Atomwaffen sind in Bezug auf Kosten/Effizienz die effektivsten in der Geschichte der Menschheit: Die jährlichen Kosten für Entwicklung, Erprobung, Herstellung und Betrieb dieser Waffen machen 5 bis 10 Prozent des Militärbudgets der Vereinigten Staaten aus und die Russische Föderation - Länder mit einem bereits gebildeten nuklearen Produktionskomplex, entwickelter Atomenergietechnik und der Verfügbarkeit einer Flotte von Supercomputern für die mathematische Modellierung nuklearer Explosionen.
Der Einsatz nuklearer Geräte für militärische Zwecke beruht auf der Eigenschaft von Atomen schwerer chemischer Elemente, unter Freisetzung von Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung (Gamma- und Röntgenbereich) in Atome leichterer Elemente zu zerfallen die Form der kinetischen Energie von streuenden Elementarteilchen (Neutronen, Protonen und Elektronen) und Kernen von Atomen leichterer Elemente (Cäsium, Strontium, Jod und andere)
Die beliebtesten schweren Elemente sind Uran und Plutonium. Ihre Isotope emittieren bei der Kernspaltung 2 bis 3 Neutronen, die wiederum die Kernspaltung benachbarter Atome usw. Im Stoff findet eine sich selbst fortpflanzende (sog. Ketten-)Reaktion unter Freisetzung einer großen Energiemenge statt. Um die Reaktion zu starten, ist eine bestimmte kritische Masse erforderlich, deren Volumen ausreicht, um Neutronen durch Atomkerne einzufangen, ohne dass Neutronen außerhalb der Substanz emittiert werden. Kritische Masse kann mit einem Neutronenreflektor und einer initiierenden Neutronenquelle reduziert werden
Die Spaltungsreaktion wird gestartet, indem zwei unterkritische Massen zu einer überkritischen zusammengefasst werden oder indem eine Kugelschale einer überkritischen Masse zu einer Kugel komprimiert wird, wodurch die Konzentration an spaltbarem Material in einem bestimmten Volumen erhöht wird. Spaltbares Material wird durch eine gerichtete Explosion eines chemischen Sprengstoffs verbunden oder komprimiert.
Neben der Spaltungsreaktion schwerer Elemente wird die Synthesereaktion leichter Elemente in Kernladungen genutzt. Die thermonukleare Fusion erfordert eine Erwärmung und Kompression von Materie bis zu mehreren zehn Millionen Grad und Atmosphären, die nur aufgrund der bei der Spaltungsreaktion freigesetzten Energie bereitgestellt werden kann. Daher werden thermonukleare Ladungen nach einem zweistufigen Schema entworfen. Die Isotope von Wasserstoff, Tritium und Deuterium (die Mindestwerte von Temperatur und Druck erfordern, um die Fusionsreaktion zu starten) oder eine chemische Verbindung, Lithium-Deuterid (letzteres wird unter der Einwirkung von Neutronen aus der Explosion der ersten Stufe geteilt in Tritium und Helium) werden als leichte Elemente verwendet. Bei der Fusionsreaktion wird Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung und kinetischer Energie von Neutronen, Elektronen und Heliumkernen (sogenannten Alphateilchen) freigesetzt. Die Energiefreisetzung der Fusionsreaktion pro Masseneinheit ist viermal höher als die der Spaltreaktion
Tritium und sein Selbstzerfallprodukt Deuterium werden auch als Neutronenquelle verwendet, um die Spaltungsreaktion auszulösen. Tritium oder eine Mischung von Wasserstoffisotopen geht unter der Einwirkung der Kompression der Plutoniumhülle teilweise eine Fusionsreaktion unter Freisetzung von Neutronen ein, die Plutonium in einen überkritischen Zustand überführen.
