Jedrsko orožje je glede stroškov in učinkovitosti najučinkovitejše v zgodovini človeštva: letni stroški razvoja, preskušanja, proizvodnje in vzdrževanja tega orožja predstavljajo od 5 do 10 odstotkov vojaškega proračuna ZDA in Ruska federacija - države z že oblikovanim jedrskim proizvodnim kompleksom, razvito atomsko tehnologijo in razpoložljivostjo flote superračunalnikov za matematično modeliranje jedrskih eksplozij.
Uporaba jedrskih naprav za vojaške namene temelji na lastnosti atomov težkih kemičnih elementov, da razpadejo na atome lažjih elementov s sproščanjem energije v obliki elektromagnetnega sevanja (gama in rentgenski žarki), pa tudi v oblika kinetične energije razpršenih osnovnih delcev (nevtronov, protonov in elektronov) in jeder atomov lažjih elementov (cezij, stroncij, jod in drugi)
Najbolj priljubljena težka elementa sta uran in plutonij. Njihovi izotopi pri cepitvi njihovega jedra oddajajo 2 do 3 nevtrone, kar posledično povzroči cepitev jeder sosednjih atomov itd. V snovi se pojavi samorazmnoževalna (tako imenovana verižna) reakcija s sproščanjem velike količine energije. Za začetek reakcije je potrebna določena kritična masa, katere prostornina bo zadostovala za zajem nevtronov z atomskimi jedri brez emisije nevtronov izven snovi. Kritično maso lahko zmanjšamo z nevtronskim reflektorjem in začetnim virom nevtronov
Reakcija cepljenja se začne z združevanjem dveh podkritičnih mas v eno nadkritično ali s stiskanjem sferične lupine nadkritične mase v kroglo, s čimer se poveča koncentracija cepljive snovi v danem volumnu. Cepljivi material se združi ali stisne z usmerjeno eksplozijo kemičnega eksploziva.
Poleg reakcije cepitve težkih elementov se v jedrskih nabojih uporablja reakcija sinteze lahkih elementov. Termonuklearna fuzija zahteva segrevanje in stiskanje snovi do nekaj deset milijonov stopinj in atmosfer, kar je mogoče zagotoviti le zaradi energije, ki se sprosti med cepitveno reakcijo. Zato so termonuklearni naboji zasnovani po dvostopenjski shemi. Izotopi vodika, tricija in devterija (ki zahtevajo minimalne vrednosti temperature in tlaka za začetek fuzijske reakcije) ali kemična spojina, litijev deuterid (slednji se pod delovanjem nevtronov iz eksplozije prve stopnje razdeli v tritij in helij) se uporabljajo kot lahki elementi. Energija v fuzijski reakciji se sprošča v obliki elektromagnetnega sevanja in kinetične energije nevtronov, elektronov in helijevih jeder (tako imenovani alfa delci). Sprostitev energije fuzijske reakcije na enoto mase je štirikrat večja od energije cepitvene reakcije
Tricij in njegov produkt samorazpadanja devterij se uporabljata tudi kot vir nevtronov za sprožitev fisijske reakcije. Tritij ali mešanica vodikovih izotopov pod vplivom stiskanja plutonijeve lupine delno vstopi v fuzijsko reakcijo s sproščanjem nevtronov, ki pretvorijo plutonij v nadkritično stanje.
Glavni sestavni deli sodobnih jedrskih bojnih glav so:
-stabilen (spontano ne cepljiv) izotop urana U-238, ekstrahiran iz uranove rude ali (v obliki nečistoče) iz fosfatne rude;
-radioaktivni (spontano cepljivi) izotop urana U-235, ekstrahiran iz uranove rude ali proizveden iz U-238 v jedrskih reaktorjih;
-radioaktivni izotop plutonija Pu-239, proizveden iz U-238 v jedrskih reaktorjih;
- stabilen izotop vodikovega devterija D, ekstrahiran iz naravne vode ali proizveden iz protija v jedrskih reaktorjih;
- radioaktivni izotop vodikovega tricija T, proizveden iz devterija v jedrskih reaktorjih;
- stabilen izotop litija Li-6, pridobljen iz rude;
- stabilen izotop berilija Be-9, ekstrahiran iz rude;
- HMX in triaminotrinitrobenzen, kemični eksplozivi.
