Armët bërthamore janë më të efektshmet në historinë e njerëzimit për sa i përket kostos / efikasitetit: kostot vjetore të zhvillimit, testimit, prodhimit dhe mirëmbajtjes në funksionim të këtyre armëve përbëjnë nga 5 deri në 10 përqind të buxhetit ushtarak të Shteteve të Bashkuara dhe Federata Ruse - vende me një kompleks prodhimi bërthamor tashmë të formuar, kanë zhvilluar inxhinieri të energjisë atomike dhe disponueshmërinë e një flote superkompjuterësh për modelimin matematikor të shpërthimeve bërthamore.
Përdorimi i pajisjeve bërthamore për qëllime ushtarake bazohet në vetinë e atomeve të elementeve të rënda kimike për t'u prishur në atome të elementeve më të lehta me lëshimin e energjisë në formën e rrezatimit elektromagnetik (gamë gama dhe rreze X), si dhe në formën e energjisë kinetike të shpërndarjes së grimcave elementare (neutronet, protonet dhe elektronet) dhe bërthamat e atomeve të elementeve më të lehta (cezium, stroncium, jod dhe të tjerë)
Elementet më të njohura të rënda janë uraniumi dhe plutoniumi. Izotopet e tyre, kur copëtojnë bërthamën e tyre, lëshojnë nga 2 deri në 3 neutrone, të cilat nga ana e tyre shkaktojnë ndarjen e bërthamave të atomeve fqinjë, etj. Një reagim vetë-përhapës (i ashtuquajtur zinxhir) me lëshimin e një sasie të madhe të energjisë ndodh në substancë. Për të filluar reagimin, kërkohet një masë e caktuar kritike, vëllimi i së cilës do të jetë i mjaftueshëm për kapjen e neutroneve nga bërthamat atomike pa emetimin e neutroneve jashtë substancës. Masa kritike mund të zvogëlohet me një reflektor neutron dhe një burim neutron inicues
Reagimi i ndarjes fillon duke kombinuar dy masa nënkritike në një superkritike ose duke ngjeshur një guaskë sferike të një mase superkritike në një sferë, duke rritur kështu përqendrimin e lëndës së copëtuar në një vëllim të caktuar. Materiali i copëtueshëm është i kombinuar ose i ngjeshur nga një shpërthim i drejtuar i një eksplozivi kimik.
Përveç reagimit të ndarjes së elementeve të rëndë, reagimi i sintezës së elementeve të lehta përdoret në ngarkesat bërthamore. Fuzioni termonuklear kërkon ngrohje dhe ngjeshje të materies deri në disa dhjetëra miliona gradë dhe atmosfera, të cilat mund të sigurohen vetëm për shkak të energjisë së lëshuar gjatë reagimit të ndarjes. Prandaj, ngarkesat termonukleare janë krijuar sipas një skeme me dy faza. Izotopet e hidrogjenit, tritiumit dhe deuteriumit (që kërkojnë vlera minimale të temperaturës dhe presionit për të filluar reaksionin e bashkimit) ose një përbërje kimike, litium deuteride (ky i fundit, nën veprimin e neutroneve nga shpërthimi i fazës së parë, është i ndarë në tritium dhe helium) përdoren si elementë të lehtë. Energjia në reagimin e bashkimit lëshohet në formën e rrezatimit elektromagnetik dhe energjisë kinetike të neutroneve, elektroneve dhe bërthamave të heliumit (të ashtuquajturat grimca alfa). Lëshimi i energjisë i reagimit të bashkimit për njësi të masës është katër herë më i lartë se ai i reaksionit të ndarjes
Tritiumi dhe produkti i tij i vetë-prishjes deuteriumi përdoren gjithashtu si një burim neutronesh për të filluar reagimin e ndarjes. Tritiumi ose një përzierje e izotopeve të hidrogjenit, nën veprimin e ngjeshjes së guaskës së plutoniumit, hyn pjesërisht në një reaksion shkrirjeje me lëshimin e neutroneve, të cilat transformojnë plutoniumin në një gjendje superkritike.
