Я́дерна збро́я — зброя масового ураження вибухової дії, побудована на використанні ядерної енергії, що вивільняється приланцюговій ядерній реакції розщеплення важких ядер й/або термоядерній реакції синтезу легких ядер.
Поняття ядерна зброя містить у собі:
Ядерна зброя істотно відрізняється від інших видів озброєння як масштабами, так і характером ураження. На відстані близько кілометра від центру вибуху відбуваються суцільні руйнування та знищується все живе поза укриттями. Перш за все така дія зумовлена тим, що потужність ядерного вибуху набагато більша, ніж будь-якого боєприпасу, створеного на основі хімічної вибухівки.
Потужність ядерних вибухів вимірюють у т.зв. тротиловому еквіваленті — вага тринітротолуолу (ТНТ), вибух якого призводить до вивільнення еквівалентної енергії. Навіть найменші ядерні заряди мають потужність вибуху близько 1 кілотонни (тобтотисячу тонн тротилу). Створення такого заряду зі звичайної вибухівки практично неможливо.
Уражаючі фактори
При підриві ядерних боєприпасів відбувається ядерний вибух, уражаючими факторами якого є:
Люди, які безпосередньо піддалися впливу вражаючих факторів ядерного вибуху, крім фізичних ушкоджень, зазнають потужний психологічний вплив від жахаючого вигляду картини вибуху й руйнувань. Електромагнітний імпульс безпосереднього впливу на живі організми не робить, але може порушити роботу електронної апаратури.
Класифікація ядерних боєприпасів
Всі ядерні боєприпаси можуть бути розділені на дві основні категорії:
- «Ядерні» — однофазні або одноступінчасті вибухові пристрої, у яких основний вихід енергії походить від ядерної реакції поділ важких ядер (урану-235 або плутонію) з утворенням більш легких елементів.
- Термоядерна зброя (також «водневі») — двофазні або двоступінчасті вибухові пристрої, у яких послідовно розвиваються два фізичних процеси, локалізованих у різних областях простору: на першій стадії основним джерелом енергії є реакція ділення важких ядер, а на другій реакції ділення й термоядерного синтезу використаються в різних пропорціях, залежно від типу й настроювання боєприпасів.
Реакція термоядерного синтезу, як правило, розвивається усередині збірки, що ділиться, і служить потужним джерелом додаткових нейтронів. Тільки ранні ядерні пристрої в 40-х роках XX ст., нечисленні бомби гарматної збірки в 1950-х, деякі ядерні артилерійські снаряди, а також вироби ядерно — технологічно слаборозвинених держав (ПАР, Пакистан, КНДР) не застосовують термоядерний синтез як підсилювач потужності ядерного вибуху. Всупереч стійкому стереотипу, у термоядерних (тобто двофазних) боєприпасах більша частина енергії (до 85%) виділяється за рахунок розподілу ядер урану-235/плутонію-239 й/або урану-238
Другий ступінь будь-якого такого пристрою може бути оснащений тампером з урану-238, що ефективно ділиться від швидких нейтронів реакції синтезу. Так досягаєтьсябагаторазове збільшення потужності вибуху й значне збільшення кількості радіоактивних опадів. З легкої руки Р. Юнга, автора знаменитої книги «Яскравіше тисячі сонць», написаної в 1958 році по «гарячих слідах» Манхеттенського проекту, такого роду «брудні» боєприпаси називають FFF (fusion-fission-fusion) або трифазними.Однак цей термін не є цілком коректнимю Майже всі «FFF» належать до двофазних і відрізняються тільки матеріалом тампера, який у «чистих» боєприпасах може бути виконаний зі свинцю, вольфраму та ін. Винятком є пристрої типу «Слойки» Сахарова, які варто віднести до однофазних, хоча вони мають шарувату структуру вибухової речовини (ядро із плутонію — шар дейтерида літію-6 — шар урану 238). У США такий пристрій одержав назву Alarm Clock (Годинник з будильником). Схема послідовного чергування реакцій розподілу й синтезу реалізована у двофазних боєприпасах, у яких можна нарахувати до 6 шарів при досить «помірній» потужності. Прикладом служить відносно сучасна боєголовка W88, у якій перша секція (primary) містить два шари, друга секція (secondary) має три шари, і ще одним шаром є загальна для двох секцій оболонка з урану-238.
