Projekt Manhattan a test Trinity

Příprava plutoniové bomby Gadget (zdroj atomicarchive.com)

Dne 16. července 1945 proběhla v poušti Jordana del Muerto první exploze štěpné jaderné zbraně. Jednalo se o vyvrcholení projektu Manhattan, který realizovaly Spojené státy ve snaze předběhnout nacistické Německo ve vývoji jaderné zbraně. Vojenským ředitelem tohoto projektu byl generál Leslie Groves a vědeckým Robert Oppenheimer.

Jejich úkolem bylo vyřešit klíčové technologie pro dosažení jaderné zbraně. Prvním problémem je získání dostatečného množství štěpného materiálu. Těžké prvky jsou štěpitelné i čistě záchytem neutronů, ovšem pouze u některých izotopů. Jde o ty, které mají lichý počet neutronů. V přírodě jde pouze o uran 235, kterého však je v uranové rudě pouze 0,7 %. Uran 238 a thorium 232 mají sudý počet neutronů. Jaderná bomba však potřebuje obohacení převyšující 90 %.

Chemické metody neumožňují oddělit různé izotopy stejného prvku. Musíme tak využít fyzikální metody založené na jejich rozdílné hmotnosti. Lze použít metodu elektromagnetickou, difuzi nebo separaci pomocí centrifugy. V projektu Manhattan byly nakonec využity difuzní technologie.

Další možností je připravit odpovídající izotop prvku uměle pomocí jaderných reakcí v jaderných reaktorech. Uran 238 se záchytem neutronu přemění na uran 239 a dvěma rozpady beta se přemění na plutonium 239.

Příprava plutoniové bomby Gadget (zdroj atomicarchive.com)

Zatímco u uranu 235 potřebujeme pro realizaci bomby okolo 44 kg, v případě využití neutronového zrcadla okolo 15 kg, u plutonia 239 stačí okolo 15 kg a s využitím neutronového zrcadla okolo 5 kg.

Dalším klíčovým úkolem je iniciace jaderné zbraně pomocí klasické výbušniny. Je potřeba extrémně rychlá realizace kritického množství a start štěpné řetězové reakce, Využívá se vstřelení jedné podkritické části do druhé. Další možností je implozivní iniciace.

Projekt Manhattan tak měl tři hlavní pracoviště. Oak Ridge v Tennessee bylo zaměřeno na obohacování uranu. Hanford ve Washingtonu se zaměřoval na produkci plutonia pomocí reaktorů a jeho separaci. Los Alamos v Novém Mexiku vyvíjelo, montovalo, a nakonec i testovalo jadernou zbraň. Jeho ředitelem byl právě Oppenheimer, který vybral toto konkrétní místo. Právě osud Roberta Oppenheimera a jeho práce na projektu jaderné zbraně v Los Alamos je tématem oscarového filmu Oppenheimer. Díky němu se aktuálně s tématem testu Trinity seznámila velmi široká veřejnost. Podrobně jsem rozdíly mezi filmem Oppenheimer a realitou popsal v článku před více než rokem.

Pří samotném testu Trinity se využila plutoniová bomba Gadget s implozivní iniciací, uvolněná energie byla zhruba 25 ktun TNT (105 TJ). Celkově se realizace exploze štěpné jaderné zbraně Gadget zúčastnilo 425 pracovníků, mezi kterými byla celá řada později velmi známých fyziků a nositelů Nobelových cen. Klíčovou osobou byl ředitel tohoto testu Kenneth Bainbridge. To byl ten, kdo měl v případě selhání odpalu jít k bombě a zkontrolovat, co se nepovedlo. A právě popis cesty k tomuto testu a jeho realizace je nejsilnější částí filmu Oppenheimer.

Po úspěšné realizaci Trinity vyvstala otázka, zda jadernou zbraň použít. Hitler byl poražen, ale Japonsko stále válčilo. Před spojenci, a hlavně USA, stála možnost nutnosti invaze na japonské ostrovy a vyplývající obrovské ztráty na japonské i americké straně.

