Diagramas de cabezas nucleares
La primera bomba nuclear estadounidense producida en masa: Little Man. Se retira la cubierta del casco, se ven elementos del cañón del arma con la carga principal. Foto del Departamento de Defensa de EE. UU.
En los años cuarenta del siglo XX. científicos de países líderes desarrollaron las primeras muestras de energía nuclear armas. Crear una munición viable y lista para el combate resultó ser una tarea difícil. Era necesario idear e implementar un diseño que cumpliera con varios requisitos complejos. El resultado de estas búsquedas en el futuro fue varios esquemas diferentes para armas nucleares y varias de sus opciones. Algunos de ellos permanecieron en historias, mientras que otros han demostrado su eficacia y todavía se utilizan en la actualidad.
esquema de cañón
La primera arma nuclear utilizada en un ataque real fue el producto estadounidense Little Boy ("Niño"). El 6 de agosto de 1945 fue utilizado contra la ciudad japonesa de Hiroshima. Fue aviación una bomba con una ojiva basada en 64 kg de uranio con un rendimiento real de 15-18 kt TNT. Para simplificar el diseño y acelerar la producción, la carga se construyó de acuerdo con el llamado. cañón o esquema balístico.
El circuito de carga del cañón tenía un diseño bastante simple. Fue construido en un casco tubular alargado; en esta capacidad se utilizaron cañones de artillería de suficiente calibre. En el interior del cuerpo del cañón, en sus extremos, se colocaron dos bloques de uranio-235 subcrítico. Uno de ellos era móvil y estaba equipado con una carga de pólvora: cuando se inició la munición, este bloque fue literalmente disparado contra el segundo. También podría proporcionarse una fuente de neutrones.
Diagrama esquemático del esquema de pistola bomba "Kid". Los bloques de uranio están marcados en rojo. Gráficos Wikimedia Commons
Cuando se conectaron dos bloques, la carga de uranio adquirió una masa supercrítica, lo que provocó el lanzamiento de una reacción nuclear en cadena. Se suponía que una fuente de neutrones separada aumentaría la confiabilidad de la operación. Para desarrollar la reacción y aumentar el poder de la explosión, fue necesario mantener el uranio unido durante los primeros milisegundos; esta tarea se resolvió debido al fuerte cañón y la presión de los gases en polvo.
El esquema del cañón era simple, pero tenía importantes inconvenientes. En primer lugar, es de baja eficiencia. Debido a las características de diseño, una parte significativa de la carga principal durante la explosión se roció al espacio sin tener tiempo de reaccionar. Entonces, en "Baby" en la reacción, solo aprox. 1% de uranio. Además, existía el riesgo de detonación espontánea de un producto listo para el combate.
Sin embargo, en las primeras etapas del desarrollo de las fuerzas nucleares, el esquema del cañón encontró aplicación. En los Estados Unidos, dominaron la producción a pequeña escala de productos Little Boy y ensamblaron 35 de esos dispositivos. Además, los primeros proyectiles de artillería con armas nucleares se construyeron de acuerdo con este esquema. Con la llegada de diseños nuevos y más avanzados, el esquema del cañón ha pasado a la historia.
Instalación del producto Gadget en una torre de prueba, julio de 1945. Foto del Departamento de Energía de EE. UU.
efecto de compresión
16 de julio de 1945, unas semanas antes del lanzamiento del "Kid", se llevó a cabo la primera prueba mundial de un arma nuclear en el sitio de prueba estadounidense Alamogordo. Se realizó una carga experimental con el código Gadget sobre la base de plutonio-239 y se construyó de acuerdo con el llamado. esquema implosivo. En vista de las características físicas del plutonio, no permitía el uso de un esquema de cañón con un "disparo" de una parte de la carga en otra.
El esquema de implosión proponía el uso de un núcleo esférico de carga de plutonio de masa subcrítica. En su interior había una cavidad con una fuente metálica de neutrones para iniciar una reacción nuclear. Afuera, el núcleo estaba cubierto con varias capas de explosivo "ordinario". La esfera resultante estaba equipada con una gran cantidad de fusibles separados, distribuidos uniformemente sobre su superficie. También requería un dispositivo de control para el funcionamiento simultáneo, con una desviación no mayor a milisegundos, de todos los fusibles.
La detonación simultánea de toda la carga convencional comprime el núcleo y también hace que el elemento central emita neutrones. La presión de la explosión también aseguró que el material fisionable se mantuviera unido durante los primeros momentos de la reacción en cadena.
Modelo de la ojiva de implosión utilizada en los artículos Gadget y Fat Man. Se ven numerosos cables de control de fusibles. Foto de Wikimedia Commons
El esquema de implosión fue más complicado que el del cañón, pero se distinguió por una mayor confiabilidad y eficiencia. Fue de acuerdo con este esquema que se construyó la bomba de plutonio Fat Man ("Fat Man"), lanzada en agosto de 1945 sobre la ciudad de Nagasaki. Posteriormente en Estados Unidos se desarrollaron e introdujeron nuevos modelos de cargas implosivas de diferente potencia y en varios diseños.
El desarrollo de las armas nucleares soviéticas comenzó con el esquema de implosión. Habiendo obtenido acceso a la información sobre los desarrollos estadounidenses, nuestros físicos tomaron en cuenta la experiencia extranjera. Abandonaron el esquema fallido del cañón e inmediatamente comenzaron a desarrollar productos para el esquema de implosión. Los primeros productos domésticos, a partir del primer RDS-1, se construyeron exactamente de acuerdo con este esquema.
