Opis fuzji jądrowych
Reakcja termojądrowa jest to łączenie się lekkich jąder atomów w jądra cięższe o większej liczbie atomowej. W związku z tym, że energia wiązania jaka przypada na jeden nukleon (-energia jądrowa) rośnie wraz z liczba atomowa. Reakcji towarzyszy wydalenie energii równej przyrostowi całkowitej energii wiązania.
Podłoże energii słonecznej pobierane jest w 99% z reakcji zamiany (tzw. fuzji) wodoru w hel. Do sytuacji tej dochodzi w jądrze słonecznym, gdzie jest odpowiednio ogromna temperatura 15 mln stopni. Reakcja przebiega w opisany poniżej sposób:
3He + 3He ==> 4He + 1H + 1H + foton gamma
Trzeba zaznaczyć, iż opierając się na teorii, względności masa oraz energia są równoznaczne: E=mc2
W opisanych reakcjach cztery jądra wodoru są zastąpione w hel, natomiast suma mas wejściowych jest większa od masy helu. Ta niezgodność mas jest zastąpiona na energię fotonów w 98% oraz neutrin w drugiej części. Słońce emituje energią kosztem ubytku swojej masy. Zaledwie w ciągu sekundy kurczy się o 4 mln ton. Porównując natomiast z jego całkowitą masą jest to bardzo mała strata.
123
4
Rodzaje przemian:
1. Przemianie podlegają jądra ciężkich atomów, o liczbie masowej, przynajmniej 210. Proces opiera się na wysyłaniu cząstek [alfa]
2. Przemianie podlegają jądra atomów, które posiadają nadwyżkę neutronów w stosunku do liczby protonów. Protony podlegają przemianie
3. Przemianie podlegają jądra atomów, które posiadają nadwyżkę protonów w stosunku do liczby neutronów. Obserwuje się ją w przemianach sztucznych izotopów promieniotwórczych.
4. Wychwyt elektronu przez jądro, np. elektron z powłoki K jest przetransportowany do jądra.
Paliwo jądrowe, substancja rozszczepialny stosowana do otrzymania energii w reaktorach jądrowych. Posiada na ogół wzbogacony uran (tj. uran cechujący się znacznie większą od naturalnej stosunkową zawartością izotopu 235U, znajdującą się w przedziale od kilku do nawet 90%), w innych modelach fizyko-chemicznych: jak ciało stałe (tlenek, pastylek, węglik, metal; stop metaliczny, w postaci prętów, itp.), w formie ciekłej (jako roztwór siarczanu albo azotanu uranylu) albo jako gaz (sześciofluorek uranu). Kolejna substancją, którą stosujemy jako paliwo jądrowe jest izotop plutonu 239Pu.Specjalny typ paliwa dostosowany jest do konkretnego modelu reaktora. Podczas dostarczania paliwa jądrowego w reaktorze rośnie w nim ilość substancji rozszczepienia oraz aktywacji, aż do uzyskania poziomu wymuszającego zamianę konkretnej porcji paliwa jądrowego. Paliwo jądrowe wydobyte z reaktora nazywamy paliwem wypalonym (jest ono radioaktywną forma paliwa jądrowego). Po określonym czasie ulega ona procesowi zdezynfekowania by można było ponownie je zastosować (odpady promieniotwórcze).
Eksperymentalne wybuchy jądrowe, eksperymenty z bronią jądrową dokonywane na poligonach jądrowych. Doświadczalne wybuchy jądrowe podzielić można na wysoce oddziałujące na otoczenie (aktualnie zabronione) wybuchy naziemne, troposferyczne, stratosferyczne a także podwodne (opad promieniotwórczy globalny) oraz oddziałujące znikomo na otoczenie wybuchy podziemne. Eksperymentalne wybuchy jądrowe przeprowadza się przede wszystkim w celu udoskonalania broni jądrowej. Aktualnie bierze się pod uwagę całkowity zakaz dokonywania wybuchów, co spowodowałoby powstrzymanie kolejnego rozwoju broni jądrowej oraz powiększenia się liczby państw mających taką broń.
Poligony jądrowe – są to obszary gdzie prowadza się testy z bronią jądrową.
Bomba atomowa - Hiroszima, Nagasaki
Miejsca poligonów jądrowych: okolice Semipałatyńska, atole Eniwetok i Bikini na Wyspach Marshalla, Wyspy Bożego Narodzenia, Wyspa Johnsona, Nowa Ziemia, Wyspy: Monte Bello, Woomera i Maralinga (Australia - brytyjski), Reggan (Sahara - francuski) Nevada (w pobliżu Las Vegas),, atol Mururoa w archipelagu Tuamotu, okolice jeziora Łob-nor (północno-zachodnie Chin.
