O.S.E.L. - Anatomie jaderné bomby

Plutonium

V minulém článku [1] bylo odhadnuto množství ukrajinského použitelného plutonia 239 na 200 kg. Na rozdíl od ukrajinské zprávy [2,3], bylo uvažováno plutonium vyšší (palivové) kvality získané výběrem z vyhořelého paliva z černobylských reaktorů typu RBMK. Celkové množství vyhořelého paliva z reaktorů RBMK je na Ukrajině okolo 2400 tun. Množství a složení plutonia se v palivu liší podle míry vyhoření, nicméně pohybuje se zpravidla v rozpětí 3-6 ‰ [4]. Půl procenta z 2400 tun odpovídá celkovému množství plutonia 12 tun, z toho je využitelný izotop plutonium-239 v koncentraci 40-80 %, což přibližně odpovídá 7 tunám zmíněným v ukrajinské zprávě. Podle The Times, síla bomb za použití plutonia (nižší reaktorové kvality) by byla desetkrát slabší jak Fat Man a dosahovala by síly o ekvivalentu cca 2 kilotuny TNT.

Krom odstavených Černobylských bloků Ukrajina vlastní Jihoukrajinskou, Chmelnickou a Rovenskou jadernou elektrárnu s reaktory typu VVER [5]. Využití plutonia z Černobylských elektráren se jeví jako pravděpodobnější. Důvody mohou být následující:

Reaktory typu VVER používají obohacenější palivo s vyšší koncentrací uranu-235, umožňují tak větší vyhoření palivových tyčí, a tedy v průměru obsahují vyšší koncentraci nevhodného plutonia-240 ve srovnání s reaktory RBMK.
Jaderné elektrárny s reaktory VVER jsou zpravidla mladší a stále v chodu a jejich vyhořelé palivo může být příliš čerstvé a vysoce radioaktivní.
Ukrajina vyvážela část vyhořelé palivo do Ruska k přepracování [6].

Dělení jaderných zbraní

Existují tři základní designy jaderných zbraní lišící se fyzikálními procesy, které v nich probíhají [7]:

Štěpné zbraně: Jde o původní design, který využíval dvě konfigurace: implozivní typ a projektilový typ.
Termonukleární zbraně: Štěpné reakce jsou posíleny injekcí rychlých neutronů pocházejících z fúzních reakcí, které však mají zanedbatelný příspěvek do celkové energie bomby. Dochází však výrazně efektivnějšímu využití štěpného materiálu.
Vícestupňové termonukleární zbraně Teller-Ulamova designu: První stupeň převážně štěpné zbraně je použit jako rozbuška pro druhý případně třetí stupeň založený z velké části na jaderné fúzi.

Někdy se používají termíny jako (atomové) A-bomby, nebo (vodíkové) H-bomby. To může být zavádějící, protože energie A-bomb se uvolňuje z jader a v případě termonukleárních bomb bývá často energetický výtěžek ze štěpení větší jak z fúze jader vodíku.

Štěpné zbraně

Fat Man (viz obr. 1) byla plutoniová bomba implozivního typu o síle 21 kilotun TNT svržená 9. srpna 1945 na japonské město Nagasaki [8].

Obr. 1: Replika atomové bomby Fat Man. Zdroj: Wikipedie, veřejná doména [8]

První bomba tohoto typu, Gadget „udělátko“, byla vyzkoušena jen o 24 dní dříve 16. července 1945 v jaderném testu Trinity. Stejný typ bomby byl také použit pro první Sovětský jaderný test RDS-1 (přezdívaný Američany Joe-1), který byl Sověty okopírován pomocí špionáže. Byť byly všechny tři bomby stejného typu, lišili se v jemných detailech a jejich uvolněná energie byla mírně odlišná.

Pro konstrukci bomb byl původně uvažován projektilový typ jaderné zbraně (gun type – Little boy), kdy je část štěpného materiálu vystřelena proti druhé části. Tento typ je však velmi citlivý na spontánní (samovolné) štěpení. Stačí pouze jeden předčasný spontánní rozpad, který nastartuje řetězovou reakci a bomba může explodovat před dosáhnutím ideální konfigurace v takzvané pre-detonaci (viz obr. 2) s výrazně nižším destrukčním účinkem (Fizzle exploze) [9,10].

Obr. 2: Pre-detonace a následná fizzle exploze projektilového typu jaderné bomby. Zdroj: Wikipedia, veřejná doména [9]

Plutonium získané z jaderných reaktorů obsahuje izotop 240, který se s nenulovou pravděpodobností spontánně (samovolně) rozpadá a uvolňuje neutrony, a proto jej nelze pro tento typ zbraně použít. Z tohoto důvodu jsou plutoniové jaderné zbraně implozivního typu.

