BOMBA ATOMOWA
Wydaje się, iż w zasadzie zbudowanie bomby atomowej nie
powinno stwarzać większego problemu. Jest to jednak
pogląd mylny, tak na prawdę nie wystarczy tylko trochę
uranu, czy innego materiału rozszczepialnego, i szczere (?!)
chęci. Oto elementarne prawa, które naukowcy musieli wziąć
pod uwagę i rozwiązać przy konstruowaniu broni opierającej
się o procesy rozszczepienia:
1) przed detonacją materiał rozszczepialny musi być
przechowywany w postaci podkrytycznej
2) podczas łączenia materiału rozszczepialnego w masę
krytyczną należy chronić go przed promieniowaniem
neutronowym
3) należy zbombardować masę (nad)krytyczną neutronami w
najbardziej optymalnym momencie
4) nie wolno dopuścić do wybuchu materiału rozszczepialnego
dopóki rozszczepienie się nie zakończy.
Rozwiązanie pierwszych trzech problemów utrudnia
obecność naturalnie występujących neutronów. Chociaż
promieniowanie kosmiczne generuje małą ilość neutronów,
prawie wszystkie z nich dają początek samoistnemu
rozszczepieniu. Ponadto jądra materiału rozszczepialnego
ulegają okresowo samoistnemu rozszczepieniu bez udziału
neutronów zewnętrznych. Oznacza to, że sam materiał
rozszczepialny emituje pewną ilość neutronów.
Otrzymywanie masy krytycznej
Kluczem do spełnienia dwóch pierwszych warunków jest fakt,
iż masa krytyczna (lub nadkrytyczna) materiału
rozszczepialnego jest odwrotnie proporcjonalna do
kwadratu jego gęstości.
Dwa główne procesy wykorzystujące te zjawisko to: implozja
i tzw. działo. Implozja jest bardzo szybkim i skutecznym
procesem, wymaga jednak dużej dokładności. Działo
natomiast jest dużo wolniejsze, mniej jednak skomplikowane.
Implozja
Proces ten polega na kompresji kulistego (czasami
cylindrycznego) materiału podkrytycznego poprzez
specjalnie przeznaczonych silnych eksplozji. Implozja działa
przez inicjację detonacji materiałów wybuchowych
znajdujących się na zewnętrznej stronie, w ten sposób, iż
fala wybuchu przesuwa się do wewnątrz. Ostrożne
zaprojektowanie pozwala na uzyskanie gładkiej,
symetrycznej fali. Fala ta jest przenoszona do rdzenia
rozszczepialnego i kompresuje go, podnosząc gęstość do
punktu (nad)krytycznego.
Implozja może być użyta zarówno do kompresji
jednorodnego rdzenia materiału rozszczepialnego, jak i
rdzenia wydrążonego, w którym materiał rozszczepialny
tworzy skorupę. Lite metale są kompresowane przez potężną
falę wybuchu. Wysoko wydajny wybuch może stworzyć falę
implozyjną podnoszącą ciśnienie do jednego megabara (milion
atmosfer). Może zatem zbliżyć atomy bliżej siebie
zwiększając gęstość dwukrotnie lub nawet więcej
(teoretycznie granicą fali implozyjnej w próżni jest
czterokrotna kompresja, praktycznie granica ta jest zawsze
niższa).
Dwukrotna kompresja (czyli taka, która zwiększa gęstość
dwukrotnie) może zbliżyć drobną masę podkrytyczną do
prawie czterokrotnej masy krytycznej. Pierwszymi bombami
korzystającymi z implozji był Gadget, pierwsza bomba jaką
kiedykolwiek testowano, i Fatman, bomba atomowa zrzucona
na Nagasaki.
Jest jeszcze jeden ważny efekt kompresji. Zwiększenie
gęstości redukuje średnią swobodną ścieżkę neutronów
(czyli przeciętną drogę, jaką muszą przebyć neutrony zanim
zostaną przyciągnięte przez jądro), która jest odwrotnie
proporcjonalna do gęstości. To z kolei zmniejsza czas, jaki
jest potrzebny na całą reakcję, zwiększając tym samym ilość
materiału, który ulegnie rozszczepieniu zanim bomba
eksploduje. I tu dochodzimy do najważniejszego wniosku -
implozja znacznie podnosi skuteczność bomby.