Synteza jądrowa, fuzja jądrowa – jest to proces złączenia się jąder lekkich pierwiastków w jądra cięższych pierwiastków (nukleosynteza), jądra mają dodatni ładunek elektryczny oraz wzajemnie się odpychają, ich przybliżenie się do siebie na odległości, przy których przyciąganie spowodowane jest przez oddziaływanie bardzo przewyższy to odpychanie. Proces ten uzyskuje się bardzo łatwo w wysokich temperaturach (wyższych niż 107 K), w związku z tym reakcje syntezy jądrowej definiowane jako reakcje termojądrowe.
W reakcjach syntezy jądrowej wydobywają się duże ilości energii, w naturze procesy te odpowiedzialne są za wyrób energii w gwiazdach - cykl pp., cykl CNO (H.A. Bethe). Na Ziemi jesteśmy w stanie dokonać reakcji syntezy jądrowej w skali modelowej (indywidualne jądra w doświadczeniach akceleratorowych), niekontrolowane reakcje wybuchowe (broń termojądrowa), albo metodą kontrolowaną przez krótki czas (tokomak).
Reakcjami syntezy jądrowej cechującymi się dużym przekrojem czynnym już w małych energiach są procesy (w nawiasach zapisana jest wydobywana w jednej reakcji energia podawana w MeV): 2H+3HT4He+n (17,6), = 2H+2HT3H+p (4,0), 2H+3HeT4He+p (18,3), 3H+3HT4He+2n (11,3). Naukowo nie jesteśmy w stanie wyeliminować przyczynienia się do syntezy jądrowej przez zastosowanie następstwa tunelowego wraz z obniżeniem odpychającego potencjału jąder poprzez pracę konkretnych pól wewnątrz kryształów, stąd badania tzw. zimnej fuzji.
Etap 2:
4.1 Terminologia
Posługujemy się kilkoma określeniami w celu zdefiniowania bomb wyzwalających energię przez reakcje jądrowe - mówimy o bombach wodorowych, broni nuklearnej, atomowych, bombach, które opierają się o reakcję rozszczepienia, ale także a także opierają się o syntezę, broni termonuklearnej. Pierwsze określenie nadane dla zdefiniowania nowej broni była "bomba atomowa". Określenie to było nieprecyzyjne i błędne - niebawem stwierdzono, że wybuchowe reakcje chemiczne też operują na poziomie atomów, zatem także można nazywać je atomowymi. Określenie to wykorzystuje się do dzisiaj w celu zdefiniowania bomby, której wszelka energia jest wydobywana podczas rozszczepienia jądrowego. Bomby opierające się na syntezie jądrowej nazwane zostały uniwersalnie "bombami wodorowymi", gdyż głównymi substancjami tej reakcji są izotopy wodoru (deuter H-2 i tryt H-3). Broń tą nazywa się jako "termojądrową" w związku z ogromnymi temperaturami, w jakich reakcja syntezy ma miejsce.
4.2 Określenia testów nuklearnych
Nim przejdziemy do omawiania testów jądrowych, wprowadzimy sobie określenia systemu jakiego stosuje się rozpoznania serii testów i testów konkretnych bomb. Wszystkie testy posiadają określający go pseudonim, seria zaś inny kod. Na przykład pierwsza bomba atomowa nazwana została Gadget, a badana była w operacji Trinity. Pierwsze plany testowe dokonywane były jako część serii - operacji na ogromną skalę, w której udział brali badacze, technicy, personel wojskowy, odpowiednio nagromadzonego w celu obserwacji poszczególnych detonacji przez kilka tygodni a nawet miesięcy. Tak jak już wyżej napisaliśmy seria taka posiadała inny pseudonim niż przeprowadzone w niej badania. I w związku z tym drugi oraz trzeci test nuklearny (które są naprawdę czwartą i piątą detonacją) były częścią badania Crossroads (skrzyżowanie dróg). Badania były nazywane jako Able i Baker (Piekarz). Niejednokrotnie w Stanach Zjednoczonych testy z dwóch różnych serii były złączane w jedną. Wówczas nazwę przyjmuje się zestawienie przydomków indywidualnych serii (na przykład Tumbler-Snapper).We wczesnych seriach określenia konkretnych badań były stosowane kilka razy. I tak mamy test Able w serii Crossroads, Ranger, Buster-Jangle oraz Tumber-Snapper. By uniknąć wynikające z tego dwuznaczności przyjęło się poprzedzać przydomek wszelkiego testu kodem całej serii (na przykład Crossroads Able, Ranger Able i inne). W połowie roku 1952 zaczęto stosować niepowtarzalne określenia badań, także ta zasada nie musiała już być precyzyjnie przestrzegana. Aczkolwiek