Otros países, ya en la etapa de los primeros experimentos con armas nucleares, utilizaron precisamente el esquema de implosión. También lograron lograr una combinación exitosa de rendimiento, confiabilidad y complejidad de producción.
Bomba nuclear soviética RDS-4 del esquema de implosión, adoptada para el servicio en 1954. La primera arma nuclear táctica del mundo. Foto de Wikimedia Commons
Opciones de desarrollo
El esquema de implosión con compresión esférica tenía claras ventajas sobre el esquema de pistola, pero no estuvo exento de inconvenientes. En primer lugar, la eficiencia se mantuvo baja: en las primeras muestras, no más del 13-15 por ciento reaccionó. material fisionable. Por lo tanto, continuó la búsqueda de nuevas ideas y soluciones, y algunos de los nuevos esquemas llegaron a implementarse en la práctica. El objetivo principal fue mejorar la fiabilidad y la seguridad de los dispositivos nucleares.
A finales de los años cuarenta, la idea de los llamados. impulsor nuclear Luego se estudiaron ideas similares en otros países. Tal esquema es generalmente similar al implosivo, pero usaba una pequeña cantidad de combustible termonuclear (deuterio, tritio o sus compuestos) como fuente de neutrones. Cuando se comprime, esta sustancia produce neutrones con mayor energía, que inician de manera más efectiva una reacción en cadena en la carga principal. Esto aumenta la eficiencia de la carga y, con ella, la potencia alcanzable. Además, al cargar la fuente de neutrones inmediatamente antes de su uso, es posible aumentar la seguridad de la operación.
En los años cincuenta, apareció un esquema, conocido como Swan (eng. "Swan"). Recibió este nombre debido a la sección transversal del ensamblaje de la ojiva, que recuerda a los cuellos curvos de los cisnes. El producto de tal esquema tiene una carga esférica de masa subcrítica, y la carga iniciadora de un explosivo convencional, responsable de la compresión, tiene una forma curva compleja. La carga principal se coloca con un desplazamiento hacia el borde de dicho caparazón.
El líder norcoreano, Kim Jong-un, inspecciona una maqueta de una ojiva nuclear. A juzgar por la forma, este es un producto de tipo implosión. Foto por CTAC
El socavamiento de la carga "normal" se lleva a cabo utilizando un solo fusible, lo que simplifica el diseño y elimina la necesidad de sincronizar varios dispositivos similares. En este caso, la forma de la carga iniciadora conduce y distribuye la onda de choque para que la compresión de la esfera de plutonio se produzca de forma óptima. La carga de dicho circuito puede equiparse con fusibles adicionales: cuando se activan, interrumpen el paso de la onda de choque y evitan que comience una reacción en cadena.
Fundamentalmente nuevas tecnologías
En los años cuarenta y cincuenta, los científicos de los principales países desarrollaron varios esquemas básicos de carga nuclear, así como varias de sus versiones con diversas modificaciones. Sobre la base de estas ideas, se crearon municiones reales, que luego se adoptaron para el servicio. Sin embargo, a mediados de los años cincuenta, el proceso de desarrollo fundamental y renovación de las armas nucleares basadas en la descomposición alcanzó los máximos resultados posibles en ese momento y comenzó a ralentizarse.
Al mismo tiempo, comenzó el trabajo a gran escala en la creación de una nueva generación de armas superpoderosas: cargas termonucleares basadas en la síntesis de elementos. Con el tiempo, todos los esfuerzos de científicos e ingenieros se dirigieron precisamente en la dirección termonuclear. Las cargas nucleares "convencionales" ahora se consideraban solo como la primera etapa de un sistema termonuclear.
Vista seccional de munición tipo Swan. El núcleo de plutonio está marcado en verde, el único fusible responsable de la activación está marcado en rojo. Gráficos Wikimedia Commons
A pesar del cambio en los objetivos comunes, continuó el desarrollo de dispositivos nucleares "convencionales", aunque ya sin la introducción de soluciones e ideas fundamentalmente nuevas. Según datos conocidos, se utilizaron principalmente varias variantes del esquema de implosión, cumpliendo con los requisitos de proyectos específicos. Este enfoque aún se puede mantener: es totalmente coherente con el conjunto de tareas y le permite crear muestras con las características requeridas.
Sobre una base sólida
Las armas nucleares aparecieron y acabaron en los arsenales de países punteros a mediados del siglo pasado. Al mismo tiempo, los científicos y diseñadores buscaban y elaboraban varias opciones de diseño para tales armas, lo que hizo posible aumentar todas las características principales. Este proceso se vio coronado por el éxito: ya en los primeros años de trabajo, se encontraron e implementaron todos los esquemas y diseños principales.
Las ideas de mediados del siglo pasado, de una forma u otra, todavía se usan hoy. Al mismo tiempo, el desarrollo de tecnologías y materiales que ha tenido lugar en las últimas décadas permite aprovechar más plenamente el potencial de los esquemas propuestos desde hace mucho tiempo. Como resultado, los desarrollos bastante antiguos todavía ayudan a construir y mejorar el escudo nuclear y proporcionan una disuasión estratégica.
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