Detonační vlna

Pro zahájení štěpné řetězové reakce plutoniové bomby je potřeba stlačit objem štěpného materiálu do superkritické hustoty. V případě bomby Fat Man bylo 6.15 kg plutonia (odpovídající 41 % kritické hmotnosti delta fáze plutonia z celkových 16 kg [7]) stlačeno do dvojnásobné hustoty, která odpovídá hustotě plutonia za pokojové teploty a tlaku [8]. Plutonium se stlačuje pomocí výbuchu přesně nastavených výbušnin. Aby toho bylo možné dosáhnout, musí být výbuch sféricky symetrický s odchylkou řádově desetin milimetru. Při pohybu detonační vlny rychlostí 5-9 km/s činí časová odchylka řádově desítky nanosekund [11]. Pro úspěšnou iniciaci výbuchu v rámci projektu Manhattan byly vyvinuty speciální rozbušky (viz obr. 3), které byly schopny odpálit všech 32 výbušných dílů v jeden okamžik s variací ±10 ns. Vyvážení rozbušek tohoto typu je v USA přísně regulováno.

Obr. 3: Rozbušky instalované na první atomovou bombu Gadget. Zdroj: Wikipedie, veřejná doména [12]

Po odpálení se detonační vlna šíří směrem od rozbušky sféricky rozbíhavě. Pro přeměnu sféricky rozbíhavé detonační vlny do sféricky sbíhavé je potřeba použít detonační čočky o tvaru rotačního paraboloidu [13] (viz obr. 4). Detonační čočky pracují, stejně jako optické čočky, na principu šíření vlny po časově nejkratší dráze. Detonační čočky se skládají ze dvou různých typů trhavin s různými rychlostmi šíření detonační vlny. Pro bombu Fat Man byly použity trhaviny Baratol (pomalá výbušnina - 4.9 km/s) a Kompozice B (rychlá výbušnina - 8.75 km/s) na bázi TNT a hexogenu [14,15]. Pod detonačními čočkami se nacházela druhá vrstva výbušnin, jež dále posilovala sférickou vlnu [16]. Pro bombu Fat man byly použity celkem 3 tuny trhavin [17]. Se zmenšujícím se poloměrem výbušné vlny roste hustota energie vlivem konvergence rychleji jak vlivem samotné trhaviny a od jistého poloměru trhavina již dále k nárustu hustoty energie nepřispívá. Pod výbušninami se nacházela 12 cm tlustá vrstva hliníku o hmotnosti 130 kg (pusher), jež měla za úkol zpomalit a vyhladit výbušnou vlnu a přemostit ji z nízko hustotního materiálu výbušniny do vysoko hustotního štěpného materiálu [7,8].

Obr. 4: Průběh a tvar detonační vlny. V hnědé oblasti se detonační vlna šíří vyšší rychlostí jak v oblasti růžové. Zdroj: Wikipedia. Howard Morland. [8]

Jádro

Plutoniové jadérko (plutonium pit) bomby Fat man o průměru 9.17 cm s centrální dutinou o průměru 2.1 cm mělo hmotnost 6.15 kg [16]. Tato hmotnost je podkritická, avšak ve chvíli maximálního stlačení přesahovala kritickou hmotnost 3-4krát. To je dáno tím, že kritická hmotnost m je nepřímo úměrná kvadrátu hustoty ρ. Kritická hmotnost a hustota společně tvoří veličinu kritičnost Σ, což je charakteristická vlastnost štěpných materiálů a její fyzikální rozměr odpovídá plošné hustotě [18]:

Σ = ρ^2/3m^1/3.

Pro plutonium-239 je kritičnost 320 kg/m² a pro uran-235 je 550 kg/m².

Plutonium je vysoce korozivní kov, a proto byl povrch plutonia v případě bomby Fat man potažen niklem, který zabraňoval korozi plutonia [19]. Dřívější návrh (Gadget) potahoval plutonium stříbrem, pozdější návrhy atomových zbraní potahovali zlatem. Plutoniová koule se skládala ze dvou polokoulí s dutinou pro vložení neutronového iniciátoru (viz obr. 4, 5). Mezi hemisférami se nacházela tenká vrstva zlata (0.1 mm). Ta zabraňovala předčasnému proniknutí detonační vlny štěrbinou mezi hemisférami k neutronovému iniciátoru.