jest bardziej faktycznie nadawanie nazw serii, skutkiem tego w pracy tej wykorzystano określenia seria-test. Po roku 1961 kolejne serie testów zaczęto dokonywać jako podziemne wybuchy w stanie Newada, dlatego właśnie wszelkie z nich stały się częścią serii Nevada. Badania te określano również jako część specjalnych serii - roków finansowych (Fiscal Year) rządu Stanów Zjednoczonych (Operacja Niblick to FY64, Operacja Whetstone to FY65 itd.) przez co utraciły możliwe znaczenie. Dokonano także serie detonacji atmosferycznych na Pacyfiku (Dominic I i Dominic II) w 1962 i kilka specyficznych programów eksperymentalnych (Plowshare, Vela Uniiform, Seismic Detonation). W pracy tej wszelkie badania serii Nevada oraz inne testy dokonane po roku 1963 są utożsamiane przez ich określenia. Badania brytyjskie określa się podobnie. Za wyjątkiem pierwszego (Hurricane), każde badanie określa się przez określenie seria-test. Niejednokrotnie pseudonim testu jest unikalny, czasami nie. Są też takie sytuacje się, że określenia testów mogą być opisywane bez podania nazwy serii, pomimo tego, iż do niej należą. Na przykład seria Grapple posiada test Grapple 1/Short Granite (zapis Grapple 1 jest jednoznaczny Grapple Short Granite).Tak samo jak w przypadku Stanów Zjednoczonych w pracy tej testy brytyjskie będą opisywane przez podanie definicji serii oraz testu.
4.3 Jednostki miary
Problemy związane z bronią nuklearną oraz jednostkami miary wynika ze znaczenia, interpretowania pojęcia "tona". Uniwersalnie słowo to stosowane jest jako jednostka masy albo wagi w systemie metrycznym, angielskim, lub amerykańskim systemie miar –w dwóch ostatnich możliwościach występuje określenie tony angielskiej (long ton) oraz amerykańskiej (short ton). W złączeniu z bronią nuklearną pojecie "tona" oraz jego metryczne rozszerzenia (kilotony, megatony itd.) jest stosowane również jako jednostka wielkości energii eksplozji. Czasami możemy się spotkać z wykorzystaniem skrótu MT (czy Mt, lub mt) - "metric ton" w celu odznaczenia ton systemu metrycznego od tych systemu angielskiego. Jednakże MT (czy Mt, lub mt) jest stosowane również jako skrót od "megatony". W tej pracy zastosowany jest prawie wyłącznie system metryczny - w przypadku masy system ten jest niejednokrotnie zastępowany przez tonę amerykańską (co jest oczywiście zaznaczone).Jednostka energii eksplozji (megatona, kilotona, czy po prostu tona) została wprowadzona w celu zestawienia siły eksplozji bomby nuklearnej do typowych materiałów wybuchowych - precyzyjniej do trotylu (TNT). Bardzo szybko pojawiły się jednakże kłopoty. Do ton jakiego systemu robić zestawienia? Także energia wydzielona w czasie wybuchu TNT nie była wartością stałą. Zależała ona od takich zmiennych jak ciśnienie , temperatura. Zawierała się ona między wartościami 980-1100 kalorii/g. W celu objaśnienia sytuacji tony amerykańskie wprowadzono jako jednostkę metryczną wynoszącą 1012 kalorii (4.186x1012 dżuli). W związku z traktowaniem amerykańskich ton jako jednostki systemu metrycznego otrzymano wartość 1000 kalorii/gram, a zatem wartość z przedziału, w czasie gdy kilotona amerykańska dawała wartość 1102 kalorii/g - wartość radykalną z przedziału. W związku z tym kilotony mogą być definiowane jako "kilotony metryczne TNT" albo jako "kilotony amerykańskie TNT". Warto zwrócić uwagę, iż w pojęciu kilotony w systemie metrycznym zawarte jest, iż całość energii powinna być od razu wydobyta, niezależnie od formy. Jakkolwiek reakcje chemiczne wydostają się właściwie większość energii w formie kinetycznej albo fali powietrza, tylko część energii wybuchów nuklearnych jest wydobywana w taki sposób. Z tego powodu kilotona wybuchu nuklearnego niesie z sobą doniośle mniejszą energię fali uderzeniowej niż kilotona eksplozji chemicznej. Skróty związane z kilotoną i megatoną są również różnie wykorzystywane. Kt, kt, kT czy KT bardzo często spotkać można w literaturze. W pracy tej jako skróty wykorzystane zostały kt i Mt adekwatnie dla kilotony i megatony.