Gadget zblízka (zdroj atomicarchive.com)

Diskutovaly se dvě možnosti. Ukázat sílu jaderné zbraně na pustém ostrově před pozvanými účastníky nebo ji použit proti konkrétním japonským městům. Nakonec i u Roberta Oppenheimera převládl názor, že první možnost by Japonsko ke kapitulaci nepřiměla. Jaderné zbraně tak byly shozeny na města Hirošima a Nagasaki. U Hirošimy to byla bomba uranová a u Nagasaki opět bomba plutoniová. V té době v USA neměli další bombu a ani potřebné zásoby štěpného materiálu. Japonsko však naštěstí kapitulovalo. Druhá světová válka tak konečně skončila. Pro svět však vyvstala otázka, jak se vypořádat s rizikem závodů v jaderném zbrojení.

Jak žít ve stínu jaderných zbraní?

Toto riziko si uvědomoval jak Robert Oppenheimer, tak třeba i Niels Bohr. Tušili, že svět s jadernými zbraněmi bude jiný než ten před nimi. Domnívali se, že nastanou dvě možnosti: buď jaderné zbraně zabrání velké válce, nebo dojde ke zničení civilizace. Realita se však ukázala mnohem složitější. Ačkoli vlastnictví jaderných zbraní u USA i SSSR nezabránilo lokálním konfliktům, v Evropě zajistilo během studené války dlouhodobé období bez válečných konfliktů.

Oba přemýšleli, jak se vyhnout závodům v jaderném zbrojení. Jejich vizí byla maximální transparentnost USA, zastavení vývoje termojaderných zbraní a vytvoření mezinárodní organizace. Ta by kontrolovala nešíření jaderných zbraní a zároveň umožnila mírové využívání jaderné energie všem státům respektujícím závazky týkající se nešíření jaderných zbraní. Doufali, že transparentní přístup USA by mohl vést k dohodě v takovém se Sovětským svazem.

Mnoho politiků i vědců v možnost takové dohody nevěřilo a trvalo na rychlém rozvoji štěpného jaderného arzenálu a vývoji termojaderné zbraně. Jejich pohled na možnosti spolupráce se Sovětským svazem v této oblasti se ukázaly být mnohem realističtější. Brzy bylo jasné, že představy Oppenheimera o možné dohodě o mezinárodní správě jaderných technologií mezi USA a Sovětským svazem, tedy státy, které byly v cestě k jadernému vyzbrojování nejdále, se neuskuteční. Závod v jaderném zbrojení hlavně mezi Sovětským svazem a USA se tak rozběhl. Poměrně brzy se k nim připojily i Velká Británie a Francie. V padesátých a šedesátých letech tak proběhl velký počet jaderných testů těchto jaderných mocností a rostlo také riziko šíření jaderných zbraní do dalších zemí.

Atomový hřib z testu Trinity (zdroj atomicarchive.com)

V reakci na tento vývoj se zvyšovala snaha o mezinárodní kontrolu jaderných technologií. Americký prezident Eisenhower na půdě OSN předložil 8. prosince 1953 program na omezení jaderného zbrojení a podporu mírového využití jaderné energie „Atoms for Peace“. V jeho rámci nabídly USA státům, které dosud nevlastnily jaderné technologie, pomoc při jejich mírovém využívání a předložily plán na mezinárodní kontrolu jaderných aktivit. Následně USA poskytly civilní jaderné technologie a podporu v jaderném výzkumu celé řadě států, celkem podepsaly okolo 40 smluv v této oblasti. K této iniciativě se připojil i Sovětský svaz, který poskytl mírové jaderné technologie východoevropským a středoevropským státům ve své sféře vlivu a řadě dalších států, například Číně, Izraeli a Severní Koreji.

Státy, které vlastnily jaderné zbraně - hlavně USA a SSSR - v letech 1954 a 1955 velmi intenzivně jednaly o možnostech dohody o regulaci jaderných výzkumů a technologií. Výsledkem bylo založení Mezinárodní agentura pro atomovou energii (MAAE) v roce 1957. Ta se stala garantem mírového využití jaderné energie a Mezinárodního zárukového systému, zaměřeného na kontrolu jaderných materiálů a zabránění jejich vojenskému využití. Jeho činnost a pravomoci, hlavně v oblasti zárukového systému, se rozvíjely poměrně pomalu. Vývoj se zrychlil teprve v šedesátých letech, kdy USA, Kanada a Velká Británie začaly exportovat jaderné energetické reaktory.

