Broń jądrowa - bomba atomowa, wodorowa i inne

Broń jądrowa - rodzaj broni masowego rażenia wykorzystującej energię wydzielaną podczas łańcuchowej reakcji rozpadu izotopów uranu i plutonu (tzw. broń atomowa) albo podczas syntezy jąder izotopów wodoru (tzw. bomba wodorowa - o sile wybuchu znacznie większej niż broni atomowej). Dzięki istnieniu tej broni powstało przekonanie o możliwości pokonania przeciwnika bez użycia ogromnych armii, do zadania dużych zniszczeń na obszarze przeciwnika wystarczy samolot bombowy, pocisk artyleryjski lub rakieta przenosząca atomowe głowice bojowe.

Pierwsze trzy bomby atomowe zostały wyprodukowane w połowie 1945 r. w Laboratorium Los Alamos (stan Nowy Meksyk w USA). Jedna z nich, zawierająca materiał rozszczepialny -pluton, została wypróbowana 16 lipca 1945 r. na powierzchni ziemi, na pustyni leżącej około 90 km na północny zachód od miasteczka Alamogordo, dwie pozostałe zrzucono na Hiroszimę i Nagasaki.

Jedna z nich została zrzucona przez amerykanów na japońskie miasto Hiroszima z samolotów w czasie II wojny światowej w dniu 6 sierpnia 1945 roku. Następnie kolejna bomba atomowa została zrzucona na Nagasaki dnia 9 sierpnia 1945 roku. Bomba zrzucona na Hiroszimę zawierała uran, a na Nagasaki - pluton. Bomby te wybuchły na wysokości około 600 metrów od powierzchni ziemi, w celu zwiększenia zniszczeń spowodowanych przez falę uderzeniową i promieniowanie świetlne. Zostało ono prawie całkowicie zniszczone przez eksplozje. Chociaż skala zniszczeń w porównaniu z Hiroszimą była mniejsza, jednakże wskutek eksplozji śmierć poniosło 39 tys. osób, a 25 tys. odniosło rany. Inni umarli wskutek promieniowania. Około 40% budynków zostało zniszczonych bądź uległo poważnym uszkodzeniom. Całkowita liczba zabitych, rannych i zaginionych w Hiroszimie i Nagasaki przekracza 180000 ludzi.

Czynnikami rażenia broni jądrowej są:
1) fala uderzeniowa,
2) promieniowanie przenikliwe,
3) promieniowanie cieplne (świetlne),
4) skażenie promieniotwórcze,
5) impuls elektromagnetyczny.

1) Fala uderzeniowa - cienka warstwa, w której następuje gwałtowny wzrost ciśnienia gazu i prędkości ruchu gazu, rozchodząca się się szybciej niż dźwięk. Fale uderzeniowe powstają podczas silnego wybuchu, ruchu ciała z prędkością ponaddźwiękową (np. samolot).
Powstawanie fali uderzeniowej - Gdy w gazie porusza się ciało to nadaje ono cząsteczkom zderzającym się z nim dodatkową prędkość. Jeżeli prędkością tego ciała jest mniejsza od średniej prędkości cząsteczek gazu, to cząsteczki przekazują sobie w wyniku zderzeń prędkość, a zaburzenie to jest obserwowane jako dźwięk. Jeżeli ciało ma prędkość większą od średniej prędkości cząsteczek gazu, to cząsteczki nie "nadążają z przekazywaniem" energii poprzedzającym je cząsteczkom, powstaje obszar, w którym gwałtownie rośnie ciśnienie oraz prędkość cząsteczek (szczególnie w jednym kierunku).

2) Promieniowanie przenikliwe - jeden z czynników rażenia wybuchu jądrowego - stanowi strumień promieniowania gamma i promieniowania neutronowego, zdolny do przenikania przez różne materiały o znacznej grubości. Czas rażącego działania promieniowania przenikliwego jest stosunkowo krótki i wynosi 10-15 s. Promieniowanie przenikliwe powoduje schorzenie organizmu w postaci choroby popromiennej.
Promieniowanie gamma to wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego o długości fali poniżej 10 pm. Fale elektromagnetyczne o większej długości fali to promieniowanie X. Zgodnie z teorią fotonową można obliczyć, że foton promieniowania gamma ma energię większą niż 100 keV. Promieniowanie gamma jest zaliczane do promieniowania jonizującego razem z promieniowaniem alfa oraz promieniowaniem beta.

