Kodolieroči izmaksu / efektivitātes ziņā ir visefektīvākie cilvēces vēsturē: šo ieroču izstrādes, testēšanas, ražošanas un ekspluatācijas uzturēšanas ikgadējās izmaksas veido no 5 līdz 10 procentiem no ASV militārā budžeta un Krievijas Federācija - valstis ar jau izveidotu kodolenerģijas ražošanas kompleksu, attīstītu atomenerģētiku un superdatoru parka pieejamību kodolsprādzienu matemātiskai modelēšanai.
Kodoliekārtu izmantošana militāriem mērķiem ir balstīta uz smago ķīmisko elementu atomu īpašību sadalīties vieglāku elementu atomos, izdalot enerģiju elektromagnētiskā starojuma veidā (gamma un rentgenstaru diapazons), kā arī elementāro daļiņu (neitronu, protonu un elektronu) un vieglāku elementu (cēzija, stroncija, joda un citu) atomu kodolu izkliedes kinētiskās enerģijas forma
Populārākie smagie elementi ir urāns un plutonijs. To izotopi, sadalot kodolu, izstaro no 2 līdz 3 neitroniem, kas savukārt izraisa kaimiņu atomu kodolu sadalīšanos utt. Vielā notiek sevis izplatīšanās (tā sauktā ķēdes) reakcija ar liela enerģijas daudzuma izdalīšanos. Lai sāktu reakciju, nepieciešama noteikta kritiskā masa, kuras tilpums būs pietiekams, lai atomu kodoli uztvertu neitronus, neitronu emisijas ārpus vielas. Kritisko masu var samazināt ar neitronu atstarotāju un ierosinošu neitronu avotu
Sadalīšanās reakcija sākas, apvienojot divas subkritiskās masas vienā superkritiskā masā vai saspiežot sfērisku virskritiskas masas apvalku sfērā, tādējādi palielinot skaldmateriāla koncentrāciju noteiktā tilpumā. Skaldmateriāls tiek apvienots vai saspiests ar ķīmiska sprāgstvielas tiešu eksploziju.
Papildus smago elementu dalīšanās reakcijai kodolenerģijās tiek izmantota vieglo elementu sintēzes reakcija. Kodolsintēzei nepieciešama vielas sasilšana un saspiešana līdz vairākiem desmitiem miljonu grādu un atmosfēras, ko var nodrošināt tikai dalīšanās reakcijas laikā izdalītās enerģijas dēļ. Tāpēc kodolieroču lādiņi tiek veidoti saskaņā ar divpakāpju shēmu. Ūdeņraža, tritija un deitērija izotopi (kuriem ir vajadzīgas minimālās temperatūras un spiediena vērtības, lai sāktu saplūšanas reakciju) vai ķīmiskais savienojums, litija deuterīds (pēdējais, neitronu iedarbībā no pirmā posma sprādziena) ir sadalīts tritijā un hēlijā) izmanto kā gaismas elementus. Enerģija saplūšanas reakcijā tiek atbrīvota elektromagnētiskā starojuma un neitronu, elektronu un hēlija kodolu (tā saukto alfa daļiņu) kinētiskās enerģijas veidā. Saplūšanas reakcijas enerģija uz masas vienību ir četras reizes lielāka nekā sadalīšanās reakcijas enerģija
Tritijs un tā pašsadalīšanās produkts deitērijs tiek izmantoti arī kā neitronu avots, lai sāktu dalīšanās reakciju. Tritijs vai ūdeņraža izotopu maisījums plutonija apvalka saspiešanas ietekmē daļēji nonāk saplūšanas reakcijā, izdaloties neitroniem, kas pārvērš plutoniju pārkritiskā stāvoklī.
