Les armes nucléaires sont les plus efficaces de l'histoire de l'humanité en termes de rapport coût/efficacité: les coûts annuels de développement, d'essai, de fabrication et de maintien en fonctionnement de ces armes représentent de 5 à 10 % du budget militaire des États-Unis et la Fédération de Russie - des pays dotés d'un complexe de production nucléaire déjà formé, d'une ingénierie de l'énergie atomique développée et de la disponibilité d'un parc de superordinateurs pour la modélisation mathématique des explosions nucléaires.
L'utilisation d'engins nucléaires à des fins militaires repose sur la propriété des atomes d'éléments chimiques lourds de se désintégrer en atomes d'éléments plus légers avec libération d'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique (gamma et rayons X), ainsi que dans la forme d'énergie cinétique de diffusion des particules élémentaires (neutrons, protons et électrons) et des noyaux d'atomes d'éléments plus légers (césium, strontium, iode et autres)
Les éléments lourds les plus populaires sont l'uranium et le plutonium. Leurs isotopes, lors de la fission de leur noyau, émettent de 2 à 3 neutrons, qui à leur tour provoquent la fission des noyaux des atomes voisins, etc. Une réaction d'auto-propagation (appelée en chaîne) avec libération d'une grande quantité d'énergie se produit dans la substance. Pour démarrer la réaction, il faut une certaine masse critique dont le volume sera suffisant pour la capture des neutrons par les noyaux atomiques sans émission de neutrons à l'extérieur de la substance. La masse critique peut être réduite avec un réflecteur de neutrons et une source de neutrons d'amorçage
La réaction de fission est déclenchée en combinant deux masses sous-critiques en une masse supercritique ou en comprimant une coquille sphérique d'une masse supercritique dans une sphère, augmentant ainsi la concentration de matière fissile dans un volume donné. Les matières fissiles sont combinées ou comprimées par une explosion dirigée d'un explosif chimique.
En plus de la réaction de fission des éléments lourds, la réaction de synthèse des éléments légers est utilisée dans les charges nucléaires. La fusion thermonucléaire nécessite un chauffage et une compression de la matière jusqu'à plusieurs dizaines de millions de degrés et d'atmosphères, qui ne peuvent être fournis que grâce à l'énergie libérée lors de la réaction de fission. Par conséquent, les charges thermonucléaires sont conçues selon un schéma en deux étapes. Les isotopes de l'hydrogène, du tritium et du deutérium (nécessitant des valeurs minimales de température et de pression pour démarrer la réaction de fusion) ou un composé chimique, le deutérure de lithium (ce dernier, sous l'action des neutrons issus de l'explosion du premier étage, se divise en tritium et hélium) sont utilisés comme éléments légers. L'énergie de la réaction de fusion est libérée sous forme de rayonnement électromagnétique et d'énergie cinétique de neutrons, d'électrons et de noyaux d'hélium (appelées particules alpha). La libération d'énergie de la réaction de fusion par unité de masse est quatre fois supérieure à celle de la réaction de fission
Le tritium et son produit d'autodécomposition, le deutérium, sont également utilisés comme source de neutrons pour initier la réaction de fission. Le tritium ou un mélange d'isotopes d'hydrogène, sous l'action de la compression de l'enveloppe de plutonium, entre partiellement dans une réaction de fusion avec libération de neutrons, qui transforment le plutonium en un état supercritique.
Les principaux composants des ogives nucléaires modernes sont les suivants:
- isotope stable (spontanément non fissile) de l'uranium U-238, extrait du minerai d'uranium ou (sous forme d'impureté) du minerai de phosphate;
- isotope radioactif (spontanément fissile) de l'uranium U-235, extrait du minerai d'uranium ou produit à partir de l'U-238 dans les réacteurs nucléaires;
- l'isotope radioactif du plutonium Pu-239, produit à partir de l'U-238 dans les réacteurs nucléaires;
- isotope stable de l'hydrogène deutérium D, extrait de l'eau naturelle ou produit à partir du protium dans les réacteurs nucléaires;
- isotope radioactif de l'hydrogène tritium T, produit à partir du deutérium dans les réacteurs nucléaires;
- isotope stable du lithium Li-6, extrait du minerai;
- isotope stable du béryllium Be-9, extrait du minerai;
- HMX et triaminotrinitrobenzène, explosifs chimiques.