Źródła promieniowania gamma
Reakcja rozpadu - jądra atomowe izotopów promieniotwórczych ulegają rozpadowi, co powoduje emisję fotonu gamma.
Reakcja syntezy - dwa jądra atomowe zderzają się, tworząc nowe jądro i emitując foton gamma.
Anihilacja - zderzenie cząstki i antycząstki, np. elektronu i pozytonu, powoduje anihilację obu tych cząstek i emisję dwóch fotonów gamma

Ogromna skuteczność ataku atomowego nie wynika tylko ze zniszczeń. Wybuch powoduje emisję promieniowania gamma, które jest bardzo przenikliwe. Ściany domów ani normalne budynki nie dają ochrony przed napromieniowaniem, co powoduje, że wszystkie osoby przebywające blisko punktu eksplozji umrą na chorobę popromienną. Grzyb atomowy zawiera ogromne ilości radioaktywnych pyłów. Powstaje opad radioaktywny, który wprowadza promieniotwórcze substancje do wody i żywności. Promieniowanie gamma przenika z tych produktów do wnętrza ciał ludzi i powoduje wzrost dawki promieniowania. Dzięki temu miejsce eksplozji jest skażone i przez długi czas nie nadaje się do życia.

Promieniowanie neutronowe: część składowa promieniowania przenikliwego powstającego podczas wybuchu jądrowego. Są wówczas emitowane dwa rodzaje neutronów: natychmiastowe, opóźnione.
Źródłem neutronów natychmiastowych może być reakcja rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich i reakcja syntezy deuteru z trytem lub tylko reakcja rozszczepienia. Neutrony te są emitowane w czasie około 10 μs. Natychmiastowe promieniowanie neutronowe występuje jako czynnik rażący tylko przy wybuchach jądrowych w atmosferze.
Źródłem neutronów opóźnionych przy wybuchu jądrowym są produkty rozszczepienia. Przeważająca część neutronów jest emitowana w ciągu pierwszych 10 s po wybuchu. Całkowita energia tych neutronów stanowi od kilku do kilkunastu procent całkowitej energii neutronów natychmiastowych emitowanych w czasie reakcji rozszczepienia.

3) Promieniowanie cieplne to promieniowanie, które wytwarza ciało mające temperaturę większą od zera bezwzględnego. Promieniowanie to jest falą elektromagnetyczną.
Promieniowanie większości ciał, z wyjątkiem rozrzedzonych gazów i barwników, jest do siebie zbliżone posiadając wiele wspólnych cech. Fizycy wprowadzili pojęcie ciało doskonale czarne którego emisja w danej temperaturze jest największa ze wszystkich ciał.

4) Skażenie promieniotwórcze - powstaje w rezultacie opadania substancji promieniotwórczych z obłoku wybuchu jądrowego oraz w wyniku tworzenia się ich na ziemi pod działaniem neutronów (tzw. promieniotwórczość wzbudzona).
Skażenie powstałe w chwili opadania substancji (pyłów) promieniotwórczych z obłoku wybuchu jądrowego jest nazywane pierwotnym. Natomiast skażenie powstałe w wyniku przebywania w terenie skażonym lub na skutek zetknięcia się ze skażonym i przedmiotami - skażeniem wtórnym.
Promieniotwórczość wzbudzona - to promieniotwórczość powietrza, gleby, materiałów i różnych przedmiotów powstająca w wyniku ich napromieniowania neutronami.

5) Impuls elektromagnetyczny - jeden z czynników rażenia broni jądrowej, polegający na gwałtownym wytworzeniu bardzo silnego pola elektromagnetycznego. Impuls elektromagnetyczny indukuje wysokie napięcie w sieciach i urządzeniach elektrycznych w konsekwencji czego ulegają one
uszkodzeniu.

