Mohlo by vás také zajímat
Německé vzdušné zámky. Projekty se zeleným vodíkem nefungují
František Novák 2. června 2023I když má německá vláda ambiciózní plány na výrobu zeleného vodíku z obnovitelných zdrojů, expanze produkce „čistého“ vodíku se stále…
Rusové staví největší laser na světě. Má testovat jaderné zbraně
František Novák 23. března 2023Car laserů, tak Rusové přezdívají nejsilnějšímu laseru na světě, který budují od roku 2013. Cílem má být testování funkčnosti nových…
Bez Indie nelze globální boj s emisemi vyhrát
František Novák 20. února 2023Ochrana klimatu je v posledních letech hlavním politickým a hospodářským tématem v Evropské unii a Spojených státech. Také Čína uznává,…
- KOMENTÁŘ
Jaderná bomba podle Přemka Podlahy aneb urob si sám
SERIÁL 8. DÍL: Vše jednou končí, i prázdninový seriál o jaderných zbraních a jejich využití. A přestože je tento díl závěrečný, podíváme se v něm na to elementární – z čeho se jaderná bomba skládá a jak se vytváří.
Na závěr našeho seriálu je tu malý „návod“, jak si jadernou zbraň vyrobit. Nebude to à la televizní Receptář Přemka Podlahy, ale spíše základní popis reálné výroby.
„Jadernou bombu umí sestrojit každý – dáte dvě polokoule uranu k sobě a BUM.“ Tento názor jednoho nejmenovaného diplomata nebudeme hlouběji komentovat. Raději se podíváme, jak je to ve skutečnosti.
Vyplyne z toho, proč se dělají testy jaderných zbraní, aby se tyto vešly do mezikontinentálních raket. Pro ty, kteří se seriálem dočetli až sem, to bude asi nejtechničtější část, ale pokusíme se vše vysvětlit bez rovnic.
Boosted, nebo primary?
K jaderné zbrani vždy potřebujete bombu štěpnou – budeme se držet anglického názvu, tzv. PRIMARY. Pokud její mohutnost chcete zvětšit, můžete ji „nadopovat“ a máte zbraň zvanou BOOSTED. Pokud chcete ještě větší mohutnost, přidáte další stupeň, SECONDARY.
Někdy lze polemizovat, kolik stupňů přidáváte (třeba ruský design SLOJKA), ale pro začátek nám toto dělení stačí.
Dnešní zbraně jsou většinou BOOSTED PRIMARY a k tomu přidaná SECONDARY. Vše se snažíte vyrobit malé (aby se to vešlo do rakety/letadla/miny/torpéda/dělového náboje) a mimořádně bezpečné – rozhodně nechcete, aby vám jaderná bomba vybouchla ve vašem skladu/autě/letištním hangáru/lodi/letadle.
Alespoň čtvrt metráku uranu U235
PRIMARY musí mít nadkritické množství uranu 235 nebo plutonia 239 (jiné prvky jsou jen pro akademické úvahy).
Mezinárodní standardy uvádějí, že je třeba minimálně 25 kg U235 nebo 8 kg Pu239. Ve skutečnosti lze PRIMARY sestrojit i s menším množstvím, pokud jste šikovní a použijete dobrý reflektor neutronů.
Ani čistý U235, ani čisté Pu239 v přírodě neseženete. Musíte si je vyrobit. U235 obohacováním (proto tolik povyku kolem íránských odstředivek), Pu239 ozářením jaderného paliva v jaderném reaktoru a potom chemickým oddělením Pu239 od ostatního vysoce radioaktivního odpadu (proto tolik povyku okolo severokorejských testů).
Pak musíte sestrojit PRIMARY tak, aby byla bezpečná při převozu a skladování (tj. co nejvíce podkritická), ale co nejúčinnější při explozi (tj. co nejvíce nadkritická).
Jsou dvě cesty:
- První je rozdělení štěpného materiálu na několik (třeba dvě) podkritických částí, jež jsou běžnou výbušninou k sobě „přistřeleny“. Tomuto typu se říká GUN TYPE a jsou to oním diplomatem zmíněné dvě polokoule uranu.
Tento jednoduchý design se osvědčil v Hirošimě, vyvinuli ho i Jihoafričané, ale dnes ho nikdo nepoužívá – je málo účinný a velmi nebezpečný.
Nebezpečný proto, že když vám při nehodě ony polokoule sklouznou k sobě, dojde k jadernému výbuchu. Málo účinný proto, protože při jaderné explozi je materiál rozmetán dříve, než se celý stihne rozštěpit. - Druhá cesta je ponechání štěpitelného materiálu ve stavu s nízkou hustotou. Tento materiál se obklopí konvenční trhavinou a její výbuch hustotu štěpitelné části zvýší do nadkritického stavu. Tato cesta je technicky velmi náročná.
