Я́дерна збро́я — зброя масового ураження, складається з вражальних компонентів ударної, температурної та опромінюючої дій. Вибух відбувається за рахунок вивільнення великої кількості атомної енергії при досягненні понад критичної маси компонентів заряду через їх зближення, що дозволяє ініціювати швидку лавиноподібну ланцюгову ядерну реакцію. Самопідтримувана ланцюгова ядерна реакція, при досягненні критичної маси компонентів ядерного заряду підтримує розщеплення важких ядер заряду, у випадку термоядерної зброї, дає початок термоядерної реакції, синтезу численних легких ядер, що теж сприяє вивільненню великої кількості енергії. Ядерну зброю слід відрізняти від брудної бомби, яка містить вибухівку та закладені у неї високорадіоактивні речовини, проте, вони не досягають критичної маси для початку самопідтримуваної реакції і вражаючим компонентом є просто радіаційне забруднення території.
Термін Поняття ядерна зброя зазвичай охоплює: власне ядерні заряди (бойові частини ракет і торпед, бомб, артилерійські снаряди тощо, засоби їх доставлення до цілі (ракети, літаки, торпеди, артилерійські гармати тощо), засоби керування.
Ядерна зброя істотно відрізняється від інших видів озброєння як масштабами, так і характером ураження. На відстані близько кілометра від центру вибуху відбуваються суцільні руйнування та знищується все живе поза укриттями. Передусім, така дія зумовлена тим, що потужність ядерного вибуху набагато більша, ніж будь-якого боєприпасу, створеного на основі хімічної вибухівки.
Потужність ядерних вибухів, як і будь яких вибухів, вимірюють у так званому тротиловому еквіваленті — вага потрібного тринітротолуолу (ТНТ, тротил), якого буде достатньо для вивільнення такої ж енергії. Навіть найменші ядерні заряди мають потужність вибуху близько 1 кілотонни (тобто тисячу тонн тротилу). Мінімальний поріг пов'язаний із фізикою процесу — необхідністю дотримання маси компонентів більше критичної маси, яка буде не просто самопідтримувати поділ, що використовують в ядерних реакторах АЕС, але і створювати лавиноподібний більш інтенсивний неконтрольований поділ. Створення такого заряду зі звичайної вибухівки практично неможливо.
Уражальні фактори При підриві ядерних боєприпасів відбувається ядерний вибух, уражальними чинниками якого є: ударна хвиля світлове випромінювання проникна радіація радіоактивне зараження електромагнітний імпульс (ЕМІ) рентгенівське випромінювання
Люди, які безпосередньо піддалися впливу вражальних чинників ядерного вибуху, крім фізичних ушкоджень, зазнають потужний психологічний вплив від жахливого вигляду картини вибуху й руйнувань. Електромагнітний імпульс безпосереднього впливу на живі організми не робить, але може порушити роботу електронної апаратури.
Класифікація ядерних боєприпасів Всі ядерні боєприпаси можуть бути розділені на дві основні категорії: «Ядерні» — однофазні або одноступеневі вибухові пристрої, у яких основний вихід енергії походить від ядерної реакції поділ важких ядер (урану-235 або плутонію) з утворенням більш легких елементів. Термоядерна зброя (також «водневі») — двофазні або двоступеневі вибухові пристрої, в котрих послідовно розвиваються два фізичних процеси, зосереджених у різних областях простору: на першій стадії основним джерелом енергії є реакція ділення важких ядер, а на другій — реакції ділення й термоядерного синтезу, використаються в різних пропорціях залежно від типу й налаштування боєприпасів.
Реакція термоядерного синтезу, здебільшого, розвивається усередині збірки і служить потужним джерелом додаткових нейтронів. Тільки ранні ядерні пристрої в 40-х роках XX ст., нечисленні бомби гарматної збірки в 1950-х, деякі ядерні артилерійські снаряди, а також вироби ядерно — технологічно слабкорозвинених держав (ПАР, Пакистан, КНДР) не застосовують термоядерний синтез як підсилювач потужності ядерного вибуху.