La masse critique d'une bille en U-235 d'un diamètre de 17 cm est de 50 kg, la masse critique d'une bille en Pu-239 d'un diamètre de 10 cm est de 11 kg. Avec un réflecteur de neutrons en béryllium et une source de neutrons en tritium, la masse critique peut être réduite à 35 et 6 kg, respectivement.
Pour éliminer le risque de fonctionnement spontané des charges nucléaires, ils utilisent ce qu'on appelle. Pu-239 de qualité militaire, purifié à partir d'autres isotopes moins stables du plutonium à un niveau de 94%. Avec une périodicité de 30 ans, le plutonium est purifié des produits de la désintégration nucléaire spontanée de ses isotopes. Afin d'augmenter la résistance mécanique, le plutonium est allié à 1 % en masse de gallium et recouvert d'une fine couche de nickel pour le protéger de l'oxydation.
La température d'auto-échauffement par rayonnement du plutonium lors du stockage de charges nucléaires ne dépasse pas 100 degrés Celsius, ce qui est inférieur à la température de décomposition d'un explosif chimique.
En 2000, la quantité de plutonium de qualité militaire à la disposition de la Fédération de Russie est estimée à 170 tonnes, les États-Unis - à 103 tonnes, plus plusieurs dizaines de tonnes acceptées pour stockage par les pays de l'OTAN, le Japon et la Corée du Sud, qui ne possèdent pas d'armes nucléaires. La Fédération de Russie possède la plus grande capacité de production de plutonium au monde sous la forme de réacteurs nucléaires à neutrons rapides de qualité militaire et de puissance. Avec le plutonium à un coût d'environ 100 dollars US par gramme (5 à 6 kg par charge), le tritium est produit à un coût d'environ 20 000 dollars US par gramme (4 à 5 grammes par charge).
Les premiers modèles de charges de fission nucléaire étaient le Kid et le Fat Man, développés aux États-Unis au milieu des années 1940. Ce dernier type de charge se distingue du premier par l'équipement complexe de synchronisation de la détonation de nombreux détonateurs électriques et par ses grandes dimensions transversales.
Le "Kid" a été fabriqué selon un schéma de canon - un canon d'artillerie a été monté le long de l'axe longitudinal du corps de la bombe aérienne, à l'extrémité étouffée de laquelle se trouvait la moitié de la matière fissile (uranium U-235), la seconde moitié de la matière fissile était un projectile accéléré par une charge de poudre. Le facteur d'utilisation de l'uranium dans la réaction de fission était d'environ 1%, le reste de la masse d'U-235 est tombé sous forme de retombées radioactives avec une demi-vie de 700 millions d'années.
"Fat Man" a été fabriqué selon un schéma implosif - une sphère creuse de matière fissile (Pu-239 plutonium) était entourée d'une coque en uranium U-238 (pousseur), d'une coque en aluminium (extincteur) et d'une coque (implosion générateur), composé de cinq segments et de segments hexagonaux d'un explosif chimique, sur la surface extérieure desquels des détonateurs électriques ont été installés. Chaque segment était une lentille de détonation de deux types d'explosifs avec des taux de détonation différents, convertissant l'onde de pression divergente en une onde sphérique convergente, comprimant uniformément l'obus en aluminium, qui à son tour comprimait l'obus en uranium, et celui-ci - la sphère de plutonium jusqu'à son cavité intérieure fermée. Un absorbeur en aluminium a été utilisé pour absorber le recul de l'onde de pression lors de son passage dans un matériau de densité plus élevée, et un poussoir en uranium a été utilisé pour maintenir inerte le plutonium pendant la réaction de fission. Dans la cavité interne de la sphère de plutonium, une source de neutrons a été localisée, constituée de l'isotope radioactif polonium Po-210 et du béryllium, qui a émis des neutrons sous l'influence du rayonnement alpha du polonium. Le facteur d'utilisation de la matière fissile était d'environ 5 pour cent, la demi-vie des retombées radioactives était de 24 000 ans.
Immédiatement après la création de "Kid" et de "Fat Man" aux USA, des travaux ont commencé pour optimiser la conception des charges nucléaires, à la fois des schémas de canon et d'implosion, visant à réduire la masse critique, augmenter le taux d'utilisation de la matière fissile, simplifier la système de détonation électrique et en réduisant la taille. En URSS et dans d'autres États - propriétaires d'armes nucléaires, les charges ont été initialement créées selon un schéma implosif. Grâce à l'optimisation de la conception, la masse critique de matière fissile a été réduite et le coefficient d'utilisation a été augmenté plusieurs fois grâce à l'utilisation d'un réflecteur de neutrons et d'une source de neutrons.