Komponentët kryesorë të armëve bërthamore moderne janë si më poshtë:
-izotop i qëndrueshëm (spontanisht jo i ndashëm) i uraniumit U-238, i nxjerrë nga xeherori i uraniumit ose (në formën e një papastërtie) nga minerali i fosfatit;
-izotop radioaktiv (spontanisht i ndashëm) i uraniumit U-235, i nxjerrë nga xeherori i uraniumit ose i prodhuar nga U-238 në reaktorët bërthamorë;
-izotop radioaktiv i plutoniumit Pu-239, i prodhuar nga U-238 në reaktorët bërthamorë;
- izotop i qëndrueshëm i hidrogjenit deuterium D, i nxjerrë nga uji natyral ose i prodhuar nga protiumi në reaktorët bërthamorë;
- izotop radioaktiv i hidrogjenit tritium T, i prodhuar nga deuteriumi në reaktorët bërthamorë;
- izotop i qëndrueshëm i litiumit Li-6, i nxjerrë nga xeherori;
- izotop i qëndrueshëm i berylit Be-9, i nxjerrë nga xeherori;
- HMX dhe triaminotrinitrobenzen, eksploziv kimik.
Masa kritike e një topi të bërë nga U-235 me një diametër 17 cm është 50 kg, masa kritike e një topi të bërë nga Pu-239 me një diametër prej 10 cm është 11 kg. Me një reflektor neutron beryllium dhe një burim neutron tritium, masa kritike mund të reduktohet në 35 dhe 6 kg, respektivisht.
Për të eleminuar rrezikun e funksionimit spontan të ngarkesave bërthamore, ata përdorin të ashtuquajturin. armë Pu-239, e pastruar nga izotopet e tjerë, më pak të qëndrueshëm të plutoniumit në një nivel prej 94%. Me një periodicitet prej 30 vjetësh, plutoniumi pastrohet nga produktet e prishjes spontane bërthamore të izotopeve të tij. Për të rritur forcën mekanike, plutoniumi është i aliazhuar me 1 përqind në masë galium dhe është i veshur me një shtresë të hollë nikeli për ta mbrojtur atë nga oksidimi.
Temperatura e vetë-ngrohjes së rrezatimit të plutoniumit gjatë ruajtjes së ngarkesave bërthamore nuk i kalon 100 gradë Celsius, që është më e ulët se temperatura e dekompozimit të një eksplozivi kimik.
Që nga viti 2000, sasia e plutoniumit të armëve në dispozicion të Federatës Ruse vlerësohet në 170 ton, Shtetet e Bashkuara - në 103 ton, plus disa dhjetëra tonë të pranuar për ruajtje nga vendet e NATO -s, Japonia dhe Koreja e Jugut, të cilat nuk posedojnë armë bërthamore. Federata Ruse ka kapacitetin më të madh të prodhimit të plutoniumit në botë në formën e reaktorëve të shpejtë bërthamorë të shkallës së armëve dhe fuqisë. Së bashku me plutoniumin me një kosto prej rreth 100 dollarë amerikanë për gram (5-6 kg për pagesë), tritiumi prodhohet me një kosto prej rreth 20 mijë dollarë amerikanë për gram (4-5 gramë për pagesë).
Hartimet më të hershme të tarifave të ndarjes bërthamore ishin Kid and Fat Man, i zhvilluar në Shtetet e Bashkuara në mesin e viteve 1940. Lloji i fundit i ngarkimit ndryshonte nga i pari në pajisjet komplekse për sinkronizimin e shpërthimit të shpërthyesve të shumtë elektrikë dhe në dimensionet e tij të mëdha tërthore.
"Kid" u bë sipas një skeme topi - një fuçi artilerie ishte montuar përgjatë boshtit gjatësor të trupit të bombës ajrore, në skajin e mbytur të së cilës ishte gjysma e materialit të copëtuar (uranium U -235), gjysma e dytë i materialit të copëtueshëm ishte një predhë e përshpejtuar nga një ngarkesë pluhuri. Faktori i përdorimit të uraniumit në reagimin e ndarjes ishte rreth 1 përqind, pjesa tjetër e masës U-235 ra në formën e pasojave radioaktive me një gjysmë jetë 700 milion vjet.