Obr. 5: Průřez bomby typu Fat man. A) Detonátor, B) Rychlá výbušnina (Komp. B), C) Pomalá výbušnina (Baratol), D) Vnitřní vrstva výbušnin, E) Hliníková zástrčka, F) Hliníkový pusher, G) Uranová zástrčka, H) Plutoniové jádro, I) Korková výplň, J) Duralový obal, K) Hliníkové svorníky, L) Iniciátor, M) Uranová sféra (manipulátor-tamper), N) Borová slupka, O) Plstěná výplň. Zdroj: Wikipedia, CC BY-SA 3.0 [8]

Uvnitř centrální dutiny se nacházel neutronový iniciátor (ježovka-urchin) o průměru 2 cm [20]. Iniciátor se skládal z beryliové skořepiny s drážkami a centrální beryliové koule. Mez nimi se nacházelo 11 mg polonia-210. Polonium je intenzivním zdrojem alfa částic a beryllium-9 po absorpci alfa částice za vzniku uhlíku emituje neutrony [21]:

Proto bylo beryllium potaženo tenkou vrstvou niklu a zlata, která bránila proniknutí alfa částic k berylliu od polonia a plutonia (viz obr. 6). Ve chvíli dosažení detonační vlny k iniciátoru drážky v berylliu způsobily nesférickou implozi, promíchání polonia s berylliem a uvolnění neutronů do superkriticky stlačeného plutonia. Krátký poločas rozpadu polonia (238 dní) zapříčiňuje nízkou trvanlivost iniciátoru, který bylo nutné po čtyřech měsících obnovit.

Obr. 6: Urchin (ježovka). Zdroj: A Nuclear History Blog, Alex Wellerstein [22]

Okolo plutoniového jádra se nacházela 6.56 cm tlustá vrstva přírodního uranu (především uran-238) o hmotnosti 108 kg (manipulátor-tamper) [16,23]. Manipulátor dohromady s plutoniem a iniciátorem tvořily jádro bomby (pit assembly). Manipulátor se skládal ze sféry s vyříznutým válcem a z dvou polo válcových zástrček, mezi které se vložilo plutoniové jadérko (viz obr. 7, 8). Přírodní uran chránil plutonium před vnějšími neutrony, po průchodu detonační vlny svou setrvačností efektivněji stlačoval plutonium pod ním, tím bránil jeho expanzi, kterou zbrzdil v řádu stovek nanosekund [7]. Během řetězové reakce částečně odrážel neutrony zpět směrem k plutoniu a zvyšoval energii exploze vlastními štěpnými reakcemi po absorpci neutronů vylétajících z plutonia, kde až 30 % (6 kT TNT) energie bomby pocházela ze štěpení přírodního uranu. Uranu se takto rozštěpilo okolo 350 g, tedy cca. 0.3 % celkového množství manipulátoru [23,24].

Obr. 7: Prostorová geometrie jádra bomby typu Fat man. Na obrázku je zdůrazněný válec uranového manipulátoru, do kterého se vložilo plutoniové jadérko. Zdroj: A Nuclear History Blog https://blog.nuclearsecrecy.com/2014/11/10/fat-mans-uranium/ Alex Wellerstein [24]

Obr. 8: Fotografie uranového manipulátoru: sféra s vyříznutým válcem (vpravo nahoře), uranový válec obsahující plutoniové jadérko (uprostřed). Zdroj: A Nuclear History Blog. https://blog.nuclearsecrecy.com/2014/11/10/fat-mans-uranium/ Alex Wellerstein [24]

Na vnějším povrchu uranového manipulátoru se nacházela tenká vrstva (3.2 mm) plastu smíchaného s obohaceným borem-10, která fungovala jako absorbér neutronů zpomalených a odražených od atomů vodíku nacházejících se ve výbušninách okolo vnitřní části bomby [16]. Výbušnina s atomy vodíku by mohla fungovat jako moderátor zpomalující neutrony a posilující štěpení jader uranu. To by bylo před odpálením bomby nežádoucí a mohlo by způsobit pre-detonaci, proto bylo potřeba zpomalené neutrony odstranit.

Beryliová neutronová zrcadla

V moderních bombách je hliníkový pusher, borový absorbér a uranový manipulátor nahrazen neutronovými zrcadly z lehkého beryllia [7]. Beryllium funguje jako přemosťovač detonační vlny mezi výbušninou a plutoniem. Vzhledem ke sníženým nárokům na dobu udržení plutonia v nadkritickém stavu u moderních zbraní, beryllium slouží i jako manipulátor, který stlačuje plutonium během průchodu detonační vlny. A v neposlední řadě nahrazuje uran jako reflektor vylétajících neutronů zpět do plutoniového jadérka. Pakliže je energie neutronů nižší jak 1.9 MeV, beryllium odebere neutronům část kinetické energie a změní jejich trajektorii. Funguje do jisté míry i jako moderátor. Pro vyšší neutronové energie může dojít k uvolnění dalšího neutronu, kde je počet neutronů po reakci s berylliem dvojnásobný [21]:

To výrazně snižuje nároky na kritickou hmotnost štěpného plutonia a celé bomby. Uvádí se, že moderní bomby se skládají pouze z 3.5-4.5 kg plutonia, 5-6 kg beryllia a přibližně 20 kg výbušniny [25]. Mezi beryllium a plutonium se vkládá tenká kovová vrstva stínící beryllium před alfa částicemi [19]. Jak bylo uvedeno výše, jádro beryllia-9 při srážce s alfa částicí emituje neutron [21], který by mohl přispívat k pre-detonaci.