Іноді в окрему категорію виділяють нейтронну зброю — двофазні боєприпаси малої потужності (від 1 кт до 25 кт), у якому 50—75% енергії вивільнюється за рахунок термоядерного синтезу у вигляді нейтронів. Оскільки основним переносником енергії при синтезі є швидкі нейтрони, то при вибуху таких боєприпасів вихід нейтронів може в кілька разів перевищувати вихід нейтронів при вибухах однофазних ядерних вибухових пристроїв порівнянної потужності. За рахунок цього досягається істотно більша вага уражаючих факторів нейтронне випромінювання й наведена радіоактивність (до 30% від загального енерговиходу), що може бути важливим з погляду завдання зменшення радіоактивних опадів і зниження руйнувань на місцевості при високій ефективності застосування проти танків і живої сили. Слід зазначити міфічний характер уявлень про те, що нейтронна зброя вражає винятково людей і залишає в цілості будови. За руйнівним впливом вибух нейтронних боєприпасів у сотні разів перевершує будь-які неядерні боєприпаси.
Потужність ядерного заряду вимірюється в тротиловому еквіваленті — кількості тринітротолуолу, який потрібно підірвати для одержання такої ж енергії. Зазвичай його подають у кілотоннах (кт) або мегатоннах (Мт). Тротиловий еквівалент умовний: по-перше, розподіл енергії ядерного вибуху за різними уражаючими факторами істотно залежить від типу боєприпасів й, у будь-якому разі, дуже відрізняється від хімічного вибуху. По-друге, домогтися повного згоряння відповідної кількості хімічної вибухової речовини практично неможливо.
За потужністю ядерні боєприпаси поділяють на такі групи:
- надмалі (менш 1 кт);
- малі (1 — 10 кт);
- середні (10 — 100 кт);
- великі (великої потужності) (100 кт — 1 Мт);
- надвеликі (надвеликої потужності) (понад 1 Мт).
Принцип дії
В основу ядерної зброї покладена некерована ланцюгова реакція поділ важких ядер і реакції термоядерного синтезу.
Для здійснення ланцюгової реакції ділення використовуються або уран-235, або плутоній-239, або, в окремих випадках, уран-233. Уран у природі зустрічається у вигляді двох основних ізотопів — уран-235 (0,72% природного урану) і уран-238 — все інше (99,2745%). Звичайно зустрічається також домішка з урану-234 (0,0055%), утворена розпадом урану-238. Однак, як речовину, яка ділиться, можна використати тільки уран-235. В урані-238 самостійний розвиток ланцюгової ядерної реакції неможливий (тому він і розповсюджений у природі). Для забезпечення «працездатності» ядерної бомби вміст урану-235 повинен бути не нижче 80%. Тому при виробництві ядерного палива для підвищення частки урану-235 і застосовують складний і вкрай витратний процес збагачення урану. У США ступінь збагаченості збройового урану (частка ізотопу 235) перевищує 93% й іноді доводить до 97,5%.
Альтернативою хімічному процесу збагачення урану слугує створення «плутонієвої бомби» на основі ізотопу плутоній-239, що для збільшення стабільності фізичних властивостей і поліпшення стискальності заряду звичайно легується невеликою кількістю галію. Плутоній виробляється в ядерних реакторах у процесі тривалого опромінення урану-238 нейтронами. Аналогічно уран-233 утворюється при опроміненні нейтронами торію. У США ядерні боєприпаси споряджаються сплавом 25 абоOraloy, назва якого походить від Oak Ridge (завод по збагаченню урану) і alloy (сплав). До складу цього сплаву входить 25% урану-235 й 75% плутонію-239.
Слід зазначити, що відомості про будову ядерних боєприпасів дотепер строго засекречені у всіх країнах. Тільки скрупульозність окремих західних журналістів і вкрай рідкі, незначні витоки цієї закритої інформації, скрупульозно вивчені на основі фізичних знань, за допомогою методів «зворотної інженерії» дозволили з певною ймовірністю правильно зрозуміти основні принципи. Майже всі ці відомості стосуються ядерних боєприпасів, вироблених у США.