4.4 Broń atomowa
Do broni atomowej należą: głowice, których podstawową przyczyną energii (naturalnie z wyjątkiem ładunku konwencjonalnego) jest reakcja rozszczepienia . W tego typu bombach przez szybkie złączenie (w wyniku wybuchu ładunku konwencjonalnego) kilku (na ogół dwóch) części ładunku rozszczepialnego o masie podkrytycznej przewyższa krytyczną granicę reakcji. Bomby atomowe badane w lipcu 1945 roku oraz zrzucone na japońskie miasta w sierpniu tego roku ( Litte Boy i Fatman) były uzbrojone w takiego rodzaju głowice. Są jednak natomiast ograniczenia odnoszące się do wielkości takich głowic. Duże bomby potrzebują dużej ilości substancji rozszczepialnej, który: 1)przeszkadza w zachowaniu go w formie mas podkrytycznych przed detonacją i 2) przeszkadza w łączeniu go w masę (nad)krytyczną zanim neutrony, pochodzące czy to z promieniowania tła, czy z samo rozszczepienia (tyczy się to głównie Pu-239), spowodują przed-detonację (nie wszelkie części ładunku rozszczepialnego zostaną połączone). Nie jesteśmy w stanie określić , jaką największą bombę tego rodzaju wyprodukowano, a następnie przeprowadzono udaną próbę (trzeba myśleć także o niebywałym znaczeniu tej broni w czasach jej tworzenia - nic więc dziwnego, że takie informacje były bardzo pilnie strzeżone). Przypuszczalnie był to 500 kilotonowy Ivy King zdetonowany 15 listopada 1952 roku. Głowicą zdetonowaną w tym teście była Mk 18 Super Oralloy Bomb (SOB) zbudowana przez zespół Teda Taylora.
4.5 Głowice łączone - rozszczepienie/fuzja
Wszelkie głowice jądrowe stosują reakcji rozszczepienia do uwolnienia własnych destruktywnych efektów. Zatem wszelkie głowice wykorzystujące fuzję potrzebują użycia bomb atomowych (wspierających się o rozszczepienie) w celu dostarczenia konkretnej ilości energii potrzebnej do inicjalizacji syntezy. Nie powoduje to tego, iż reakcja rozszczepienia produkuje ogromną ilość energii (porównując z fuzją).
4.5.1 Broń jądrowa o wzmożonej sile wybuchu
Początkowe przykłady głowic bazujących o syntezę, miały być się tylko bombami o wzmożonej sile. W bombach tych w środku rozszczepialnego rdzenia ulokowano kilkanaście gram gazowej mieszaniny deuteru/trytu. Zabieg ten posiada pewne korzyści - po zdetonowaniu, w momencie gdy rdzeń przejdzie już w konkretnym stopniu rozszczepienie, temperatura rośnie na tyle, by zainicjalizować fuzję D-T. Niejako, że reakcja ta odbywa się bardzo szybko, wysokoenergetyczne neutrony w niej produkowane stosowane są do rozszczepienia dużej ilości substancji. Wzniesienie zaś ilości rozszczepionej substancji powoduje wzrost stopienia wydajności reakcji (jest to współczynnik, który określa stopień zastosowania substancji rozszczepialnej). Prawidłowo współczynnik ten równy jest ok. 20% (zdąża się niejednokrotnie że jest on znacznie niższy - bomba zrzucona na Hiroszimę posiadała zaledwie 1,3%), w momencie gdy bomba o wzmożonej sile wybuchu może przyjmować nawet 50% (co może sprawić zwielokrotnienie siły wybuchu w stosunku do bomby tradycyjnej). obecnie w głowicach tego rodzaju energia uwolniona w czasie reakcji rozszczepienia jest nieznaczna, wynosi ok. 1% siły wybuchu, co powoduje, że bardzo trudno odróżnić bomby o wzmożonej sile wybuchu od normalnej bomby wodorowej. Pierwszym badaniem bomby o wzmożonej sile wybuchu był Greenhouse Item (45.5 Kt, 24 maj 1951) zdetonowany na wyspie Janet, która wchodzi w skład atolu Enewetok. Głowica ta wykorzystywała, zamiast gazowej, ciekłej mieszaniny deuteru-trytu. W związku z wykorzystaniem techniki wzmożonej siły wybuchu powiększono część wydobywanej energii ponad dwa razy. Przetestowano także inne warianty tej broni - z gazową postacią deuteru, deuterkiem litu, nie wiadomo jednak czy głowice tego typu weszły w skład uzbrojenia. Większa część aktualnych bomb jest właśnie tego typu, włączając w to jako zapalnik rozszczepialny w broni typu rozszczepienie-fuzja (punkt kolejny). Mimo dużego zastosowania materiału rozszczepialnego oraz wykorzystania nowoczesnych technik, głowice te opierają się w dalszym ciągu o reakcję rozszczepienia oraz powodują takie same kłopoty z większymi ładunkami. Budowanie bomb zgodnie z tą technologią przynosi duże plusy przy konstruowaniu małych, lekkich bomb, w przypadku których niewielka skuteczność prezentuje specjalny problem. Tryt jest bardzo drogą substancją, i rozpada się z prędkością 5.5% rocznie, ale w niewielkich ilościach potrzebnych dla lekkich bomb technika ta jest ekonomiczna.