Другий ступінь будь-якого такого пристрою може бути оснащений тампером з урану-238, що ефективно ділиться від швидких нейтронів реакції синтезу. Так досягається й значне збільшення кількості радіоактивних опадів. З легкої руки Р. Юнга, автора знаної книжки «Яскравіше тисячі сонць», написаної 1958 року по «гарячих слідах» Мангеттенського проєкту, такого роду «брудні» боєприпаси називають FFF (fusion-fission-fusion) або трифазними. . Майже всі «FFF» належать до двофазних і відрізняються тільки матеріалом тампера, який у «чистих» боєприпасах може бути виконаний зі свинцю, вольфраму та іншого. Винятком є пристрої типу «Слойки» Сахарова, які варто віднести до однофазних, хоча вони мають шарувату структуру вибухової речовини (ядро із плутонію — шар дейтерида літію-6 — шар урану 238). У США такий пристрій одержав назву Alarm Clock (Годинник з будильником). Схема послідовного чергування реакцій розподілу й синтезу впроваджена у двофазних боєприпасах, у яких можна нарахувати до 6 шарів при досить «помірній» потужності. Прикладом служить відносно сучасна боєголовка W88, у якій перша секція (primary) містить два шари, друга секція (secondary) має три шари, і ще одним шаром є загальна для двох секцій оболонка з урану-238 (див. рисунок).
Іноді в окрему категорію виділяють нейтронну зброю — двофазні боєприпаси малої потужності (від 1 кт до 25 кт), у якому 50—75 % енергії вивільнюється за рахунок термоядерного синтезу у вигляді нейтронів. Оскільки основним переносником енергії при синтезі є швидкі нейтрони, то під час вибуху таких боєприпасів вихід нейтронів може в кілька разів перевищувати вихід нейтронів при вибухах однофазних ядерних вибухових пристроїв порівнянної потужності. Завдяки цьому досягається істотно більша вага уражальних факторів: нейтронне випромінювання й наведена радіоактивність (до 30 % від загального енерговиходу), що може бути важливим з погляду завдання зменшення радіоактивних опадів і зниження руйнувань на місцевості за високої ефективності застосування проти танків і живої сили. Слід зазначити міфічний характер уявлень про те, що нейтронна зброя вражає винятково людей і залишає в цілості будови. За руйнівним впливом вибух нейтронних боєприпасів у сотні разів перевершує будь-які неядерні боєприпаси.
Потужність Потужність ядерного заряду вимірюється в тротиловому еквіваленті — кількості тринітротолуолу, який потрібно підірвати для одержання такої ж енергії. Зазвичай його подають у кілотоннах (кт) або мегатоннах (Мт). Тротиловий еквівалент умовний: по-перше, розподіл енергії ядерного вибуху за різними уражальними факторами істотно залежить від типу боєприпасів й, у будь-якому разі, дуже відрізняється від хімічного вибуху. По-друге, домогтися повного згоряння відповідної кількості хімічної вибухової речовини по суті неможливо.
За потужністю ядерні боєприпаси поділяють на такі групи: надмалі (менш 1 кт); малі (1 — 10 кт); середні (10 — 100 кт); великі (великої потужності) (100 кт — 1 Мт); надвеликі (надвеликої потужності) (понад 1 Мт).
Принцип дії В основу ядерної зброї покладено некеровану ланцюгову реакцію поділу важких ядер і реакцію термоядерного синтезу.
Для здійснення ланцюгової реакції ділення використовуються або уран-235, або плутоній-239, або, в окремих випадках, уран-233. Уран у природі зустрічається у вигляді двох основних ізотопів — уран-235 (0,72 % природного урану) і уран-238 — все інше (99,2745 %). Звичайно зустрічається також домішка з урану-234 (0,0055 %), утворена розпадом урану-238. Однак, як речовину, що ділиться, можна використати тільки уран-235. В урані-238 самостійний розвиток ланцюгової ядерної реакції неможливий (він розповсюджений у природі). Для забезпечення «працездатності» ядерної бомби вміст урану-235 повинен бути не нижче 80 %. Тому при виробництві ядерного палива для підвищення частки урану-235 і застосовують складний і вкрай витратний процес збагачення урану. У США ступінь збагаченості збройового урану (частка ізотопу 235) перевищує 93 % й іноді доводить до 97,5 %.