Rozvoj jaderné energetiky, využití radionuklidů pro celou řadu účelů, zvyšování počtu jaderných zbraní i jaderných velmocí (přidala se k nim i Čína), stejně jako ekologické dopady jaderných testů, vedly k růstu důležitosti dohody zabraňující šíření jaderných zbraní a jejich testů. Intenzivní jednání o ní přivedla k návrhu Smlouvy o nešíření (Non-Proliferation Treaty - NPT) předloženému státům OSN. Smlouva byla podepsána 1. července 1968 a v platnost vstoupila 5. března 1972 při splnění základní podmínky připojení alespoň tři jaderné velmoci a dalších čtyřicet států. Hned zpočátku smlouvu podpořily tři jaderné velmoci (USA, SSSR, Velká Británie) a dvě další oficiální mocnosti, Francie a Čína, ji ratifikovaly v roce 1992. V současné době ratifikovalo smlouvu 190 států, což jsou téměř všechny státy OSN. Důležitým milníkem bylo v roce 1991 přistoupení Jihoafrické republiky, která dříve měla jaderný zbrojní program. Postupně dovolila přístup inspektorů MAAE do svých jaderných zařízení, ukázala své zásoby jaderných materiálů a demontovala svých šest štěpných jaderných bomb se vstřelovacím iniciačním zařízením. Neratifikovaly ji pouze státy, které se nechtějí podřídit kontrole v této oblasti a vlastní reálně nebo pravděpodobně jaderné zbraně. Jde o Indii, Pákistán a Severní Koreu, které provedly jaderné testy a je zřejmé, že disponují jadernými bombami, a Izrael, který žádné testy jaderné zbraně nerealizoval, ale předpokládá se, že by jadernou bombu mohl mít. V tomto případě je Izrael na tom podobně, jako tomu bylo u JAR.

Jeden z čínských jaderných testů v roce 1964 (zdroj atomicarchive.com)

Smlouva dělí státy do tří kategorií: jaderné státy, které vlastní jaderné zbraně a smlouvu ratifikovaly; nejaderné státy, které jaderné zbraně nemají; a státy, které stojí mimo smlouvu NPT. S dodržováním smlouvy NPT je spojen systém jaderných záruk (Safeguards), za který je zodpovědný každý jednotlivý stát. Podle typu států se rozeznávají tři typy zárukových dohod: první je všeobecná záruková dohoda typická pro nejaderné státy, jako je třeba Česko; druhá je dohoda na dobrovolném principu, typická pro jaderné státy; a třetí je záruková dohoda pro specifické položky, která se uzavírá se státy, které smlouvu NPT neratifikovaly. Hlavním garantem dodržování dohody se stala organizace MAAE.

Organizace MAAE uplatňuje stále efektivnější systémy kontroly, které jsou zaměřeny na výrobu a pohyb jaderných materiálu a šíření technologií dvojího určení, tedy použitelných při vývoji jaderných zbraní. Při kontrole se lze spoléhat na stále efektivnější technologie a metodiky sledování. Inspektoři MAAE mají právo inspekce ve všech místech, kde se pracuje a manipuluje s jaderným materiálem. To zahrnuje nejen mise inspektorů (včetně neohlášených) na konkrétní lokality, ale i využití dálkových prostředků kontroly včetně družicových systémů. Pro sledování jaderných materiálů lze využívat jejich radioaktivitu a odborníci MAAE neustále vylepšují technologie detekce a identifikace radioaktivního záření. Smlouva NPT byla původně přijata na 25 let, ale v roce 1995 byla prodloužena na neurčito. Každých pět let se koná na půdě OSN konference účastníků, která hodnotí její plnění a pokrok v jaderných technologiích a metodách kontroly. Na těchto konferencích si nejaderné státy opakovaně stěžují, že jaderné státy plní jen velmi neochotně ty články smlouvy, které je zavazují vést jednání o jaderném odzbrojení a redukci zásob jaderných zbraní. Ačkoliv se zde hlavně v devadesátých letech učinil značný pokrok související se smlouvami mezi USA a Ruskem o omezení počtu jaderných zbraní, po politických změnách v posledním desetiletí nelze v této oblasti očekávat další významný pokrok. Podrobný popis historie i současnosti těchto snah a vztahu Roberta Oppenheimera k nim byla popsána v podrobném článku pro první letošní číslo časopisu Jaderná energie. Téma vztahu jaderné energie a demokracie s přesahy do popisované oblasti je i v nedávném článku na Oslovi.