Варіанти детонації
Існують дві основні схеми підриву заряду, що ділиться: гарматна, інакше називана балістичною, та імплозійна.
Гарматна схема
Верхній блок показує принцип роботигарматної схеми. Друг і третій показують можливість передчасного розвитку ланцюгової реакції до повного з'єднання блоків
«Гарматна схема» використовувалася в деяких моделях ядерної зброї першого покоління. Суть гарматної схеми полягає у вистрілюванні зарядом пороху одного блоку речовини, що ділиться, докритичної маси («куля») в іншій — нерухомий («мішень»). Блоки розраховані так, що при з'єднанні їхня загальна маса стає надкритичною.
Даний спосіб детонації можливий тільки в уранових боєприпасах, тому що плутоній має на два порядки вищий нейтронний фон, що різко підвищує ймовірність передчасного розвитку ланцюгової реакції до з'єднання блоків. Це приводить до неповного виходу енергії (fizzle або «пшик»). Для реалізації гарматної схеми в плутонієвих боєприпасах потрібне збільшення швидкості з'єднання частин заряду до технічно недосяжного рівня. Крім того, уран краще, ніж плутоній, витримує механічні перевантаження.
Класичним прикладом такої схеми є бомба «Малюк» («Little Boy»), скинута на Хіросіму 6 серпня 1945 м. Уран для її виготовлення був добутий в Бельгійському Конго (нині Демократична Республіка Конго), вКанаді (Велике Ведмеже озеро) і в США (штат Колорадо). У бомбі «Little Boy» для цієї мети використався вкорочений до 1,8 м ствол морської гармати калібру 16,4 см, при цьому уранова «мішень» являла собою циліндр діаметром 100 мм, на який при «пострілі» насувалася циліндрична «куля» надкритичної маси (38,5 кг) з відповідним внутрішнім каналом. Такий «інтуїтивно незрозумілий» дизайн був зроблений для зниження нейтронного фону мішені: у ньому вона перебувала не впритул, а на відстані 59 мм від нейтронного відбивача («тампера»). У результаті ризик передчасного початку ланцюгової реакції ділення з неповним енерговиділенням знижувався до декількох відсотків.
Імплозійна схема
Ця схема детонації передбачає одержання надкритичного стану шляхом обтиснення матеріалу, що ділиться, сфокусованою ударною хвилею, створюваною вибухом хімічної вибухівки. Для фокусування ударної хвилі використовуються так звані вибухові лінзи, і підрив відбувається одночасно в багатьох точках із прецизійною точністю. Створення подібної системи розташування вибухівки й підриву було у свій час однієї з найбільш важких завдань. Формування збіжної ударної хвилі забезпечувалося використанням вибухових лінз з «швидкої» й «повільної» вибухівок — ТАТВ (Триамінотринітробензол) і баратолу (суміш тринітротолуолу з нітратом барію), і деякими добавками) (див. анімацію).
Принцип дії імплозійної схеми підриву — по периметрі речовини, що ділиться, вибухають заряди конвенціональної ВР, які створюють доцентрову вибухову хвилю, яка «стискає» речовину в центрі й ініціює ланцюгову реакцію
За такою схемою був виконаний і перший ядерний заряд (ядерний пристрій «Gadget» (англ. gadget — пристосування), висаджений (підірваний) на вежі в іспитових цілях у ході випробувань із виразною назвою «Trinity» («Трійця») 16 липня 1945 року на полігоні неподалік від містечка Аламогордо у штаті Нью-Мексико), і друга із застосованих по призначенню атомних бомб — «Товстун» («Fat Man»), скинута на Нагасакі. Фактично, «Gadget» був позбавленим зовнішньої оболонки прототипом бомби «Товстун». У цій першій атомній бомбі як нейтронний ініціатор був використаний так званий «їжачок» (англ. urchin). (Технічні подробиці див. у статті «Товстун».) Згодом ця схема була визнана малоефективною, і некерований тип нейтронного ініціювання майже не застосовувався надалі.
