A)

Ładunek termojądrowy − (także: wodorowy) ładunek wybuchowy w którym głównym źródłem energii wybuchu jest niekontrolowana i samopodtrzymująca się reakcja łańcuchowa, podczas której izotopy wodoru (najczęściej deuteru i trytu) łączą się pod wpływem bardzo wysokiej temperatury, tworząc hel w procesie fuzji nuklearnej. Niezbędna do zapoczątkowania fuzji temperatura uzyskiwana jest w drodze detonacji ładunku jądrowego. Ładunki tego typu z uwagi na swą niekontrolowaną naturę, znajdują jedynie wojskowe zastosowanie destrukcyjne.

Zasada działania

Reakcja termojądrowa to synteza jąder lekkich pierwiastków, w wyniku której powstają jądra cięższe o większej energii wiązania w przeliczeniu na jeden nukleon. 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.

Ponieważ wybuch bardzo szybko rozrzuca reagujące materiały, należy zastosować w bombie materiały umożliwiające przeprowadzenie reakcji termojądrowej w jak najniższej temperaturze. Pierwsze bomby zawierały 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 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.

Schemat głównych reakcji zachodzących w ładunku termojądrowym:

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

Zasadnicze znaczenie mają dwie pierwsze reakcje, tworzą one samopodtrzymujący się cykl. Pierwsza dostarcza tryt dla drugiej, a druga neutrony dla pierwszej. Dwie pozostałe reakcje zachodzą z mniejszą częstością.

Typy ładunków termojądrowych

Bomba o konstrukcji wyżej opisanej jest nazywana bombą o ładunku dwufazowym. Faza I – reakcja rozszczepienie uranu lub plutonu, faza II – synteza helu.

W pierwszej i w drugiej fazie wybuchu ładunku wydziela się znaczna ilość szybkich neutronów. Większość z nich ucieka poza obszar wybuchu. Neutrony te można wykorzystać do inicjowania rozszczepienia jąder ulegających rozszczepieniu w wyniku bombardowania szybkimi neutronami.

W wersji trójfazowej ładunek o konstrukcji opisanej wyżej otacza się dodatkową powłoką z izotopu 238 uranu lub 232 toru, która spełnia w pierwszym etapie rolę ekranu odbijającego neutrony, a następnie sama ulega rozszczepieniu. Izotopy te nie ulegają łańcuchowej reakcji rozszczepienia, ale w końcu bombardujące je szybkie neutrony powstałe w pierwszych dwóch etapach powodują ich rozszczepienie, co znacznie zwiększa sumaryczną moc wybuchu.

Specjalnym rodzajem ładunku termojądrowego jest bomba neutronowa. Siła jej wybuchu jest stosunkowo niewielka, małe jest również skażenie promieniotwórcze terenu. Czynnikiem niszczącym jest natomiast promieniowanie neutronowe, zabójcze dla żywych organizmów.

Skutki eksplozji termojądrowej

W wyniku eksplozji wielostopniowej bomby wodorowej o mocy 20 MT, kula ognia (fireball) ogarnie obszar w odległości ok. 3 km w każdym kierunku od punktu detonacji (strefa zero). W odległości do 6,4 kilometra podmuch powietrza spowoduje skokowy wzrost ciśnienia do ok. 440 kPa, zaś prędkość wiatru przekroczy 1040 km/h. Spowoduje to zdruzgotanie nawet ukrytych pod ziemią schronów przeciwbombowych. Na dystansie 26,6 km od miejsca detonacji rozszerzająca się fala cieplna zdolna będzie do zapalenia wszystkich materiałów palnych na swej drodze - domów, ubrań, roślin, paliw itp., wzniecając setki tysięcy pożarów, zaś siła wiatru na tym obszarze przekroczy prędkość 160 km/h, co zamieni pożary w ogromną "burzę ogniową" i rozniesie ją na odległość 48 km, co stanowi łączny obszar 1280 km². Szacunki ofiar w ludziach dla ok. 3-milionowej strefy metropolitalnej wielkości San Diego wynoszą ok. 1 miliona zabitych osób w ciągu kilku minut i 500 000 rannych od uderzeń niesionych wiatrem płonących szczątków, ciężko poparzonych, z utratą słuchu, wzroku czy też spowodowanym olbrzymim ciśnieniem powietrza pęknięciem płuc

LUB

Bomba wodorowa(dwufazowa)

Zależnie od rodzaju ładunku możliwe są dwa zjawiska:

· bezpośrednie oddziaływanie fali strumienia energii na okolicę;

· indukcja kolejnych procesów wysokoenergetycznych....