Die Hauptkomponenten moderner Atomsprengköpfe sind wie folgt:
- stabiles (spontan nicht spaltbares) Isotop von Uran U-238, gewonnen aus Uranerz oder (in Form einer Verunreinigung) aus Phosphaterz;
- radioaktives (spontan spaltbares) Isotop von Uran U-235, das aus Uranerz gewonnen oder in Kernreaktoren aus U-238 gewonnen wird;
- radioaktives Isotop von Plutonium Pu-239, hergestellt aus U-238 in Kernreaktoren;
- stabiles Isotop von Wasserstoff-Deuterium D, das aus natürlichem Wasser gewonnen oder in Kernreaktoren aus Protium hergestellt wird;
- radioaktives Isotop von Wasserstoff Tritium T, hergestellt aus Deuterium in Kernreaktoren;
- stabiles Isotop von Lithium Li-6, extrahiert aus Erz;
- stabiles Isotop von Beryllium Be-9, extrahiert aus Erz;
- HMX und Triaminotrinitrobenzol, chemische Sprengstoffe.
Die kritische Masse einer Kugel aus U-235 mit einem Durchmesser von 17 cm beträgt 50 kg, die kritische Masse einer Kugel aus Pu-239 mit einem Durchmesser von 10 cm beträgt 11 kg. Mit einem Beryllium-Neutronenreflektor und einer Tritium-Neutronenquelle kann die kritische Masse auf 35 bzw. 6 kg reduziert werden.
Um das Risiko eines spontanen Betriebs von Kernladungen auszuschließen, verwenden sie die sog. waffenfähiges Pu-239, gereinigt von anderen, weniger stabilen Isotopen des Plutoniums auf einen Gehalt von 94 %. Mit einer Periodizität von 30 Jahren wird Plutonium aus den Produkten des spontanen Kernzerfalls seiner Isotope gereinigt. Um die mechanische Festigkeit zu erhöhen, wird Plutonium mit 1 Massenprozent Gallium legiert und zum Schutz vor Oxidation mit einer dünnen Nickelschicht überzogen.
Die Temperatur der Strahlungsselbsterhitzung von Plutonium während der Lagerung von Kernladungen überschreitet 100 Grad Celsius nicht, was niedriger ist als die Zersetzungstemperatur eines chemischen Sprengstoffs.
Im Jahr 2000 wird die Menge an waffenfähigem Plutonium, die der Russischen Föderation zur Verfügung steht, auf 170 Tonnen geschätzt, den Vereinigten Staaten auf 103 Tonnen, plus mehrere Dutzend Tonnen, die aus den NATO-Staaten, Japan und Südkorea zur Lagerung akzeptiert wurden, die keine Atomwaffen besitzen. Die Russische Föderation verfügt über die weltweit größte Produktionskapazität für Plutonium in Form von waffenfähigen und schnellen Kernreaktoren. Zusammen mit Plutonium zu einem Preis von etwa 100 US-Dollar pro Gramm (5-6 kg pro Ladung) wird Tritium zu einem Preis von etwa 20.000 US-Dollar pro Gramm (4-5 Gramm pro Ladung) hergestellt.
Die frühesten Entwürfe von Kernspaltungsladungen waren der Kid und Fat Man, die Mitte der 1940er Jahre in den Vereinigten Staaten entwickelt wurden. Letztere Art der Ladung unterschied sich von der ersten durch die aufwendige Ausrüstung zur Synchronisierung der Detonation zahlreicher elektrischer Zünder und durch ihre großen Querabmessungen.
Das "Kid" wurde nach einem Kanonenschema hergestellt - entlang der Längsachse des Luftbombenkörpers war ein Artillerielauf angebracht, an dessen gedämpftem Ende sich eine Hälfte des spaltbaren Materials (Uran U-235) befand, die zweite Hälfte des spaltbaren Materials war ein Projektil, das durch eine Pulverladung beschleunigt wurde. Der Verwertungsfaktor von Uran bei der Spaltungsreaktion lag bei etwa 1 Prozent, der Rest der U-235-Masse fiel in Form von radioaktivem Fallout mit einer Halbwertszeit von 700 Millionen Jahren aus.