IMPLOSION, jak se tento typ nazývá, funguje jen tehdy, pokud je štěpitelný materiál zmáčknut výbuchem ve velmi malém okamžiku a ze všech stran stejně.
V podstatě se snažíte zmáčknout fotbalový míč tak, aby byl stále ve tvaru koule, a ne nějaká šiška. No, zkuste si to…
Výhodou je, že pokud se vám to povede, rozštěpíte více materiálu než u GUN TYPE. Druhou výhodou je, že pokud dojde k nehodě (třeba pádu letadla), takováto přesná komprese nikdy nenastane, a bomba tedy jaderně nevybuchne (o nehodách jaderných zbraní jsme psali v předchozích dílech).
Toto je standardní design jaderných PRIMARY dnes.
Jak na zážeh?
Pro „zažehnutí“ jaderného výbuchu se u obou typů používá neutronový zdroj (dříve PoBe, dnes většinou AmBe, PuBe či generátor), který dvěma spojeným polokoulím dodá první „generaci“ neutronů.
Neutronovým zdrojem lze též řídit mohutnost exploze při stejném množství štěpitelného materiálu, ale je to neefektivní. Tento zdroj se nalézá uvnitř PRIMARY.
Pokud je mohutnost PRIMARY malá, lze využít vysokých teplot a tlaků a přidat „trochu“ deuteria (D) a tritia (T), které při fúzní reakci zvýší mohutnost bomby.
To je pak bomba BOOSTED. Toto přidávání má bohužel svoje omezení, protože při jistých množstvích D a T by se PRIMARY „nafoukla“ a už by nebyla kritická. Jednoduše by byl štěpitelný materiál nahrazen neštěpným.
Limitem mohutnosti PRIMARY je podkritičnost systému při převozu zbraně. PRIMARY lze udělat i ze 100 kg uranu o mohutnosti až 500 kt (americký test Ivy King), ale tato zbraň bude velmi nebezpečná pro vlastní tvůrce, a tedy v praxi nepoužitelná.
Využití vodíkové bomby
K dalšímu zvětšení mohutnosti se musí použít druhého fúzního stupně, kdy PRIMARY slouží jen jako zápalka daleko mohutnější „vodíkové“ bomby.
Dnes je pro tyto „vodíkovky“ standardem Tellerův-Ulamův postup neboli 3. způsob, jak ho nazval Sacharov (viz schéma).
Při něm je záření z výbuchu PRIMARY směrováno na zahřátí a zmáčknutí SECONDARY předtím, než výbuch z PRIMARY materiál ze SECONDARY rozmetá.
SECONDARY je fúzní materiál (opět deuterium (D) a tritium (T) či jejich matečné prvky), a čím více ho dáte, tím bude mohutnost výbuchu větší. Tedy 10kt a 8Mt bomba může mít stejnou PRIMARY a jen různé SECONDARY ovlivní velikost výbuchu.
Navíc D i T při BOOSTED bombě mohou být v plynné formě, a mohou být tedy před odpálením „vypuštěny“. Tím by pak mohla mohutnost klesnout i pod 1 kt. A to jsou metody, jak mít bombu s „nastavitelnou“ mohutností.
Do SECONDARY jsou přidány „zážehové svíčky“ v podobě uranu či plutonia nebo obal z uranu, ale tyto finesy zde nebudeme rozebírat.
Čím více uranu a plutonia, tím bomba vyprodukuje více radioaktivního spadu.
Čím více materiálu ve fúzní části, tím je bomba “čistější” a bude více ničit teplem a tlakovou vlnou.
Indický příklad
Jak se staré bomby liší od nových, na to se pojďme podívat na indickém příkladu:
Starší implozivní zbraně (A) potřebovaly 8 kg plutonia a měly při mohutnosti 12 kt hmotnost 500 kg, což je pro leteckou bombu snesitelné, ale pro mezikontinentální rakety příliš velké a těžké.
Novější indické BOOSTED bomby jsou dvakrát menší, váží jen 100 kg a mají „nastavitelnou mohutnost“ mezi 0,5 kt (C) a 17 kt (B). K takovému efektivnějšímu řešení je ale třeba několik testů jaderných zbraní.
Pokud jadernou bombu chcete doručit na mezikontinentálním nosiči, bude jaderná hlavice při pádu z vesmíru skrz atmosféru třením o vzduch velmi zahřívána. A přitom nechceme, aby vybouchla; to má nastat až nad cílem. Musí být tedy použit typický tvar hlavice a ten taky dnes limituje návrh jaderných zbraní a vede ke kuželovitým tvarům.
Na závěr ukažme průřez moderní hlavicí W76 (viz schéma a obrázek). Vlevo je vidět jak PRIMARY, tak i SECONDARY, vpravo je kryt MIRV, tedy kuželovitého návratového modulu mezikontinentální hlavice.