Konstrukcje bomb "niekonwencjonalnych" dzielą się na 3 grupy:
1. o ładunku jednofazowym - jest to klasyczna bomba atomowa, gdzie w czasie wybuch występuje lawinowa reakcja rozszczepienia.
2. o ładunku dwufazowym - występują w niej 2 składowe - bomba atomowa, wytwarzająca warunki umożliwiające syntezę lekkich jąder oraz bomba wodorowa.
3. o ładunku trójfazowym - jest to bomba kombinowana - w wyniku syntezy jądrowej powstają duże ilości wysokoenergetycznych neutronów, które wyzwalają reakcję rozszczepienia naturalnego izotopu uranu: 238U.

Podstawowe rodzaje broni jądrowej:
1) bomba atomowa
2) bomba wodorowa
3) bomba neutronowa
4) bomba kobaltowa
5) bomba brudna

1) bomba atomowa - czerpie swoją energię z reakcji rozszczepienia ciężkich jąder atomowych (np. uranu lub plutonu) na lżejsze pod wpływem bombardowania neutronami. Rozpadające się jądra emitują kolejne neutrony, które bombardują inne jądra, wywołując reakcję łańcuchową.

Zasada działania bomby atomowej polega na wytworzeniu w jak najkrótszym czasie masy nadkrytycznej ładunku jądrowego z pomocą konwencjonalnego materiału wybuchowego, działającego na masę podkrytyczną (zwykle rozdzieloną na kilka fragmentów). To daje początek niekontrolowanej reakcji łańcuchowej, która wydziela ogromną ilość energii.
Jako ładunku nuklearnego w bombie atomowej jako materiał rozszczepialny stosuje się 235U lub 239Pu.

W naturalnym uranie występuje tylko 0,7% 235U. By zwiększyć jego ilość, wydobyta ruda uranu musi być poddana procesowi wzbogacenia przeprowadzanego tylko w kilku państwach na świecie. Pluton-239 otrzymuje się w zakładach przerobu paliwa wypalonego w elektrowniach jądrowych. Proces ten takżej jest trudny i kosztowny.

By uzyskać reakcję łańcuchową musi zostać przekroczona masa krytyczna.

Z jednego g. U-235 można uzyskać do 82 TJ (teradżuli, 10.12) energii. Typowy czas trwania reakcji łańcuchowej to 1 μs, więc moc wynosi 82 EW/kg.

Bomby atomowe o wzmożonej sile wybuchu

W bombach tych w centrum rozszczepialnego rdzenia umieszczano kilkanaście gram gazowej mieszanki deuteru lub trytu. Zabieg taki na dość oczywiste korzyści - po zdetonowaniu, gdy rdzeń przejdzie już w odpowiednim stopniu rozszczepienie, temperatura wzrośnie na tyle, aby zainicjalizować fuzję D-T. Ponieważ reakcja ta przebiega niezwykle szybko, wysokoenergetyczne neutrony w niej wyprodukowane używane są do rozszczepienia większej ilości materiału.

Podniesienie zaś ilości rozszczepionego materiału zwiększa oczywiście stopień wydajności reakcji (jest to współczynnik określający stopień wykorzystania materiału rozszczepialnego). Normalnie współczynnik ten wynosi ok. 20% (bywa on jednak czasem o wiele niższy - bomba zrzucona na Hiroszimę miała tylko 1,3%), podczas gdy bomba o wzmożonej sile wybuchu może osiągnąć 50% (co może spowodować zwielokrotnienie siły wybuchu w stosunku do bomby tradycyjnej). Aktualnie w głowicach tego typu energia uwolniona podczas reakcji rozszczepienia jest bardzo mała, wynosi ok. 1% siły wybuchu, co sprawia, iż coraz trudniej odróżnić bomby o wzmożonej sile wybuchu od czystej bomby wodorowej.