Zatím největší termojadernou bombou byla ruská Car bomba testovaná v roce 1961 (zdroj atomicarchive.com)

Írán a další zájemci o získání jaderných zbraní

Řada dalších států se zároveň snaží k jaderným zbraním dostat. Mezi nimi vyčnívá Írán. Ten zahájil práci na mírovém využití jaderných technologií již v padesátých letech s pomocí zmíněného amerického programu Atoms for Peace. V sedmdesátých letech začal pracovat s pomocí západních firem na realizaci jaderné elektrárny. V té době dodržoval podmínky týkající se nešíření jaderných zbraní a neusiloval o ně. Situace se změnila po sesazení šáha, islámské revoluci, a hlavně během války mezi Íránem a Irákem. Írán začal tajně usilovat o získání jaderné zbraně, a kromě realizace jaderné elektrárny se začal snažit o získání vysoce obohaceného uranu.

V realizací jaderné elektrárny nahradil západní firmy Sovětský svaz a v elektrárně Búšehr se rozběhl v roce 2011 ruský reaktor VVER1000. Již původně se předpokládalo, že zde poběží čtyři reaktory. Kromě prvního v provozu jsou další dva VVER1000 reaktory ve výstavbě od roku 2019.

Pro získání zbraňového uranu 235 jsou klíčové technologie pro obohacování. V roce 2002 byly objeveny íránské obohacovací zařízení v Natanz a Araku, v roce 2009 pak podzemní laboratoře Fordow. Írán střídavě spolupracoval s MAAE, a pak zase její kontroly sabotoval.

V lednu 2023 v íránském Natanzu detekovala stopy uranu obohaceného na 83,7 % U‑235; kromě toho monitoring MAAE z května 2025 uvádí, že Írán disponuje velkým množstvím uranu obohaceného na 60 %, a to 408,6 kg.

Jak bylo zmíněno, přírodní uran má obohacení 0,7 % štěpným izotopem uranu 235. Speciální reaktory, jako jsou například ty, které využívají pro moderaci těžkou vodu, mohou pracovat i s přírodním uranem. Většině klasických energetických reaktorů využívajících k moderaci lehkou vodu, tlakovodních či varných, stačí relativně nízké obohacení mezi 3 až 8 %. Výzkumné a školní reaktory většinou mají menší aktivní zónu a bývají na ně specifické požadavky, potřebují tak vyšší obohacení.

V současné době však je snaha, aby obohacení i u těchto zařízení nepřekračovalo 20 %. Uran s obohacením do 20 % se označuje jako nízko obohacený uran LEU (Low-Enriched Uranium). Takový se nepovažuje za nebezpečný z hlediska možnosti využití pro práce na získání jaderné zbraně. Nejsou tak na něj kladeny tak velké nároky při zacházení s ním a kontrole jeho nešíření. Při vyšším obohacení mluvíme o vysoce obohaceném uranu HEU (High-Enriched Uranium), na zacházení s ním jsou kladeny daleko vyšší nároky.

Existují specifické typy malých reaktorů, které potřebují vysoké obohacení. Jde například o některé reaktory na letadlových lodích nebo ponorkách, které potřebují obohacení i okolo 60 %. Ještě specifičtější typy reaktorů, jako jsou ty využívané ve vesmíru, z nich některé potřebují ještě vyšší obohacení. To dosahuje už hodnot považovaných za bombový stupeň obohacení, což je 85 %. Na výrobu jaderné zbraně je potřeba právě takový uran, ještě lépe s obohacením přes 90 %.

Jak je vidět, pro palivo pro běžné reaktory, například ty, které má Írán v Búšehru i pro běžné školní a výzkumné reaktory stačí nízko obohacený uran. Specifická zařízení potřebující vyšší obohacení Írán s největší pravděpodobností realizovat neplánuje. Je tak naopak vysoce pravděpodobné, že obohacování přes 20 % až na 60 % a dokonce až přes 80 % je cílené na získání jaderné zbraně.

Jak bylo zmíněno, existuje několik metod, jak obohacovat uran. V projektu Manhattan byla využita difuze. Nyní se mnohem více využívají odstředivky (centrifugy). Zde se využívá toho, že odstředivá síla působící na těžší izotop uranu je větší a umožňuje tak oddělovat dva izotopy s různou hmotností. Tuto metodu využívá Írán a nakoupil a vyrobil velké množství moderních odstředivek. Problém totiž je, že separace izotopů a tím i obohacování je velmi neefektivní a čím vyšší obohacení, tím je to náročnější. Proto se proces musí opakovat mnohonásobně. To je důvod, proč v íránském podzemí běžel neustále obrovský počet odstředivek.