Kritična masa krogle iz U-235 s premerom 17 cm je 50 kg, kritična masa krogle iz Pu-239 s premerom 10 cm je 11 kg. Z reflektorjem berilijevega nevtrona in tritijevim nevtronskim virom se lahko kritična masa zmanjša na 35 oziroma 6 kg.
Za odpravo nevarnosti spontanega delovanja jedrskih nabojev uporabljajo t.i. orožje Pu-239, očiščeno iz drugih, manj stabilnih izotopov plutonija do ravni 94%. S periodičnostjo 30 let se plutonij očisti iz produktov spontanega jedrskega razpada njegovih izotopov. Za povečanje mehanske trdnosti se plutonij legira z 1 masnim odstotkom galija in prevleče s tanko plastjo niklja, da se zaščiti pred oksidacijo.
Temperatura samogrevanja sevanja plutonija med shranjevanjem jedrskih nabojev ne presega 100 stopinj Celzija, kar je nižje od temperature razkroja kemičnega eksploziva.
Od leta 2000 je količina plutonija za orožje, ki je na voljo Ruski federaciji, ocenjena na 170 ton, Združene države - na 103 tone, plus nekaj deset ton, sprejetih za shranjevanje iz držav Nata, Japonske in Južne Koreje, ki nimajo jedrskega orožja. Ruska federacija ima največje zmogljivosti za proizvodnjo plutonija na svetu v obliki jedrskih hitrih reaktorjev za orožje in moč. Skupaj s plutonijem po ceni približno 100 ameriških dolarjev na gram (5-6 kg na polnjenje) se tritij proizvaja po ceni približno 20 tisoč ameriških dolarjev na gram (4-5 gramov na polnjenje).
Najstarejša modela jedrskih cepitev sta bila Kid and Fat Man, razvita v ZDA sredi štiridesetih let. Slednji tip polnjenja se je od prvega razlikoval po kompleksni opremi za sinhronizacijo detonacije številnih električnih detonatorjev in po velikih prečnih dimenzijah.
"Otrok" je bil izdelan po topovski shemi - topniška cev je bila nameščena vzdolž vzdolžne osi telesa letalske bombe, na prigušenem koncu katere je bila polovica cepljivega materiala (uran U -235), druga polovica cepljivega materiala je bil izstrelek, pospešen z nabojem prahu. Faktor izkoristka urana v cepitveni reakciji je bil približno 1 odstotek, preostala masa U-235 je izpadla v obliki radioaktivnih padavin s razpolovno dobo 700 milijonov let.
"Debeli človek" je bil izdelan po implozivni shemi-votla krogla iz cepljivega materiala (Pu-239 plutonij) je bila obdana z lupino iz urana U-238 (potisnilec), aluminijasto lupino (dušilcem) in lupino (implozija) generator), sestavljen iz petih in šesterokotnih segmentov kemičnega eksploziva, na zunanji površini katerega so bili nameščeni električni detonatorji. Vsak segment je bil detonacijska leča dveh vrst eksplozivov z različno hitrostjo detonacije, ki je razpršeni tlačni val pretvorila v sferični konvergentni val, enakomerno stisnila aluminijasto lupino, ki je nato stisnila uranovo lupino, in tisto - plutonijevo kroglo, dokler ni notranja votlina zaprta. Za absorpcijo odboja tlačnega vala, ki prehaja v material z večjo gostoto, smo uporabili aluminijasti absorber, potisnik urana pa za inertno zadrževanje plutonija med cepitveno reakcijo. V notranji votlini plutonijeve krogle se je nahajal nevtronski vir iz radioaktivnega izotopa polonija Po-210 in berilij, ki je pod vplivom alfa sevanja iz polonija oddajal nevtrone. Faktor izkoristka cepljivih snovi je bil približno 5 odstotkov, razpolovna doba radioaktivnih padavin je bila 24 tisoč let.
Takoj po nastanku "Kid" in "Fat Man" v ZDA se je začelo delo za optimizacijo zasnove jedrskih nabojev, tako topovskih kot implozijskih shem, katerih cilj je zmanjšanje kritične mase, povečanje stopnje izkoristka cepljive snovi, poenostavitev električni detonacijski sistem in zmanjšanje velikosti. V ZSSR in drugih državah - lastnicah jedrskega orožja, so bile obtožbe sprva ustvarjene po implozivni shemi. Zaradi optimizacije zasnove se je kritična masa cepljivega materiala zmanjšala, koeficient njegove uporabe pa se je zaradi uporabe nevtronskega reflektorja in vira nevtronov večkrat povečal.
