פיתוח עיצובי ראש נפץ גרעיני

פיתוח עיצובי ראש נפץ גרעיני
פיתוח עיצובי ראש נפץ גרעיני

וִידֵאוֹ: פיתוח עיצובי ראש נפץ גרעיני

וִידֵאוֹ: פיתוח עיצובי ראש נפץ גרעיני
וִידֵאוֹ: סלמה | Selma 2024, מרץ
Anonim

הנשק הגרעיני הוא היעיל ביותר בהיסטוריה של האנושות מבחינת עלות / יעילות: העלויות השנתיות של פיתוח, בדיקה, ייצור ותחזוקה בהפעלת נשק זה מהוות 5 עד 10 אחוזים מהתקציב הצבאי של ארצות הברית ו הפדרציה הרוסית - מדינות עם מתחם ייצור גרעיני שכבר נוצר, פיתחו הנדסת כוח אטומית וזמינות של צי מחשבי -על לצורך דוגמנות מתמטיות של פיצוצים גרעיניים.

תמונה
תמונה

השימוש במכשירים גרעיניים למטרות צבאיות מבוסס על תכונתם של אטומים של יסודות כימיים כבדים להתפרק לאטומים של יסודות קלים יותר עם שחרור האנרגיה בצורה של קרינה אלקטרומגנטית (טווחי גמא וצילומי רנטגן), כמו גם צורת האנרגיה הקינטית של פיזור חלקיקים בסיסיים (נויטרונים, פרוטונים ואלקטרונים) וגרעינים של אטומים של יסודות קלים יותר (צזיום, סטרונטיום, יוד ואחרים)

פיתוח עיצובי ראש נפץ גרעיני
פיתוח עיצובי ראש נפץ גרעיני

היסודות הכבדים הפופולריים ביותר הם אורניום ופלוטוניום. האיזוטופים שלהם, בעת ביקוע הגרעין שלהם, פולטים מ -2 עד 3 נויטרונים, שבתורם גורמים לביקוע הגרעינים של האטומים השכנים וכו '. תגובה המתרחבת עצמית (מה שנקרא שרשרת) עם שחרור כמות גדולה של אנרגיה מתרחשת בחומר. כדי להתחיל את התגובה, נדרשת מסה קריטית מסוימת, שהנפח שלה יספיק ללכידת נויטרונים על ידי גרעינים אטומיים ללא פליטת נויטרונים מחוץ לחומר. ניתן להפחית את המסה הקריטית באמצעות מחזיר נויטרונים ומקור נויטרונים יוזם

תמונה
תמונה

תגובת הביקוע מתחילה על ידי שילוב של שתי מסות תת -קריטיות לאחת על -ביקורתית או על ידי דחיסת קליפה כדורית של מסה על -קריטית לכדור, ובכך מגבירה את ריכוז החומר הבקיע בנפח נתון. חומר בקיע משולב או נדחס על ידי פיצוץ מכוון של חומר נפץ כימי.

בנוסף לתגובת הביקוע של יסודות כבדים, התגובה של סינתזה של יסודות קלים משמשת במטענים גרעיניים. היתוך תרמו -גרעיני דורש חימום ודחיסה של חומר עד כמה עשרות מיליוני מעלות ואטמוספירה, שניתן לספק רק בשל האנרגיה המשתחררת במהלך תגובת הביקוע. לכן מטענים תרמו-גרעיניים מתוכננים על פי תכנית דו-שלבית. האיזוטופים של מימן, טריטיום ודוטריום (הדורשים ערכי מינימום של טמפרטורה ולחץ על מנת להתחיל את תגובת ההיתוך) או תרכובת כימית, ליתיום דוטריד (האחרון, בפעולת נויטרונים מהתפוצצות השלב הראשון, מחולק לתוך טריטיום והליום) משמשים כאלמנטים קלים. האנרגיה בתגובת ההיתוך משתחררת בצורה של קרינה אלקטרומגנטית ואנרגיה קינטית של נויטרונים, אלקטרונים וגרעיני הליום (מה שנקרא חלקיקי אלפא). שחרור האנרגיה של תגובת ההיתוך ליחידת מסה גבוה פי ארבעה מזה של תגובת הביקוע

תמונה
תמונה

טריטיום ומוצר הריקבון העצמי שלו דוטריום משמשים גם כמקור לניוטרונים ליזום תגובת הביקוע. טריטיום או תערובת של איזוטופים מימן, בפעולה של דחיסת קליפת הפלוטוניום, נכנסים חלקית לתגובת היתוך עם שחרור נויטרונים, ההופכים את הפלוטוניום למצב על -קריטי.