Bomby takie osiągają maksymalną energię kilkuset kiloton TNT.

W przypadku drugim korzysta się z faktu, ze niekontrolowana reakcja łańcuchowa powoduje powstanie warunków ekstremalnie wysokich temperatur (kilkadziesiąt milionów kelwinów) i ciśnień. Takie warunki stwarzają możliwość przebiegu procesu o jeszcze wyższej energii - tzn. syntezy (fuzji) lekkich jąder. Na tym właśnie polega działanie tzw. bomby o ładunku dwufazowym - faza pierwsza dostarcza energii do zainicjowania fazy drugiej.

W fazie drugiej zachodzą dwie podstawowe reakcje:

· -synteza deuteru i trytu w jądro helu

H(2) + H(3) -----> He(4) + n 17.4 MeV

· synteza deuteru i litu w dwa jądra helu

H(2) +Li(6) -----> He(4) + He(4) 24 MeV

W procesach tych przebieg reakcji uzależniony jest również od gęstości materiałów, stąd stosowanie gazowego wodoru (tzn. jego izotopów deuteru i trytu) jest ekonomicznie nieuzasadnione, zaś przeprowadzenie go w stan ciekły wymaga schłodzenia do temperatury kilkunastu kelwinów. W związku z tym stosuje się materiał stały, tzn. deuterek litu LiH. Materiał ten wypełnia wnętrze bomby, a ładunki pierwszego stopnia umieszczone są w jego wnętrzu. LiH jest źródłem zarówno deuteru jak i litu, tryt zaś uzyskiwany jest w procesie bombardowania neutronami, pochodzącymi z fazy pierwszej, atomów litu:

n + Li(6) -----> He(4) + H(3)

Proces ten dostarcza także dodatkowej energii do przebiegu syntez. Dodatkowo materiał do syntezy jest uzupełniony o ślady trytku litu, co ułatwia rozpoczęcie reakcji. Bomba o ładunku dwufazowym dostarcza energii rzędu kilku do kilkunastu megaton. Współczesne bomby, testowane w próbnych eksplozjach, osiągają energię ok.20 MtTNT. Bomba wodorowa bywa nazywana neutronową, ze względu na spore ilości tych cząstek wydzielanych w czasie syntez. Neutrony otrzymane w czasie fuzji lekkich jąder unoszą ok. 80% uzyskanej energii.

Energia uzyskana w wybuchu ładunku dwufazowego może bądź oddziaływać bezpośrednio bądź zostać wykorzystana do kolejnego procesu - jest to realizowane w bombie o tzw. ładunku trójfazowym.

Bomba termojądrowa, zwana też bombą wodorową (ang. H-bomb) jest bombą, w której głównym źródłem energii wybuchu jest reakcja termojądrowa zachodząca podczas jej wybuchu. Bomby wodorowe mają największą, z dotychczas skonstruowanych bomb, siłę wybuchu równoważną wybuchowi setek milionów ton trotylu (megaton).

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. W 8 miesięcy później, 20 sierpnia 1953 roku na terytorium Radzieckim miała miejsce eksplozja bomby wodorowej (bomba H), którą wykryły zachodnie sejsmografy.

Reakcja termojądrowa, to synteza jąder lekkich pierwiastków, w wyniku której powstają jądra cięższe o większej energii wiązania w przeliczeniu na jeden nukleon. 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 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.

Schemat głównych reakcji zachodzących w bombie termojądrowej:

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

Zasadnicze znaczenie mają dwie pierwsze reakcje, tworzą one samopodtrzymujący się cykl. Pierwsza dostarcza tryt dla drugiej, a druga neutrony dla pierwszej. Dwie pozostałe reakcje zachodzą z mniejszą częstością niż wyżej opisane.

