між поділом і синтезом. У наведеному нижче поясненні використовуються округлені числа та наближенняThe main source for this section is Samuel Glasstone and Philip Dolan, The Effects of Nuclear Weapons, Third Edition, 1977, U.S. Dept of Defense and U.S. Dept of Energy (see links in General References, below), with the same information in more detail in Samuel Glasstone, Sourcebook on Atomic Energy, Third Edition, 1979, U.S. Atomic Energy Commission, Krieger Publishing..
Поділ
Коли вільний нейтрон потрапляє в ядро атома, що розщеплюється, наприклад урану-235 (235U), ядро урану розпадається на два менших ядра, які називаються уламками поділу, плюс додатково вивільняється декілька нейтронів (для 235U, 2-3 нейтрони, в середньому трохи менше 2,5 на один поділ). Ланцюгова реакція поділу в надкритичній масі палива може бути самопідтримуваною, оскільки вона виробляє достатню кількість надлишкових нейтронів, щоб компенсувати втрати нейтронів, що виходять із надкритичного зосередження. Більшість із них мають швидкість (кінетичну енергію), необхідну для спричинення нового поділу в сусідніх ядрах урану.
Ядро урану-235 може розщеплюватися багатьма способами, за умови, що сума зарядів дорівнює 92, а сума масових чисел — 236 (уран-235 плюс нейтрон, який спричинив розщеплення). Наступне рівняння показує один з можливих варіантів поділу, а саме на стронцій-95 (95Sr), ксенон-139 (139Xe) і два нейтрони (n), плюс енергіяGlasstone and Dolan, Effects, p. 12.:
Безпосереднє виділення енергії на атом становить близько 180 мільйонів електронвольт (МеВ); тобто 74 ТДж/кг. Лише 7 % цієї енергії складає гамма-випромінювання та кінетична енергія нейтронів ділення. Решта 93 % складає кінетична енергія (або енергія руху) заряджених уламків ділення, що відлітають один від одного, взаємно відштовхувавшись позитивним зарядом своїх протонів (38 для стронцію, 54 для ксенону). Ця початкова кінетична енергія становить 67 ТДж/кг, що забезпечує початкову швидкість приблизно 12 000 кілометрів на секунду. Високий електричний заряд заряджених фрагментів викликає численні непружні кулонівські зіткнення з сусідніми ядрами, і ці фрагменти залишаються всередині розщеплюваного ядра бомби та тамперу, доки їхній рух не перетворюється на тепло. Враховуючи швидкість уламків і середню довжину вільного пробігу між ядрами в стиснутій паливній збірці (для конструкції імплозії), це займає близько мільйонної частки секунди (мікросекунда), за цей час ядро та тампер бомби перетворюються на плазму діаметром кілька метрів з температурою в десятки мільйонів градусів Цельсія.
Ця температура є достатньо високою для початку випромінювання чорного тіла в рентгенівському спектрі. Ці рентгенівські промені поглинаються навколишнім повітрям, утворюючи вогняну кулю та руйнівну хвилю сильно стисненого повітря ядерного вибуху.
Більшість продуктів поділу мають надто багато нейтронів, щоб бути стабільними, тому вони є радіоактивними через бета-розпад, перетворюючи нейтрони на протони шляхом випромінювання бета-частинок (електронів) і гамма-променів. Їхній період напіврозпаду знаходиться в діапазоні від мілісекунд до приблизно 200 000 років. Багато з них розпадаються на ізотопи, які в свою чергу є радіоактивними, тому для досягнення стабільних елементів може знадобитися від 1 до 6 (в середньому 3) розпадівGlasstone, Sourcebook, p. 503.. У реакторах радіоактивними продуктами є ядерні відходи у відпрацьованому паливі. У бомбах вони перетворюються на радіоактивні опади, як локальні, так і глобальні.