4.5.2 Jądrowa broń fazowa (rozszczepienie-fuzja i rozszczepienie-fuzja-rozszczepienie)
Głowice tego rodzaju stosują reakcje syntezy izotopów lekkich pierwiastków (wodoru, litu) w celu uniknięcia ograniczeń kształtu bomb opartych o rozszczepienie oraz powiększenia jej możliwości, co ciągnie za sobą wymowną redukcję kosztów powiązany z wzbogacaniem uranu albo wykorzystaniem drogiego plutonu - ma to ogromny wpływ na masę a także rozmiary całości. Reakcja syntezy przebiega się w materiale fuzyjnym (stanowiącym człon drugi), który jest fizycznie odseparowany od zapalnika rozszczepialnego (człon pierwszy), budując w ten sposób bombę dwustopniową. Promieniowanie X z pierwszego członu wykorzystywane jest do kompresji członu drugiego (paliwa fuzyjnego) poprzez proces nazwany promieniowaniem implozyjnym (dużo więcej na ten temat opisane będzie w rozdziale Fizyka broni jądrowej). Ciśnienie a także ogromna temperatura stają się zapalnikiem i fuzja się zaczyna. Energia wyprodukowana w czasie reakcji termojądrowej może być zastosowana do rozpoczęcia reakcji w nawet większym fuzyjnym członie trzecim. Wykorzystanie tej techniki pozwala na skonstruowanie bomb o dużych rozmiarach.
Reakcje syntezy są stosowane do powiększania mocy bomby na dwa różne sposoby:
1. jako sposób uwolnienia dużej ilości energii
2. w celu zastosowania wysokoenergetycznych albo szybkich neutronów produkowanych w czasie tej reakcji do wydobywania się energii pochodzącej z rozszczepienia warstwy będącego się naokoło stopnia fuzyjnego. Warstwa ta jest na ogół zrobiona z naturalnego uranu - energia , która zostanie utworzona przez szybkie rozszczepienie brana jest z więc z taniego U-238. W celu tym zastosować można również toru, a w głowicach, w których jest rezerwa masy, nawet wzbogaconego uranu. Bomby, które uwalniają dużą część energii przez reakcję termojądrową, ale nie stosują wyprodukowanych neutronów do rozszczepienia U-238, nazwane zostały bronią jądrową dwufazową (rozszczepienie-fuzja). Jeśli natomiast dodatkowo rozszczepiają szybkimi neutronami U-238 nazywane są jako broń trójfazowa (rozszczepienie-fuzja-rozszczepienie). Bomby nazywane jako "czyste" mogą osiągnąć większą część swojej energii z reakcji fuzji (niewiele opadów radioaktywnych). Są to na ogół głowice rodzaju rozszczepienie-synteza (nie każde z nich są w stanie osiągnąć stopień skuteczności syntezy 97%) Bomby rodzaju rozszczepienie-synteza-rozszczepienie "czystymi" nie są, ale uzyskują większą moc. Produkują dużą ilość promieniotwórczych odpadów, które skażają otoczenie. 5 Mt test Redwing Tewa (20 lipiec 1956, atol Bikini) uzyskał skuteczność frakcji rozszczepienia 85%. Jeśli pod uwagę weźmiemy koszty produkcji, jako trzeciego stopnia wykorzystuje się naturalnego uranu albo toru. Jeśli natomiast siłę wybuchu (jak na przykład w najnowszej broni strategicznej) na ogół wykorzystuje się wzbogacony uran. W głowicach tego rodzaju wykorzystuje się je jako paliwa czystego deuteru, albo mieszaninę litu 6 i 7 z deuterem w formie deutereku litu 6/7. Te oczywiście stabilnie izotopy są tanie porównując z sztucznie produkowanymi i radioaktywny tryt. Pierwszym badaniem fazowej broni termonuklearnej był Ivy Mike zdetonowany 31 października 1953 na wyspie Elugelab/Flora na atolu Enewetok. Ta doświadczalna bomba, nazwana Sausage (Kiełbasa), wykorzystywała czysty deuter jako paliwa i naturalny uran jako jego obudowy (trzeci stopień). Była zbudowana przez grupę z Los Alamos nadzorowaną przez Carsona Marka. Siła wybuchu Mike'a wynosiła 10.4 Mt, 77% z tego to rozszczepienie. Trójfazowa broń nuklearna została badana oraz zaszufladkowana jako broń ogromnej mocy. Pierwszą amerykańską bombą trójfazową, i pewnie pierwszą tego rodzaju na świecie, była głowica Basson zdetonowana w teście Redwing Zuni (27 maj 1956, atol Bikini, 3.5 Mt). Największą eksplozją jaką do tej pory wykonano (50 Mt) była radziecka trójstopniowa głowica rodzaju rozszczepienie-fuzja-rozszczepienie. W teście opuszczono ostatnie rozszczepienie, gdyby jednak do tego nie doszło bomba miałaby moc 150 Mt trotylu. Dzięki reflektorowi zbudowanemu z materiału nierozszczepialnego, głowice trójstopniowe mogą wytwarzać dużą ilość "czystej" energii. Zarówno Zuni jak i Tsar Bomba były bardzo "czystymi" bombami - Zuni osiągał 85% energii z fuzji, Tsar Bomba zaś 97%. Plany obu głowic zakładały zamienienie ołowianej albo wolframowej obwoluty uranem-238. Wersja Bassoona została dostosowana do osiągnięcia największej siły wybuchu w historii testów Stanów Zjednoczonych - była to 25 megatonowa głowica Mk-41. Tsar Bomba była w stanie osiągnąć 100-150 Mt!
4.5.3 Głowice typu budzik/przekładaniec
Idea ta, precyzyjnie powiązana z implozją radiacyjną, została odkryta przynajmniej trzy razy. Pierwszy raz przez Edwarda Tellera w Stanach Zjednoczonych (który plan ten nazwał "budzik"), później przez Andrzeja Sacharowa oraz Witalija Ginzburga (którzy określili go jako "przekładaniec"), i na końcu przez Brytyjczyków (odkrywca nieznany). Wszystkie te programy testów dążył swoją własną drogą do bardziej skomplikowanej, ale dającej doskonałe wyniki, metody stopniowej (fazowej) konstrukcji bomb termonuklearnych. Określenie rosyjskie związana jest precyzyjnie z konstrukcją nowej broni - w przekroju widać bowiem, że jest to dosłownie przekładaniec. W środku głowicy jest materiał rozszczepialny w formie U-235/Pu-239, otoczone warstwą U-238, później jest się warstwa deuterku/trytu litu, następna warstwa U-238 i w końcu system implozyjny. Proces na początku odbywa się jak wybuch normalniej bomby implozyjnej. Po rozszczepieniu materiału, który jest w centrum, wydobywająca się energia kompresuje i podnosi temperaturę do stanu, gdy mogą rozpocząć się procesy termonuklearne w warstwie fuzyjnej. Neutrony wyprodukowane w rozszczepieniu inicjują wówczas reakcję łańcuchową rozszczepienie-synteza-rozszczepienie. Wolne neutrony , które pochodzą z rozszczepienia reagują z litem i w związku z tym powstanie tryt, który syntezuje z deuterem wytwarzając bardzo zwinne neutrony. W konsekwencji paliwo fuzyjne przybiera formę określonego akceleratora dopuszczającego na wprowadzenie reakcji łańcuchowej prawidłowo nie rozszczepialnego U-238. Część paliwa fuzyjnego, która przereaguje jest bardzo niska, 15-20%, i niestety jest to jej maksymalna wartość, nie może przyjmować wartości wyższych. Takie konstruowanie bomb napotyka na takie same limity jak bomby, które opierają się tylko o rozszczepienie a także bomby o wzmożonej sile wybuchu. Związek Radziecki oraz Wielka Brytania rozwinęła ten plan do przekazywania głowic bojowych (badacze radzieccy prędko jednak zapoznali się z istotą konstrukcji bomb stopniowych, które dosłownie były w stanie mieć ogromne rozmiary). Stany Zjednoczone nie podeszły aż tak gruntownie do planu, tylko z powodu takiego, że Teller przeczuwał, że nie jest to broń zadowalająco niszcząca. Pierwszym badaniem tej myśli był wybuch głowicy nazwanej jako RDS-6s (nazwana przez wywiad Stanów Zjednoczonych jako Joe 4) 12 sierpnia 1953. Na skutek zastosowaniu dodatkowego trytu uzyskano 10 krotne powiększenie ponad siłę rdzenia, co spowodowało siłę wybuchu rzędu 400 kt. Angielski Orange Herald Small zastosowany w badaniach w Grapple 2 (31 maj 1957) był jednakowy ale posługiwał się o wiele większym rdzeniem rozszczepialnym (300 kt) a także nie posiadał trytu - siła wybuchu była rzędu 720 kt, uzyskano zatem 2.5 krotny przyrost. Mimo iż głowic tego rodzaju nie są aktualnie używane, trzeba pamiętać, że z powodu różnic w budowie, głowice tego rodzaju konstruują inną grupę broni nuklearnej. Stan ten wytwarza ogniwo pośrednie, hybrydę broni o wzmożonej sile wybuchu oraz bomb fazowych (stopniowych) rodzaju rozszczepienie-fuzja-rozszczepienie.