Główne korzyści, jakie osiąga się z stosowania implozji, to:
1) szybkie łączenie ładunków podkrytycznych - dopuszcza to
stosowanie materiałów o dużej liczbie samoistnych
rozszczepień (np. plutonu)
2) dzięki wysokiemu ciśnieniu zwiększa się efektywność
bomby, a co za tym idzie możliwym staje się tworzenie
głowic z relatywnie małą ilością materiału rozszczepialnego
3) zmniejszenie wagi bomby - w najlepszych przypadkach
wystarczy tylko kilka kilogramów ładunku konwencjonalnego
do skompresowania rdzenia.
Działo
Tworzenie masy krytycznej poprzez wszczepianie jednej
części materiału rozszczepialnego w drugi jest metodą
oczywistą i było pierwszą rozwiniętą metodą tego typu
przeznaczoną dla bomb atomowych. Nie jest już jednak
oczywiste w jaki sposób połączyć dwie masy podkrytyczne,
aby otrzymać równowartość trzech mas krytycznych.
Jak się okazuje można tego łatwo dokonać.
Wyobraz
sobie kulę będącą odpowiadającą trzem masą
krytycznym materiału rozszczepialnego. Teraz usuń rdzeń
(tak jak owocnię jabłka) kuli o masie ledwo mniejszej od
masy krytycznej. Kiedy centrum naszej kuli jest już puste,
gęstość materiału spadła do 2/3 oryginału. Redukcja w
gęstości prowadzi do dalszego zmniejszenia (2/3)2=4/9,
kula zawiera więc tylko 2*(4/9)=8/9 masy krytycznej.
Dwie podkrytyczne części mogą być złączone razem przez
wsunięcie rdzenia (o kształcie zbliżonym do lufy) w centrum
wydrążonego ładunku. Czas tego wstawienia jest duży - około
500 mikrosekund. Rozwiązanie takie zostało użyte w Little
Boy (Mały Chłopiec), bombie zrzuconej na Hiroszimę (z tym
wyjątkiem, że wsunięto kulę na rdzeń).
Korzyści płynące ze stosowania tej metody są jasne.
Zajmijmy się jednak wadami:
1) brak kompresji, przez co trzeba użyć większej ilości
materiałów rozszczepialnych, co prowadzi również do
zmniejszenia efektywności
2) tylko uran 235 może być użyty do osadzania rdzenia przy
małej prędkości
3) waga i rozmiary lufy sprawia, iż bomba staje się ciężka i
długa.
Przykłady konstrukcyjne
Schemat konstrukcji bomby atomowej:
1) Stalowa kula wysokoprężna
2) Powłoka kulista z uranu
3) Zapalniki trotylowe
Istotnym elementem bomby atomowej jest kształt i
rozmieszczenie materiału będącego z
ródłem energii - uranu.
Są one dobrane w ten sposób aby stosunek powierzchni do
jej objętości był równy tzw. rozmiarom krytycznym, przy
którym stosunek wytwarzania neutronów do ich tracenia
jest stały. Sytuacja taka nie powoduje zachodzenia reakcji
rozszczepienia.
Jeżeli rozmiary krytyczne ulegną zmianie natychmiast
zapoczątkowany zostaje lawinowy proces pękania jąder
uranu i następuje wybuch.
W bombie przedstawionej na rys. uran uformowany jest w
postaci cienkościennej powłoki kulistej. Kształtem i
wielkością przypomina ona powszechnie znany biały kulisty
klosz do lampy. Wybór tego kształtu zapewnia duży stosunek
powierzchni do objętości uranu (kula jest wewnątrz pusta).
W takim układzie geometrycznym masa (m) użytego uranu
ma wartość podkrytyczną, gdyż prawie wszystkie
wytworzone wewnątrz jej neutrony uciekają przez
zewnętrzną powierzchnię poza materiał rozszczepialny.
Bomba jest zabezpieczona przed wybuchem.
Kulista powłoka uranu otoczona jest materiałem
wybuchowym. Na zewnątrz znajduje się gruba warstwa
stalowa. Poprzez spowodowanie eksplozji wewnętrznej nie
niszczącej grubej warstwy stalowej powoduje się zgniecenie
kuli uranowej. Stosunek powierzchni do objętości ulega
zmianie i osiąga wartość ponad krytyczną, przy której
rozpoczyna się reakcja lawinowa i następuje wybuch.
Inne rozwiązania konstrukcyjne bomby atomowej:
Stosunek nadkrytyczny osiąga się tu poprzez połączenie
kilku bryłek uranu bądz
plutonu w wyniku eksplozji materiału
wybuchowego.