"Fat Man" wurde nach einem implosiven Schema hergestellt - eine Hohlkugel aus spaltbarem Material (Pu-239-Plutonium) wurde von einer Hülle aus Uran U-238 (Pusher), einer Aluminiumhülle (Quencher) und einer Hülle (Implosion) umgeben Generator), bestehend aus fünf- und sechseckigen Segmenten eines chemischen Sprengstoffs, an dessen Außenfläche elektrische Zünder angebracht waren. Jedes Segment war eine Detonationslinse aus zwei Arten von Sprengstoffen mit unterschiedlichen Detonationsraten, die die divergierende Druckwelle in eine kugelförmige konvergierende Welle umwandelten und die Aluminiumhülle gleichmäßig komprimierten, die wiederum die Uranhülle komprimierte, und diese - die Plutoniumkugel, bis sie innerer Hohlraum geschlossen. Ein Aluminium-Absorber wurde verwendet, um den Rückstoß der Druckwelle zu absorbieren, wenn sie in ein Material mit einer höheren Dichte eindringt, und ein Uran-Drücker wurde verwendet, um Plutonium während der Spaltungsreaktion träge zu halten. Im inneren Hohlraum der Plutoniumkugel befand sich eine Neutronenquelle aus dem radioaktiven Isotop Polonium Po-210 und Beryllium, die unter dem Einfluss von Alphastrahlung aus Polonium Neutronen emittiert. Der Nutzungsfaktor der spaltbaren Materie betrug etwa 5 Prozent, die Halbwertszeit des radioaktiven Niederschlags betrug 24.000 Jahre.
Unmittelbar nach der Gründung von "Kid" und "Fat Man" in den USA begannen die Arbeiten zur Optimierung des Designs von Nuklearladungen, sowohl Kanonen- als auch Implosionsschemata, mit dem Ziel, die kritische Masse zu reduzieren, die Nutzungsrate spaltbarer Materie zu erhöhen und die elektrische Detonationssystem und Verringerung der Größe. In der UdSSR und anderen Staaten - Besitzern von Atomwaffen - wurden die Anklagen zunächst nach einem implosiven Schema erstellt. Durch die Optimierung des Designs wurde die kritische Masse des spaltbaren Materials reduziert und der Nutzungskoeffizient durch den Einsatz eines Neutronenreflektors und einer Neutronenquelle um ein Vielfaches erhöht.
Der Beryllium-Neutronenreflektor ist eine bis zu 40 mm dicke Metallhülle, die Neutronenquelle ist gasförmiges Tritium, das einen Hohlraum in Plutonium füllt, oder Tritium-imprägniertes Eisenhydrid mit Titan, das in einem separaten Zylinder (Booster) gespeichert ist und unter Erhitzen Tritium freisetzt durch Strom unmittelbar vor dem Einsatz einer nuklearen Ladung, wonach Tritium über die Gasleitung in die Ladung eingespeist wird. Die letztere technische Lösung ermöglicht es, die Leistung der Kernladung in Abhängigkeit vom gepumpten Tritiumvolumen zu vervielfachen und erleichtert auch den Austausch des Gasgemisches alle 4-5 Jahre durch ein neues, da die Halbwertszeit von Tritium beträgt 12 Jahre. Ein Überschuss an Tritium im Booster ermöglicht es, die kritische Masse von Plutonium auf 3 kg zu reduzieren und die Wirkung eines schädlichen Faktors wie Neutronenstrahlung erheblich zu erhöhen (durch Verringerung der Wirkung anderer schädlicher Faktoren - einer Stoßwelle und Lichtstrahlung).). Durch konstruktive Optimierung erhöhte sich der Spaltstoffnutzungsfaktor auf 20 %, bei Tritiumüberschuss auf bis zu 40 %.