Minimalizace hmotnosti jaderné nálože a eliminace většího množství prvků těžších jak kyslík jsou nutné pro vícestupňové termonukleární zbraně, kde je potřeba, aby se vnější vrstvy zcela ionizovaly a umožnily volný průchod rentgenového záření ke stupni druhému. Z tohoto důvodu je v případě vícestupňových jaderných zbraních výbušnina Baratol, obsahující těžké baryum, nahrazena výbušninou z Boracitolu [25].

Poznamenejme, že jedním ze států, kde se relativně vzácný prvek beryllium nachází, je právě Ukrajina [26].

Strukturní formy plutonia

Alotropie je schopnost materiálů vyskytovat se v různých strukturních formách lišící se typem krystalové soustavy [27]. Čisté plutonium přechází mezi několika alotropy v závislosti na teplotě (viz obr. 9) [28].

Obr. 9: Alotropie plutonia při pokojovém tlaku. Zdroj: Wikipedie, veřejná doména [28]

Při pokojové teplotě je čisté plutonium ve fázi alfa, která zaujímá ze všech fází nejmenší objem. Fáze alfa má nevýhodu, že je křehká, praská a při zahřátí přechází do fáze beta. Při odlévání a následném ochlazování čistého plutonia prochází materiál všemi fázemi s rozdílným objemem, což způsobuje jeho deformaci. Z tohoto důvodu plutonium v alfa fázi není vhodné pro manipulaci, natož zpracování a výrobu hemisfér pro plutoniové jadérko. Proto se do plutonia přimíchává malé množství galia (3-3.5% molární hmotnosti, 0.8-1.0 % hmotnosti). Galium stabilizuje plutonium ve fázi delta pro široký rozsah teplot (-75° - 475 °C) [29]. Fáze delta s příměsí galia vykazuje nízkou míru teplotní roztažnosti, 4 % korozívnosti čistého plutonia (které je jinak velmi reaktivní), je kujné a dobře se lisuje za horka při teplotě 400 °C a tlaku 200 MPa do požadovaných tvarů. Při lití prochází plutonium s příměsí galia pouze jednou fázovou změnou mezi epsilon a delta oproti čistému plutoniu, které prochází čtyřmi fázovými změnami. Galium je navíc vhodné z toho důvodu, že neabsorbuje neutrony a tím netlumí řetězovou reakci. Po průchodu detonační vlny se jadérko stlačí a plutonium přejde z fáze delta do hustší fáze alfa. Plutonium-239 v prvních bombách bylo extrémně čisté a dosahovalo čistoty 96 %, zbytek připadal právě na galium (3 %) a plutonium-240 (1%) [16].

Zvýšení účinnosti štěpných zbraní

Implozivní typ jaderných bomb se nakonec ukázal jako výhodnější konstrukce a prakticky všechny moderní typy jaderných zbraní využívají tento design. Iniciace urchinem použitým v prvních bombách se již dnes v atomových zbraních nevyužívá. Během kritické mikrosekundy [10] byl beryllium-poloniový iniciátor schopen uvolnit pouze cca 100 neutronů [20] s tím, že průměrná doba opakování štěpné reakce je 10 ns [30]. Během mikrosekundy proběhne cca 100 generací štěpení a celkový počet uvolněných neutronů musí narůst do množství řádově odpovídajícímu počtů atomů plutonia. Z tohoto pohledu je výhodnějším štěpným materiálem plutonium oproti uranu, protože na jednu štěpnou reakci plutonium emituje v průměru o půl neutronu více jak uran. Průměrná výtěžnost štěpných reakcí uranu a plutonia je následující [10]:

V moderních jaderných zbraních urchin nahradily externí pulzní neutronové zdroje (viz obr. 10) [31]. Neuronové zdroje se skládají z urychlovače částic a terčíku. Urychlovač urychlí ionty deuteria na kovový terčík obsahující tritium [32]. Fúze izotopů vodíku doprovází uvolnění vysokoenergetických neutronů, které zahájí štěpnou reakci. Neutrony vytvořené fúzí si zachovají část hybnosti urychleného deuteria a lze je v omezené míře orientovat směrem do plutoniového jadérka. Tato metoda umožňuje efektivnější načasování zahájení štěpné reakce ve chvíli ideální konfigurace [7].