המרכיבים העיקריים של ראשי נפץ גרעיניים מודרניים הם כדלקמן:

-איזוטופ יציב (באופן בלתי ספונטני) של אורניום U-238, המופק מפרשת אורניום או (בצורת טומאה) מעפרות פוספט;

-איזוטופ רדיואקטיבי (בקיע ספונטני) של אורניום U-235, המופק מפרשת אורניום או מיוצר מ- U-238 בכורים גרעיניים;

-איזוטופ רדיואקטיבי של פלוטוניום Pu-239, המיוצר מ- U-238 בכורים גרעיניים;

- איזוטופ יציב של מימן דוטריום D, המופק ממים טבעיים או מיוצר מפרוטיום בכורים גרעיניים;

- איזוטופ רדיואקטיבי של מימן טריטיום T, המיוצר מדוטריום בכורים גרעיניים;

- איזוטופ יציב של ליתיום Li-6, המופק מעפרות;

- איזוטופ יציב של בריליום Be-9, המופק מעפרות;

- HMX ו triaminotrinitrobenzene, חומרי נפץ כימיים.

המסה הקריטית של כדור עשוי U-235 בקוטר של 17 ס"מ היא 50 ק"ג, המסה הקריטית של כדור העשוי פו -239 בקוטר של 10 ס"מ הוא 11 ק"ג. עם מחזיר נויטרונים בריליום ומקור נויטרונים טריטיום, ניתן להפחית את המסה הקריטית ל -35 ו -6 ק"ג, בהתאמה.

כדי לחסל את הסיכון להפעלה ספונטנית של מטענים גרעיניים, הם משתמשים במה שנקרא. נשק Pu-239, מטוהר מאיזוטופים אחרים ופחות יציבים של פלוטוניום לרמה של 94%. עם מחזוריות של 30 שנה, הפלוטוניום מטוהר מתוצרי ריקבון גרעיני ספונטני של האיזוטופים שלו. על מנת להגביר את החוזק המכני, פלוטוניום מסגסוגת עם אחוז אחד גליום ומצופה בשכבה דקה של ניקל כדי להגן עליו מפני חמצון.

תמונה
תמונה

טמפרטורת החימום העצמי של הפלוטוניום במהלך אחסון מטענים גרעיניים אינה עולה על 100 מעלות צלזיוס, הנמוכה מטמפרטורת הפירוק של חומר נפץ כימי.

החל משנת 2000, כמות הפלוטוניום העומד לרשות הנשק העומדת לרשות הפדרציה הרוסית נאמדת ב -170 טון, ארצות הברית - ב -103 טון, ועוד כמה עשרות טונות שהתקבלו לאחסון ממדינות נאט"ו, יפן ודרום קוריאה, שאינם מחזיקים בנשק גרעיני. לפדרציה הרוסית יש את כושר ייצור הפלוטוניום הגדול ביותר בעולם בצורה של כורים מהירים גרעיניים בעלי כיתות נשק וכוח. יחד עם פלוטוניום בעלות של כ -100 דולר ארה"ב לגרם (5-6 ק"ג לכל מטען), הטריטיום מיוצר בעלות של כ -20 אלף דולר לגרם (4-5 גרם לטעינה).

העיצובים המוקדמים ביותר של חיובי ביקוע גרעיני היו הילד והשמן, שפותח בארצות הברית באמצע שנות הארבעים. סוג המטען האחרון שונה מהראשון בציוד המורכב לסינכרון פיצוץ של מפוצצים חשמליים רבים ובממדיו הרוחביים הגדולים שלו.

