Pisałem tu już o promieniotwórczości ogólnie, oraz o cywilnych zastosowaniach materiałów radioaktywnych w elektrowniach jądrowych. Teraz przyszła pora, żeby opowiedzieć o tym, jak działa bomba jądrowa. I przy okazji parę słów o tym, dlaczego elektrownia jądrowa nigdy nie wybuchnie tak, jak takowa bomba.
Jak działa broń jądrowa?
Zacznijmy może od tego, czym się różni bomba jądrowa od konwencjonalnych ładunków wybuchowych. Związki takie jak nitrogliceryna magazynują dużą ilość energii w wiązaniach chemicznych. Energii, która chętnie się uwolni, jeśli tylko dostanie taką szansę. A gdy się uwolni, “szturchnie” sąsiadujące cząsteczki na tyle mocno, że one też się rozłożą, uwalniając energię. Innymi słowy: klasyczne materiały wybuchowe chcą wybuchnąć. Trzeba się nieźle postarać, żeby nie wybuchły. Jak bardzo? No cóż: tak bardzo, że gdy Alfred Nobel odkrył sposób na przerobienie nitrogliceryny na bezpieczniejszy, stabilniejszy dynamit, zarobił na tym taką górę pieniędzy, że z odsetek wciąż wypłacana jest nagroda jego imienia.
Z materiałami rozszczepialnymi jest inaczej. Owszem, magazynują one dużą ilość energii w swoim jądrze i chcą się rozpaść, uwalniając tę energię, ale wcale nie chcą przy okazji wybuchnąć. A wywołać sztucznie rozpad kolejnego jądra wcale nie jest tak łatwo. Pamiętacie być może z artykułu na temat elektrowni jądrowych, że do utrzymania reakcji w reaktorze potrzebujemy moderatora? To dlatego, żeby spowolnić neutrony powstające w wyniku rozpadów radioaktywnych. A to z kolei dlatego, że szybki neutron ma małą szansę wywołać rozpad kolejnego jądra. Potrzebny jest do tego tzw. neutron termiczny1Jeśli chcecie sobie przypomnieć, jak to działa, przeczytajcie artykuł o reaktorach i moderatorze..
Jeśli więc weźmiemy kawałek uranu, to możemy w niego nawet uderzyć młotkiem – i nic poważnego się nie stanie. Podpalić – podobnie. Po prostu będzie sobie promieniował, i tyle. Żeby zachęcić go do podjęcia bardziej rozrywkowych działań, trzeba się nieźle postarać. O ile oczywiście chcecie wykorzystać jako paliwo uran. Bo możecie też użyć plutonu, co wiąże się z innymi korzyściami i problemami. Ale od początku.
Jądrowe rozpady
Żeby wydarzył się wybuch jądrowy, trzeba najpierw uzyskać reakcję łańcuchową, która przyspiesza. I to szybko przyspiesza. W reaktorze jądrowym, po dojściu do standardowych warunków funkcjonowania, chcemy, żeby neutrony uwolnione przy rozpadzie jednego atomu spowodowały rozpad dokładnie jednego kolejnego atomu. W wypadku bomby jądrowej – mają spowodować jak najwięcej kolejnych rozpadów. Każdy z nich wywoła kolejne rozpady, i kolejne, i tak dalej. Problem polega na tym, że nie mamy za wiele czasu: każdy rozpad uwalnia energię. Ta uwolniona energia sprawia, że atomy chcą się od siebie nawzajem oddalić. Czyli musimy je jakoś utrzymać blisko siebie przez czas wystarczająco długi, żeby wygenerowały wystarczającą do naszych niszczycielskich potrzeb energię.
Przede wszystkim więc musimy mieć materiał, który łatwo ulega rozszczepieniu. Oznacza to tak naprawdę dwie opcje: uran U-235, lub też pluton Pu-2392Choć teoretycznie możliwości jest nieco więcej, to inne izotopy były używane rzadko albo wcale2. Pierwszy z nich występuje w naturalnym uranie w ilości około 0.7%. Drugi w ogóle w przyrodzie nie występuje. Tak czy inaczej – czeka nas czasochłonna i kosztowna zabawa. Jeśli decydujemy się na uran, trzeba będzie wiele energii poświęcić na zwiększenie zawartości izotopu 235. I to nie do poziomu kilku procent, jak w paliwie do elektrowni jądrowej. Musimy dobić do okolicy 90%.
