Senjata nuklir adalah yang paling efektif dalam sejarah umat manusia dalam hal biaya / efisiensi: biaya tahunan untuk pengembangan, pengujian, pembuatan dan pemeliharaan dalam pengoperasian senjata ini mencapai 5 hingga 10 persen dari anggaran militer Amerika Serikat dan Federasi Rusia - negara-negara dengan kompleks produksi nuklir yang sudah terbentuk, mengembangkan teknik tenaga atom dan ketersediaan armada superkomputer untuk pemodelan matematika ledakan nuklir.
Penggunaan perangkat nuklir untuk keperluan militer didasarkan pada sifat atom unsur kimia berat untuk meluruh menjadi atom unsur yang lebih ringan dengan pelepasan energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik (rentang gamma dan sinar-X), serta dalam bentuk energi kinetik hamburan partikel elementer (neutron, proton dan elektron) dan inti atom unsur yang lebih ringan (cesium, strontium, yodium dan lain-lain)
Unsur berat yang paling populer adalah uranium dan plutonium. Isotop mereka, ketika membelah inti mereka, memancarkan dari 2 hingga 3 neutron, yang pada gilirannya menyebabkan pembelahan inti atom tetangga, dll. Reaksi yang menyebar sendiri (disebut berantai) dengan pelepasan sejumlah besar energi terjadi pada zat tersebut. Untuk memulai reaksi, diperlukan massa kritis tertentu, yang volumenya akan cukup untuk menangkap neutron oleh inti atom tanpa emisi neutron di luar zat. Massa kritis dapat dikurangi dengan reflektor neutron dan sumber neutron awal
Reaksi fisi diluncurkan dengan menggabungkan dua massa subkritis menjadi satu massa superkritis atau dengan mengompresi kulit bola dari massa superkritis menjadi bola, sehingga meningkatkan konsentrasi materi fisil dalam volume tertentu. Bahan fisil digabungkan atau dikompresi oleh ledakan terarah bahan peledak kimia.
Selain reaksi fisi unsur berat, reaksi sintesis unsur ringan digunakan dalam muatan nuklir. Fusi termonuklir membutuhkan pemanasan dan kompresi materi hingga beberapa puluh juta derajat dan atmosfer, yang dapat disediakan hanya karena energi yang dilepaskan selama reaksi fisi. Oleh karena itu, muatan termonuklir dirancang sesuai dengan skema dua tahap. Isotop hidrogen tritium dan deuterium (membutuhkan nilai suhu dan tekanan minimum untuk memulai reaksi fusi) atau senyawa kimia - lithium deuteride (yang terakhir, di bawah aksi neutron dari ledakan tahap pertama, dibagi menjadi tritium dan helium) digunakan sebagai unsur ringan. Energi dalam reaksi fusi dilepaskan dalam bentuk radiasi elektromagnetik dan energi kinetik neutron, elektron dan inti helium (disebut partikel alfa). Pelepasan energi reaksi fusi per satuan massa empat kali lebih tinggi daripada reaksi fisi
Tritium dan deuterium produk peluruhannya sendiri juga digunakan sebagai sumber neutron untuk memulai reaksi fisi. Tritium atau campuran isotop hidrogen, di bawah aksi kompresi kulit plutonium, sebagian masuk ke dalam reaksi fusi dengan pelepasan neutron, yang mengubah plutonium menjadi keadaan superkritis.
Komponen utama hulu ledak nuklir modern adalah sebagai berikut:
- isotop uranium U-238 yang stabil (spontan bukan fisil), yang diekstraksi dari bijih uranium atau (dalam bentuk pengotor) dari bijih fosfat;
- isotop radioaktif (spontan fisil) uranium U-235, diekstraksi dari bijih uranium atau diproduksi dari U-238 dalam reaktor nuklir;
- isotop radioaktif plutonium Pu-239, yang dihasilkan dari U-238 dalam reaktor nuklir;
- isotop stabil hidrogen deuterium D, diekstraksi dari air alami atau diproduksi dari protium dalam reaktor nuklir;
- isotop radioaktif hidrogen tritium T, yang dihasilkan dari deuterium dalam reaktor nuklir;
- isotop stabil litium Li-6, diekstraksi dari bijih;
- isotop stabil berilium Be-9, diekstraksi dari bijih;
- HMX dan triaminotrinitrobenzene, bahan peledak kimia.
Massa kritis bola yang terbuat dari U-235 dengan diameter 17 cm adalah 50 kg, massa kritis bola yang terbuat dari Pu-239 dengan diameter 10 cm adalah 11 kg. Dengan reflektor neutron berilium dan sumber neutron tritium, massa kritis masing-masing dapat dikurangi menjadi 35 dan 6 kg.
Untuk menghilangkan risiko operasi spontan muatan nuklir, mereka menggunakan apa yang disebut. Pu-239 tingkat senjata, dimurnikan dari isotop plutonium lain yang kurang stabil hingga tingkat 94%. Dengan periodisitas 30 tahun, plutonium dimurnikan dari produk peluruhan nuklir spontan isotopnya. Untuk meningkatkan kekuatan mekanik, plutonium dicampur dengan galium 1 persen massa dan dilapisi dengan lapisan tipis nikel untuk melindunginya dari oksidasi.
Suhu pemanasan sendiri radiasi plutonium selama penyimpanan muatan nuklir tidak melebihi 100 derajat Celcius, yang lebih rendah dari suhu dekomposisi bahan peledak kimia.
Pada tahun 2000, jumlah plutonium tingkat senjata yang dimiliki Federasi Rusia diperkirakan 170 ton, Amerika Serikat - 103 ton, ditambah beberapa puluh ton yang diterima untuk penyimpanan dari negara-negara NATO, Jepang dan Korea Selatan, yang tidak memiliki senjata nuklir. Federasi Rusia memiliki kapasitas produksi plutonium terbesar di dunia dalam bentuk senjata dan pembangkit tenaga nuklir reaktor cepat. Bersama dengan plutonium dengan biaya sekitar $ 100 per gram (5-6 kg per pengisian), tritium diproduksi dengan biaya sekitar 20 ribu dolar AS per gram (4-5 gram per pengisian).
Desain paling awal untuk muatan fisi nuklir adalah Kid and Fat Man, yang dikembangkan di Amerika Serikat pada pertengahan 1940-an. Jenis muatan yang terakhir berbeda dari yang pertama dalam peralatan kompleks untuk menyinkronkan ledakan banyak detonator listrik dan dalam dimensi melintangnya yang besar.
"Kid" dibuat sesuai dengan skema meriam - laras artileri dipasang di sepanjang sumbu memanjang badan bom udara, di ujungnya yang teredam adalah setengah dari bahan fisil (uranium U-235), paruh kedua bahan fisil adalah proyektil yang dipercepat oleh muatan bubuk. Faktor pemanfaatan uranium dalam reaksi fisi sekitar 1 persen, sisa massa U-235 jatuh dalam bentuk kejatuhan radioaktif dengan waktu paruh 700 juta tahun.
"Pria Gemuk" dibuat sesuai dengan skema ledakan - bola berongga dari bahan fisil (Pu-239 plutonium) dikelilingi oleh cangkang yang terbuat dari uranium U-238 (pendorong), cangkang aluminium (pemadam) dan cangkang (ledakan generator) terdiri dari segmen lima dan heksagonal dari bahan peledak kimia, di permukaan luar yang dipasang detonator listrik. Setiap segmen adalah lensa peledakan dari dua jenis bahan peledak dengan tingkat ledakan yang berbeda, mengubah gelombang tekanan divergen menjadi gelombang konvergen bola, secara seragam mengompresi cangkang aluminium, yang, pada gilirannya, mengompresi cangkang uranium, dan yang satu - bola plutonium sampai rongga dalamnya tertutup. Penyerap aluminium digunakan untuk menyerap mundurnya gelombang tekanan saat melewati bahan dengan kepadatan lebih tinggi, dan pendorong uranium digunakan untuk menahan plutonium secara inert selama reaksi fisi. Di rongga bagian dalam bola plutonium, sumber neutron terletak, terbuat dari isotop radioaktif polonium Po-210 dan berilium, yang memancarkan neutron di bawah pengaruh radiasi alfa dari polonium. Faktor pemanfaatan bahan fisil adalah sekitar 5 persen, waktu paruh kejatuhan radioaktif adalah 24 ribu tahun.
Segera setelah penciptaan "Kid" dan "Fat Man" di AS, pekerjaan mulai mengoptimalkan desain muatan nuklir, baik skema meriam dan ledakan, yang bertujuan untuk mengurangi massa kritis, meningkatkan tingkat pemanfaatan bahan fisil, menyederhanakan sistem detonasi listrik dan mengurangi ukuran. Di Uni Soviet dan negara bagian lain - pemilik senjata nuklir, tuduhan awalnya dibuat sesuai dengan skema implosif. Sebagai hasil dari optimasi desain, massa kritis bahan fisil berkurang, dan faktor pemanfaatannya meningkat beberapa kali karena penggunaan reflektor neutron dan sumber neutron.
Reflektor neutron berilium adalah cangkang logam setebal 40 mm, sumber neutron adalah tritium gas yang mengisi rongga dalam plutonium, atau hidrida besi yang diresapi tritium dengan titanium yang disimpan dalam silinder terpisah (penguat) dan melepaskan tritium di bawah aksi pemanasan oleh listrik segera sebelum menggunakan muatan nuklir, setelah itu tritium diumpankan melalui pipa gas ke dalam muatan. Solusi teknis yang terakhir memungkinkan untuk melipatgandakan kekuatan muatan nuklir tergantung pada volume tritium yang dipompa, dan juga memfasilitasi penggantian campuran gas dengan yang baru setiap 4-5 tahun, karena waktu paruh tritium adalah 12 tahun. Jumlah tritium yang berlebihan dalam booster memungkinkan untuk mengurangi massa kritis plutonium menjadi 3 kg dan secara signifikan meningkatkan efek dari faktor perusak seperti radiasi neutron (dengan mengurangi efek faktor perusak lainnya - gelombang kejut dan radiasi cahaya). Sebagai hasil dari optimasi desain, faktor pemanfaatan bahan fisil meningkat menjadi 20%, dalam kasus kelebihan tritium - hingga 40%.
Skema meriam disederhanakan karena transisi ke ledakan aksial radial dengan membuat susunan bahan fisil dalam bentuk silinder berongga, dihancurkan oleh ledakan dua ujung dan satu muatan aksial.
Skema ledakan dioptimalkan (SWAN) dengan membuat kulit terluar dari bahan peledak dalam bentuk ellipsoid, yang memungkinkan untuk mengurangi jumlah lensa detonasi menjadi dua unit terpisah dari kutub ellipsoid - perbedaan dalam kecepatan gelombang detonasi di penampang lensa detonasi memastikan pendekatan simultan dari gelombang kejut ke permukaan bola lapisan dalam bahan peledak, ledakan yang secara seragam memampatkan cangkang berilium (menggabungkan fungsi reflektor neutron dan peredam gelombang tekanan mundur) dan bola plutonium dengan rongga bagian dalam diisi dengan tritium atau campurannya dengan deuterium
Implementasi paling kompak dari skema ledakan (digunakan dalam proyektil Soviet 152-mm) adalah pelaksanaan rakitan berilium-plutonium eksplosif dalam bentuk ellipsoid berongga dengan ketebalan dinding variabel, yang menyediakan deformasi yang dihitung dari rakitan. di bawah aksi gelombang kejut dari ledakan eksplosif ke dalam struktur bola akhir
Terlepas dari berbagai perbaikan teknis, kekuatan muatan fisi nuklir tetap terbatas pada level 100 Ktn dalam ekuivalen TNT karena perluasan lapisan luar materi fisil yang tak terhindarkan selama ledakan dengan mengesampingkan materi dari reaksi fisi.
Oleh karena itu, sebuah desain diusulkan untuk muatan termonuklir, yang mencakup elemen fisi berat dan elemen fusi ringan. Muatan termonuklir pertama (Ivy Mike) dibuat dalam bentuk tangki kriogenik yang diisi dengan campuran cair tritium dan deuterium, di mana muatan nuklir plutonium yang meledak berada. Karena dimensi yang sangat besar dan kebutuhan untuk pendinginan tangki kriogenik yang konstan, skema yang berbeda digunakan dalam praktik - "puff" implosif (RDS-6s), yang mencakup beberapa lapisan uranium, plutonium, dan litium deuterida bergantian dengan reflektor berilium eksternal dan sumber tritium internal
Namun, kekuatan "puff" juga dibatasi oleh level 1 Mtn karena dimulainya reaksi fisi dan sintesis di lapisan dalam dan perluasan lapisan luar yang tidak bereaksi. Untuk mengatasi keterbatasan ini, skema telah dikembangkan untuk kompresi elemen ringan dari reaksi sintesis oleh radiasi sinar-X (tahap kedua) dari reaksi fisi elemen berat (tahap pertama). Tekanan yang sangat besar dari fluks foton sinar-X yang dilepaskan dalam reaksi fisi memungkinkan litium deuterida dikompresi 10 kali dengan peningkatan densitas sebesar 1000 kali dan dipanaskan selama proses kompresi, setelah itu litium terkena fluks neutron dari reaksi fisi, berubah menjadi tritium, yang masuk ke dalam reaksi fusi dengan deuterium. Skema dua tahap muatan termonuklir adalah yang paling bersih dalam hal hasil radioaktivitas, karena neutron sekunder dari reaksi fusi membakar uranium / plutonium yang tidak bereaksi menjadi elemen radioaktif berumur pendek, dan neutron itu sendiri padam di udara dengan jarak tempuh sekitar 1,5 km.