"הילד" נוצר על פי תכנית תותחים - חבית תותחים הותקנה לאורך הציר האורך של גוף פצצת האוויר, שבקצהו המעומעם היה מחצית מהחומר הבקע (אורניום U -235), המחצית השנייה מהחומר הבקע היה קליע שהואץ באמצעות מטען אבקה. גורם הניצול של האורניום בתגובת הביקוע היה כ -1 אחוזים, שאר המסה U-235 נפלה בצורה של נשירה רדיואקטיבית עם מחצית חיים של 700 מיליון שנים.

תמונה
תמונה

"איש שמן" נוצר על פי תוכנית משתמעת-כדור חלול של חומר בקיע (Pu-239 פלוטוניום) היה מוקף בקליפה עשויה אורניום U-238 (דוחף), מעטפת אלומיניום (מרווה) ופגז (התפלה) גנרטור), המורכב מחלקים חמישים ומשושים של חומר נפץ כימי, שעל פניו החיצוניים הותקנו מפוצצים חשמליים. כל קטע היה עדשת פיצוץ של שני סוגים של חומרי נפץ עם קצבי פיצוץ שונים, שהמירה את גל הלחץ המתפצל לגל המתכנס בכדור, דוחסת באופן אחיד את מעטפת האלומיניום, אשר בתורו דחסה את קליפת האורניום, ואחת - כדור הפלוטוניום עד שהוא חלל פנימי סגור. בולם אלומיניום שימש לספיגת רתיעה של גל הלחץ כשהוא עובר לחומר בעל צפיפות גבוהה יותר, ודוחף אורניום שימש להחזיק בפלוטוניום באופן אינרטי במהלך תגובת הביקוע. בחלל הפנימי של כדור הפלוטוניום אותר מקור נויטרונים העשוי מהאיזוטופ הרדיואקטיבי פולוניום Po-210 ובריליום, אשר פלטו נויטרונים בהשפעת קרינת אלפא מפולוניום. גורם הניצול של חומר בקיע היה כ -5 אחוזים, מחצית החיים של נשירה רדיואקטיבית הייתה 24 אלף שנה.

תמונה
תמונה

מיד לאחר יצירת "קיד" ו"איש שמן "בארצות הברית, החלו עבודות לייעל את תכנון מטעני הגרעין, הן תוכניות תותח והן תוכניות, במטרה להפחית את המסה הקריטית, להגדיל את שיעור הניצול של חומר בקיע, לפשט את מערכת פיצוץ חשמלית והקטנת הגודל. בברית המועצות ובמדינות אחרות - בעלים של נשק גרעיני, ההאשמות נוצרו בתחילה על פי תוכנית משתמעת. כתוצאה מאופטימיזציה של העיצוב, המסה הקריטית של חומר בקיע הופחתה, ומקדם הניצול שלו הוגדל מספר פעמים עקב שימוש ברפלקטור נויטרונים ומקור נויטרונים.

מחזיר הניטרון בריליום הוא מעטפת מתכת בעובי של עד 40 מ"מ, מקור הניוטרון הוא טריטיום גזי הממלא חלל בפלוטוניום, או ברזל ספוג טריטיום עם טיטניום המאוחסן בצילינדר נפרד (בוסטר) ומשחרר טריטיום בפעולת חימום באמצעות חשמל מיד לפני השימוש במטען גרעיני, ולאחר מכן מוזרם טריטיום דרך צינור הגז אל המטען. הפתרון הטכני האחרון מאפשר להכפיל את כוחו של המטען הגרעיני בהתאם לנפח הטריטיום הנשאב, וגם מקל על החלפת תערובת הגז בחדשה כל 4-5 שנים, שכן מחצית החיים של הטריטיום היא 12 שנים. כמות עודפת של טריטיום במגבר מאפשרת להפחית את המסה הקריטית של הפלוטוניום ל -3 ק"ג ולהגדיל משמעותית את ההשפעה של גורם מזיק כזה כמו קרינת נויטרונים (על ידי הפחתת ההשפעה של גורמים מזיקים אחרים - גל הלם וקרינת אור.). כתוצאה מאופטימיזציה העיצובית, גורם ניצול החומרים הדלקיים עלה ל -20%, במקרה של עודף טריטיום - עד 40%.

תכנית התותחים הופשטה בשל המעבר לתקיפה רדיאלית-צירית על ידי ייצור מערך של חומר בקיע בצורת גליל חלול, כתוש בהתפוצצות מטען דו קצוני ומטען נפץ צירי אחד.