Das Kanonenschema wurde aufgrund des Übergangs zur radial-axialen Implosion vereinfacht, indem eine Anordnung von spaltbarem Material in Form eines Hohlzylinders hergestellt wurde, der durch die Explosion von zwei Enden und einer axialen Sprengladung zerkleinert wurde
Das implosive Schema wurde optimiert (SWAN), indem die äußere Hülle des Sprengstoffs in Form eines Ellipsoids ausgeführt wurde, wodurch es möglich war, die Anzahl der Detonationslinsen auf zwei Einheiten im Abstand von den Polen des Ellipsoids zu reduzieren - der Unterschied in der Geschwindigkeit der Detonationswelle im Querschnitt der Detonationslinse gewährleistet die gleichzeitige Annäherung der Stoßwelle an die Kugeloberfläche die innere Schicht des Sprengstoffs, dessen Detonation die Berylliumhülle gleichmäßig komprimiert (Kombination der Funktionen eines Neutronenreflektors und ein Druckwellen-Rückstoßdämpfer) und eine Plutoniumkugel mit einem inneren Hohlraum gefüllt mit Tritium oder dessen Mischung mit Deuterium
Die kompakteste Implementierung des Implosionsschemas (verwendet im sowjetischen 152-mm-Projektil) ist die Ausführung einer Sprengstoff-Beryllium-Plutonium-Baugruppe in Form eines hohlen Ellipsoids mit variabler Wandstärke, das die berechnete Verformung der Baugruppe liefert unter Einwirkung einer Stoßwelle von einer explosiven Explosion in eine endgültige kugelförmige Struktur
Trotz verschiedener technischer Verbesserungen blieb die Leistung der Kernspaltungsladungen aufgrund der unvermeidlichen Ausdehnung der äußeren Spaltstoffschichten während der Explosion unter Ausschluss der Materie aus der Spaltungsreaktion auf das Niveau von 100 Ktn in TNT-Äquivalent begrenzt.
Daher wurde ein Design für eine thermonukleare Ladung vorgeschlagen, das sowohl schwere Spaltelemente als auch leichte Fusionselemente umfasst. Die erste thermonukleare Ladung (Ivy Mike) wurde in Form eines mit einer flüssigen Mischung aus Tritium und Deuterium gefüllten Kryotanks hergestellt, in dem sich eine implosive Kernladung von Plutonium befand. Aufgrund der extrem großen Abmessungen und der Notwendigkeit einer ständigen Kühlung des Kryotanks wurde in der Praxis ein anderes Schema verwendet - ein implosiver "Puff" (RDS-6s), der mehrere abwechselnde Schichten aus Uran, Plutonium und Lithium-Deuterid mit einem externer Berylliumreflektor und interne Tritiumquelle
Allerdings war die Kraft des „Puffs“auch durch den Beginn der Spaltungs- und Synthesereaktion in den inneren Schichten und die Ausdehnung nicht umgesetzter äußerer Schichten durch das Niveau von 1 Mtn begrenzt. Um diese Einschränkung zu überwinden, wurde ein Schema zur Kompression leichter Elemente der Fusionsreaktion durch Röntgenstrahlen (zweite Stufe) aus der Spaltreaktion schwerer Elemente (erste Stufe) entwickelt. Der enorme Druck des bei der Spaltungsreaktion freigesetzten Flusses von Röntgenphotonen ermöglicht es, Lithium-Deuterid mit einer Dichteerhöhung um das 1000-fache 10fach zu komprimieren und während des Kompressionsprozesses zu erhitzen, wonach Lithium dem Neutronenfluss aus der Spaltreaktion, die sich in Tritium verwandelt, das mit Deuterium Fusionsreaktionen eingeht. Das zweistufige Schema einer thermonuklearen Ladung ist hinsichtlich der Radioaktivitätsausbeute am saubersten, da Sekundärneutronen aus der Fusionsreaktion nicht umgesetztes Uran/Plutonium zu kurzlebigen radioaktiven Elementen ausbrennen und die Neutronen selbst in der Luft mit einem Reichweite von etwa 1,5 km.