4.5.4 Bomby neutronowe
Bomby, które należą do tej klasy nie absorbują neutronów produkowanych podczas syntezy, tylko akceptują ich ucieczkę. Gwałtowne promieniowanie wysokoenergetycznych neutronów jest ich podstawowym mechanizmem niszczenia, gdyż nie jest ono krępowane przez większa część materiałów. Broń ta została odkryta w Stanach Zjednoczonych jako broń anty-rakietowa (w przybliżeniu 20 kt głowica bojowa przydzielona dla pocisku Sprint) a także jako broń, która miała być wykorzystywana do zabijania załogi dobrze strzeżonych obiektów wojskowych (niewielkie głowice poświęcone również dla artylerii jak oraz pocisków rakietowych). Bomby neutronowe z zasady wytwarzają dużą część swojej energii poprzez syntezę termojądrową. Nie jest to natomiast przepis - głowica amerykańskiego pocisku Lance produkowała 60% energii z fuzji, pozostałą część aczkolwiek z rozszczepienia. Taktyczne bomby neutronowe zostały najpierw wyprodukowane do mordowania żołnierzy dobrze strzeżonych. Samochody opancerzone są odporne na działanie fali uderzeniowej ale także i cieplnej produkowanej w czasie wybuchu jądrowego, ale twardy jak stal pancerz może łagodzić promieniowanie neutronowe w minimalnym poziomie, tak, że skutki napromieniowania naruszają odmienne typy efektów wybuchu. Śmiertelne promieniowanie przekazywane przez taktyczne bomby neutronowe przewyższa następstwa fali uderzeniowej oraz cieplnej chociażby dla nie zakrytego żołnierza. Zbroja może pochłaniać neutrony a także ich energię, w ten sposób powodując, że dawka promieniowania neutronowego, na jakie narażona jest zespół czołgu, może także pogorszyć ich sytuację przez niesprzyjające oddziaływanie z neutronami. Istnieją takie stopy, które są w stanie zostać poruszone radioaktywnie, co może być bardzo niebezpieczne dla zespołu (np. pancerz czołgu M-1). W momencie gdy szybkie neutrony zwolnią, stracona energia może zdemaskować się jako promieniowanie X. Są jednak specyficzne osłony pochłaniające neutrony, które zapewniają pewne bezpieczeństwo przed bronią neutronową.
4.6 Bomby kobaltowe a także inne bomby zasolające
'Zasolająca' broń jądrowa jest bardzo jednakowa jak broń rodzaju rozszczepienie-fuzja-rozszczepienie, tylko, że w zamian rozszczepialnego trzeciego stopnia wykorzystuje się nierozszczepialne, specyficznie dobrane izotopy radioaktywne (w przypadku bomb kobaltowych jest to Co-59). Powłoka taka przyswaja uciekające neutrony fuzyjne oraz sprawia, że nastąpi przejście zawartego w niej izotopu do stanu radioaktywnego w celu ściśnięcia opadu radioaktywnego, a co za tym idzie zanieczyszczenie terenu. Zróżnicowany skutek zanieczyszczenia można osiągnąć dzięki wykorzystaniu konkretnych izotopów. Złoto jest wykorzystywane dla krótkoterminowego zanieczyszczenia (trwającego dni), tantal oraz cynk dla zanieczyszczenia pośredniego (trwającego miesiące), kobalt natomiast wykorzystuje się do zanieczyszczenia długoterminowego (lata). By izotop był funkcjonalny do procesu zasolenia powinien hojnie zachodzić w prostej formie, produkt radioaktywny powinien być silnie emitować promieniowanie gamma.