תמונה
תמונה

ערכת האימפרוביזציה הופעלה (SWAN) על ידי יצירת הקליפה החיצונית של חומר הנפץ בצורת אליפסיד, מה שאפשר לצמצם את מספר עדשות הפיצוץ לשתי יחידות המרוחקות זו מזו מהקטבים של האליפסואיד - ההבדל בין מהירות גל הפיצוץ בחתך של עדשת הפיצוץ מבטיחה את הגישה בו זמנית של גל ההלם אל פני השטח הכדוריים, השכבה הפנימית של חומר הנפץ, שפיצוצתו דוחסת את קליפת הבריליום באופן אחיד (המשלבת את הפונקציות של מחזיר נויטרונים ו בלם רתיעה של גלי לחץ) וכדור פלוטוניום עם חלל פנימי מלא טריטיום או תערובתו עם דוטריום

תמונה
תמונה

היישום הקומפקטי ביותר של תכנית ההטלה (המשמש בקליע הסובייטי 152 מ מ) הוא ביצוע מכלול נפץ-בריליום-פלוטוניום בצורת אליפסיד חלול בעל עובי דופן משתנה, המספק את העיוות המחושב של המכלול. בפעולה של גל הלם מפיצוץ נפץ למבנה כדורי סופי

תמונה
תמונה

למרות שיפורים טכניים שונים, כוחם של חיובי הביקוע הגרעיני נותר מוגבל לרמה של 100 Ktn בשווי TNT עקב התרחבות בלתי נמנעת של השכבות החיצוניות של חומר בקיע במהלך הפיצוץ, תוך אי הכללת חומר מתגובת הביקוע.

לכן הוצע עיצוב למטען תרמו -גרעיני, הכולל גם רכיבי ביקוע כבדים וגם אלמנטים היתוך קלים. המטען התרמו -גרעיני הראשון (אייבי מייק) נוצר בצורה של מיכל קריוגני מלא בתערובת נוזלית של טריטיום ודוטריום, שבו נמצא מטען גרעיני חד פעמי של פלוטוניום. בשל הממדים הגדולים ביותר והצורך בקירור מתמיד של המיכל הקריוגני, נעשה שימוש בפועל בתכנית אחרת - "נשיפה" (RDS -6s) משתלבת, הכוללת מספר שכבות מתחלפות של אורניום, פלוטוניום וליטום דוטריד עם מחזיר בריליום חיצוני ומקור טריטיום פנימי

תמונה
תמונה

עם זאת, כוחו של "הנשיפה" הוגבל גם ברמה של 1 מ"ט עקב תחילת תגובת הביקוע והסינתזה בשכבות הפנימיות והתרחבות השכבות החיצוניות שאינן מגיבות. על מנת להתגבר על מגבלה זו, פותחה תכנית לדחיסת אלמנטים קלים של תגובת ההיתוך על ידי צילומי רנטגן (שלב שני) מתגובת הביקוע של יסודות כבדים (שלב ראשון). הלחץ העצום של שטף פוטוני הרנטגן המשתחררים בתגובת הביקוע מאפשר לדחוס ליתיום דוטריד 10 פעמים עם עלייה בצפיפות פי 1000 ולחמם אותו במהלך תהליך הדחיסה, ולאחר מכן ליתיום נחשף לשטף הנויטרונים מה- תגובת ביקוע, והופכת לטריטיום, הנכנס לתגובות היתוך עם דוטריום. התוכנית הדו-שלבית של מטען תרמו-גרעיני היא הנקייה ביותר מבחינת תשואת הרדיואקטיביות, שכן נויטרונים משניים מתגובת ההיתוך שורפים אורניום / פלוטוניום לא מגיב לגורמים רדיואקטיביים קצרי מועד, והניוטרונים עצמם נכבים באוויר בעזרת טווח של כ -1.5 ק"מ.

