Принципы устройства и действия ядерных боеприпасов

Ядерными боеприпасами называются авиабомбы, торпеды, боевые части ракет, артиллерийские снаряды и специальные ин­женерные мины, фугасы, снаряженные ядерными зарядами. Отли­чительные особенности ядерных боеприпасов обусловлены:

— типом носителя, определяющим форму, габаритные и ве­совые характеристики боеприпаса;

— калибром боеприпаса, который характеризуется тротиловым эквивалентом;

надежностью действия и безопасностью при хранении, транспортировке и боевом применении;

— экономичностью конструкции боеприпаса. Первые три фактора определяются условиями боевого приме­нения ядерных боеприпасов.

Конструктивно ядерный боеприпас, как правило, состоит (рис. 1.7) из ядерного заряда 2, датчиков подрыва /, системы автома­тики 4 и источников питания 5, размещенных в корпусе 3. Ядерный заряд является or поной ядер­ного боеприпаса и представляет собой устройство для осуществления взрывного про­цесса освобождения внутри­ядерной энергии. По характе­ру происходящих в них взрыв­ных реакций ядерные заряды подразделяются на три вида:

— ядерные заряды деле­ния (атомные заряды), энергия взрыва которых обусловлена только реакцией деления плутония-239, урана-235, урана-233;

— ядерные заряды, у ко­торых кроме реакции деления плутония или урана, происхо­дит реакция синтеза легких ядер; в качестве ядерного го­рючего для реакции синтеза используются смесь дейтерия и трития или соединение дей­терия с литием (дейтерид ли­тия); эти заряды еще называ­ются термоядерными зарядами типа „деление—синтез";

— ядерные заряды, энергия взрыва которых освобождается в результате развития трех ядерных реакций: реакции делания ядер урана или плутония в атомном заряде, реакции деления лег­ких ядер термоядерного заряда и реакции деления урана-238 ней­тронами, образующимися при реакции синтеза; такие заряды на­зываются комбинированными зарядами или термоядерными заря­дами типа «деление — синтез — деление».

Следует отметить, что во всех ядерных зарядах обязательно используется реакция деления тяжелых атомных ядер.

 

1.2.1. Условия, необходимые для осуществления ядерного взрыва в заряде «деления»

Во всех ядерных зарядах «деления» освобождение внутриядерной энергии осуществляется благодаря протеканию цепной ядерной реакции деления ядер тяжелых элементов (U-233, U-235, Рu-239) под действием нейтронов.

Необходимым и достаточным условием осуществления цепной ядерной реакции деления в данном количестве делящегося вещест­ва является обеспечение значения коэффициента развития реакции К³1. Это условие выполняется для зарядов, если массы их ядер­ных взрывчатых веществ (ВВ) равны или больше некоторой кри­тической массы.

Критической массой m_кр заряда называется наименьшее коли­чество делящегося вещества, в котором развивается цепная реак­ция деления ядер. Величина m_кр зависит от геометрической формы, вида, степени очистки и плотности делящегося вещества, а также от ряда конструктивных элементов заряда, отражателя и источни­ка нейтронов. При выборе формы заряда необходимо учитывать, что при одной и той же форме заряда и постоянной плотности де­лящегося вещества утечка вторичных нейтронов за пределы деля­щегося вещества пропорциональна площади его поверхности, а число нейтронов, участвующих ib реакции, — объему заряда. Следовательно, с уменьшением отношения площади поверхности вещества заряда к его объему число нейтронов, участвующих в реакции, возрастает, а число 'нейтронов, вылетающих за пределы заряда, убывает. С этой точки зрения наиболее выгодной формой заряда ядерного ВВ является шар. Из всех геометрических тел только у шара отношение площади поверхности S к его объему Vявляется наименьшим и равно S/V = 3/г, где r — радиус шара. Утечка нейтронов из объема заряда в виде шара уменьшается по мере увеличения размеров шара (r). При этом, значение коэффи­циента развития реакции К увеличивается и при каких-то разме­рах, соответствующих критической массе, достигает значения К=1. При К>1 масса заряда называется надкритической, а при К<1 — подкритической. Инородные примеси в делящемся вещест­ве поглощают нейтроны без последующего деления. Критическаямасса урана-233 и Плутония-239 при нормальной плотности и чис­тоте 93,5% составляет около 17кг, а урана-235 — 48 кг. При увеличении количества примесей в делящемся веществе его кри­тическая масса увеличивается. Увеличение плотности ядерного ВВ уменьшает величину критической массы. Критическая масса заря­да ядерного ВВ сферической формы обратно пропорциональна

квадрату плотности вещества (m_кр~1/r²). Поэтому даже неболь­шое увеличение плотности позволяет значительно уменьшить m_кр.

Так, например, если плотность урана-235 увеличить вдвое, то крити­ческая масса составит 12 кг, а при увеличении плотности втрое— 5,3 кг. Отражатель (бериллии, графит, алюминий, тяжелая вода и др.) и искусственный источник нейтронов увеличивают коли­чество нейтронов, участвующих в реакции, и тем самым умень­шают величину m_кр.