"Njeriu i shëndoshë" u bë sipas një skeme shpërthyese-një sferë e zbrazët e materialit të copëtuar (plutonium Pu-239) ishte e rrethuar nga një guaskë e bërë nga uraniumi U-238 (shtytës), një guaskë alumini (shuajtëse) dhe një guaskë (shpërthim gjenerator), i përbërë nga segmente pesë dhe gjashtëkëndor të një eksplozivi kimik, në sipërfaqen e jashtme të të cilit u instaluan shpërthyes elektrik. Secili segment ishte një lente shpërthyese e dy llojeve të eksplozivëve me shpejtësi të ndryshme shpërthimi, duke shndërruar valën divergjente të presionit në një valë konvergjente sferike, duke ngjeshur në mënyrë uniforme guaskën e aluminit, e cila nga ana tjetër ngjeshi guaskën e uraniumit, dhe atë një - sferën plutonium deri në zgavra e brendshme e mbyllur. Një absorbues alumini u përdor për të thithur tërheqjen e valës së presionit pasi kalon në një material me densitet më të lartë, dhe një shtytës uraniumi u përdor për të mbajtur inerte plutoniumin gjatë reagimit të ndarjes. Në zgavrën e brendshme të sferës së plutoniumit, ishte vendosur një burim neutron, i bërë nga izotopi radioaktiv polonium Po-210 dhe beryllium, i cili lëshoi neutrone nën ndikimin e rrezatimit alfa nga poloniumi. Faktori i shfrytëzimit të lëndës së copëtuar ishte rreth 5 përqind, gjysma e jetës së pasojave radioaktive ishte 24 mijë vjet.
Menjëherë pas krijimit të "Kid" dhe "Fat Man" në SHBA, filloi puna për të optimizuar hartimin e ngarkesave bërthamore, si të skemave të topit ashtu edhe të shpërthimit, që synonin zvogëlimin e masës kritike, rritjen e shkallës së shfrytëzimit të lëndës së copëtuar, thjeshtimin e sistemi i shpërthimit elektrik dhe zvogëlimi i madhësisë. Në BRSS dhe shtete të tjera - pronarë të armëve bërthamore, akuzat fillimisht u krijuan sipas një skeme shpërthyese. Si rezultat i optimizimit të modelit, masa kritike e materialit të copëtuar u zvogëlua, dhe koeficienti i përdorimit të tij u rrit disa herë për shkak të përdorimit të një reflektori neutron dhe një burimi neutron.
Reflektuesi i neutroneve të berylit është një guaskë metalike deri në 40 mm të trashë, burimi i neutronit është tritium i gaztë që mbush një zgavër në plutonium, ose hidrid i hekurit të ngopur me tritium me titan të ruajtur në një cilindër të veçantë (përforcues) dhe lëshon tritium nën veprimin e ngrohjes me energji elektrike para përdorimit të një ngarkese bërthamore, pas së cilës tritiumi futet përmes tubacionit të gazit në ngarkesë. Zgjidhja e fundit teknike bën të mundur shumëzimin e fuqisë së ngarkesës bërthamore në varësi të vëllimit të tritiumit të pompuar, dhe gjithashtu lehtëson zëvendësimin e përzierjes së gazit me një të re çdo 4-5 vjet, pasi gjysma e jetës së tritiumit është 12 vjet. Një sasi e tepërt e tritiumit në përforcues bën të mundur zvogëlimin e masës kritike të plutoniumit në 3 kg dhe rritjen e ndjeshme të efektit të një faktori të tillë dëmtues si rrezatimi neutron (duke zvogëluar efektin e faktorëve të tjerë dëmtues - një valë goditëse dhe rrezatimi i dritës) Si rezultat i optimizimit të projektimit, faktori i përdorimit të materialit të copëtuar u rrit në 20%, në rastin e një tepricë të tritiumit - deri në 40%.
Skema e topave u thjeshtua për shkak të kalimit në shpërthim radial-boshtor duke bërë një grup materiali të copëtuar në formën e një cilindri të zbrazët, të shtypur nga shpërthimi i dy ngarkesave shpërthyese fundore dhe një aksiale
Skema shpërthyese u optimizua (SWAN) duke bërë guaskën e jashtme të eksplozivit në formën e një elipsoidi, i cili bëri të mundur zvogëlimin e numrit të thjerrëzave shpërthyese në dy njësi të ndara nga polet e elipsoidit - ndryshimi në shpejtësia e valës së shpërthimit në seksionin kryq të thjerrëzës së shpërthimit siguron afrimin e njëkohshëm të valës goditëse në sipërfaqen sferike të shtresës së brendshme të eksplozivit, shpërthimi i së cilës ngjesh në mënyrë uniforme guaskën e berylit (duke kombinuar funksionet e një reflektori neutron dhe një prishës valë presioni) dhe një sferë plutoniumi me një zgavër të brendshme të mbushur me tritium ose përzierjen e tij me deuterium
Zbatimi më kompakt i skemës së shpërthimit (i përdorur në predhën sovjetike 152 mm) është ekzekutimi i një montimi shpërthyes-beryllium-plutonium në formën e një elipsoidi të zbrazët me një trashësi të ndryshueshme të murit, i cili siguron deformimin e llogaritur të montimit. nën veprimin e një valë goditëse nga një shpërthim shpërthyes në një strukturë sferike përfundimtare
Megjithë përmirësimet e ndryshme teknike, fuqia e ngarkesave të ndarjes bërthamore mbeti e kufizuar në nivelin 100 Ktn në ekuivalentin e TNT për shkak të zgjerimit të pashmangshëm të shtresave të jashtme të lëndës së copëtuar gjatë shpërthimit me përjashtimin e materies nga reagimi i ndarjes.
Prandaj, u propozua një dizajn për një ngarkesë termonukleare, e cila përfshin si elementë të rëndë të ndarjes ashtu edhe elementë të shkrirjes së lehtë. Ngarkesa e parë termonukleare (Ivy Mike) u bë në formën e një rezervuari kriogjenik të mbushur me një përzierje të lëngshme të tritiumit dhe deuteriumit, në të cilën ishte vendosur një ngarkesë bërthamore shpërthyese e plutoniumit. Për shkak të dimensioneve jashtëzakonisht të mëdha dhe nevojës për ftohje të vazhdueshme të rezervuarit kriogjenik, në praktikë u përdor një skemë e ndryshme - një "fryrje" shpërthyese (RDS -6s), e cila përfshin disa shtresa alternative të uraniumit, plutoniumit dhe litiumit deuterid me një reflektor i jashtëm beryllium dhe një burim i brendshëm tritiumi
Sidoqoftë, fuqia e "fryrjes" ishte gjithashtu e kufizuar nga niveli 1 Mtn për shkak të fillimit të reaksionit të thyerjes dhe sintezës në shtresat e brendshme dhe zgjerimit të shtresave të jashtme të pareaguara. Për të kapërcyer këtë kufizim, u zhvillua një skemë për ngjeshjen e elementeve të lehta të reagimit të bashkimit nga rrezet X (faza e dytë) nga reagimi i ndarjes së elementeve të rëndë (faza e parë). Presioni i madh i fluksit të fotoneve të rrezeve X të lëshuara në reaksionin e ndarjes lejon që deuteridi i litiumit të kompresohet 10 herë me një rritje të densitetit me 1000 herë dhe të nxehet gjatë procesit të kompresimit, pas së cilës litiumi ekspozohet ndaj fluksit të neutroneve nga reaksioni i ndarjes, duke u shndërruar në tritium, i cili hyn në reaksione të shkrirjes me deuteriumin. Skema me dy faza e një ngarkese termonukleare është më e pastra për sa i përket rendimentit të radioaktivitetit, pasi neutronet sekondare nga reagimi i shkrirjes djegin uranium / plutonium të pareaguar në elementë radioaktivë afatshkurtër, dhe vetë neutronet shuhen në ajër me një diapazoni prej rreth 1.5 km.
Për qëllimin e shtrëngimit uniform të fazës së dytë, trupi i ngarkesës termonukleare është bërë në formën e një guaske kikiriku, duke vendosur montimin e fazës së parë në fokusin gjeometrik të një pjese të guaskës dhe montimin e faza e dytë në fokusin gjeometrik të pjesës tjetër të guaskës. Asambletë pezullohen në pjesën më të madhe të trupit duke përdorur shkumë ose mbushës ajeli. Sipas rregullave të optikës, rrezatimi me rreze X nga shpërthimi i fazës së parë përqendrohet në ngushtimin midis dy pjesëve të guaskës dhe shpërndahet në mënyrë të barabartë në sipërfaqen e fazës së dytë. Për të rritur reflektimin në gamën e rrezeve X, sipërfaqja e brendshme e trupit të ngarkuar dhe sipërfaqja e jashtme e montimit të fazës së dytë janë të mbuluara me një shtresë të materialit të dendur: plumb, tungsten ose uranium U-238. Në rastin e fundit, ngarkesa termonukleare bëhet në tre faza-nën veprimin e neutroneve nga reagimi i bashkimit, U-238 kthehet në U-235, atomet e të cilit hyjnë në një reagim të copëtimit dhe rrisin fuqinë e shpërthimit
Skema me tre faza u përfshi në hartimin e bombës ajrore sovjetike AN-602, fuqia e projektimit të së cilës ishte 100 Mtn. Para testit, faza e tretë u përjashtua nga përbërja e tij duke zëvendësuar uraniumin U-238 me plumb për shkak të rrezikut të zgjerimit të zonës së pasojave radioaktive nga ndarja e U-238 përtej vendit të provës. Kapaciteti aktual i modifikimit me dy faza të AN-602 ishte 58 Mtn. Një rritje e mëtejshme e fuqisë së ngarkesave termonukleare mund të bëhet duke rritur numrin e ngarkesave termonukleare në pajisjen shpërthyese të kombinuar. Sidoqoftë, kjo nuk është e nevojshme për shkak të mungesës së objektivave të duhur - analogu modern i AN -602, i vendosur në automjetin nënujor Poseidon, ka një rreze shkatërrimi të ndërtesave dhe strukturave nga një valë goditjeje prej 72 km dhe një rreze e zjarreve prej 150 km, e cila është mjaft e mjaftueshme për të shkatërruar megacities të tilla si Nju Jorku ose Tokio
Nga pikëpamja e kufizimit të pasojave të përdorimit të armëve bërthamore (lokalizimi territorial, minimizimi i lëshimit të radioaktivitetit, niveli taktik i përdorimit), i ashtuquajturi ngarkesa të sakta me një fazë me një kapacitet deri në 1 Ktn, të cilat janë krijuar për të shkatërruar objektivat e pikave - kapanone raketash, seli, qendra komunikimi, radarë, sisteme raketash të mbrojtjes ajrore, anije, nëndetëse, bombardues strategjikë, etj.
Dizajni i një ngarkese të tillë mund të bëhet në formën e një montimi shpërthyes, i cili përfshin dy lente shpërthyese elipsoidale (eksploziv kimik nga HMX, material inert i bërë nga polipropileni), tre predha sferike (reflektor neutron i bërë nga beril, gjenerator piezoelektrik i bërë nga jodid ceziumi, material i copëtuar nga plutoniumi) dhe një sferë e brendshme (lëndë djegëse e shkrirjes së litium deuteridit)
Nën veprimin e një valë presioni konvergjent, jodidi i ceziumit gjeneron një impuls elektromagnetik superfuqishëm, rrjedha e elektroneve gjeneron rrezatim gama në plutonium, i cili rrëzon neutronet nga bërthamat, duke inicuar kështu një reaksion të ndarjes vetë-përhapëse, rrezet X ngjeshin dhe ngrohin deuteridin e litiumit., fluksi i neutroneve gjeneron tritium nga litiumi, i cili hyn në reaksion me deuteriumin. Drejtimi centripetal i reaksioneve të ndarjes dhe bashkimit siguron përdorimin 100% të karburantit termonuklear.
Zhvillimi i mëtejshëm i modeleve të ngarkesave bërthamore në drejtim të minimizimit të fuqisë dhe radioaktivitetit është i mundur duke zëvendësuar plutoniumin me një pajisje për kompresimin lazer të një kapsule me një përzierje tritiumi dhe deuteriumi.