Um die zweite Stufe gleichmäßig zu quetschen, wird der Körper der thermonuklearen Ladung in Form einer Erdnussschale hergestellt, wobei die Anordnung der ersten Stufe in den geometrischen Fokus eines Teils der Schale gelegt wird und die Anordnung der zweite Stufe im geometrischen Fokus des anderen Teils der Schale. Die Anordnungen werden in der Masse des Körpers unter Verwendung von Schaum- oder Aerogel-Füllstoff aufgehängt. Nach den Regeln der Optik wird die Röntgenstrahlung der Explosion der ersten Stufe in der Verengung zwischen den beiden Schalenteilen konzentriert und gleichmäßig über die Oberfläche der zweiten Stufe verteilt. Um die Reflektivität im Röntgenbereich zu erhöhen, sind die Innenfläche des Ladungskörpers und die Außenfläche der Zweitstufenanordnung mit einer Schicht aus dichtem Material bedeckt: Blei, Wolfram oder Uran U-238. Im letzteren Fall wird die thermonukleare Ladung dreistufig - unter Einwirkung von Neutronen aus der Fusionsreaktion verwandelt sich U-238 in U-235, dessen Atome eine Spaltungsreaktion eingehen und die Explosionskraft erhöhen
Das dreistufige Schema wurde in das Design der sowjetischen Fliegerbombe AN-602 integriert, deren Designleistung 100 Mt betrug. Vor dem Test wurde die dritte Stufe aus ihrer Zusammensetzung ausgeschlossen, indem Uran U-238 durch Blei ersetzt wurde, da die Gefahr besteht, dass sich die Zone des radioaktiven Niederschlags aus der Spaltung von U-238 über das Testgelände hinaus ausdehnt. Die tatsächliche Kapazität der zweistufigen Modifikation der AN-602 betrug 58 Mio. tn. Eine weitere Steigerung der Leistung thermonuklearer Ladungen kann durch Erhöhen der Anzahl thermonuklearer Ladungen in der kombinierten Sprengvorrichtung erreicht werden. Dies ist jedoch mangels geeigneter Ziele nicht erforderlich - das moderne Analogon des AN-602, das an Bord des Unterwasserfahrzeugs Poseidon platziert ist, hat einen Zerstörungsradius von Gebäuden und Bauwerken durch eine Stoßwelle von 72 km und einen Radius Feuer von 150 km, was völlig ausreicht, um Megastädte wie New York oder Tokio zu zerstören
Unter dem Gesichtspunkt der Begrenzung der Folgen des Einsatzes von Kernwaffen (territoriale Lokalisierung, Minimierung der Freisetzung von Radioaktivität, taktisches Einsatzniveau) einstufige Präzisionsladungen mit einer Kapazität von bis zu 1 Ktn, die Punktziele zerstören sollen - Raketensilos, Hauptquartiere, Kommunikationszentren, Radare, Flugabwehr-Raketensysteme, Schiffe, U-Boote, strategische Bomber usw.
Der Aufbau einer solchen Ladung kann in Form einer implosiven Baugruppe erfolgen, die aus zwei ellipsoiden Detonationslinsen (chemischer Sprengstoff aus HMX, inertes Material aus Polypropylen), drei Kugelschalen (Neutronenreflektor aus Beryllium, piezoelektrischer Generator aus Cäsiumjodid, spaltbares Material aus Plutonium) und eine innere Kugel (Lithium-Deuterid-Fusionsbrennstoff)
Unter der Wirkung einer konvergierenden Druckwelle erzeugt Cäsiumjodid einen superstarken elektromagnetischen Puls, der Elektronenfluss erzeugt Gammastrahlung in Plutonium, die Neutronen aus Kernen herausschlägt und dadurch eine sich selbst ausbreitende Spaltungsreaktion einleitet, Röntgenstrahlen komprimiert und erhitzt Lithium-Deuterid, erzeugt der Neutronenfluss aus Lithium Tritium, das mit Deuterium in Reaktion tritt. Die zentripetale Richtung der Spalt- und Fusionsreaktionen gewährleistet eine 100%ige Nutzung des thermonuklearen Brennstoffs.
Eine Weiterentwicklung von Kernladungsdesigns in Richtung Energie- und Radioaktivitätsminimierung ist möglich, indem Plutonium durch eine Vorrichtung zur Laserkompression einer Kapsel mit einer Mischung aus Tritium und Deuterium ersetzt wird.
