§ 3. Принципы устройства ядерных (термоядерных) боеприпасов

Ядерными боеприпасами называются снаряженные ядерными (термо­ядерными) зарядами боевые части ракет, авиационные бомбы, артиллерий­ские снаряды, торпеды и инженерные управляемые мины (ядерные фугасы).

Основными элементами ядерных боеприпасов (рис. 4) являются: ядер­ный заряд, датчики подрыва, система автоматики, источник электрического питания и корпус.

Рис. 4. Схема устройства ядерных боеприпасов

Корпус служит для компоновки всех элементов боеприпаса, предохра­нения их от механических и тепловых повреждений, придания боеприпасу необходимой баллистической формы, а также для повышения коэффициента использования ядерного горючего.

Датчики подрыва (взрывательные устройства) предназначены для по­дачи сигнала на приведение в действие ядерного заряда. Они могут быть кон­тактного и дистанционного (неконтактного) типов.

Контактные датчики срабатывают в момент встречи боеприпаса с преградой, а дистанционные – на заданной высоте (глубине) от поверхности земли (воды).

Дистанционные датчики в зависимости от типа и назначения ядерного боеприпаса могут быть временными, инерционными, барометрическими, ра­диолокационными, гидростатическими и др.

Система автоматики включает систему предохранения, блок автома­тики и систему аварийного подрыва.

Система предохранения исключает возможность случайного взрыва ядерного заряда при проведении регламентных работ, хранении боеприпаса и при полете его на траектории.

Блок автоматики срабатывает по сигналам, поступающим от датчиков подрыва и предназначен для формирования высоковольтного электрического импульса на приведение в действие ядерного заряда.

Система аварийного подрыва служит для самоуничтожения боеприпаса без ядерного взрыва в случае его отклонения от заданной траектории.

Источником питания всей электрической системы боеприпаса являются аккумуляторные батареи различных типов, которые обладают одноразовым действием и приводятся в рабочее состояние непосредственно перед его бое­вым применением.

Ядерный заряд представляет собой устройство для осуществления ядерного взрыва. Ниже будут рассмотрены существующие типы ядерных зарядов и их принципиальное устройство.

Ядерные заряды

Устройства, предназначенные для осуществления взрывного про­цесса высвобождения внутриядерной энергии, называются яде­р­ными зарядами.

Различают два основных вида ядерных зарядов:

1 – заряды, энергия взрыва которых обусловлена цепной реакцией делящихся веществ, переве­денных в надкритическое состояние, – атомные заряды;

2 – заряды, энергия взрыва которых обусловлена термоядерной реакци­ей синтеза ядер, – термоядерные заряды.

Атомные заряды. Основным элементом атомных зарядов является делящееся вещество (ядерное взрывчатое вещество).

До взрыва масса ЯВВ находится в подкритическом состоянии. Для осуществления ядерного взрыва она переводится в надкритическое состоя­ние. Используются два типа устройств, обеспечивающих формирование надкритической массы: пушечный и имплозивный.

В зарядах пушечного типа (рис. 5) ЯВВ состоит из двух или более частей, масса которых в отдельности меньше критической, что обеспечивает исключение самопроизвольного начала цепной ядерной ре­акции. При осуществлении ядерного взрыва отдельные части ЯВВ под дейст­вием энергии взрыва обычного взрывного вещества соединяются в одно целое и общая масса ЯВВ становится больше критической, что создает условия для цепной реакции взрывного характера.

Рис. 5. Схема устройства атомного заряда пушечного типа

Перевод заряда в надкритическое состояние осуществляется действием порохового заряда. Вероятность получения расчетной мощности взрыва в та­ких зарядах зависит от скорости сближения частей ЯВВ. При недостаточных скоростях сближения коэффициент критичности может стать несколько больше единицы еще до момента непосредственного контакта частей ЯВВ. В этом случае реакция может начаться с одного начального центра деления под воздействием, например, нейтрона спонтанного деления, в результате чего происходит неполноценный взрыв с небольшим коэффициентом использова­ния ядерного горючего.

Преимуществом ядерных зарядов пушечного типа являются простота конструкции, малые габариты и масса, высокая механическая прочность, что по­зволяет создавать на их основе малогабаритные ядерные боеприпасы (артил­лерийские снаряды, ядерные мины и др.).

В зарядах имплозивного типа (рис. 6) для создания надкритической массы используется эффект имплозии – всестороннего обжа­тия ЯВВ силой взрыва обычного ВВ, которая приводит к резкому увеличе­нию его плотности.

Рис. 6. Схема устройства атомного заряда имплозивного типа

Эффект имплозии создает огромную концентрацию энергии в зоне ЯВВ и позволяет достичь давления, превышающего миллионы атмосфер, что приводит к увеличению плотности ЯВВ в 2 – 3 раза и уменьшению критической массы в 4 – 9 раз.

Для гарантированного инициирования цепной реакции деления и ее ус­корения от искусственного источника нейтронов должен быть подан мощный импульс нейтронов в момент наивысшей имплозии. Поскольку в таком со­стоянии ЯВВ находится в течение нескольких микросекунд, то момент по­сылки импульса нейтронов должен быть синхронизирован с моментом дос­тижения наибольшей критичности.

Преимуществом атомных зарядов имплозивного типа является более высокий коэффициент использования ЯВВ, а также возможность в опреде­ленных пределах менять мощность ядерного взрыва с помощью специального переключателя.

К недостаткам атомных зарядов относятся большие масса и габариты, низ­кая механическая прочность и чувствительность к температурному режиму.

Термоядерные заряды. В зарядах этого типа условия для реакции синтеза создаются за счет подрыва атомного заряда (детонатора) из урана-235, плутония-239 или калифорния-251. Термоядерные заряды могут быть нейтронными и комбиниро­ванными.

В термоядерных нейтронных зарядах (рис. 7) в качестве термоядерного горючего используются дейтерий и тритий в чистом виде или в виде гид­ридов металлов. "Запалом" реакции служит высокообогащенный плутоний-239 или калифорний-251, обладающие сравнительно небольшой величиной критической массы. Это позволяет увеличить коэффициент термоядерности боеприпаса.

Рис. 7. Схема устройства термоядерного нейтронного заряда

В термоядерных комбинированных зарядах (рис. 8) в качестве термоядерно­го горючего используется дейтерид лития (LiD). Для "запала" реакции синте­за служит реакция деления урана-235. В целях получения нейтронов высокой энергии для протекания реакции (1.18) уже в самом начале ядерного процесса в ядерный заряд помещается ампула с тритием (₁Н³). Нейтроны же деления необходимы для получения трития из лития в начальный период реакции. В последующем воспроизводство трития будет происходить за счет нейтронов, выделяющихся при реакциях синтеза дейте­рия и трития, а также деления урана-238 (самого распространенного и наибо­лее дешевого природного урана), которым специально окружается зона реак­ции в виде оболочки. Наличие такой оболочки позволяет не только осуществить лавинообразную термоядерную реакцию, но и получить дополнитель­ную энергию взрыва, так как при высокой плотности потока нейтронов с энергией более 10 МэВ реакция деления ядер урана-238 протекает достаточно эффективно. При этом количество высвобождаемой энергии становится очень большим и в боеприпасах крупного и сверхкрупного калибров может соста­вить до 80% всей энергии комбинированного термоядерного боеприпаса.

Рис. 8. Схема устройства термоядерного комбинированного заряда