Obr. 10: Schéma Teller-Ulamova designu prvního stupně dvoustupňové termonukleární zbraně s vnějším zdrojem neutronů (D-T Neutron Beam Generator). Zdroj: https://nuclearweaponarchive.org/Library/Brown/ Richard K. Brown [33]

Pro další zvýšení účinnosti štěpných zbraní lze přidat mezi uranový manipulátor a plutoniové jadérko vakuovou vrstvu. Ta umožní manipulátoru náraz na jadérko s větší razancí a tím prudší stlačení plutonia.

Dalším konstrukčním vylepšením je design s dutým plutoniovým jadérkem (viz obr. 11). Během imploze je část hybnosti přenesena na plutoniové jadérko, a to je schopné následně dosáhnout větších hustot. Tento design umožňuje redukci výbušniny, manipulátoru a eliminaci pusheru [7].

Obr. 11: Návrh švédské jaderné zbraně z roku 1956 využívající duté plutoniové jadérko. Zdroj: Wikipedie, veřejná doména [34]

Na obrázku 11 je vidět dvoubodový design iniciace detonační vlny. Detonační čočky s pomalou výbušninou zde zobrazeny nejsou, byť přítomny být musí. Aby čočky pokryly celou sféru, musí být tvar výbušniny mnohem více protáhnutý, než jak je zobrazeno na obrázku. Pomalá výbušnina může být v odlehčené verzi nahrazena systémem kovových plátů, který je explozí tlačen prázdným prostorem (viz obr. 12).

Obr. 12: SWAN zařízení. Zdroj: Wikipedie, veřejná doména [7]

Termonukleární zbraně

I se správným načasováním zahájení štěpné reakce se pohybuje maximální účinnost jaderné bomby vzhledem k využití štěpného materiálu okolo 20 % (13 % v případě bomby Fat man bez započtení uranového manipulátoru) [17]. Z důvodu uvolnění extrémního množství energie hustota štěpného materiálu rychle klesne na podkritickou úroveň, řetězová reakce utichne a zbylé plutonium se rozletí do okolí bez využití. Pro zvýšení účinnosti se používá boosting (viz obr. 13). Těsně před detonací se do prostoru uvnitř plutoniového jadérka (různé designy mohou vyžívat jiné umístění) vstříkne směs deuteria a tritia (těžší izotopy vodíku). Ty je nutné skladovat mimo jadérko, protože vodík se chemicky váže na plutonium za vzniku hydrogenu, navíc se tritium beta rozpadem přeměňuje na He-3, které absorbuje neutrony a tím tlumí štěpnou reakci. Proto je potřeba tritium před použitím od helia vyčistit.

Obr. 13: Typická konfigurace boostované atomové bomby. Zdroj: https://engage.aps.org/fps/resources/newsletters/newsletter-archives/october-2024 Daniel L. Jassby [35]

Ve chvíli, kdy štěpná reakce uvolní dostatečné množství energie, řádově stovky tun TNT [9,17], zahřeje deuterium-tritiovou směs na teplotu 20-30 milionů kelvinů [36]. Následně se spustí fúzní reakce, při které vzniká helium a vysokoenergetický neutron (viz obr. 14.). Tento děj je extrémně rychlý, cca. 10 ns, a vysoce účinný, během reakce je využito více jak ¾ deuterio-tritiového paliva [37].

Obr. 14: Fúze deuteria a tritia a uvolnění vysokoenergetického neutronu. Zdroj: Wikipedie, veřejná doména [38]

Fúzní neutrony mají sedmkrát větší energii (14 MeV [38]) jak neutrony vzniklé při štěpení (v průměru 2 MeV [39]). To má následující výhody:

Fúzní neutrony mají větší účinný průřez jak štěpné neutrony.
Štěpná reakce iniciovaná fúzními neutrony uvolňuje více neutronů, než reakce iniciovaná štěpnými neutrony (4.6 vs. 2.9).
Fúzní neutrony jsou rychlejší a dříve se srazí.
Fúzní neutrony, na rozdíl od štěpných, i po opakovaném rozptylu (pružné srážce) a následné ztrátě energie, dokážou štěpit sudý izotop uranu-238 (viz obr. 15) a plutonia-240 (viz obr. 16) [40,41].

Díky tomu je čas potřebný na zdvojnásobení počtů štěpných reakcí až 8krát kratší [36].