Mūsdienu kodolgalviņu galvenās sastāvdaļas ir šādas:
-stabils (spontāni nesadalāms) urāna izotops U-238, kas iegūts no urāna rūdas vai (piemaisījuma veidā) no fosfāta rūdas;
-urāna U-235 radioaktīvs (spontāni skaldāms) izotops, kas iegūts no urāna rūdas vai iegūts no U-238 kodolreaktoros;
-plutonija Pu-239 radioaktīvais izotops, kas iegūts no U-238 kodolreaktoros;
- stabils ūdeņraža deitērija D izotops, kas iegūts no dabīgā ūdens vai iegūts no protoma kodolreaktoros;
- ūdeņraža tritija radioaktīvais izotops T, kas iegūts no deitērija kodolreaktoros;
- stabils litija izotops Li-6, kas iegūts no rūdas;
- stabils berilija Be-9 izotops, kas iegūts no rūdas;
- HMX un triaminotrinitrobenzols, ķīmiskas sprāgstvielas.
No U-235 izgatavotas bumbiņas, kuras diametrs ir 17 cm, kritiskā masa ir 50 kg, no Pu-239 izgatavotas bumbiņas kritiskā masa ar 10 cm diametru ir 11 kg. Izmantojot berilija neitronu atstarotāju un tritija neitronu avotu, kritisko masu var samazināt attiecīgi līdz 35 un 6 kg.
Lai novērstu kodolenerģijas spontānas darbības risku, viņi izmanto t.s. ieroču klases Pu-239, kas attīrīts no citiem, mazāk stabiliem plutonija izotopiem līdz 94%. Ar 30 gadu periodiskumu plutonijs tiek attīrīts no tā izotopu spontānas kodola sabrukšanas produktiem. Lai palielinātu mehānisko izturību, plutoniju leģē ar 1 masas procentiem gallija un pārklāj ar plānu niķeļa slāni, lai pasargātu to no oksidēšanās.
Plutonija starojuma pašsasilšanas temperatūra kodolieroču uzglabāšanas laikā nepārsniedz 100 grādus pēc Celsija, kas ir zemāka par ķīmiskās sprāgstvielas sadalīšanās temperatūru.
Kopš 2000. gada Krievijas Federācijas rīcībā esošais ieroču kvalitātes plutonija daudzums tiek lēsts 170 tonnu apmērā, ASV - 103 tonnas, kā arī vairāki desmiti tonnu, kas pieņemti glabāšanai no NATO valstīm, Japānas un Dienvidkorejas, kam nav kodolieroču. Krievijas Federācijai ir pasaulē lielākā plutonija ražošanas jauda ieroču kvalitātes un jaudas ātro kodolreaktoru veidā. Kopā ar plutoniju, kura cena ir aptuveni 100 ASV dolāri par gramu (5-6 kg par vienu uzlādi), tritijs tiek ražots par aptuveni 20 tūkstošiem ASV dolāru par gramu (4-5 grami par uzlādi).
Pirmie kodolu skaldīšanas lādiņu modeļi bija Kid and Fat Man, kas tika izstrādāts ASV 40. gadu vidū. Pēdējais uzlādes veids atšķīrās no pirmā ar sarežģīto aprīkojumu daudzu elektrisko detonatoru detonācijas sinhronizēšanai un tā lielajiem šķērsvirziena izmēriem.
"Bērns" tika izgatavots pēc lielgabala shēmas - gar gaisa bumbas korpusa garenisko asi tika uzstādīta artilērijas muca, kuras slāpētā galā bija puse no skaldāmā materiāla (urāns U -235), otrā puse no skaldāmā materiāla bija šāviņš, kas paātrināts ar pulvera lādiņu. Urāna izmantošanas koeficients skaldīšanas reakcijā bija aptuveni 1 procents, pārējā U-235 masa izkrita radioaktīvo nokrišņu veidā ar pussabrukšanas periodu 700 miljoni gadu.
"Resnais cilvēks" tika izgatavots pēc implosīvas shēmas-dobu skaldāmā materiāla sfēru (Pu-239 plutonijs) ieskauj apvalks, kas izgatavots no urāna U-238 (stūmējs), alumīnija apvalks (slāpētājs) un apvalks (sprādziens) ģenerators), ko veido piecu un sešstūru ķīmiska sprāgstvielas segmenti, uz kuru ārējās virsmas tika uzstādīti elektriskie detonatori. Katrs segments bija divu veidu sprāgstvielu detonācijas lēca ar atšķirīgu detonācijas ātrumu, pārvēršot atšķirīgo spiediena vilni sfēriskā saplūstošā vilnī, vienmērīgi saspiežot alumīnija apvalku, kas savukārt saspieda urāna apvalku, un šis - plutonija sfēra līdz iekšējā dobums aizvērts. Alumīnija absorbētājs tika izmantots, lai absorbētu spiediena viļņa atsitienu, kad tas nonāk materiālā ar lielāku blīvumu, un urāna stūmējs tika izmantots plutonija inertai turēšanai skaldīšanas reakcijas laikā. Plutonija sfēras iekšējā dobumā atradās neitronu avots, kas izgatavots no radioaktīvā polonija Po-210 un berilija, kas emitēja neitronus polonija alfa starojuma ietekmē. Skaldmateriālu izmantošanas koeficients bija aptuveni 5 procenti, radioaktīvo nokrišņu pussabrukšanas periods bija 24 tūkstoši gadu.
Tūlīt pēc "Kid" un "Fat Man" izveides ASV sāka darbu, lai optimizētu kodolieroču konstrukciju - gan lielgabalu, gan iznīcināšanas shēmas, kuru mērķis ir samazināt kritisko masu, palielināt skaldmateriālu izmantošanas līmeni, vienkāršojot elektriskā detonācijas sistēma un izmēra samazināšana. PSRS un citās valstīs - kodolieroču īpašnieki, lādiņi sākotnēji tika izveidoti pēc impulsīvas shēmas. Konstrukcijas optimizācijas rezultātā skaldmateriāla kritiskā masa tika samazināta, un tās izmantošanas koeficients tika vairākkārt palielināts, izmantojot neitronu atstarotāju un neitronu avotu.
Berilija neitronu atstarotājs ir līdz 40 mm biezs metāla korpuss, neitronu avots ir gāzveida tritijs, kas aizpilda dobumu plutonijā, vai ar tritiju piesūcināts dzelzs hidrīds ar titānu, kas tiek uzglabāts atsevišķā cilindrā (pastiprinātājā), un karsējot atbrīvo tritiju ar elektrību tieši pirms kodolenerģijas izmantošanas, pēc tam tritijs caur gāzes vadu tiek ievadīts lādiņā. Pēdējais tehniskais risinājums ļauj pavairot kodola lādiņa jaudu atkarībā no sūknētā tritija tilpuma, kā arī atvieglo gāzes maisījuma nomaiņu ar jaunu ik pēc 4-5 gadiem, jo tritija pussabrukšanas periods ir 12 gadi. Pārmērīgs tritija daudzums pastiprinātājā ļauj samazināt plutonija kritisko masu līdz 3 kg un ievērojami palielināt tāda kaitīga faktora kā neitronu starojuma ietekmi (samazinot citu kaitīgo faktoru - triecienviļņa un gaismas starojuma - ietekmi). Projektēšanas optimizācijas rezultātā skaldmateriālu izmantošanas koeficients palielinājās līdz 20%, tritija pārpalikuma gadījumā - līdz 40%.
Lielgabalu shēma tika vienkāršota, pārejot uz radiāli aksiālu uzsprāgšanu, izgatavojot skaldmateriālu masīvu doba cilindra veidā, ko sasmalcināja divu galu un viena aksiāla sprādzienbīstama lādiņa eksplozija
Implosīvā shēma tika optimizēta (SWAN), padarot sprāgstvielas ārējo apvalku elipsoīda formā, kas ļāva samazināt detonācijas lēcu skaitu līdz divām vienībām, kas atrodas viena no otras no elipsoīda poliem - atšķirība detonācijas viļņa ātrums detonācijas lēcas šķērsgriezumā nodrošina triecienviļņa vienlaicīgu tuvošanos sfēriskajai virsmai, kurā atrodas sprāgstvielas iekšējais slānis, kura detonācija vienmērīgi saspiež berilija apvalku (apvienojot neitronu atstarotāja funkcijas un spiediena viļņu atsitiena aizbīdni) un plutonija lodi ar iekšējo dobumu, kas piepildīts ar tritiju vai tā maisījumu ar deitēriju
Viskompaktākā iznīcināšanas shēmas īstenošana (izmantota padomju 152 mm lādiņā) ir sprādzienbīstama berilija-plutonija komplekta izpildīšana doba elipsoīda formā ar mainīgu sienas biezumu, kas nodrošina aprēķināto mezgla deformāciju triecienviļņa ietekmē no sprādzienbīstamas sprādziena gala sfēriskā struktūrā
Neskatoties uz dažādiem tehniskiem uzlabojumiem, kodolskaldīšanas lādiņu jauda palika ierobežota līdz 100 Ktn līmenim TNT ekvivalentā, jo sprādziena laikā neizbēgami paplašinājās skaldmateriālu ārējie slāņi, izslēdzot vielu no dalīšanās reakcijas.
Tāpēc tika ierosināts dizains kodolenerģijas lādiņam, kas ietver gan smagus skaldīšanas elementus, gan vieglas kodolsintēzes elementus. Pirmais kodolenerģijas lādiņš (Ivy Mike) tika izgatavots kriogēnas tvertnes veidā, kas piepildīts ar šķidru tritija un deitērija maisījumu, un kurā atradās plosija impulsīvs kodola lādiņš. Sakarā ar ārkārtīgi lielajiem izmēriem un nepieciešamību pastāvīgi atdzesēt kriogēno tvertni, praksē tika izmantota cita shēma - impulsīvs "uzpūšanās" (RDS -6s), kas ietver vairākus mainīgus urāna, plutonija un litija deuterīda slāņus ar ārējais berilija atstarotājs un iekšējais tritija avots
Tomēr “uzpūšanās” spēku ierobežoja arī 1 Mtn līmenis, jo sākās šķelšanās un sintēzes reakcija iekšējos slāņos un nereaģēto ārējo slāņu izplešanās. Lai pārvarētu šo ierobežojumu, tika izstrādāta shēma saplūšanas reakcijas vieglo elementu saspiešanai ar rentgena stariem (otrais posms) no smago elementu dalīšanās reakcijas (pirmais posms). Milzīgais rentgenstaru fotonu plūsmas spiediens, kas izdalās skaldīšanas reakcijā, ļauj litija deuterīdu saspiest 10 reizes, palielinot blīvumu par 1000 reizēm un sasildot saspiešanas procesā, pēc tam litijs tiek pakļauts neitronu plūsmai no skaldīšanās reakcija, pārvēršoties tritijā, kas nonāk saplūšanas reakcijās ar deitēriju. Divu pakāpju kodolenerģijas lādiņš ir tīrākais radioaktivitātes ziņā, jo kodolsintēzes reakcijas sekundārie neitroni sadedzina nereaģēto urānu / plutoniju līdz īslaicīgiem radioaktīviem elementiem, un paši neitroni tiek nodzēsti gaisā ar diapazons ir aptuveni 1,5 km.
Lai panāktu vienmērīgu otrās pakāpes gofrēšanu, kodolenerģijas lādiņa korpuss ir izgatavots zemesriekstu čaumalas veidā, pirmā posma mezglu ievietojot vienas apvalka daļas ģeometriskajā fokusā, un otrais apvalka otras daļas ģeometriskā fokusa posms. Mezgli tiek apturēti ķermeņa lielākajā daļā, izmantojot putas vai aerogela pildvielu. Saskaņā ar optikas noteikumiem pirmās pakāpes sprādziena radītais rentgena starojums ir koncentrēts sašaurinājumā starp abām apvalka daļām un vienmērīgi sadalīts pa otrās pakāpes virsmu. Lai palielinātu atstarošanas spēju rentgena staru diapazonā, lādiņa korpusa iekšējā virsma un otrā posma mezgla ārējā virsma ir pārklāta ar blīva materiāla slāni: svinu, volframu vai urānu U-238. Pēdējā gadījumā kodolenerģijas lādiņš kļūst trīspakāpju-saplūšanas reakcijas neitronu ietekmē U-238 pārvēršas par U-235, kura atomi nonāk dalīšanās reakcijā un palielina sprādziena jaudu
Trīspakāpju shēma tika iekļauta padomju gaisa bumbas AN-602 konstrukcijā, kuras projektētā jauda bija 100 Mtn. Pirms testa trešais posms tika izslēgts no tā sastāva, aizstājot urānu U-238 ar svinu, jo radās risks paplašināt radioaktīvo nokrišņu zonu no U-238 skaldīšanas ārpus testa vietas. Faktiskā AN-602 divpakāpju modifikācijas jauda bija 58 miljoni tonnu. Turpinot palielināt kodolieroču jaudu, var panākt, palielinot kodolieroču lādiņu skaitu kombinētajā spridzeklī. Tomēr tas nav nepieciešams atbilstošu mērķu trūkuma dēļ - mūsdienīgajam AN -602 analogam, kas novietots uz zemūdens transportlīdzekļa Poseidon, ir ēku un būvju iznīcināšanas rādiuss ar 72 km trieciena vilni un rādiuss. 150 km ugunsgrēku, kas ir pilnīgi pietiekami, lai iznīcinātu tādas megapilsētas kā Ņujorka vai Tokija
No kodolieroču izmantošanas seku ierobežošanas viedokļa (teritoriālā lokalizācija, radioaktivitātes izdalīšanās minimizēšana, izmantošanas taktiskais līmenis), t.s. precizitātes vienpakāpes lādiņi ar jaudu līdz 1 Ktn, kas paredzēti, lai iznīcinātu punktu mērķus - raķešu tvertnes, štābus, sakaru centrus, radarus, pretgaisa aizsardzības raķešu sistēmas, kuģus, zemūdenes, stratēģiskos bumbvedējus utt.
Šāda lādiņa konstrukciju var izgatavot implosīva mezgla veidā, kurā ietilpst divas elipsoidālas detonācijas lēcas (ķīmiska sprāgstviela no HMX, inerts materiāls no polipropilēna), trīs sfēriskas formas apvalki (neitronu atstarotājs no berilija, pjezoelektriskais ģenerators izgatavots no cēzija jodīds, skaldmateriāls no plutonija) un iekšējā sfēra (litija deuterīda kodolsintēzes degviela)
Konverģējoša spiediena viļņa ietekmē cēzija jodīds ģenerē lieljaudas elektromagnētisko impulsu, elektronu plūsma rada gamma starojumu plutonijā, kas izsit neitronus no kodoliem, tādējādi uzsākot pašizplatītu skaldīšanās reakciju, rentgena stari saspiež un uzsilda litija deuterīdu, neitronu plūsma no litija rada tritiju, kas nonāk reakcijā ar deitēriju. Sadalīšanās un saplūšanas reakciju centriskais virziens nodrošina 100% kodoldegvielas izmantošanu.
Ir iespējams turpināt attīstīt kodolieroču konstrukcijas jaudas un radioaktivitātes samazināšanas virzienā, aizstājot plutoniju ar kapsulas lāzera kompresijas ierīci ar tritija un deitērija maisījumu.