Для получения устойчивой цепной реакции деления, массу ядерного ВВ необходимо перевести в надкритическое состояние (К>1). В состоянии надкритичности реакция деления про­текает в миллионные доли секунды и представляет собой ядерный взрыв.

Скорость развития цепной реакции деления удобно характери­зовать с помощью постоянной размножения нейтронов l, которая представляет собой увеличение в единицу времени числа нейтро­нов в делящемся ядерном ВВ на один поглощенный нейтрон.

Развитие цепного процесса в заряде деления происходит по экспоненциальному закону: , где N—число разделившихся ядер к моменту времени t; S₀ — интенсивность источника нейтронов, с помощью которого в делящейся системе инициируется цепная реакция; t=1/l»10^-8-10^-9 с — период развития цепной реакции деления.

В процессе цепной реакции деление основной части ядер заряда ядерного ВВ и выделение основной части энергии деления про­исходит за отрезок времени »2,3t. Чем меньше t, тем большая часть вещества успевает разделиться до его разлета и тем эффек­тивнее ядерный взрыв.

1.2.2. Принцип устройства ядерного заряда деления

Ядерный заряд деления состоит из следующих основных эле­ментов:

— заряда ядерного ВВ из обогащенного урана-233, ypана-235 или плутония-239, находящегося в подкритическом состоянии, т. с. масса его меньше критической;

— источника нейтронов, который обеспечивает надежное ини­циирование цепной реакции в строго определенный момент вре­мени и повышает коэффициент использования ядерного BB h₀ за счет одновременного генерирования большого числа нейтронов. Эти нейтроны являются начальными центрами цепной ядерной реакции. Источник нейтронов включается в момент достижения зарядом ядерного ВВ максимальной степени надкритичности;

— отражателя нейтронов, обеспечивающего возвращение ней­тронов в зону реакции, т. е. уменьшающего их утечку за пределы золы реакции. При этом увеличивается коэффициент h₀ и умень­шается m_кр;

—заряда обычного ВВ (тротил и т. п.), предназначенного для быстрого перевода заряда ядерного ВВ в надкритическое состоя­ние. Увеличение скорости перевода ядерного ВВ в подкритическое состояние позволяет увеличить мощность ядерного взрыва;

— корпуса (оболочки) ядерного заряда, объединяющего все элементы заряда и обеспечивающего задержку разлета делящего­ся вещества и повышение мощности взрыва — взрыв тем мощнее, чем массивнее (но не прочнее) оболочка, т. е. чем больше ее инер­ционность.

Ядерные заряды деления в зависимости от способа создания надкритической массы подразделяются на заряды пушечного и имплозивного типов.

В ядерном заряде пушечного типа (рис. 1.8) делящееся вещест­во 2 до момента взрыва разделено на несколько частей, масса каждой из которых .меньше критической. Перевод частей ядерного заряда в надкритическое состояние осуществляется взрывом обыч­ных взрывчатых веществ 3 (тротила, гексогена и др.). В резуль­тате этого в делящемся веществе протекает цепная ядерная реакция деления и происходит ядерный взрыв.

В ядерном заряде имплозивного типа (рис. 1.9) делящееся ве­щество 2 до момента взрыва представляет единое целое, но раз­меры и плотность его таковы, что системна находится в подкритическом состоянии. Перевод ядерного заряда в надкритическое состояние также осуществляется взрывом заряда (зарядов) обыч­ного ВВ. В результате делящееся вещество подвергается сильному обжатию, плотность его возрастает, оно переходит в надкритичес-кое состояние, в нем развивается цепная ядерная реакция деления и .происходит ядерный взрыв.

1.2.3. Принцип устройства термоядерных зарядов

Термоядерные боеприпасы могут снаряжаться термоядерными зарядами типа «деление — синтез» (рис. 1.10) или «деление — синтез—деление» (рис. 1.11). В термоядерных зарядах обоих типов вслед за взрывной реакцией деления, которая вызывает нагрев термоядерного ВВ (горючего), происходит реакция синтеза.

Термоядерную реакцию синтеза оказалось проще осуще­ствить, используя в качестве термоядерного горючего дейтерид лития — твердое вещество, представляющее собой соединение литая с дейтерием. Термоядерная реакция при этом протекает следующим образом. При взаимодействии нейтронов с ядрами лития образуется тритий, который вступает в реакцию с дейте-

 

 

 

Энергия реакции деления в основном идет на создание условий для протекания реакции синтеза. Отношение количества энергии, выделяемой за счет реакции синтеза, к общему количеству энер­гии взрыва данной мощности называется коэффициентом термо-ядерности К_Т. Для нейтронных боеприпасов коэффициент термо-ядерности составляет К_Т == 0,9 ... 0,95. В результате протекания указанных реакций синтеза выделяющаяся энергия уносится в окружающее пространство главным образом потоком быстрых нейтронов (70—80%), а также протонами, g-излучением и a-час­тицами (см. табл. 1.1).

Таблица 1.1