Energia wydzielana podczas wybuchu bomby atomowej
występuje w trzech rodzajach: jako energia mechaniczna,
cieplna i promieniotwórcza. Pierwsza z wymienionych form
uwidacznia się, jako potężny podmuch. W pewnych miejscach
występuje bardzo silny wzrost podciśnienia powietrza, w
innych odwrotnie - w skutek szybkiego przemieszczania się
olbrzymich mas powietrznych występuje sprężenie. Tak
zresztą jeden, jak i drugi efekt jest dla ludzi bardzo
niebezpieczny.
Energia cieplna i związane z nią promieniowanie świetlne
wydzielane są przez bardzo krótki czas - zaledwie w ciągu
drobnego ułamka sekundy a więc tylko wtedy, gdy trwa
łańcuchowa reakcja jądrowa. Wytworzone światło uwidacznia
się jako jaskrawy błysk. Póz
niejsze promieniowanie świetlne
rozżarzonej kuli powietrznej ma już znaczenie o wiele
mniejsze. Trzecia forma wydzielania energii -
promieniotwórczość, ma dwa z
ródła. Pochodzi ona albo
bezpośrednio od nowych atomów promieniotwórczych
wytwarzanych podczas łańcuchowego procesu rozszczepień,
albo też od atomów istniejących w substancjach
materialnych otaczających bombę (powietrze, woda, ziemia,
rośliny) i pobudzonych do promieniotwórczości przez
neutrony wyzwolone w czasie eksplozji. Stężenie ciał
promieniotwórczych, a zatem ich intensywność zmniejsza się
jednak stopniowo i powoli ich zabójcze działanie ustaje.
Ilość substancji użytej podczas jednego wybuchu wynosi 1
kg. (plutonu lub uranu). Ilość uwalnianej energii równa jest
energii, która wydzieliłaby się podczas wybuchu 100
pociągów towarowych załadowanych materiałem
wybuchowym.
BOMBA TERMOJ
DROWA
Reakcja Deutru z Trytem (D + T)
W gęstościach niektórych materiałów (np. ciekłego wodoru,
sprężonego wodoru gazowego) reakcja 1 (czyli D+T) jest
jedyną mogącą przebiegać w temperaturze bomby atomowej
(50-100 milionów stopni, przy czym należy pamiętać, iż
temperatura w centrum Słońca wynosi ok. 14 milionów
stopni). Tak więc reakcja ta może wykorzystywać reakcję
rozszczepienia do podgrzania paliwa do temperatur, w jakich
może zachodzić synteza jądrowa. Wysoko energetyczne
neutrony wytworzone w reakcji rozszczepienia są w ten
sposób używane do "doładowania" bomby termojądrowej.
Słabą stroną używania tej reakcji jest fakt, iż tryt jest
radioaktywny i rozpada się z prędkością 5.5% na rok
(T(1/2)=12.3 lat). Oznacza to, że nie jest on pierwiastkiem
występującym w naturze i musi być produkowany przy
pomocy reakcji 5 (Li-6+n) w reaktorach nuklearnych.
Produkcja 1g trytu kosztuje jednak 80 razy więcej niż
produkcja 1 g plutonu. Są to więc koszty o wiele za wysokie,
aby można było wyprodukować go wystarczającą ilość do
stworzenia wysoko wydajnej bomby wodorowej. Rozpad
promieniotwórczy oznacza dodatkowo, iż musi on być po
pewnym czasie odnawiany. Dlatego ta reakcja, korzystająca
ze sztucznie wytworzonego trytu, używana jest do
tworzenia bomb małej mocy, w których duże ilości trytu nie
są wymagane.
Produkcja trytu w reakcji 5 (Li-6+n) może być także
przeprowadzana w bombie atomowej, poprzez wykorzystanie
neutronów uciekających z masy krytycznej. Na tej zasadzie
działała pierwsza bomba wodorowa testowana przez Rosjan.
Korzystając z tej metody nie można jednak wyprodukować
dużej ilości trytu, ponieważ jest za mało neutronów. Średnio
z każdego rozszczepienia pozostaje jeden wolny neutron i
wydziela się energia 180 MeV. Jeżeli ten wolny neutron
zostanie przyciągnięty przez Li-6, wytworzy się jeden atom
trytu, który następnie ulegnie syntezie, otrzymamy
ostatecznie 22.4 MeV energii. Możemy oczekiwać, że moc
syntezy nie będzie większa od 10% rozszczepienia. Jeżeli
energia syntezy będzie jedynym z
ródłem energii, nie ma
powodu używania tej techniki. Co prawda 14.1 MeV neutron z
reakcji D+T może spowodować rozszczepienie U-238, który
jest używany jako rodzaj uzupełnienia rozszczepialnego. Ta
dodatkowa reakcja podwaja moc bomby.