Dlaczego? W reaktorze jądrowym obecność najpowszechniejszego uranu u-238 nam za bardzo nie przeszkadza. Pochłonie on neutron i zmieni się w U-239, ale ten po kilku dniach3Z postojem na neptunie, Np-239 ulegnie przemianie w pluton. Ten z kolei może dalej działać jako paliwo, czy to w elektrowni, czy w bombie… No ale właśnie – za kilka dni. A bomba ma wybuchnąć teraz. W związku z tym U-238 trzeba w większości usunąć, pozostawiając U-235.
Z plutonem jest jeszcze ciekawiej – jeśli chcecie zrobić z niego bombę, musicie go najpierw wyprodukować. Na przykład w reaktorze jądrowym, w którym – jak przed chwilą pisałem – U-238 powoli zmienia się w Pu-239. Tylko, że to oznacza konieczność częstego wymieniania paliwa w reaktorze – pluton nie powinien w nim siedzieć zbyt długo, bo się rozłoży. I stąd między innymi bardzo szczególny projekt reaktora RBMK, znanego z katastrofy czarnobylskiej, ale o tym napiszę innym razem.
Masa krytyczna
Gdy już mamy nasz materiał rozszczepialny, musimy go nakłonić, żeby faktycznie eksplodował. Słyszeliście kiedyś pojęcie “masa krytyczna”? O to właśnie chodzi. Masa krytyczna to ilość materiału rozszczepialnego, którą trzeba zebrać, żeby uzyskać samopodtrzymującą sie reakcję. I tu uwaga, bo masa krytyczna zależy od wielu parametrów. Nie tylko od tego, z jakiego materiału korzystamy, ale też na przykład od tego, jak go uformujemy. Innymi słowy: plutonu będziemy potrzebować mniej, jeśli zrobimy z niego kulkę, niż jeśli go rozwalcujemy na cienką blaszkę. W tym drugim przypadku znacznie więcej neutronów wyleci bokiem zanim zdąży rozszczepić następny atom.
Ale tu się nam pojawia problem. Nie chcemy, żeby bomba wybuchła, gdy ją dopiero budujemy. Zdecydowanie wolelibyśmy móc samodzielnie wybrać, kiedy wybuch ma nastąpić. Jak to osiągnąć? Cóż, w założeniu jest to stosunkowo proste. Przygotowujemy dwa lub więcej kawałków materiału rozszczepialnego. Dobieramy je tak, żeby każdy z nich miał masę niższą niż krytyczna, ale żeby po połączeniu ich masa przewyższała masę krytyczną. Przewyższała, bo tylko wtedy uzyska się reakcję, która samoistnie przyspiesza. No i następnie łączymy je we właściwym momencie. Nic prostszego, prawda?
Diabeł tkwi w szczegółach
Tu właśnie zaczynają się problemy. W teorii to wszystko jest proste: wziąć dwa kawałki uranu lub plutonu, rzucić jednym w drugi – i bum. Ale nie ma tak łatwo. Te kawałki muszą się zbliżyć do siebie wystarczająco szybko. Pamiętajcie, że reakcja będzie przyspieszać wraz ze zbliżaniem się kawałków do siebie – i w pewnym momencie zacznie generować tyle energii, że kawałki od siebie odepchnie. A im szybciej je odepchnie, tym krócej reakcja będzie trwała, a co za tym idzie, końcowo wyzwoli się mniej energii. To, jak szybko to nastąpi, zależy od parametrów materiału rozszczepialnego. W praktyce oznacza to, że układ dwóch kawałków można stosować tylko dla bomb bazujących na uranie.
I tak też wyglądało to w bombie “Little Boy”, którą zrzucono na Hiroshimę. W jej wnętrzu umieszczono dość krótkie działo, o średnicy wewnętrznej 6.5 cala. Na jednym końcu umieszczono krążki uranu, na drugim – pierścienie. Za pierścieniami umieszczono kawałek węglika wolframu, który miał robić za coś w rodzaju “tłoka”, na dłużej ściskającego razem kawałki uranu, a następnie klasyczny materiał wybuchowy4Głównie nitroceluloza i nitrogliceryna.
W odpowiednim momencie ładunek wybuchowy eksplodował, popychając tłok i pierścienie w stronę dysków. Gdy pierścienie zaczęły się nasuwać na dyski, ruszyła reakcja łańcuchowa. Trwała mniej niż jedną mikrosekundę, a wyzwoliła energię taką, jakby wybuchło 15 tysięcy ton trotylu, czyli 15 kiloton TNT. To tyle, ile by ważyło półtorej Wieży Eiffela. A w reakcji łańcuchowej wziął udział tylko kilogram z przeszło 60 kilogramów uranu… Więcej nie zdążyło, bo bomba się rozpadła.
Opanować reakcję – bomba jądrowa
I dlatego też z plutonem5O ile nie udałoby się go uzyskać w stanie superczystym taki numer by nie przeszedł. Reakcja bazująca na plutonie rozkręca się tak szybko, że nie da się połączyć dwóch podkrytycznych kawałków. Rozlecą się każdy w swoją stronę, i zostaniemy co najwyżej z brudną bombą. Do plutonu trzeba było zastosować inne podejście. Zamiast dwóch kawałków, zrobić z niego kulę i otoczyć materiałami wybuchowymi6Do tego dochodzi jeszcze otoczka z uranu, robiąca za tłok, kawałek berylu, produkujący dodatkowe neutrony… Ale kluczowa jest kula z plutonu. Gdy te wybuchną, miażdżą pluton, sprawiając, że ta sama masa zaczyna zajmować mniejszą przestrzeń. A jak pisałem na początku, masa krytyczna zależy od wielu czynników. Im większa gęstość7Tego samego materiału!, tym niższa masa krytyczna.
Kluczowe jest to, żeby idąca z materiałów wybuchowych fala uderzeniowa przybrała odpowiedni kształt. Jak pewnie pamiętacie ze szkoły, ciała stałe nie sprężają się łatwo i po dobroci. Dlatego też materiały wybuchowe trzeba ułożyć w odpowiedni sposób. Należy zbudować z nich otoczkę przypominającą piłkę nożną – i odpalić w tym samym momencie. Wtedy fala uderzeniowa ściśnie kulę ułożoną w środku. W przeciwnym wypadku – po prostu ją zdeformuje. I tu pojawiły się problemy techniczne. Jednoczesna eksplozja kilku kawałków materiału wybuchowego wydaje się nam być czymś prostym, ale to, co dla naszych zmysłów jest jednoczesne, może nie wystarczyć. Pamiętajcie, że reakcja łańcuchowa w bombie Little Boy trwała mniej niż jedną mikrosekundę.
Amerykanie kombinują
Żeby poradzić sobie z problemem, naukowcy pracujący przy projekcie pierwszych bomb jądrowych musieli opracować nowe zapalniki. Całość konstrukcji stanowiła takie wyzwanie, że zdecydowano o przeprowadzeniu testu przed pierwszym użyciem bojowym tego typu bomby.Z bombą typu “działo” nie było takiej potrzeby: tam nie bardzo miało co pójść nie tak. W wypadku bomby typu implozyjnego takich możliwości było dużo. A jednak, pomimo bardziej skomplikowanej budowy, to taki projekt stał się podstawą kolejnych generacji broni jądrowej – między innymi dlatego, że jest dużo bardziej wydajny. Jak dużo? Cóż, w bombie zrzuconej na Nagasaki w reakcji łańcuchowej również wziął udział kilogram materiału rozszczepialnego – ale w sumie tego materiału nie było potrzeba 64 kilogramów, wystarczyło 6… A uwolniona energia? 21 kiloton. Czyli dwie Wieże Eiffela trotylu.
Dużo? Dużo. Ale jak na możliwości broni jądrowej – niewiele. Trwając w nadziei8Nawet biorąc pod uwagę aktualną wojnę – całkiem uzasadnionej., że nigdy już ludzie nie zobaczą charakterystycznego “grzyba”, następnym razem opowiem, co zrobić, żeby uzyskać dużo silniejszy efekt. Na razie chyba jednak widzicie, że skonstruowanie bomby jądrowej to nie jest prosta sprawa i nie ma szans na tego typu wybuch w reaktorze. Przede wszystkim – paliwo nie jest wystarczająco mocno wzbogacone. Ale nawet gdyby było, nie ma żadnego mechanizmu, który mógłby je zgnieść, pozwalając na gwałtowne przyspieszenie reakcji do poziomu wybuchu jądrowego.
Źródła:
https://www.atomicheritage.org/history/electronics-and-detonators
https://www.wisconsinproject.org/nuclear-weapons/
[…] Był kierownikiem Projektu Manhattan, mającego na celu opracowanie konstrukcji amerykańskiej bomby jądrowej. Wróćmy jednak do samego początku. Nasz bohater urodził się w Stanach Zjednoczonych w 1904 […]