Nevtronski reflektor berilij je kovinska lupina debeline do 40 mm, vir nevtrona je plinasti tritij, ki zapolnjuje votlino v plutoniju, ali železov hidrid, impregniran s tritijem, s titanom, shranjenim v ločenem valju (ojačevalnik) in sprošča tritij pod delovanjem segrevanja z električno energijo tik pred uporabo jedrskega naboja, nakar se po plinovodu tritij dovaja v naboj. Slednja tehnična rešitev omogoča množenje moči jedrskega naboja glede na prostornino črpanega tricija, prav tako pa olajša zamenjavo plinske mešanice z novo vsakih 4-5 let, saj je razpolovna doba tritija 12 let. Presežna količina tricija v ojačevalniku omogoča zmanjšanje kritične mase plutonija na 3 kg in znatno povečanje učinka tako škodljivega faktorja, kot je nevtronsko sevanje (z zmanjšanjem učinka drugih škodljivih dejavnikov - udarnega vala in svetlobnega sevanja)). Zaradi optimizacije zasnove se je faktor izkoristka cepljenega materiala povečal na 20%, v primeru presežka tritija - do 40%.
Shema topov je bila poenostavljena zaradi prehoda na radialno-osno implozijo z izdelavo niza cepljivega materiala v obliki votlega valja, zdrobljenega z eksplozijo dveh končnih in enega osnega eksplozivnega naboja
Implozivna shema je bila optimizirana (SWAN) z izdelavo zunanje lupine eksploziva v obliki elipsoida, kar je omogočilo zmanjšanje števila detonacijskih leč na dve enoti, ločeni od polov elipsoida - razlika v hitrost detonacijskega vala v prerezu detonacijske leče zagotavlja hkraten pristop udarnega vala do sferične površine notranje plasti eksploziva, katere detonacija enakomerno stisne berilijevo lupino (združuje funkcije reflektorja nevtrona in povratni dušilec tlačnega vala) in plutonijeva krogla z notranjo votlino, napolnjeno s tritijem ali njegovo mešanico z devterijem
Najbolj kompaktna izvedba implozijske sheme (uporabljena pri sovjetskih 152-milimetrskih projektilih) je izvedba eksplozivno-berilij-plutonijevega sklopa v obliki votlega elipsoida s spremenljivo debelino stene, ki zagotavlja izračunano deformacijo sklopa pod vplivom udarnega vala iz eksplozivne eksplozije v končno sferično strukturo
Kljub različnim tehničnim izboljšavam je moč jedrskih cepitev ostala omejena na raven 100 Ktn v ekvivalentu TNT zaradi neizogibnega širjenja zunanjih plasti cepljive snovi med eksplozijo, pri čemer je bila snov izključena iz reakcije cepitve.
Zato je bila predlagana zasnova termonuklearnega naboja, ki vključuje tako težke fisijske elemente kot lahke fuzijske elemente. Prvi termonuklearni naboj (Ivy Mike) je bil izdelan v obliki kriogenega rezervoarja, napolnjenega s tekočo mešanico tricija in devterija, v katerem je bil implozivni jedrski naboj plutonija. Zaradi izredno velikih dimenzij in potrebe po stalnem hlajenju kriogenega rezervoarja je bila v praksi uporabljena drugačna shema - implozivna "puha" (RDS -6s), ki vključuje več izmenično nanesenih slojev urana, plutonija in litijevega deuterida z zunanji berilijev reflektor in notranji vir tricija
Vendar pa je bila moč "puha" omejena tudi z nivojem 1 Mtn zaradi začetka reakcije cepitve in sinteze v notranjih plasteh in širjenja nereagiranih zunanjih plasti. Za premagovanje te omejitve je bila razvita shema za stiskanje lahkih elementov fuzijske reakcije z rentgenskimi žarki (druga stopnja) iz reakcije cepitve težkih elementov (prva stopnja). Ogromen tlak toka rentgenskih fotonov, sproščenih v reakciji cepitve, omogoča, da se litijev deuterid stisne 10-krat s povečanjem gostote za 1000-krat in segreje med postopkom stiskanja, nato pa je litij izpostavljen nevtronskemu toku iz cepitvena reakcija, ki se spremeni v tritij, ki vstopi v fuzijske reakcije z devterijem. Dvostopenjska shema termonuklearnega naboja je najčistejša glede na izkoristek radioaktivnosti, saj sekundarni nevtroni iz fuzijske reakcije izgorijo nereagiran uran / plutonij v kratkotrajne radioaktivne elemente, nevtroni pa se v zraku ugasnejo z doseg približno 1,5 km.