לצורך התכווצות אחידה של השלב השני, גוף המטען התרמו -גרעיני עשוי בצורת מעטפת בוטנים, המציב את מכלול השלב הראשון במוקד הגיאומטרי של חלק אחד של הקליפה, והרכבה של שלב שני במיקוד הגיאומטרי של החלק השני של הקליפה. המכלולים תלויים בחלק הארי של הגוף באמצעות קצף או מילוי איירג'ל. על פי כללי האופטיקה, קרינת הרנטגן מהפיצוץ של השלב הראשון מתרכזת בצמצום בין שני חלקי הקליפה ומתפזרת באופן שווה על פני השלב השני. על מנת להגדיל את הרפלקטיביות בטווח הרנטגן, המשטח הפנימי של גוף המטען והמשטח החיצוני של מכלול השלב השני מכוסים בשכבת חומר צפוף: עופרת, טונגסטן או אורניום U-238. במקרה האחרון, המטען התרמו-גרעיני הופך לשלושה שלבים-בפעולה של נויטרונים מתגובת ההיתוך, U-238 הופך ל- U-235, שהאטומים שלו נכנסים לתגובת ביקוע ומגדילים את כוח הפיצוץ.

תמונה
תמונה

התוכנית בת שלוש השלבים שולבה בעיצוב פצצת האוויר הסובייטית AN-602, שעוצמתה העיצובית הייתה 100 הר. לפני הבדיקה, השלב השלישי נשלל מהרכבו על ידי החלפת אורניום U-238 בעופרת בשל הסיכון להרחיב את אזור הנפילה הרדיואקטיבית מהביקוע של U-238 מעבר לאתר הבדיקה. הקיבולת בפועל של השינוי הדו-שלבי של ה- AN-602 היה 58 הר. ניתן להגדיל את כוחם של מטענים תרמו -גרעיניים על ידי הגדלת מספר המטענים התרמו -גרעיניים במטען הנפץ המשולב. עם זאת, הדבר אינו הכרחי בשל היעדר מטרות נאותות - לאנלוגי המודרני של ה- AN -602, המונח על גבי הרכב התת ימי של פוסידון, יש רדיוס של הרס מבנים ומבנים על ידי גל הלם של 72 ק"מ ורדיוס. של שריפות של 150 ק"מ, וזה מספיק כדי להרוס ערים מגה כמו ניו יורק או טוקיו

תמונה
תמונה

מבחינת הגבלת ההשלכות של השימוש בנשק גרעיני (לוקליזציה טריטוריאלית, מזעור שחרור רדיואקטיביות, רמת שימוש טקטית), מה שמכונה מטענים חד -שלביים מדויקים בנפח של עד 1 ק"ט, שנועדו להרוס מטרות נקודתיות - ממגורות טילים, מטות, מרכזי תקשורת, מכ"מים, מערכות טילי הגנה אווירית, ספינות, צוללות, מפציצים אסטרטגיים וכו '.

עיצוב מטען כזה יכול להתבצע בצורה של מכלול חד פעמי, הכולל שתי עדשות פיצוץ אליפסואידיות (חומר נפץ כימי מ- HMX, חומר אינרטי עשוי מפוליפרופילן), שלוש פגזים כדוריים (רפלקטור נייטרונים מבריליום, גנרטור פיזואלקטרי עשוי צזיום יודיד, חומר בקיע מפלוטוניום) וכדור פנימי (דלק היתוך ליתיום דוטריד)

תמונה
תמונה

בפעולה של גל לחץ מתכנס, צזיום יודיד יוצר דופק אלקטרומגנטי רב עוצמה, זרימת האלקטרונים מייצרת קרינת גמא בפלוטוניום, אשר דופקת נויטרונים מהגרעינים, ובכך מפעילה תגובת ביקוע בהתרבות עצמית, קרני רנטגן דוחסות ומחממות ליתיום דוטריד, שטף הנויטרונים מייצר טריטיום מליתיום, שנכנס לתגובה עם דוטריום. הכיוון הצנטריפטלי של ביקוע ותגובות היתוך מבטיח 100% שימוש בדלק תרמו -גרעיני.

פיתוח נוסף של תכנון מטענים גרעיניים בכיוון של מזעור הספק ורדיואקטיביות אפשרי על ידי החלפת הפלוטוניום במכשיר לדחיסת לייזר של כמוסה בתערובת של טריטיום ודוטריום.

מוּמלָץ: