Schematy głowic jądrowych
Pierwsza masowo produkowana amerykańska bomba atomowa - Little Man. Osłona kadłuba jest zdjęta, widoczne są elementy lufy armaty z głównym ładunkiem. Zdjęcie Departamentu Obrony USA
W latach czterdziestych XX wieku. naukowcy z wiodących krajów opracowali pierwsze próbki jądrowe broń. Stworzenie sprawnej i gotowej do walki amunicji okazało się trudnym zadaniem. Konieczne było wymyślenie i wdrożenie projektu spełniającego kilka złożonych wymagań. Rezultatem tych poszukiwań w przyszłości było kilka różnych schematów broni jądrowej i szereg ich opcji. Część z nich została w Historie, podczas gdy inne udowodniły swoją skuteczność i są nadal używane.
schemat armaty
Pierwszą bronią nuklearną użytą w prawdziwym uderzeniu był amerykański produkt Little Boy („Kid”). 6 sierpnia 1945 roku został użyty przeciwko japońskiemu miastu Hiroszima. To było lotnictwo bomba z głowicą na bazie 64 kg uranu o rzeczywistej wydajności 15-18 kt TNT. Aby uprościć konstrukcję i przyspieszyć produkcję, wsad został zbudowany zgodnie z tzw. schemat armatni lub balistyczny.
Ładunek obwodu armaty miał dość prostą konstrukcję. Został zbudowany w wydłużonym cylindrycznym kadłubie - do tej pojemności użyto luf artyleryjskich o wystarczającym kalibrze. Wewnątrz lufy, na jej końcach, umieszczono dwa bloki podkrytycznego uranu-235. Jeden z nich był mobilny i wyposażony w ładunek prochowy: kiedy amunicja została uruchomiona, ten blok został dosłownie wystrzelony na drugi. Można również zapewnić źródło neutronów.
Schemat schematu bomby „Kid”. Bloki uranu zaznaczono na czerwono. Grafika Wikimedia Commons
Po połączeniu dwóch bloków ładunek uranu uzyskał masę nadkrytyczną, co doprowadziło do uruchomienia jądrowej reakcji łańcuchowej. Oddzielne źródło neutronów miało zwiększyć niezawodność działania. Aby rozwinąć reakcję i zwiększyć moc wybuchu, konieczne było utrzymanie uranu razem przez pierwsze milisekundy - zadanie to zostało rozwiązane dzięki mocnej lufie i ciśnieniu gazów prochowych.
Schemat armaty był prosty, ale miał istotne wady. Przede wszystkim jest to niska wydajność. Ze względu na cechy konstrukcyjne znaczna część głównego ładunku podczas wybuchu została wystrzelona w przestrzeń bez czasu na reakcję. Tak więc w reakcji „Baby” tylko ok. 1% uranu. Ponadto istniało ryzyko samoistnej detonacji gotowego do walki produktu.
Jednak na wczesnych etapach rozwoju sił jądrowych schemat armaty znalazł zastosowanie. W Stanach Zjednoczonych opanowali produkcję na małą skalę produktów Little Boy i zmontowali 35 takich urządzeń. Ponadto według tego schematu zbudowano wczesne pociski artyleryjskie uzbrojone w broń jądrową. Wraz z pojawieniem się nowych i bardziej zaawansowanych konstrukcji, schemat armaty przeszedł do historii.
Instalacja produktu Gadżet na wieży testowej, lipiec 1945. Zdjęcie Departamentu Energii USA
Efekt ściśnięcia
16 lipca 1945 roku – na kilka tygodni przed premierą „Dzieciaka” – na amerykańskim poligonie Alamogordo odbył się pierwszy na świecie test broni jądrowej. Eksperymentalny ładunek z kodem Gadżet został wykonany na bazie plutonu-239 i zbudowany zgodnie z tzw. implozyjny schemat. Ze względu na właściwości fizyczne plutonu nie pozwalało to na użycie schematu armaty z „strzałem” jednej części ładunku w drugą.
Schemat implozji proponował użycie sferycznego jądra ładunku plutonu o masie podkrytycznej. Wewnątrz znajdowała się wnęka z metalowym źródłem neutronów do zapoczątkowania reakcji jądrowej. Na zewnątrz rdzeń był pokryty kilkoma warstwami „zwykłego” materiału wybuchowego. Powstała kula została wyposażona w dużą liczbę oddzielnych bezpieczników, równomiernie rozmieszczonych na jej powierzchni. Wymagało to również urządzenia sterującego do jednoczesnego, z odchyleniem nie większym niż milisekundy, działania wszystkich bezpieczników.
Jednoczesna detonacja całego ładunku konwencjonalnego ściska rdzeń, a także powoduje, że centralny element emituje neutrony. Ciśnienie wybuchu zapewniło również, że materiał rozszczepialny utrzymywał się razem w pierwszych chwilach reakcji łańcuchowej.
Model głowicy implozyjnej używanej w przedmiotach Gadżet i Grubas. Widoczne są liczne przewody sterujące bezpiecznikami. Zdjęcie z Wikimedia Commons
Schemat implozji był bardziej skomplikowany niż armatni, ale wyróżniał się większą niezawodnością i wydajnością. Według tego schematu zbudowano bombę plutonową Fat Man („Fat Man”), zrzuconą w sierpniu 1945 r. Na miasto Nagasaki. Później w Stanach Zjednoczonych opracowano i wprowadzono nowe modele ładunków implozyjnych o różnej mocy iw różnych konstrukcjach.
Rozwój radzieckiej broni jądrowej rozpoczął się od planu implozji. Po uzyskaniu dostępu do informacji o rozwoju Ameryki nasi fizycy wzięli pod uwagę doświadczenia zagraniczne. Zrezygnowali z nieudanego planu armaty i natychmiast zaczęli opracowywać produkty dla planu implozji. Wczesne produkty krajowe, począwszy od pierwszego RDS-1, były budowane dokładnie według tego schematu.
