Les armes nuclears són les més efectives de la història de la humanitat en termes de cost / eficiència: els costos anuals de desenvolupar, provar, fabricar i mantenir en funcionament aquestes armes representen del 5 al 10 per cent del pressupost militar dels Estats Units i la Federació de Rússia: països amb un complex de producció nuclear ja format, van desenvolupar l'enginyeria d'energia atòmica i la disponibilitat d'una flota de superordinadors per al modelatge matemàtic d'explosions nuclears.
L’ús de dispositius nuclears amb finalitats militars es basa en la propietat dels àtoms d’elements químics pesats de decaure en àtoms d’elements més lleugers amb l’alliberament d’energia en forma de radiació electromagnètica (rangs de raigs X i gamma), així com en la forma d'energia cinètica de les dispersions de partícules elementals (neutrons, protons i electrons) i nuclis d'àtoms d'elements més lleugers (cesi, estronci, iode i altres)
Els elements pesants més populars són l’urani i el plutoni. Els seus isòtops, quan fissionen el seu nucli, emeten de 2 a 3 neutrons, que al seu torn provoquen la fissió dels nuclis dels àtoms veïns, etc. A la substància es produeix una reacció d’autopropagació (l’anomenada cadena) amb l’alliberament d’una gran quantitat d’energia. Per iniciar la reacció, es requereix una certa massa crítica, el volum de la qual serà suficient per a la captura de neutrons pels nuclis atòmics sense l’emissió de neutrons fora de la substància. La massa crítica es pot reduir amb un reflector de neutrons i una font de neutrons iniciadors
La reacció de fissió s’inicia combinant dues masses subcrítiques en una supercrítica o comprimint una capa esfèrica d’una massa supercrítica en una esfera, augmentant així la concentració de matèria fissible en un volum determinat. El material fissilable es combina o comprimeix per una explosió dirigida d’un explosiu químic.
A més de la reacció de fissió d’elements pesants, la reacció de síntesi d’elements lleugers s’utilitza en càrregues nuclears. La fusió termonuclear requereix escalfament i compressió de matèria fins a diverses desenes de milions de graus i atmosferes, que només es poden proporcionar a causa de l'energia alliberada durant la reacció de fissió. Per tant, les càrregues termonuclears es dissenyen segons un esquema de dues etapes. Els isòtops d’hidrogen, triti i deuteri (que requereixen valors mínims de temperatura i pressió per iniciar la reacció de fusió) o d’un compost químic, el deuterur de liti (aquest darrer, sota l’acció dels neutrons de l’explosió de la primera etapa, es divideix com a triti i heli) s’utilitzen com a elements lleugers. L'energia en la reacció de fusió s'allibera en forma de radiació electromagnètica i energia cinètica de neutrons, electrons i nuclis d'heli (les anomenades partícules alfa). L’alliberament d’energia de la reacció de fusió per unitat de massa és quatre vegades superior a la de la reacció de fissió
El triti i el seu producte deuteri autodescomposat també s’utilitzen com a font de neutrons per iniciar la reacció de fissió. El triti o una barreja d’isòtops d’hidrogen, sota l’acció de la compressió de la closca de plutoni, entra parcialment en una reacció de fusió amb l’alliberament de neutrons, que transformen el plutoni en un estat supercrític.
Els components principals de les ogives nuclears modernes són els següents:
- isòtop estable (espontàniament no fissible) de l’urani U-238, extret del mineral d’urani o (en forma d’impuresa) del mineral de fosfat;
- isòtop radioactiu (espontàniament fissible) de l’urani U-235, extret del mineral d’urani o produït a partir de l’U-238 en reactors nuclears;
- isòtop radioactiu de plutoni Pu-239, produït a partir de l'U-238 en reactors nuclears;
- isòtop estable d'hidrogen deuteri D, extret de l'aigua natural o produït a partir del proti en reactors nuclears;
- isòtop radioactiu de l’hidrogen triti T, produït a partir de deuteri en reactors nuclears;
- isòtop estable de liti Li-6, extret del mineral;
- isòtop estable del beril·li Be-9, extret del mineral;
- HMX i triaminotrinitrobencè, explosius químics.
La massa crítica d’una bola de U-235 amb un diàmetre de 17 cm és de 50 kg, la massa crítica d’una bola de Pu-239 amb un diàmetre de 10 cm és d’11 kg. Amb un reflector de neutrons de beril·li i una font de neutrons de triti, la massa crítica es pot reduir a 35 i 6 kg, respectivament.
Per eliminar el risc de funcionament espontani de càrregues nuclears, utilitzen l'anomenat. Pu-239 de tipus armament, purificat d'altres isòtops de plutoni menys estables fins a un nivell del 94%. Amb una periodicitat de 30 anys, el plutoni es purifica dels productes de la desintegració nuclear espontània dels seus isòtops. Per tal d’augmentar la resistència mecànica, el plutoni s’alia amb 1% de massa de gal·li i es recobreix amb una fina capa de níquel per protegir-lo de l’oxidació.
La temperatura d’autocalentament de la radiació del plutoni durant l’emmagatzematge de càrregues nuclears no supera els 100 graus centígrads, que és inferior a la temperatura de descomposició d’un explosiu químic.
A partir del 2000, la quantitat de plutoni de qualitat armada a la disposició de la Federació Russa s'estima en 170 tones, els Estats Units - en 103 tones, més diverses desenes de tones acceptades per a emmagatzematge dels països de l'OTAN, Japó i Corea del Sud, que no posseeixen armes nuclears. La Federació Russa té la capacitat de producció de plutoni més gran del món en forma de reactors ràpids nuclears de potència i armament. Juntament amb el plutoni a un cost d’uns 100 dòlars EUA per gram (5-6 kg per càrrega), es produeix triti a un cost d’uns 20 mil dòlars EUA per gram (4-5 grams per càrrega).
Els primers dissenys de càrregues de fissió nuclear van ser el Kid and Fat Man, desenvolupat als Estats Units a mitjan anys quaranta. Aquest darrer tipus de càrrega va diferir del primer en els complexos equips per sincronitzar la detonació de nombrosos detonadors elèctrics i en les seves grans dimensions transversals.
El "nen" es va fabricar segons un esquema de canó: es va muntar un canó d'artilleria al llarg de l'eix longitudinal del cos de la bomba d'aire, a l'extrem obert del qual es trobava la meitat del material fissible (urani U-235), la segona meitat del material fissil era un projectil accelerat per una càrrega de pols. El factor d’utilització de l’urani en la reacció de fissió va ser aproximadament de l’1 per cent, la resta de la massa U-235 va caure en forma de precipitacions radioactives amb una vida mitjana de 700 milions d’anys.
"Fat Man" es va fer segons un esquema implosiu: una esfera buida de material fissible (plutoni Pu-239) estava envoltada per una closca d'urani U-238 (empenyedor), una closca d'alumini (apagador) i una closca (implosió) generador), format per segments de cinc i hexagonals d’un explosiu químic, a la superfície exterior dels quals es van instal·lar detonadors elèctrics. Cada segment era una lent de detonació de dos tipus d’explosius amb velocitats de detonació diferents, convertint l’ona de pressió divergent en una ona esfèrica convergent, comprimint uniformement la capa d’alumini, que al seu torn comprimia la capa d’urani, i aquella - l’esfera de plutoni fins a la seva cavitat interior tancada. Es va utilitzar un absorbent d’alumini per absorbir el retrocés de l’ona de pressió en passar a un material amb una densitat més alta i es va utilitzar un empenyedor d’urani per retenir inertament el plutoni durant la reacció de fissió. A la cavitat interna de l’esfera de plutoni, es va localitzar una font de neutrons, feta a partir de l’isòtop radioactiu poloni Po-210 i beril·li, que emetien neutrons sota la influència de la radiació alfa del poloni. El factor d’aprofitament de la matèria fissible era d’aproximadament un 5 per cent, la vida mitjana de les precipitacions radioactives era de 24 mil anys.
Immediatament després de la creació de "Kid" i "Fat Man" als EUA, es va començar a treballar per optimitzar el disseny de càrregues nuclears, tant de canó com d’implosió, destinades a reduir la massa crítica, augmentar la taxa d’utilització de la matèria fissible, simplificant la sistema de detonació elèctrica i reducció de la mida. A l'URSS i altres estats, propietaris d'armes nuclears, les càrregues es van crear inicialment segons un esquema implosiu. Com a resultat de l'optimització del disseny, es va reduir la massa crítica de material fissil i es va augmentar el coeficient d'utilització diverses vegades a causa de l'ús d'un reflector de neutrons i una font de neutrons.
El reflector de neutrons de beril·li és una capa metàl·lica de fins a 40 mm de gruix, la font de neutrons és triti gasós que omple una cavitat en plutoni o hidrur de ferro impregnat de triti amb titani emmagatzemat en un cilindre separat (reforçador) i allibera triti sota l'acció de l'escalfament. per electricitat immediatament abans d’utilitzar una càrrega nuclear, després del qual s’introdueix el triti a través del gasoducte fins a la càrrega. Aquesta última solució tècnica permet multiplicar la potència de la càrrega nuclear en funció del volum de triti bombat i també facilita la substitució de la mescla de gasos per una de nova cada 4-5 anys, ja que la vida mitjana del triti és de 12 anys. Un excés de triti al reforç permet reduir la massa crítica de plutoni a 3 kg i augmentar significativament l’efecte d’un factor tan perjudicial com la radiació de neutrons (reduint l’efecte d’altres factors perjudicials: una ona de xoc i radiació lumínica). Com a resultat de l’optimització del disseny, el factor d’utilització de material fissil va augmentar fins al 20%, en el cas d’un excés de triti, fins al 40%.
L'esquema de canons es va simplificar a causa de la transició a la implosió radial-axial fent una matriu de material fissible en forma de cilindre buit, aixafat per l'explosió de dos extrems i una càrrega explosiva axial.
Es va optimitzar l’esquema implosiu (SWAN) mitjançant la capa exterior de l’explosiu en forma d’el·lipsoide, cosa que va permetre reduir el nombre de lents de detonació a dues unitats separades dels pols de l’el·lipsoide: la diferència en el La velocitat de l'ona de detonació a la secció transversal de la lent de detonació garanteix l'aproximació simultània de l'ona de xoc a la superfície esfèrica de la capa interna de l'explosiu, la detonació de la qual comprimeix uniformement la capa de beril·li (combinant les funcions d'un reflector de neutrons i un amortidor de retrocés d’ona de pressió) i una esfera de plutoni amb una cavitat interior plena de triti o la seva barreja amb deuteri
La implementació més compacta de l’esquema d’implosió (utilitzat en el projectil soviètic de 152 mm) és l’execució d’un conjunt explosiu-beril·li-plutoni en forma d’el·lipsoide buit amb un gruix de paret variable, que proporciona la deformació calculada del conjunt sota l'acció d'una ona de xoc d'una explosió explosiva cap a una estructura esfèrica final
Malgrat diverses millores tècniques, la potència de les càrregues de fissió nuclear es va mantenir limitada al nivell de 100 Ktn en TNT equivalent a causa de la inevitable expansió de les capes externes de matèria fissible durant l'explosió amb l'exclusió de la matèria de la reacció de fissió.
Per tant, es va proposar un disseny per a una càrrega termonuclear, que inclogui tant elements de fissió pesats com elements de fusió lleugera. La primera càrrega termonuclear (Ivy Mike) es va fer en forma de dipòsit criogènic ple d’una barreja líquida de triti i deuteri, en què es trobava una càrrega nuclear implosiva de plutoni. A causa de les dimensions extremadament grans i la necessitat d'un refredament constant del tanc criogènic, a la pràctica es va utilitzar un esquema diferent: un "puff" implosiu (RDS-6s), que inclou diverses capes alternatives d'urani, plutoni i deuterur de liti amb un reflector extern de beril·li i una font interna de triti
No obstant això, la potència de la "bufada" també estava limitada pel nivell d'1 Mtn a causa de l'inici de la reacció de fissió i síntesi a les capes internes i l'expansió de capes externes que no van reaccionar. Per superar aquesta limitació, es va desenvolupar un esquema per a la compressió d’elements lleugers de la reacció de fusió per raigs X (segona etapa) a partir de la reacció de fissió d’elements pesats (primera etapa). L’enorme pressió del flux de fotons de raigs X alliberats en la reacció de fissió permet comprimir 10 vegades el deuterur de liti amb un augment de la densitat 1.000 vegades i escalfar-lo durant el procés de compressió, després del qual el liti s’exposa al flux de neutrons del reacció de fissió, que es converteix en triti, que entra en reaccions de fusió amb el deuteri. L’esquema de dues etapes d’una càrrega termonuclear és el més net en termes de rendiment de radioactivitat, ja que els neutrons secundaris de la reacció de fusió cremen urani / plutoni no reaccionats a elements radioactius de curta vida, i els mateixos neutrons s’extingen a l’aire amb autonomia d’uns 1,5 km.
Amb el propòsit de premsar uniformement la segona etapa, el cos de la càrrega termonuclear es realitza en forma de closca de cacauet, situant el conjunt de la primera etapa en el focus geomètric d’una part de la closca i el conjunt de la segona etapa del focus geomètric de l’altra part de la closca. Els conjunts estan suspesos a la major part del cos mitjançant un material de recolzament d’escuma o aerogel. Segons les regles de l'òptica, la radiació de raigs X de l'explosió de la primera etapa es concentra en l'estrenyiment entre les dues parts de la closca i es distribueix uniformement sobre la superfície de la segona etapa. Per tal d’augmentar la reflectivitat en el rang de raigs X, la superfície interna del cos de càrrega i la superfície exterior del conjunt de la segona etapa es cobreixen amb una capa de material dens: plom, tungstè o urani U-238. En aquest darrer cas, la càrrega termonuclear es converteix en tres etapes: sota l’acció dels neutrons de la reacció de fusió, l’U-238 es converteix en U-235, els àtoms del qual entren en una reacció de fissió i augmenten la potència d’explosió.
L'esquema de tres etapes es va incorporar al disseny de la bomba aèria soviètica AN-602, la potència de disseny de la qual era de 100 Mtn. Abans de la prova, la tercera etapa es va excloure de la seva composició substituint l’urani U-238 per plom a causa del risc d’expandir la zona de caiguda radioactiva des de la fissió de l’U-238 més enllà del lloc de prova. La capacitat real de la modificació en dues etapes de l'AN-602 va ser de 58 Mtn. Un augment addicional de la potència de les càrregues termonuclears es pot fer augmentant el nombre de càrregues termonuclears al dispositiu explosiu combinat. Tot i això, no és necessari a causa de la manca d’objectius adequats: l’analògic modern de l’AN-602, situat a bord del vehicle submarí Poseidon, té un radi de destrucció d’edificis i estructures per una ona de xoc de 72 km i un radi de focs de 150 km, que són suficients per destruir megaciutats com Nova York o Tòquio
Des del punt de vista de limitar les conseqüències de l’ús d’armes nuclears (localització territorial, minimització de l’alliberament de radioactivitat, nivell d’ús tàctic), l’anomenat càrregues de precisió d'una sola etapa amb capacitat de fins a 1 Ktn, dissenyades per destruir objectius puntuals: sitges de míssils, centrals, centres de comunicacions, radars, sistemes de míssils de defensa aèria, vaixells, submarins, bombarders estratègics, etc.
El disseny d’aquesta càrrega es pot fer en forma d’un conjunt implosiu, que inclou dues lents de detonació el·lipsoïdals (explosiu químic d’HMX, material inert de polipropilè), tres carcasses esfèriques (reflector de neutrons de beril·li, generador piezoelèctric de iodur de cesi, material fissible del plutoni) i una esfera interna (combustible de fusió de deuterur de liti)
Sota l’acció d’una ona de pressió convergent, el iodur de cesi genera un pols electromagnètic superpotent, el flux d’electrons genera radiació gamma en plutoni, que fa fora els neutrons dels nuclis, iniciant així una reacció de fissió que es propaga, els raigs X comprimeixen i escalfa el deuterur de liti., el flux de neutrons genera triti a partir del liti, que entra en reacció amb el deuteri. La direcció centrípeta de les reaccions de fissió i fusió garanteix l’ús del combustible termonuclear al 100%.
És possible un desenvolupament posterior de dissenys de càrrega nuclear en la direcció de minimitzar l'energia i la radioactivitat substituint el plutoni per un dispositiu per a la compressió làser d'una càpsula per una barreja de triti i deuteri.