Obr. 15: Účinný neutronový průřez pro štěpení uranu-235, -238 a plutonia-239. Rychlé neutrony jsou schopny štěpit uran-238. Zdroj: Alex Wellerstein [40]

Obr. 16: Srovnání štěpného a zářivého účinného průřezu plutonia-240. Při zářivé deexcitaci je namísto štěpení emitován gama foton. Rychlé neutrony jsou schopny štěpit plutonium-240 s větší pravděpodobností. Zdroj: JANIS (Java-based Nuclear Data Information Software); ENDF/B-VII.1 [41]

##seznam_reklama##

Uvažujme iluzorní příklad fúzní reakce 1 molu deuteria a 1 molu tritia, kde vodíkové palivo má hmotnost 5 gramů, což bývá typické množství u některých typů termonukleárních zbraní. Fúze D-T je 100x rychlejší jak fúze D-D, proto je reakce D-D oproti D-T zanedbatelná [42]. Při fúzi 1 molu deuteria a 1 molu tritia se uvolní 1 mol neutronů. Při nerealistické 100 % efektivitě procesu, 1 mol neutronů štěpí 1 mol plutonia o hmotnosti 239 gramů a uvolňuje se 4.6 molů neutronů, který dále štěpí 4.6 molů plutonia. Během těchto dvou generací se rozštěpí 5.6 molů plutonia, což odpovídá štěpení 1.3 kg plutonia a uvolnění energie o ekvivalentu 23 kT TNT [17]. To je více uvolněné energie než při explozi bomby Fat man. Přestože reálná reakce má mnohem nižší efektivitu procesu, je urychlení štěpení pomocí boosteru enormní.

Použití boosteru zkracuje dobu nutnou pro existenci nadkritického množství štěpného materiálu. Hmotnost plutoniového jadérka je možné s tímto designem redukovat na přibližně polovinu při zachování energetické výtěžnosti. Protože plutoniové jadérko není potřeba stlačovat v takové míře a po tak dlouhou dobu, uranový manipulátor může být nahrazen beryliovým neutronovým zrcadlem. Redukce hmotnosti umožňuje použití menšího množství výbušnin a vynechání hliníkového pusheru. To umožňuje redukci celkové hmotnosti bomby ze tří tun u zbraní typu Fat man na hmotnosti necelých 50 kg u zbraní typu Swan [7]. Protože se fúzní reakce spouští již při malé energii odpovídající stovkám tun TNT, eliminuje se možnost pre-detonace způsobená neutrony uvolněných při samovolném štěpení plutonia-240 případně z jiných zdrojů [17,37,43]. Tím výrazně klesá náročnost na čistotu plutonia-239. Prakticky všechny dnešní moderní jaderné zbraně používají booster. Jednoduchou modulací množství fúzního paliva lze měnit sílu bomby bez nutné změny designu, přičemž samotná fúze přispívá přibližně jedním procentem k celkově uvolněné energii. Používání boosteru zapříčinilo řádové navýšení uvolněné energie u bomb používaných ve 40. letech a 50. letech z desítek kT TNT na stovky kT TNT [17].

Slabší plutoniové boostované termonukleární zbraně o síle cca 40 kilotun TNT vyzkoušela Indie a Pakistán [44,45]. Indie oficiálně tvrdí, že je schopna použít zbraně o ekvivalentu 200 kilotun TNT.

Vícestupňové termonukleární zbraně

Štěpně jaderné zbraně uvolňují energii zpravidla o ekvivalentu desítek kilotun TNT, silnější termonukleární stovek kilotun TNT, dvoustupňové termonukleární jednotky megatun TNT a třístupňové desítky megatun TNT. Nejsilnější testovaná třístupňová Car bomba o síle 50 megatun TNT byla tak absurdně ničivá, že zvedla vlnu mezinárodní nevole, jež vedla k dohodám mezi mocnostmi o omezení jaderných zbraní [46]. U vícestupňových termonukleárních zbraní slouží štěpná zbraň s boostingem jako první stupeň, který zažehne druhý stupeň, jež uvolní výrazně vyšší energii. Teller-Ulamův dvoustupňový termonukleární design nese jméno fyziků, kteří jej v 50 letech 20 století vyvinuli [47]. Druhý stupeň může mít řadu rozličných designů (viz obr. 17, 18).

Obr. 17: Jednoduchý návrh designu Teller-Ulamovy dvoustupňové termonukleární bomby. Zdroj: Nuclear Weapon Archive [42]

Obr. 18: Podrobnější schéma Teller-Ulamova designu dvoustupňové termonukleární zbraně. Zdroj: Richard K. Brown [33]

Základní (původní) typ druhého stupně termonukleární zbraně je tvořen centrální zapalovací svíčkou (spark plug) ze štěpného materiálu (plutonium-239/uran-235) o tvaru dutého válce. Kolem zapalovací svíčky se nachází válec deuteridu lithného LiD a okolo něj je válec manipulátoru z uranu. Manipulátor může být dle designu z uranu-235, uranu-238, nebo přírodního uranu. Prostor nad manipulátorem je vyplněn polystyrenovou pěnou nebo aerogelem, který propouští rentgenové záření. Celé zařízení se nachází uvnitř hohlraumu, rentgenového zrcadla z pozlaceného uranu chráněného proti ablačnímu tlaku plastem (viz obr. 19) [47,48].

Obr. 19: Jeden z mála zveřejněných designů, byť s nejistým původním zdrojem, zobrazující střední sekci dvoustupňové termonukleární zbraně. Zdroj: The proceedings of the Cardozo Law School Symposium on The Progressive Case were published in Cardozo Law Review, Vol 26, No 4, [49]

První stupeň se během exploze zahřeje na extrémně vysokou teplotu, přibližně 100 miliónů kelvinů, a tím emituje velké množství rentgenového záření. Toto záření se pohybuje rychlostí světla a předběhne úlomky šířící se od prvního stupně, které nestihnou rozmetat druhý stupeň. Záření prochází polystyrenovou pěnou, kterou zahřívá, odráží se od rentgenových zrcadel hohlraumu a dopadá na povrch druhého stupně. Vnější vrstvy druhého stupně se odpařují a odlétají směrem od druhého stupně, což vytváří zpětný ráz, ablační tlak. Ablační tlak působící na hohlraum je mnohem slabší, protože plast chránící hohlraum má mnohem nižší hustotu jak povrch druhého stupně, a tedy vytváří výrazně slabší ráz. Druhý stupeň pod tlakem rentgenového záření, polystyrenové plazmy a ablačního tlaku imploduje. Poté, co je centrální zapalovací svíčka ze štěpného materiálu stlačena na nadkritickou úroveň, zažehne se řetězová štěpná reakce. Produkty ze štěpení zahřejí fúzní palivo z deuteridu lithného na 300 miliónů kelvinů [47]. Štěpné reakce uvolní velké množství neutronů. Ty štěpí lithium-6 na tritium a helium-4 v exotermické reakci, kde se uvolní 4.8 MeV energie [50].

Tritium uvolněné štěpením lithia reaguje s deuteriem za vzniku helia-4 a rychlého neutronu. Rychlé neutrony pak dále štěpí uran v manipulátoru, případně zbytky plutonia v zapalovací svíčce (viz obr. 20.). Ze štěpení, nikoli fúze, pak zpravidla pochází většina uvolněné energie. Ve standardních dvoustupňových zbraních se štěpením uranu a plutonia uvolní mezi 50-75 % veškeré uvolněné energie [51].

Obr. 20: Průběh exploze dvoustupňové termonukleární zbraně. Zdroj: https://www.britannica.com/technology/thermonuclear-bomb [51]

Výhodou tohoto designu je používání deuteridu lithného jako zdroje deuteria a tritia. Deuterid lithný má při pokojové teplotě a tlaku pevné skupenství a zabírá výrazně menší objem než plynný vodík, a navíc nevyžaduje kryogenní zařízení, které bylo použito na zkapalněné deuterium v případě jaderného testu Ivy Mike [52]. V přírodním lithiu je většina izotopů lithia-7 (92.5 %) a pouze 7.5 % odpovídá lithiu-6. Proto bylo lithium pro jaderný test Castle Bravo v roce 1954 obohaceno na koncentraci 35 % lithia-6 (viz obr. 21). Předpokládaná uvolněná energie měla odpovídat ekvivalentu 4-8 megatunám TNT [53]. Nakonec síla výbuchu odpovídala 15 megatunám TNT a výbuch se tak stal nesilnějším americkým jaderným pokusem. Trojnásobné navýšení síly exploze bylo způsobeno endotermním (kde se pohltí 2.5 MeV) štěpením lithia-7 neutronem na helium-4, tritium a neutron [50]:

Pro fúzní reakci pak bylo využito tritium produkované jak z lithia-6, tak lithia-7. Vysokoenergetické neutrony uvolněné z fúzní reakce pak štěpily uranový manipulátor, od kterého pocházely 2/3 veškeré uvolněné energie [53].

Obr. 21: Zařízení Castle Bravo. Zdroj: Wikipedie, veřejná doména [7]

Princip, kdy energie uvolněná z prvního stupně stlačí a zažehne stupeň druhý, se může opakovat. Tímto způsobem může být vyvinutá zbraň libovolné síly. Prakticky všechny silnější jaderné zbraně jsou vícestupňové termonukleární zbraně kombinující fúzní a štěpné procesy. To kontrastuje se silnějšími jednostupňovými štěpnými zařízeními, které jsou omezeny složitější konfigurací pro udržení pod kritické hustoty v případě většího množství štěpného materiálu a zabránění pre-detonace [54].