У ядерних зарядах на основі реакції ділення в центрі порожнистої конструкції звичайно розміщається невелика кількість термоядерного палива (дейтерій й тритій), що нагрівається й стискується в процесі ділення конструкції до такого стану, що в ньому починається термоядерна реакція синтезу. Цю газову суміш необхідно безупинно обновляти, щоб компенсувати мимовільний безупинний розпад ядер тритію. Випромінювані при цьому додаткові нейтрони ініціюють нові ланцюгові реакції в конструкції й компенсують втрати нейтронів, що залишають активну зону, і це приводить до багаторазового росту енергетичного виходу від вибуху й ефективнішому використанню речовини, що ділиться. Варіюючи вміст газової суміші в заряді одержують боєприпаси з регульованою в широких межах потужністю вибуху.
Слід зазначити, що описана схема сферичної імплозії є архаїчною й із середини 1950-х років майже не застосовується. Реально застосовуваний дизайн Swan (англ. swan — лебідь), побудований на використанні еліпсоїдальної конструкції, що ділиться, яка у процесі двоточкової, тобто ініційованої у двох точках імплозії стискується в поздовжньому напрямку й перетворюється в надкритичну сферу. Як такі, вибухові лінзи при цьому не використаються. Деталі цього дизайну дотепер засекречені, але, приблизно, формування збіжної ударної хвилі здійснюється за рахунок еліпсоїдальної форми імплозійного заряду, так що між ним і розміщеною усередині конструкцією з ядерним паливом залишається заповнений повітрям простір. Тоді рівномірне обтиснення конструкції здійснюється за рахунок того, що швидкість детонації вибухівки перевищує швидкість руху ударної хвилі в повітрі. Істотно легший тампер виконується не з урану-238, а з берилію, який добре відбиває нейтрони. Можна припустити, що незвичайна назва даного дизайну — «Лебідь» (перше випробування — Inca в 1956 р.) було підказано образом лебедя, що змахнув крильми, що почасти асоціюється із фронтом ударної хвилі, що плавно охоплює конструкцію із двох сторін. У такий спосіб виявилося можливим відмовитися від сферичної імплозії й, тим самим, зменшити діаметр імплозійних ядерних боєприпасів з 2 м у бомби «Товстун» до 30 см і менше. Для самоліквідації таких боєприпасів без ядерного вибуху ініціюється тільки один із двох детонаторів, і плутонієвий заряд руйнується несиметричним вибухом без будь-якого ризику його імплозії.
Потужність ядерного заряду, що працює винятково на принципі ділення важких елементів, обмежується десятками кілотонн. Енерговихід (англ. yield) однофазних боєприпасів, посиленого термоядерним зарядом усередині конструкції, що ділиться, може досягати сотень кілотонн. Створити однофазний пристрій мегатонного класу практично неможливо, збільшення маси речовини, що ділиться, не вирішує проблему. Справа в тому, що енергія, що виділяється в результаті ланцюгової реакції, розпорошує і руйнує конструкцію зі швидкістю порядку 1000 км/с, тому вона швидко стає докритичною і більша частина речовини, що ділиться, не встигає прореагувати. Наприклад, у скинутій на місто Нагасакі бомбі «Товстун» встигло прореагувати не більше 20% з 6,2 кг заряду плутонію, а в бомбі, що знищила Хіросіму («Малюк» з гарматним складанням), розпалося тільки 1, 4% з 64 кг збагаченого приблизно до 80% урану. Найпотужніший в історії однофазний (британський) боєприпас, висаджений (підірваний) у ході випробувань Orange Herald в 1957 г., досяг потужності 720 кт.
Двофазні боєприпаси дозволяють підвищити потужність ядерних вибухів до десятків мегатонн. Однак ракети з боєголовками, що розділяються, висока точність сучасних засобів доставки й супутникова розвідка зробили пристрої мегатонного класу практично непотрібними. Тим більше, що носії надпотужних боєприпасів уразливіші для систем ПРО й ППО.
Дизайн Теллера-Улама для двофазних боєприпасів («термоядерна бомба»).
Джерело: https://uk.wikipedia.org |