Le réflecteur de neutrons en béryllium est une coque métallique jusqu'à 40 mm d'épaisseur, la source de neutrons est du tritium gazeux remplissant une cavité en plutonium, ou de l'hydrure de fer imprégné de tritium avec du titane stocké dans un cylindre séparé (booster) et libère du tritium sous l'action du chauffage par l'électricité immédiatement avant d'utiliser une charge nucléaire, après quoi le tritium est introduit par le gazoduc dans la charge. Cette dernière solution technique permet de multiplier la puissance de la charge nucléaire en fonction du volume de tritium pompé, et facilite également le remplacement du mélange gazeux par un nouveau tous les 4-5 ans, puisque la demi-vie du tritium est 12 ans. Un excès de tritium dans le booster permet de réduire la masse critique de plutonium à 3 kg et d'augmenter considérablement l'effet d'un facteur aussi dommageable que le rayonnement neutronique (en réduisant l'effet d'autres facteurs dommageables - une onde de choc et un rayonnement lumineux). Grâce à l'optimisation de la conception, le facteur d'utilisation des matières fissiles est passé à 20 %, dans le cas d'un excès de tritium - jusqu'à 40 %.
Le schéma du canon a été simplifié en raison du passage à l'implosion radiale-axiale en réalisant un réseau de matières fissiles sous la forme d'un cylindre creux, écrasé par l'explosion de deux charges explosives d'extrémité et d'une charge explosive axiale
Le schéma implosif a été optimisé (SWAN) en réalisant l'enveloppe externe de l'explosif sous la forme d'un ellipsoïde, ce qui a permis de réduire le nombre de lentilles de détonation à deux unités espacées des pôles de l'ellipsoïde - la différence dans le vitesse de l'onde de détonation dans la section transversale de la lentille de détonation assure l'approche simultanée de l'onde de choc à la surface sphérique la couche interne de l'explosif dont la détonation comprime uniformément l'enveloppe de béryllium (combinant les fonctions d'un réflecteur à neutrons et un amortisseur de recul à onde de pression) et une sphère de plutonium avec une cavité intérieure remplie de tritium ou de son mélange avec du deutérium
La mise en œuvre la plus compacte du schéma d'implosion (utilisée dans le projectile soviétique de 152 mm) est l'exécution d'un assemblage explosif-béryllium-plutonium sous la forme d'un ellipsoïde creux avec une épaisseur de paroi variable, qui fournit la déformation calculée de l'assemblage sous l'action d'une onde de choc d'une explosion explosive dans une structure sphérique finale
Malgré diverses améliorations techniques, la puissance des charges de fission nucléaire est restée limitée au niveau de 100 Ktn en équivalent TNT en raison de l'expansion inévitable des couches externes de matière fissile lors de l'explosion à l'exclusion de la matière de la réaction de fission.
Par conséquent, une conception a été proposée pour une charge thermonucléaire, qui comprend à la fois des éléments de fission lourds et des éléments de fusion légers. La première charge thermonucléaire (Ivy Mike) a été réalisée sous la forme d'un réservoir cryogénique rempli d'un mélange liquide de tritium et de deutérium, dans lequel se trouvait une charge nucléaire implosive de plutonium. En raison des dimensions extrêmement grandes et de la nécessité d'un refroidissement constant du réservoir cryogénique, un schéma différent a été utilisé dans la pratique - une « bouffée » implosive (RDS-6s), qui comprend plusieurs couches alternées d'uranium, de plutonium et de deutérure de lithium avec un réflecteur externe en béryllium et source interne de tritium
Cependant, la puissance de la « bouffée » était également limitée par le niveau de 1 Mtn en raison du début de la réaction de fission et de synthèse dans les couches internes et de l'expansion des couches externes n'ayant pas réagi. Afin de surmonter cette limitation, un schéma a été développé pour la compression des éléments légers de la réaction de fusion par les rayons X (deuxième étape) de la réaction de fission des éléments lourds (première étape). L'énorme pression du flux de photons de rayons X libéré dans la réaction de fission permet au deutéride de lithium d'être comprimé 10 fois avec une augmentation de densité de 1000 fois et chauffé pendant le processus de compression, après quoi le lithium est exposé au flux de neutrons du réaction de fission, se transformant en tritium, qui entre dans des réactions de fusion avec le deutérium. Le schéma en deux étapes d'une charge thermonucléaire est le plus propre en termes de rendement de radioactivité, car les neutrons secondaires de la réaction de fusion brûlent l'uranium/plutonium n'ayant pas réagi en éléments radioactifs à courte durée de vie, et les neutrons eux-mêmes sont éteints dans l'air avec un Portée d'environ 1,5 km.