Typy bomb termojądrowych:

Bomba o konstrukcji wyżej opisanej jest nazywana bombą o ładunku dwufazowym. Faza I - reakcja rozszczepienie uranu lub plutonu, faza II synteza helu.

W pierwszej i w drugiej fazie wybuchu bomby wydziela się znaczna ilość szybkich neutronów. Większość z ich ucieka poza obszar wybuchu. Neutrony te można wykorzystać do inicjowania rozszczepienia jąder ulegających rozszczepieniu w wyniku bombardowania szybkimi neutronami.

W wersji trójfazowej bombę o konstrukcji opisanej wyżej otacza się dodatkową powłoką z izotopu 238 uranu lub 232 toru, która spełnia w pierwszym etapie rolę ekranu odbijającego neutrony, a następnie sama ulega rozszczepieniu. Izotopy te nie ulegają łańcuchowej reakcji rozszczepienia, ale w końcu bombardujące je szybkie neutrony powstałe w pierwszych dwóch etapach powodują ich rozszczepienie, co znacznie zwiększa sumaryczną moc wybuchu.

Specjalnym rodzajem bomby termojądrowej jest bomba neutronowa. Siła jej wybuchu jest relatywnie niewielka, małe jest również skażenie promieniotwórcze terenu. Czynnikiem niszczącym jest natomiast promieniowanie neutronowe, zabójcze dla żywych organizmów.

Bomba zwana wodorową (H-bomb) lub inaczej termojądrową 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 w wyniku której powstają jądra cięższe o większej energii wiązania na nukleon. Warunki umożliwiające reakcje syntezy (takie jakie panują w gwiazdach) wytwarza się za pomocą bomby atomowej (A-bomb).

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.

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.

B)

Reakcja termojądrowa, synteza jądrowa lub fuzja jądrowa

zjawisko polegające na złączeniu się dwóch lżejszych jąder w jedno cięższe, często z uwolnieniem dużej ilości energii.

Cięższe jądro może jednak być lżejsze niż suma jego składników. Tę różnicę nazywamy energią wiązania albo defektem masy. Jest to zysk energetyczny, który może być przekształcony w energię.

Jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny i dlatego się odpychają – aby doszło do ich połączenia muszą zbliżyć się na tyle blisko, by siły oddziaływań jądrowych pokonały odpychanie elektrostatyczne. Niezbędnym warunkiem do tego jest prędkość (energia) jąder. Wysoką energię (prędkość) jąder uzyskuje się w bardzo wysokich temperaturach lub rozpędzając jądra w akcelatorach cząstek.

Przedrostek termo pochodzi od głównego sposobu w jaki wywoływana jest ta reakcja, w gwiazdach i bombie wodorowej, czyli przez podniesienie temperatury.

Reakcja termojądrowa jest głównym źródłem energii gwiazd i przemian we Wszechświecie.

Źródło energii słonecznej bierze się w 99% z reakcji zamiany (tzw. fuzji) wodoru w hel. Dochodzi do tego w jądrze słonecznym, gdzie występuje dostatecznie wysoka temperatura 15 milionów stopni.

Przebiega ona w następujący sposób:

1H + 1H ==> 2D + e+ + neutrino

Jeden z dwóch protonów (jąder wodoru) jest zamieniany w neutron, pozytron i neutrino.

Następnie mamy kolejną reakcję:

2D + 1H ==> 3He + foton gamma

Deuter absorbuje proton i tworzy 3He (2 protony i neutron). Podczas tej reakcji emitowany jest foton gamma.

I w końcu:

3He + 3He ==> 4He + 1H + 1H + foton gamma

Musimy pamiętać że zgodnie z teorią względności masa i energia są równoważne: E=mc2. W przedstawionych reakcjach cztery jądra wodoru zamieniane są w hel, ale suma mas wejściowych jest większa od masy helu. Ta różnica mas jest zamieniana na energię fotonów w 98% i neutrin w pozostałej części. Słońce promieniuje zatem energią kosztem utraty swej masy. W ciągu sekundy chudnie o 4 miliony ton. W porównaniu jednak z jego całkowitą masą jest to bardzo niewielka strata.