Inne kraje już na etapie pierwszych eksperymentów z bronią jądrową stosowały właśnie schemat implozji. Udało im się również osiągnąć udane połączenie wydajności, niezawodności i złożoności produkcji.
Radziecka bomba atomowa RDS-4 schematu implozji, przyjęta do służby w 1954 roku. Pierwsza na świecie taktyczna broń jądrowa. Zdjęcie z Wikimedia Commons
Opcje rozwoju
Schemat implozji ze sferyczną kompresją miał wyraźną przewagę nad schematem pistoletu, ale nie był pozbawiony wad. Przede wszystkim wydajność pozostała niska - we wczesnych próbkach reagowało nie więcej niż 13-15 proc. materiał rozszczepialny. Dlatego poszukiwania nowych pomysłów i rozwiązań trwały, a część nowych schematów znalazła zastosowanie w praktyce. Główny nacisk położono na poprawę niezawodności i bezpieczeństwa urządzeń jądrowych.
Pod koniec lat czterdziestych pojawił się pomysł tzw. wzmacniacz jądrowy. Następnie podobne idee badano w innych krajach. Taki schemat jest zasadniczo podobny do implozyjnego, ale wykorzystuje niewielką ilość paliwa termojądrowego - deuteru, trytu lub ich związków - jako źródła neutronów. Substancja ta po sprasowaniu wytwarza neutrony o zwiększonej energii, które skuteczniej inicjują reakcję łańcuchową w ładunku głównym. Zwiększa to efektywność ładowania, a wraz z nim moc osiągalną. Dodatkowo, podłączając źródło neutronów bezpośrednio przed użyciem, można zwiększyć bezpieczeństwo pracy.
W latach pięćdziesiątych pojawił się schemat, znany jako Łabędź (pol. „Łabędź”). Otrzymał tę nazwę ze względu na przekrój zespołu głowicy, przypominający zakrzywione szyje łabędzi. Produkt takiego schematu ma ładunek kulisty o masie podkrytycznej, a ładunek inicjujący konwencjonalnego materiału wybuchowego, który odpowiada za kompresję, ma złożony zakrzywiony kształt. Główny ładunek jest umieszczony z przesunięciem do krawędzi takiego pocisku.
Przywódca Korei Północnej Kim Jong-un przeprowadza inspekcję makiety głowicy nuklearnej. Sądząc po kształcie, jest to produkt typu implozji. Zdjęcie wykonane przez CTAC
Podważanie „normalnego” ładunku odbywa się za pomocą jednego bezpiecznika, co upraszcza konstrukcję i eliminuje konieczność synchronizacji kilku podobnych urządzeń. W tym przypadku kształt ładunku inicjującego przewodzi i rozprowadza falę uderzeniową tak, że kompresja kuli plutonu zachodzi w optymalny sposób. Ładunek takiego obwodu może być wyposażony w dodatkowe bezpieczniki: po uruchomieniu zakłócają przejście fali uderzeniowej i zapobiegają uruchomieniu reakcji łańcuchowej.
Zasadniczo nowe technologie
W latach czterdziestych i pięćdziesiątych naukowcy z wiodących krajów opracowali kilka podstawowych schematów ładunków jądrowych, a także szereg ich wersji z różnymi modyfikacjami. Na bazie tych pomysłów powstała prawdziwa amunicja, którą później przyjęto na uzbrojenie. Jednak do połowy lat pięćdziesiątych proces fundamentalnego rozwoju i odnawiania broni jądrowej opartej na rozpadzie osiągnął maksymalne możliwe w tym czasie wyniki i zaczął zwalniać.
Jednocześnie rozpoczęto prace na pełną skalę nad stworzeniem nowej generacji superpotężnej broni - ładunków termojądrowych opartych na syntezie pierwiastków. Z biegiem czasu wszystkie wysiłki naukowców i inżynierów zostały skierowane właśnie w kierunku termojądrowym. „Konwencjonalne” ładunki jądrowe były teraz uważane tylko za pierwszy etap systemu termojądrowego.
Przekrój amunicji typu Swan. Na zielono zaznaczono rdzeń plutonowy, na czerwono jedyny bezpiecznik odpowiedzialny za wyzwolenie. Grafika Wikimedia Commons
Pomimo zmiany wspólnych celów rozwój „konwencjonalnych” urządzeń jądrowych trwał nadal, choć już bez wprowadzania zasadniczo nowych rozwiązań i pomysłów. Według znanych danych stosowano głównie różne warianty schematu implozji, odpowiadające wymaganiom konkretnych projektów. Takie podejście można nadal utrzymać – jest ono w pełni zgodne z postawionymi zadaniami i pozwala na tworzenie próbek o wymaganych cechach.
Na solidnym fundamencie
Broń jądrowa pojawiła się i trafiła do arsenałów wiodących krajów w połowie ubiegłego wieku. W tym samym czasie naukowcy i projektanci szukali i opracowywali różne opcje projektowania takiej broni, co pozwoliło zwiększyć wszystkie główne cechy. Proces ten został uwieńczony sukcesem – już w pierwszych latach prac znaleziono i wdrożono wszystkie główne schematy i układy.
Idee z połowy ubiegłego wieku w takiej czy innej formie są nadal używane. Jednocześnie rozwój technologii i materiałów, jaki dokonał się w ostatnich dziesięcioleciach, pozwala na pełniejsze wykorzystanie potencjału proponowanych od dawna schematów. W rezultacie dość stare rozwiązania nadal pomagają budować i ulepszać tarczę nuklearną oraz zapewniać strategiczne odstraszanie.
informacja