Тим часом усередині бомби, що вибухає, вільні нейтрони, що вивільняються в результаті поділу, забирають приблизно 3 % початкової енергії поділу. Кінетична енергія нейтронів додається до енергії вибуху бомби, але не так ефективно, як енергія заряджених уламків, оскільки нейтрони не так швидко втрачають свою кінетичну енергію під час зіткнень із зарядженими ядрами чи електронами. Домінуючий внесок нейтронів поділу в потужність бомби полягає в ініціації подальших поділів. Більше половини нейтронів виходить із ядра бомби, але решта наштовхується на ядра 235U, викликаючи їх поділ у експоненціально зростаючій ланцюговій реакції (1, 2, 4, 8, 16 тощо). Починаючи з одного атома, кількість поділів може теоретично подвоюватися сто разів за мікросекунду, і до сотого кроку реакції весь уран або плутоній вагою до сотень тонн може бути спожитий. Зазвичай у сучасній зброї збройове ядро містить 3,5-4,5 кг плутонію і при детонації виробляє приблизно від 5 до 10 кілотонн тротилового еквівалента (від 21 до 42 ТДж), що відповідає розщепленню приблизно 0,5 кг плутонію.
Речовини, здатні підтримувати ланцюгову реакцію, називаються розщеплюваними. У ядерній зброї використовуються два розщеплювані матеріали: 235U, також відомий як високозбагачений уран (HEU), «», що означає «сплав Оук Рідж», або «25» (комбінація останньої цифри атомного число урану-235, яке дорівнює 92, і останньої цифри його масового числа, яке дорівнює 235); 239Pu, також відомий як плутоній-239, або «49» (від «94» і «239»).
Найпоширеніший ізотоп урану 238U є здатним до розщеплення, але не може підтримувати ланцюгову реакцію самостійно, оскільки нейтрони, які породжуються в результаті поділу, (в середньому) недостатньо енергійні, щоб спричинити наступні поділи 238U. Однак нейтрони, що вивільняються в результаті злиття важких ізотопів водню дейтерію та тритію, розщеплюють атоми 238U. Ця реакція поділу 238U у зовнішній оболонці вторинної збірки двоступеневої термоядерної бомби виробляє найбільшу частину виробленої енергії бомби, а також більшість її радіоактивних уламків.
Для національних держав, які беруть участь у перегонах ядерних озброєнь, факт здатності 238U швидко ділитися внаслідок бомбардування термоядерними нейтронами має центральне значення. Велика кількість і дешевизна насипного сухого палива термоядерного синтезу (дейтериду літію) і 238U (побічного продукту збагачення урану) дозволяють економічно виробляти дуже великі ядерні арсенали в порівнянні зі зброєю чистого ділення, яка вимагає дорогого палива 235U або 239Pu.
Синтез
Термоядерний синтез виробляє нейтрони, які розсіюють енергію реакції«neutrons carry off most of the reaction energy», Glasstone and Dolan, Effects, p. 21.. У зброї найважливішою реакцією синтезу називають реакцію D-T. Використовуючи тепло і тиск поділу, водень-2 (інша назва — дейтерій 2D) зливається з воднем-3 (інша назва — тритій 3T), утворюючи гелій-4 (4He) плюс один нейтрон (n) і енергію:
Загальний вихід енергії, 17,6 МеВ, в десять разів менший у порівнянні з реакцією поділу, але складові реакції в п'ятдесят разів легші, тому вихід енергії на одиницю маси приблизно в п'ять разів більший. У цій реакції термоядерного синтезу 14 із 17,6 МеВ (80 % енергії, що виділяється в реакції) представлені кінетичною енергією нейтрона, який через відсутність електричного заряду та масу, яка майже дорівнює масі ядер водню, що створили цей нейтрон, може покинути місце події не витрачаючи своєї енергії на підтримку реакції, або породити рентгенівське випромінювання, яке утворює вогняну кулю та руйнівну хвилю повітря.
Єдиний практичний спосіб утримання більшої частини енергії термоядерного синтезу є стримування нейтронів всередині масивної ємності з важких матеріалів, таких як свинець, уран або плутоній. Якщо нейтрон з енергією 14 МеВ захоплюється ураном (будь-яким ізотопом, 14 МеВ достатньо для поділу як 235U, так і дешевого 238U) або плутонієм, результатом стане поділ і вивільнення енергії поділу 180 МеВ, що збільшує вихідну енергію в десять разів.