Альтернативою хімічному процесу збагачення урану слугує створення «плутонієвої бомби» на основі ізотопу плутоній-239, що для збільшення стабільності фізичних властивостей і поліпшення стискальності заряду звичайно легується невеликою кількістю галію. Плутоній виробляється в ядерних реакторах у процесі тривалого опромінення урану-238 нейтронами. Аналогічно уран-233 утворюється при опроміненні нейтронами торію. У США ядерні боєприпаси споряджаються сплавом 25 або Oraloy, назва якого походить від Oak Ridge (завод по збагаченню урану) і alloy (сплав). До складу цього сплаву входить 25 % урану-235 й 75 % плутонію-239.
Слід зазначити, що відомості про будову ядерних боєприпасів дотепер суворо засекречені у всіх країнах. Тільки скрупульозність окремих західних журналістів і вкрай рідкісні, незначні витоки цієї закритої інформації, скрупульозно вивчені на основі фізичних знань, за допомогою методів «зворотної інженерії» дозволили з певною імовірністю, правильно зрозуміти основні принципи. Майже всі ці відомості стосуються ядерних боєприпасів, вироблених у США.
Фізика
Ядерна реакція, енергія якої використовується у ядерних підривних пристроях, полягає у діленні ядра внаслідок поглинання ним нейтрона. Поглинання нейтрона відбувається внаслідок захоплення цим ядром нейтрона. У більшості випадків поглинання нейтрона здатне призвести до ділення будь-якого ядра, однак для більшості елементів реакція поділу можлива лише в тому випадку, якщо нейтрон до поглинання його ядром мав достатню енергію, яка перевищує порогову.
Вміст Урану-235 у природному урані складає близько 0,7 %, основна частина припадає на уран-238. Збагачення полягає у виділенні урану-235 з суміші.
Парні ізотопи плутоній-238, -240 й -242 не є матеріалами, що діляться, однак можуть ділитися під дією нейтронів високої енергії. Вони не здатні підтримувати ланцюгову реакцію. Плутоній є трансурановим елементом (тобто елементом, масове число якого більше 92 — масового числа урану). Трансуранові елементи створюються штучно. Масове число плутонію складає 94. Плутоній-239 й плутоній-241 є матеріалами, які діляться, при впливі теплових нейтронів (майже із нульовою енергією) й швидких нейтронів діляться на два нових ядра (із вивільненням енергії) й випускають нейтрон. Кожне ділення плутонію-239, які відбувається при поглинанні повільного нейтрона, призводить до утворення двох нових нейтронів. Якщо принаймні один з цих нейтронів розщеплює інші ядра плутонію-239, виникає самопідтримувана ланцюгова реакція. Мінімальна кількість матеріалу, яка є необхідною для підтримання ланцюгової реакції, називається критичною масою. Надкритична маса здатна підтримувати зростальну ланцюгову реакцію, за якої кількість вивільненої енергії збільшується у часі. Кількість матеріалу, необхідного для підтримання критичної маси, залежить від геометричної форми вибухового заряду й від щільності матеріалу. Наприклад, критична маса сферичної форми металічного плутонію складає близько 10 кілограм. Її можна зменшити різними способами. Для бойових зарядів критична маса знаходиться між 3 та 5 кг. Теоретично найменша можлива критична маса плутонію-239 становить приблизно декілька сотень грамів.
Для створення ядерних підривних пристроїв можуть бути використані також інші речовини, що діляться, наприклад, уран-233, який отримують посередництвом опромінювання торію-232.