Tímto bych základní část prázdninového seriálu o jaderných zbraních ukončil.
Pokud máte zájem o jeho rozšíření, budu bedlivě číst debatu pod články a před začátkem školního roku mohu přidat bonusový díl.
Předně bych Vám chtěl poděkovat za skvělý seriál, poslední díl se mi líbil nejvíc. Otázek mám spoustu.
Hirošimská bomba byla uranová explosivní, zatímco fatman byl plutoniový implozivní. V jednom dokumentu jsem viděl, že i plutoniovou chtěli udělat také explozivní, ale výpočty jim ukázaly, že to není možné. Je tedy u plutonia imploze nutnost?
Jak velký je nejmenší prakticky možný jaderný výbuch? Vím o zbrani Davy Crockett, ale nechápu jak funguje, víte?
Je pravda, že boosted bomb by vybuchla i bez boostu jen menší silou? Pokud ano, tak proč se používají boosted bombs jako rozbušky pro seconday? Nestačila by prostě malá bomba bez boostu?
K čemu přesně je neutronový zdroj? Je povinný? Byl přítomen i nad Hirošimou a Nagasaki?
Když třeba Severní Korea něco odpálí, lze nějak zjistit co to bylo? Jestli to bylo plutoniové, jestli to mělo boost atd?
Když Íránci stavějí odstředivky, znamená to, že stavějí uranovou bombu nebo to může být něco jiného?
Dá se říct, že uranová bomba je jednoduchá? Tzn v podstatě zopakovat toho diplomata. Že jediný problém je odstředit dost uranu 235? Já to chápu jako jediný důvod vývoje (implozivní) plutoniové bomby.
Platí stále, že francouzské bomby jsou jiné, než má zbytek světa? Má tento design oficiálně ještě někdo? Nebo u vodíkových bomb už je to jinak?
Předem děkuji aspoň za část odpovědí.
Děkuji, dotazů věru kupa na několik článků 🙂
Začnu tí prvním.
Není to nutnost.
GUN TYPE s plutoniem byl prvotní cíl Američanů v roce 1944, měl název Thin Man a byla to bomba přes 5 metrů dlouhá, kde byla snaha k sobě přistřelit „polokoule“ plutonia daleko větší rychlostí než u GUN TYPE s uranem (proto ta délka bomby , kde dlouhá „hlaveň udělí větší rychlost“). Nakonec se ale tato bomba nerealizovala ze dvou důvodů:
1- tak dlouhá a úzká bomba byla v pádu velmi nestabilní
2- test implozivní bomb Fat Man (výbuch Trinity) dopadl dobře a na Nagasaki tedy šel Fat Man a nikoliv Thin Man 🙂
Ta větší rychlost přistřelení u Pu239 než u U235 je způsobena větším množstvím spontánních neutronů u plutonia než u uranu, které mohou vést k předčasnému výbuchu bomby, který je pak řádově slabší než plánovaný. Čím je Pu239 čistší, tím je toto riziko nižší (poločas rozpadu Pu239 je 24 000let, pro Pu240 6 200let, ale pro Pu241 jen 14let…).
A právě neutronový zdroj je u bomb proto, aby dodal štěpící neutrony přesně v momentu maximální kritičnosti, ale ne dříve.
Dobrý den, také děkuji za skvělý seriál. Nějak si nedokážu představit, jak může fungovat IMPLOSION. V jakém stavu je materiál na začátku, že je stlačitelný? Předpokládám, že nejde o kovový U/Pu. Jde o nějaký chemický derivát, nebo třeba 3D strukturu obsahující „vzduch“ pro snížení hustoty? Moc díky za případné vysvětlení.
Pokud bych mohl přidat návrh na další článek mimo jaderné zbraně, zajímaly by mě thoriové reaktory – jak daleko je k možnému využití v energetice? Je to technologie slibná? Děkuji 🙂
Ano, je to kov; a ano, uprostřed bývá ona koule, tzv. PIT, dutá. Většinou se tam právě pro BOOST přidává plynné D a T. Někdy lze i do dutiny přidat prvky, které bombu znehodnotí, např. při špatném zadání iniciačního kódu.
Snaha je mít malou hustotu kovu před stlačením a velkou po stlačení. Používá se u plutonia slitina s Galiem.