Tabela 4.6-1 Typowe pierwiastki wykorzystywane do procesu zanieczyszczenia radiologicznego ('zasolania')
Forma Naturalna Obecność w przyrodzie Produkt Promieniotwórczy OkresPółrozpadu
Kobalt-59 100% Co-60 5.26 lat
Złoto-197 100% Au-198 2.697 dni
Tantal-181 99.99% Ta-182 115 dni
Cynk-64 48.89% Zn-65 244 dni
Propozycję bomby kobaltowej zbudował Leo Szilard, amerykański fizyk pochodzenia węgierskiego, który zamieścił w lutym 1950 roku, nie jako konkretny plan nowej broni, lecz jako bardziej propozycję możliwości stworzenia broni, która potrafi wymordować wszelkich obywateli Ziemi. Kłopot skonstruowania tej broni polegał na odnalezieniu konkretnego izotopu promieniotwórczego, który mógłby zostać rozproszony nad nieograniczonym obszarem ziemi nim ulegnie rozpadowi. Takie rozproszenie odbywa się przez kilka miesięcy, a nawet lat, więc Co-60 był stworzony do tego najlepiej. Promieniotwórczy opad Co-60 jest dużo większy niż elementy rozszczepienia U-238 gdyż: 1) dużo elementów rozpadu to izotopy o nieznacznym czasie połowicznego rozpadu, w związku z tym rozpadają się nim powoduje ogromne szkody lub przed skutkiem ich działania ludzi ochronią zbudowane w tym celu bunkry; 2) dużo elementów rozszczepienia to izotopy o bardzo długim czasie połowicznego rozpadu, w związku z tym nie wysyłają znacznego promieniowania; albo 3) są takie elementy rozszczepienia, które nie są radioaktywne. Czas połowicznego rozpadu Co-60 jest taki długi, by napromieniować obszary w znacznym stopniu zanim się rozpadnie a także by zrobić niefunkcjonalnym czekanie w bunkrze, równocześnie będąc na tyle krótkim, by emitować ogromne promieniowanie. Na początku promieniowanie gamma produktów rozszczepienia z bomby typu rozszczepienie-synteza-rozszczepienie jest o wiele bardziej intensywne niż Co-60: 15.000 razy intensywniejsze po 1 godzinie; 35 razy większe po 1 tygodniu; 5 razy intensywniejsze po miesiącu i równe po połowie roku. Od tego czasu opady rozszczepialne nie promieniują tak intensywnie jak opady Co-60: 8 razy słabiej po roku i 150 razy po 5 latach. Izotopy o bardzo długim czasie połowicznego rozpadu wyprodukowane w czasie rozszczepienia po raz kolejny wyprzedzą Co-60 po około 75 latach. Cynk także może być stosowany do "zasolenia". Izotop Zn-64, którego 48.9% jest w cynku naturalnym, może zostać zamieniony w Zn-65, który to jest emiterem promieniowania gamma o czasie połowicznego rozpadu 244 dni. Plusy z wykorzystania Zn-64 to przede wszystkim szybszy rozpad złączony z intensywnym promieniowaniem. Minusem natomiast jest to, iż jest on tylko w połowie naturalnego cynku, zatem musi więc wzbogacany; jest także słabszym emiterem promieniowania gamma niż Co-60, wypromieniowuje zaledwie tylko 1/4 tego co kobalt takich samych masach molowych. Gdy założymy, że użyje się czystego Zn-64, intensywność promieniotwórcza Zn-65 będzie na początku dwa razy większa od Co-60. Wartość ta będzie malała, aż po 8 miesiącach będzie równa jeden (tzw. aktywność promieniotwórcza będzie taka sama), a po 5 latach Co-60 będzie 110 razy intensywniejszy. Militarnym wykorzystaniem broni radiologicznej jest przede wszystkim spowodowanie miejscowych zanieczyszczeń, z dużą intensywnością początkowych efektów. Trwające długo zanieczyszczenia są niewskazane. Zatem zauważyć można że, lekki Zn-64 jest prawdopodobnie najbardziej odpowiedni do wykorzystywania przez wojsko. Jedyną próbą bomby zasolającej było brytyjskie badanie bomby która zawierała ładunek kobaltu (Antler/Round 1, 14 wrzesień 1957). Ta 1 kt głowica została zdetonowana w pobliżu Maralingi w Australii. Doświadczenie zakwalifikowano jako nieudane i w związku z tym nigdy go nie powtórzono. Poza tym doświadczeniem nie ma żadnych informacji na temat jakimkolwiek badań bomby kobaltowej albo cynkowej, i o ile wiadomo nigdy taka bomba nie została skonstruowana. W świetle gotowych do zastosowania bomb typu rozszczepienie-synteza-rozszczepienie (bomb bardzo silnych), jest niemożliwe, aby głowice wykorzystujące specyficzne skonstruowane zanieczyszczenia radioaktywne były kiedykolwiek wykorzystywane do arsenału nuklearnego.
AnaMarie83