Większość dzisiejszych bomb jest właśnie tego typu, włączając w to jako zapalnik rozszczepialny w broni typu rozszczepienie-fuzja (patrz następny punkt). Pomimo znacznie większego wykorzystania materiału rozszczepialnego i zastosowania nowych technik, głowice te opierają się dalej o reakcję rozszczepienia i stwarzają te same problemy z większymi ładunkami. Tworzenie bomb według tej technologii przynosi największe korzyści przy budowaniu małych, lekkich bomb, w przypadku których mała efektywność stanowi szczególny problem. Tryt jest bardzo drogim materiałem, i rozpada się z prędkością 5.5% rocznie, ale w małych ilościach wymaganych dla lekkich bomb technika ta jest ekonomiczna.

2) bomba wodorowa - lub inaczej bomba termojądrowa jest jak na razie jedynym na Ziemii przejawem reakcji termojądrowej dającym dodatni bilans energetyczny. Energia uwalniana w czasie wybuchu tej bomby pochodzi z syntezy jąder lekkich (izotopy wodoru),w wyniku której powstają jądra cięższe o większej energii wiązania na nukleon.

W dniu 1 listopada 1952 amerykańscy fizycy pod kierunkiem Edwarda Tellera doprowadzili na atolu Eniwetok do pierwszego wybuchu bomby termojądrowej. Bomba wykorzystywała deuter i tryt jako paliwo termojądrowe. Siłę wybuchu oszacowano na 10 megaton (MT) czyli około 700 bomb jądrowych zrzuconych na Hiroszimę.

Reakcja termojądrowa, to synteza jąder lekkich pierwiastków, w wyniku której powstają jądra cięższe o większej energii wiązania w przeliczeniu na jeden nukleon. Jest to zysk energetyczny, który może być przekształcony w energię, np. cieplną. Warunkami umożliwiającymi reakcję syntezy jest silne rozpędzenie jąder atomowych (wysoka temperatura) oraz duża koncentracja odpowiednich jąder. Warunki takie uzyskuje się przez wybuch bomby jądrowej w centrum której umieszczono materiał do syntezy termojądrowej.

Ze względu na to, że wybuch bardzo szybko rozrzuca reagujące materiały należy zastosować w bombie materiały umożliwiające przeprowadzenie reakcji termojądrowej w jak najniższej temperaturze. Pierwsze bomby zawierały w deuter i tryt, ale tryt nie jest zbyt trwały (ma względnie krótki okres półtrwania - 12,26 lat) i tak skonstruowanej bomby nie można zbyt długo przechowywać. Rozwiązaniem jest generowanie trytu w trakcie wybuchu bomby. Tryt otrzymywany jest z litu poprzez bombardowanie jego jąder neutronami pochodzącymi głównie z rozszczepienia jąder ładunku inicjującego, którym jest zazwyczaj zwykła, uranowa lub plutonowa bomba jądrowa o stosunkowo niewielkiej mocy. Zastosowanie związków deuteru i trytu z litem znacznie upraszcza konstrukcję bomby, umożliwiając przechowywanie tych substancji w stanie stałym, bez instalacji chłodzących.

Wybuchowa reakcja łańcuchowa (powstała w bombie atomowej) wytwarza warunki umożliwiające syntezę lekkich jąder. Przedstawiają to reakcje:
Synteza deuteru i trytu:

Synteza deuteru i litu:

Reakcja syntezy trytu z trytem (poboczna):

W bombie wodorowej ze względów praktycznych nie stosuje się "czystego" deuteru czy trytu. Zastępuje się go deuterkiem litu LiH. Tryt otrzymywany jest w reakcji:

Synteza lekkich jąder dostarcza energii, a także wytwarza się spora ilość neutronów wysokoenergetycznych (dlatego bomba wodorowa zwana jest też neutronową), dzięki którym może zajść rozszczepienie Uranu-238, który pochłania właśnie te neutrony - otrzymamy więc kolejną olbrzymią porcję energii.

6Li + n -> 4He + T +4,8 MeV

T + D -> 4He +n + 17,6 MeV

D + D -> T +p + 4 MeV

D + D -> 3He + n + 3,3 MeV

3) bomba neutronowa - bomba pozbawiona ekranu odbijającego neutrony, w której energia powstaje w wyniku reakcji syntezy deuteru z trytem; siła jej wybuchu jest relatywnie niewielka, małe jest również skażenie promieniotwórcze terenu; czynnikiem rażącym jest promieniowanie przenikliwe - neutronowe (szybkie neutrony - stąd nazwa), przenikające przez materię (w tym opancerzenie), ale zabójcze dla żywych organizmów.

4) bomba kobaltowa - zawiera w osłonie kobalt, który pod wpływem wytwarzanych przez ładunek neutronów przekształca się w izotop Co-60, silne i trwałe (5 lat) źródło promieniowania gamma. Głównym celem jest skażenie terenu, by uczynić go niezdatnym do zasiedlenia. Zamiast kobaltu dodatkiem może być złoto, które pozostanie radioaktywne przez okres kilku dni, oraz tantal i cynk (kilka miesięcy). Najprawdopodobniej żadna tego typu bomba nie została skonstruowana.

5) bomba brudna - to określenie na rodzaj broni radiologicznej, której działanie polega na rozrzuceniu materiału radioaktywnego na dużej przestrzeni za pomocą konwencjonalnej eksplozji. Powoduje to skażenie promieniotwórcze terenu. Ze względu na łatwość konstrukcji takiej bomby, znaczną dezorganizację funkcjonowania dużych aglomeracji oraz bardzo duże koszty usuwania materiałów promieniotwórczych istnieje niebezpieczeństwo użycia ich przez terrorystów.

Grzyb atomowy - po wybuchu bomby atomowej tworzy się po naziemnym, powietrznym, lub płytkim podziemnym wybuchu jądrowym. Jest to chmura w kształcie ogromnego grzyba składająca się z drobnych pyłów i aerozoli w tym promieniotwórczych, powstała po wybuchu atomowym w wyniku unoszenia się nagrzanego wybuchem powietrza, wraz ze stopionymi, odparowanymi i rozproszonymi drobinami gleby i resztkami bomby powodującymi promieniotwórcze skażenie terenu. Źródłem skażenia są też izotopy promieniotwórcze powstałe w czasie rozszczepienia jądra atomowego.

Próbne wybuchy jądrowe przeprowadzane są głównie w celu sprawdzania i udoskonalania broni jądrowej. Od wynalezienia bomby atomowej w 1945 miało miejsce około 2000 próbnych wybuchów jądrowych, głównie przeprowadzonych przez USA i ZSRR. Od 1992 Rosja i USA utrzymują moratorium na zaprzestanie próbnych wybuchów, w związku z czym ich ilość drastycznie spadła.

Kraje które przeprowadziły próbne wybuchy jądrowe
USA: 1030 prób
ZSRR: 715 prób
Francja: 210 prób
Wielka Brytania: 45 prób
Chiny: 45 prób
Indie: 6 prób
Pakistan: 6 prób
Izrael/Republika Południowej Afryki: spekulacje o przeprowadzeniu jednej próby
Korea Północna: spekulacje o przeprowadzeniu jednej próby

Pierwsze bomby atomowe

Bomby Little Boy i Fat Man to jedne z pierwszych utworzonych bomb atomowych. Zostało one wykorzystane podczas wojny z Japonią i zrzucone na japońskie miasta - Hiroszima i Nagasaki.

Fat Man: Podobnie jak Little Boy, Fatman był wyposażony w cztery radary - anteny zamontowane na tyle bomby. Podobnie jak system ostrzegania w myśliwcach tak i tu ich celem było wymierzanie wysokości bomby i uruchamianie detonatora bomby na wcześniej określonej wysokości. Przełącznik barometryczny zapobiegał detonacji bomby powyżej 7000 stóp (215 m). Średnica Fatmana wynosiła 152 centymetry, był długi na 365 cm i ważył 4.670 kg.