Ještě bych zmínil, že existují ještě další metody. Jednou z nich je laserová. Každý izotop má trochu jiné hladiny pro buzení laserovým zářením. Laserem tak můžeme excitovat jen jeden z izotopů a pak jej oddělit. Tato metoda se ukazuje být, jako efektivní cesta ke zlevnění obohacování uranu pro elektrárny. Vyžaduje však modernější a náročnější technologie. Cena asi není u vojenských projektu rozhodující a finanční náročnost použité metody obohacování není asi tou podstatnou překážkou, která stojí mezi Íránem a jadernou zbraní.

Je třeba, aby se neopakovaly události v Hirošimě a Nagasaki, na fotografii je atomový hřib nad Nagasaki (zdroj atomicarchive.com)

Pro jadernou elektrárnu s reaktory tlakovodního typu, který jeden funguje a další se staví v íránském Búšehru, stačí obohacení menší než 10 %. Případné školní nebo výzkumné reaktory, které by Írán chtěl realizovat pro svůj jaderný výzkum a vzdělávání vystačí s nízko obohaceným uranem do 20 %. Vyšším obohacováním poměrně jasně směřuje k získání jaderné zbraně. Ta potřebuje obohacení dostatečného množství uranu přes 85 % a spíše i 90 %. To množství je více než 15 kg pro sofistikovanou konstrukci zbraně s velmi vysokým obohacením a s využitím neutronového zrcadla. Pro jednodušší konstrukci bez zrcadla a s horší kvalitou bombového uranu je potřeba 44 kg a více.

Závěr

I v současné době řešíme stejný problém, před který byli postaveni Robert Oppenheimer a jeho současníci po experimentu Trinity. Tedy, jak přežít ve stínu jaderných zbraní. Ty jsou dvojího typu. Strategické jaderné zbraně s extrémní ničivou silou slouží k zastrašení protivníka hrozbou vzájemného úplného zničení. Ty lze použít pouze jednou, a to v principu sebevražedným způsobem. Taktické jaderné zbraně s menší účinností a zvýrazněním či potlačením některých svých účinků, měly umožnit využití jaderných zbraní v „běžném“ vojenském konfliktu.

Technologický vývoj klasických zbraní umožnil realizaci takových, které přivedly k situaci, že v principu každou taktickou jadernou zbraň lze nahradit klasickou. Připomeňme termobarické zbraně, nebo bomby, které použily USA proti podzemním íránským jaderným zařízením. U jaderné taktické zbraně tak zůstává v principu jediná „výhoda“ či „nevýhoda“, jde o psychologický a politický dopad použití jaderné zbraně.

Nejsem politolog, takže následující úvahu berte s rezervou. Podle mého názoru však z těchto vlastností plyne i to, že vlastnictví jaderné zbraně přináší jen velmi omezené výhody v klasických střetech. Je to vidět na současné válce Ruska proti Ukrajině i střetu Izraele s okolními státy a Íránem.

Pro Rusko by mělo smysl použít strategické jaderné zbraně pouze při masivním útoku na území Ruska, Moskvu a snahu nepřítele Rusko obsadit. K tomu se však nikdy Ukrajina či NATO nechystaly a nechystají. Použití taktických jaderných zbraní proti Kyjevu, jak k tomu vyzívají někteří ruští politici, by reálné výhody ve válce přinést nemuselo a mohlo by znamenat, že by se proti Rusku postavilo celé mezinárodní společenství včetně Číny.

To, že se Izrael dokáže ubránit v tak nepřátelském prostředí s tak velkou početní převahou, není dáno jeho vlastnictvím (nedeklarovaným) jaderných zbraní, ale hlavně jeho technickým a vojenským potenciálem v oblasti klasických zbraňových technologií. Je otázkou, jestli by Írán dopadl tak špatně v nedávném střetu, kdyby obrovské finanční a lidské zdroje, které investoval do vývoje jaderných zbraní, věnoval do oblasti klasických technologií.

Vidíme, že se v současné době dostáváme do velmi nejisté a nestabilní doby, a jedním s faktorů, které určí, jestli a jak se nám ji podaří překonat, je i to, jestli dokážeme zabránit použití jaderných zbraní, a jejich nekontrolovanému šíření. I to je symbolem dnešního výročí testu Trinity, nad kterým bychom se měli zamýšlet.

Video: Přednáška o rozdílu mezi filmem Oppenheimer a skutečností