En vue d'un sertissage uniforme du deuxième étage, le corps de la charge thermonucléaire est réalisé sous la forme d'une coque de cacahuète, plaçant l'ensemble du premier étage au foyer géométrique d'une partie de la coque, et l'assemblage de la deuxième étape dans le foyer géométrique de l'autre partie de la coque. Les ensembles sont suspendus dans la masse du corps à l'aide de mousse ou d'aérogel de remplissage. Selon les règles de l'optique, le rayonnement X de l'explosion du premier étage est concentré dans le rétrécissement entre les deux parties de la coque et est uniformément réparti sur la surface du deuxième étage. Afin d'augmenter la réflectivité dans le domaine des rayons X, la surface interne du corps de charge et la surface externe de l'assemblage du deuxième étage sont recouvertes d'une couche de matériau dense: plomb, tungstène ou uranium U-238. Dans ce dernier cas, la charge thermonucléaire devient en trois étapes - sous l'action des neutrons issus de la réaction de fusion, l'U-238 se transforme en U-235, dont les atomes entrent dans une réaction de fission et augmentent la puissance d'explosion
Le schéma en trois étapes a été incorporé dans la conception de la bombe aérienne soviétique AN-602, dont la puissance de conception était de 100 millions de tonnes. Avant l'essai, le troisième étage a été exclu de sa composition en remplaçant l'uranium U-238 par du plomb en raison du risque d'extension de la zone de retombées radioactives de la fission de l'U-238 au-delà du site d'essai. La capacité réelle de la modification en deux étapes de l'AN-602 était de 58 Mtn. Une augmentation supplémentaire de la puissance des charges thermonucléaires peut être réalisée en augmentant le nombre de charges thermonucléaires dans le dispositif explosif combiné. Cependant, cela n'est pas nécessaire en raison du manque de cibles adéquates - l'analogue moderne de l'AN-602, placé à bord du véhicule sous-marin Poséidon, a un rayon de destruction des bâtiments et des structures par une onde de choc de 72 km et un rayon d'incendies de 150 km, ce qui est largement suffisant pour détruire des mégapoles comme New York ou Tokyo
Du point de vue de la limitation des conséquences de l'utilisation des armes nucléaires (localisation territoriale, minimisation des rejets de radioactivité, niveau tactique d'utilisation), les charges de précision à un étage d'une capacité allant jusqu'à 1 Ktn, conçues pour détruire des cibles ponctuelles - silos de missiles, quartiers généraux, centres de communication, radars, systèmes de missiles de défense aérienne, navires, sous-marins, bombardiers stratégiques, etc.
La conception d'une telle charge peut se faire sous la forme d'un ensemble implosif, qui comprend deux lentilles détonantes ellipsoïdales (explosif chimique de HMX, matériau inerte en polypropylène), trois coques sphériques (réflecteur à neutrons en béryllium, générateur piézoélectrique en iodure de césium, matière fissile de plutonium) et une sphère interne (combustible de fusion deutérure de lithium)
Sous l'action d'une onde de pression convergente, l'iodure de césium génère une impulsion électromagnétique surpuissante, le flux d'électrons génère un rayonnement gamma dans le plutonium, qui élimine les neutrons des noyaux, initiant ainsi une réaction de fission auto-propage, les rayons X compressent et chauffent le deutérure de lithium, le flux de neutrons génère du tritium à partir du lithium, qui entre en réaction avec le deutérium. Le sens centripète des réactions de fission et de fusion garantit une utilisation à 100 % du combustible thermonucléaire.
Le développement ultérieur de conceptions de charges nucléaires dans le sens de la minimisation de la puissance et de la radioactivité est possible en remplaçant le plutonium par un dispositif de compression laser d'une capsule avec un mélange de tritium et de deutérium.