Plutonowy rdzeń Fatmana, i jego inicjator, opuścił Bazę Lotniczą w Kirtland 26 lipca 1945 roku na pokładzie transportowca C-54 (tym samym rejsem leciał uranowy "cel" dla Little Boy). Ładunek został dostarczony 28 lipca na wyspę Tinian. Data zrzucenia bomby została ustalona na 11 sierpnia, a jako cel obrano Kokurę. Próbny montaż bomby (bez rdzenia plutonowego) rozpoczął się wkrótce po tym - 5 sierpnia pierwsza kompletna bomba typu Fatman oznaczona jako F33 była gotowa. Niekorzystna prognoza pogody spowodowała, że 7 sierpnia zdecydowano się przełożyć zrzucenie bomby na 10, a następnie 9 sierpnia. Spowodowało to znaczne skrócenie czasu przeznaczonego na montaż, co zaowocowało koniecznością ominięcia wielu testowych procedur bezpieczeństwa. 8 sierpnia bomba F31, z rdzeniem plutonowym, była gotowa. Bomba atomowa został zrzucona na to japońskie miasto.

Pomimo faktu, iż Fatman spadł na skraj niezamieszkałego terenu, straty w ludziach przekraczyły 70.000 ludzi. Głównym celem ataku była Wojskowa Fabryka Mitsubishi, najważniejszy obiekt militarny w Nagasaki. W odróżnieniu od zrzuconej trzy dni wcześniej na Hiroshimę bomby Little Boy zbudowanej ze wzbogacanego uranu, to urządzenie zawierało ładunek z plutonu. Bomba miała długość ponad 3m, średnicę 1.5m i ważyła 4.5 tys. kg. Siła ładunku wynosiła 20 kiloton (84 TJ (teradżule)). Została zrzucona przez pilota Charlesa Sweeney'a z bombowca Bockscar. W eksplozji w Nagasaki zginęło 74300 osób.

Little Boy: nazwa bomby atomowej zrzuconej 6 sierpnia 1945 na Hirosimę. Little Boy został zrzucony z wysokości ok. 9500 m przez bombowiec B-29 o nazwie Enola Gay, pilotowany przez płk. Paula Tibbetsa. Bomba wybuchła o 8:16:02 (rano) czasu lokalnego, na wysokości 580 metrów nad śródmieściem. Little Boy miał długość 3 metrów, średnicę, w najgrubszym miejscu, 71 cm i ważył 4035 kg, choć ładunek uranu ważył zaledwie 1 kg. Nazwano go Little Boy (mały chłopiec) lub Thin Man (chudy człowiek), gdyż pod takim kryptonimem kryły się też duże bomby zapalające, które masowo zrzucano już wcześniej na Japonię. Little Boy odziedziczył po tych bombach zewnętrzny pancerz, co upodabniało go do złudzenia do tych bomb. Bomba posiadała zapalnik ciśnieniowy, który uruchamiał eksplozję automatycznie na zadanej wysokości.

Little Boy posiadał moc wybuchu równoważną 15 kilotonom trotylu. Jego serce składo się ze sfery wypełnionej ok. 0.5 kg izotopu uranu 235. Sfera była podzielona na trzy odseparowane od siebie cienkimi foliami ołowianymi sekcje. W każdej znajdowała się 1/3 całkowitej ilości uranu. Wybuch został inicjowany przez symetrycznie rozmieszczone wokół tej sfery ładunki trotylu, które wtłoczyły trzy fragmenty uranu do środka sfery niszcząc przy okazji cienkie przegrody ołowiane i tworząc odpowiednią masę krytyczną uranu.

Był pierwszą na świecie bombą atomową użytą w czasie wojny. Nigdy więcej nie użyto bojowo bomby uranowej. Na Nagasaki użyto bomby z plutonu Fat Man. Jednym z celów bombardowania było porównanie skutków niszczących obu typów bomb.

Historia broni jądrowej

eksplozja próbna:
- 16 lipca 1945 - poligon w stanie Nowy Meksyk (USA);
użycie bojowe:
- 6 sierpnia 1945 - Hiroszima (bomba Little Boy);
- 9 sierpnia 1945 - Nagasaki (bomba Fat Man).