Zastosowanie innych izotopów
Pożądane jest tworzenie paliwa tańszego i bardziej
stabilnego niż tryt. Deuter, jedyny składnik reakcji 2 i 3,
jest relatywnie tani (szczególnie wobec jego olbrzymiej
zawartości energetycznej) i jest całkowicie stabilny. Czysty
deuter został użyty w jednym teście - Ivy Mike, uważanym
za pierwszą prawdziwą próbę termojądrową w historii (1
listopad 1952). Niestety deuter jest odmianą wodoru (H-2)
bardzo trudną do magazynowania. Musi być przechowywany
w wysokim ciśnieniu, lub w formie płynnej w nadzwyczajnie
niskiej temperaturze. Problem ten można rozwiązać poprzez
łączenie chemiczne deuteru z litem do formy litu deuteru,
związku stabilnego. Dodatkową korzyścią jest fakt, iż przez
reakcje 5 i 6 lit może uczestniczyć w reakcji syntezy.
Kluczem do produkcji dużych bomb termojądrowych jest
znalezienie drogi do użycia energii bomby atomowej do
kompresji deuteru na tyle, aby mogła zajść reakcja D-D.
Fachowo nazywa się to konfiguracją Tellera-Ulama
(wynaleziona została przez Stanisława Ulama i Edwarda
Tellera).
Konfiguracja ta wykorzystuje fakt, iż w wysokich
temperaturach w bombach atomowych 80% lub więcej
energii występuje jako promieniowanie X, a nie jako energia
kinetyczna. Transport energii przez radiację z
rozszczepialnego rdzenia przekracza prędkość ekspansji
rdzenia (zwykle 300 tyś. km/s - prędkość światła). Jest
zatem możliwe użycie tej energii do kompresji, a co za tym
idzie zapłonu dla paliwa fuzyjnego zanim rozszerzający się
rdzeń zniszczy je. Proces ten nazywa się promieniowaniem
implozyjnym.
Zasady konfiguracji Tellera-Ulama łatwiej wytłumaczyć przy
pomocy poniższego diagramu. Obudowa bomby ma kształt
cylindryczny, w którym jeden koniec zajmuje rdzeń
rozszczepialny. Paliwo fuzyjne (na diagramie deuterek litu)
jest cylindrem opisanym na reflektorze - warstwy bardzo
gęstego materiału (uran lub wolfram). Schodząc dalej
zgodnie z osią symetrii znajduje się Pu-239 lub U-235 w
formie prętu o średnicy 2-3 cm. Obudowa wyłożona jest
warstwą plastiku. Rdzeń rozszczepialny oddzielony jest od
paliwa fuzyjnego grubą warstwą gęstego materiału (ponownie
U lub W).
=======================================
* :::::::::::::::: *
* 00000 ss ttttttttttt *
* 0000000 ss 666666666 *
* 000000000 ss ffffffffff *
* 0000000 ss 6666666 *
* 00000 ss tttttttttttt *
* :::::::::::::::: *
============================================================
gdzie:
0 - rdzeń rozszczepialny
s - tarcza wolframowa lub uranowa (U-238)
* - obudowa bomby (stal)
: - pianka plastikowa
t - reflektor U-238
6 - Li-6/Li-7 deuteru
f - rozszczepialny pręt
Schemat konstrukcji bomby wodorowej:
schemat konstrukcji bomby
wodorowej
1) Kula wysokoprężna
2) Mieszanka deuteru i trytu
3) Zapalniki trotylowe
4) Powłoka z uranu
Nie każdy wie, ale jednym z krajów, który posiada bombę
jest Francja, znana z "bojowej" armii,
Francuzi tak bardzo wzięli sobie do serca wszystkie kpiny
dotyczące ich ducha bojowego, że po wojnie wysępili od
Amerykanów parę bomb atomowych i co rusz, szczególnie w
latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych odpalali takie
na Francuskiej Polinezji, gdzieś tam daleko na Pacyfiku.
Zdjęcia zostały zrobione 3 lipca 1970. Bomba miała
kryptonim Licorne i moc 945 kiloton.
Porównanie bomb atomowych