Extrémně silné a těžké termonukleární zbraně jsou neefektivní pro přepravu na místo určení. Proto se USA v pozdějších letech rozhodla miniaturizovat termonukleární dvoustupňové zbraně tak, aby bylo možné je umístit do raketových hlavic (viz obr. 22).

Obr. 22: Miniaturizace dvoustupňových termonukleárních zbraní. Zdroj: Britannica. [51]

Jako příklad miniaturizované moderní dvoustupňové termonukleární bomby může sloužit hlavice W80 vyvinutá na přelomu 70-80 let o ekvivalentu 5, nebo 150 kilotun TNT a hmotnosti 130 kg (viz obr. 23) [55,56]. Celkově bylo do roku 1990 vyrobeno 1750 kusů W80-1 pro střely ALCM a ACM a 367 kusů W80-0 určených pro střely Tomahowk. Tento design se s drobnými obměnami používá dodnes.

Obr. 23: Nákres pravděpodobného designu jaderné hlavice W80-1. Zdroj: Reddit [57]

Obr. 24: Model časovače roznětky. Zdroj: John Coster-Mullen, Chuck Hansen a Richard Rhodes. Kredit: Petr Ivanov

Závěr

Potenciální ukrajinská plutoniová bomba by byla implozivním typem jaderné zbraně. Lze předpokládat, že pro iniciaci štěpení by nebyla použita směs beryllia s radioaktivním a obtížně získatelným poloniem, ale byl by využitý vnější neutronový zdroj. Pokud by byl použit deuterium-tritiový booster pro posílení výtěžku zbraně a potlačení vlivu pre-detonace, která by s tak nízkou kvalitou reaktorového plutonia velmi pravděpodobně nastala, pak by patrně výtěžek zbraně mohl výrazně převýšit deklarované dvě kilotuny TNT, které stačí pro zahájení fúzních reakcí boosteru. Posílení fúzí a pokročilejší design s menším množstvím iniciační výbušniny by Ukrajině umožnil využít dostupné nosiče vlastní výroby. Nutno však podotknout, že postavit jadernou bombu bez infrastruktury i s veškerými znalostmi Sovětského svazu by byl za současné situace velice obtížně realizovatelný úkol.

Poznámky autora

Jak bylo uvedeno výše, pokud je pro nastartování štěpné reakce použit vnější zdroj neutronů zároveň s boosterem, není potřeba vysoká náročnost na čistotu plutonia. Nepodařilo se mi však dohledat, jaká je minimální použitelná čistota plutonia. Je pravděpodobné, že jaderné státy tuto informaci nezveřejnily. Použití boosteru by vysvětlovalo, proč Ukrajina uvádí, že je schopna vyrobit bombu z reaktorového plutonia, aniž by byla nucena vybírat vyhořelé palivové tyče s vysokým obsahem plutonia-239 [1]. Pak ale není jasné, proč by síla takové bomby byla pouze 2 kT TNT. Tato energie je plně dostatečná k zahájení fúzní reakce deuteria a tritia a následnému plnému využití štěpného materiálu.

Design používaných zbraní se v čase měnil a uváděné technické parametry nelze aplikovat na všechny jaderné zbraně. Přestože jsou všechny klíčové informace citovány, autoři těchto zdrojů připouštějí, že jejich znalosti nejsou kompletní a mnohdy jsou jejich tvrzení spekulativní. Detaily technologií jaderných zbraní podléhají nejpřísnějšímu utajení. Navíc při odtajňování některých údajů mohly být skutečné parametry záměrně pozměněny.

Zdroje

[1] https://www.osel.cz/13777-mohou-ukrajinci-vyvinout-atomovou-bombu.html

[2] https://www.thetimes.com/world/russia-ukraine-war/article/zelensky-nuclear-weapons-bomb-0ddjrs5hw

[3] https://www.novinky.cz/clanek/valka-na-ukrajine-ukrajina-muze-jadernou-bombu-vyrobit-v-radu-mesicu-tvrdi-dokument-40497219

[4] https://link.springer.com/article/10.1134/S1066362208040152

[5] https://cs.wikipedia.org/wiki/Jadern%C3%A1_energetika_na_Ukrajin%C4%9B

[6] https://www.osel.cz/11471-prvni-kontejner-zavezen-do-sucheho-uloziste-isf-2-v-cernobylu.html

[7] https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapon_design

[8] https://en.wikipedia.org/wiki/Fat_Man

[9] https://en.wikipedia.org/wiki/Fizzle_(nuclear_explosion)

[10] https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_chain_reaction#Predetonation

[11] https://en.wikipedia.org/wiki/Exploding-bridgewire_detonator