Za enakomerno stiskanje druge stopnje je telo termonuklearnega naboja izdelano v obliki arašidove lupine, pri čemer je sklop prve stopnje postavljen v geometrijsko središče enega dela lupine in sklop druga stopnja v geometrijskem ostrenju drugega dela lupine. Sestave obesimo na večji del telesa s pomočjo pene ali polnila za aerogel. Po pravilih optike je rentgensko sevanje zaradi eksplozije prve stopnje skoncentrirano v zožitvi med dvema deloma lupine in je enakomerno porazdeljeno po površini druge stopnje. Da bi povečali odbojnost v območju rentgenskih žarkov, sta notranja površina telesa naboja in zunanja površina sklopa druge stopnje pokriti s plastjo gostega materiala: svinca, volframa ali urana U-238. V zadnjem primeru postane termonuklearni naboj tristopenjski-pod vplivom nevtronov iz fuzijske reakcije se U-238 spremeni v U-235, katerega atomi vstopijo v reakcijo cepitve in povečajo eksplozivno moč
Tristopenjska shema je bila vključena v zasnovo sovjetske letalske bombe AN-602, katere projektirana moč je bila 100 Mtn. Pred preskusom je bila tretja stopnja izključena iz njene sestave z zamenjavo urana U-238 s svincem zaradi nevarnosti širjenja območja radioaktivnih padavin iz cepitve U-238 izven preskusnega območja. Dejanska zmogljivost dvostopenjske spremembe AN-602 je bila 58 milijonov ton. Nadaljnje povečanje moči termonuklearnih nabojev je mogoče doseči s povečanjem števila termonuklearnih nabojev v kombinirani eksplozivni napravi. Vendar to ni potrebno zaradi pomanjkanja ustreznih ciljev - sodobni analog AN -602, nameščen na krovu podvodnega vozila Poseidon, ima polmer uničenja zgradb in struktur zaradi udarnega vala 72 km in polmer požarov v dolžini 150 km, kar je povsem dovolj za uničenje velikih mest, kot sta New York ali Tokio
Z vidika omejevanja posledic uporabe jedrskega orožja (teritorialna lokalizacija, minimiziranje sproščanja radioaktivnosti, taktična raven uporabe) se uporablja tzv. natančni enostopenjski naboji z zmogljivostjo do 1 Ktn, ki so namenjeni uničenju točkovnih ciljev - raketnih silosov, sedežev, komunikacijskih centrov, radarjev, raketnih sistemov zračne obrambe, ladij, podmornic, strateških bombnikov itd.
Zasnova takega naboja je lahko v obliki implozivnega sklopa, ki vključuje dve elipsoidni detonacijski leči (kemični eksploziv iz HMX, inertni material iz polipropilena), tri sferične lupine (nevtronski reflektor iz berilija, piezoelektrični generator iz cezijev jodid, cepljivi material iz plutonija) in notranja krogla (fuzijsko gorivo litijevega deuterida)
Pod vplivom konvergirajočega tlačnega vala cezijev jodid ustvari supermogočen elektromagnetni impulz, elektronski tok ustvari gama sevanje v plutoniju, ki izloči nevtrone iz jeder, s čimer se sproži samorazmnoževalna cepitvena reakcija, rentgenski žarki stisnejo in segrejejo litijev deuterid, nevtronski tok ustvarja tritij iz litija, ki vstopi v reakcijo z devterijem. Centripetalna smer cepitvenih in fuzijskih reakcij zagotavlja 100% uporabo termonuklearnega goriva.
Nadaljnji razvoj modelov jedrskih nabojev v smeri zmanjšanja moči in radioaktivnosti je možen z zamenjavo plutonija z napravo za lasersko stiskanje kapsule z mešanico tricija in devterija.