Untuk tujuan crimping seragam tahap kedua, tubuh muatan termonuklir dibuat dalam bentuk kulit kacang, menempatkan perakitan tahap pertama dalam fokus geometris satu bagian cangkang, dan perakitan tahap kedua dalam fokus geometris bagian lain dari cangkang. Rakitan ditangguhkan di sebagian besar tubuh menggunakan pengisi busa atau aerogel. Menurut aturan optik, sinar-X dari ledakan tahap pertama terkonsentrasi di penyempitan antara dua bagian cangkang dan didistribusikan secara merata di atas permukaan tahap kedua. Untuk meningkatkan reflektifitas dalam rentang sinar-X, permukaan bagian dalam badan muatan dan permukaan luar rakitan tahap kedua ditutupi dengan lapisan bahan padat: timah, tungsten, atau uranium U-238. Dalam kasus terakhir, muatan termonuklir menjadi tiga tahap - di bawah aksi neutron dari reaksi fusi, U-238 berubah menjadi U-235, yang atomnya masuk ke dalam reaksi fisi dan meningkatkan daya ledakan
Skema tiga tahap dimasukkan dalam desain bom udara AN-602 Soviet, yang kekuatan desainnya adalah 100 Mtn. Sebelum pengujian, tahap ketiga dikeluarkan dari komposisinya dengan mengganti uranium U-238 dengan timbal karena risiko perluasan zona kejatuhan radioaktif dari fisi U-238 di luar lokasi pengujian. Kapasitas aktual dari modifikasi dua tahap AN-602 adalah 58 Mtn. Peningkatan lebih lanjut dalam kekuatan muatan termonuklir dapat dilakukan dengan meningkatkan jumlah muatan termonuklir dalam perangkat peledak gabungan. Namun, ini tidak perlu karena kurangnya target yang memadai - analog modern AN-602, ditempatkan di atas kendaraan bawah air Poseidon, memiliki radius penghancuran bangunan dan struktur oleh gelombang kejut 72 km dan radius kebakaran sejauh 150 km, yang cukup untuk menghancurkan wilayah metropolitan seperti New York atau Tokyo
Dari sudut pandang pembatasan konsekuensi penggunaan senjata nuklir (lokalisasi teritorial, meminimalkan pelepasan radioaktivitas, tingkat penggunaan taktis), yang disebut biaya satu tahap presisi dengan kapasitas hingga 1 Ktn, yang dirancang untuk menghancurkan target titik - silo rudal, markas besar, pusat komunikasi, radar, sistem rudal pertahanan udara, kapal, kapal selam, pembom strategis, dll.
Desain muatan semacam itu dapat dibuat dalam bentuk rakitan implosive, yang mencakup dua lensa detonasi ellipsoidal (bahan peledak kimia dari HMX, bahan inert yang terbuat dari polipropilena), tiga cangkang bulat (reflektor neutron yang terbuat dari berilium, generator piezoelektrik yang terbuat dari cesium iodida, bahan fisil dari plutonium) dan bola internal (bahan bakar fusi litium deuterida)
Di bawah aksi gelombang tekanan konvergen, cesium iodida menghasilkan pulsa elektromagnetik yang sangat kuat, aliran elektron menghasilkan radiasi gamma dalam plutonium, yang melumpuhkan neutron dari inti, sehingga memulai reaksi fisi yang menyebar sendiri, radiasi sinar-X kompres dan memanaskan litium deuterida, aliran neutron menghasilkan tritium dari litium, yang bereaksi dengan deuterium. Arah sentripetal reaksi fisi dan fusi memastikan 100% penggunaan bahan bakar termonuklir.
Pengembangan lebih lanjut dari desain muatan nuklir ke arah meminimalkan daya dan radioaktivitas dimungkinkan dengan mengganti plutonium dengan perangkat untuk kompresi laser kapsul dengan campuran tritium dan deuterium.