Popis třeba zde: https://en.wikipedia.org/wiki/Plutonium–gallium_alloy
Víc zde neuvedu, aby mi neprohledávala popelnici BIS 🙂
Dobrý den,
Píšete, že štěpná bomba se nazývá „Primary“. V anglicky psané literatuře je pod názvem Primary v souvislosti spíše jen jako první stupeň dvou- popř. vícestupňových termonukleárních bomb. Přijde mi vhodnější napsat napsat „Fission bomb“. Třeba napsat o bombě Fat Man, že byl „Primary“, mi přijde poněkud divné. Byla to přece čistě štěpná bomba převedená do zbraně. Navíc bomby, které se označují jako primary, jsou modifikované od jiných bomb. Např. se jedná o nahrazení systému trhavin , konkrétně pomalé trhaviny – ve starších bombách, kde je implozní systém iniciovaný z mnoha bodů, trhavinami, které jsou složené jen z prvků s nízkým protonovým číslem, aby mohlo být záření z primární bomby dobře transportováno na sekundární část. Přece jenom baryum v baratolu není do termonukleární bomby příliš vhodné a je tedy baratol nahrazen boracitolem.
Píšete o vhodnosti U-235 a Pu-239, doporučil bych však zmínit ještě U-233, který byl otestován (konkrétně v Operaci Teapot, testu MET – v roce 1955). Je sice pravda, že nebyl samotný, ale byl v kompozitním jádru spolu s Pu-239, ale i tak byl použitý. Domnívám se, že U-233 je svým poměrně nízkým kritickým množstvím (15 kilogramů přibližně) a nízkou mírou spontánního štěpení vhodný pro Gun Type bomby – ostatně to tak zmínil i Carey Sublette, ovšem musí být minimalizováno množství U-232, který je silně radioaktivní a kvůli němu se produkují neutrony, které mohou iniciovat štěpný materiál.
Píšete taky o tom, že mezinárodní standardy uvádějí, že je potřeba minimálně 8 kg Pu-239 a 25 kilo U-235. Třeba mnou již zmiňovaný Fat Man měl plutonia pouze 6,2 kilo a jsem přesvědčený, že toto množství je ještě možné snížit (ovšem nechce se mi hledat konkrétní příklady konkrétních bomb, kde je snížené kritické množství). Ale je pravdou, že skoro 5 tun vážící bomba by strategicky nebyla moc použitelná. 25 kilo u U-235 mi přijde taky moc. Už i pouhých 5 centimetrů přírodního uranu jako reflektor (u raných implozních bomb bylo řekněme 7 cm) sníží kritické množství uranu obohaceného na 93,5% U-235 na nějakých 23,5 kilo, což znamená, že 25 kilo by bylo už množství nadkritické a nebylo by ho možné skladovat v bombě (pokud by teda jádro nebylo třeba duté, ale mám na mysli minimální kritické množství).
U Gun type bomby bych ještě doplnil, že nízká účinnost přímo plyne z principu. Je tam z důvodu normální hustoty štěpného materiálu nutnost vyššího množství, což při stejné síle dosáhne nižší účinnosti. U bezpečnosti „Implosion“ jsou problémy třeba v bombě z testu Ivy King, zde mohlo být uloženo 60 kilogramů vysoce obohaceného uranu, protože byl v designu duté tenké koule, ovšem pokud by náhodou (např. pádem explodovala část systému výbušnin (respektive celý, ale nebylo by to dostatečně koordinované), bomba by mohla explodovat třeba se silou pár desítek kilotun. Ale celkově by většina starších implozních bomb asi explodovala – b\ť s malou silou. Ještě bych uvedl, že trhavina v této bombě nebyla „necitlivá“. Ale moderní bomby, které mají dvoubodově iniciovanou implozi a technologii tzv. Flying plate jsou v tomto bezpečnější – za zmínku stojí třeba americké testy z 50. Let (třeba testy v Operaci Project 56…)
O nutnosti neutronového zdroje v Gun type bombě lze polemizovat, obecně se uvádí, že není potřeba, ale je lepší ho tam dát, záleží ovšem na konstrukci bomby (třeba bomba Little Boy). U lineární imploze též není nutný.
U termonukleární bomby mi přijde použití tritia ve velkém množství poněkud nesmysl při jeho ceně. Používá se hydrid lithný, kde vodík je nahrazený deuterium. Bývá obvykle obohacený na 95% lithia-6. Ovšem to obohacování je jednodušší než u uranu díky velkému rozdílu relativních atomových hmotností. Z lithia se v bombě vyrobí tritium pomocí reakce lithia-6 s neutrony, které se pak za vhodných podmínek sloučí s deuteriem. LiD je pevná látka, která má výhodně fyzikální vlastnosti. Ovšem jde to i z přírodního lithia – 7,5% Li-6 (test Castle Romeo) popř. středně obohaceného – 40% Li-6 (famózní test Castle Bravo)
Zážehové svíčky (spark plug) jsou značně podstatná část. Je to věc, se kterou přišel známý Edward Teller. Spark plug zahřívá stlačené palivo a dodává neutrony do lithia, z čehož se může vyrobit tritium. Kdyby nebyly tyto svíčky použity, bomba by nefungovala, popř. by měla značně nižší sílu.
Píšete, že 500 kilogramová bomba je pro hlavici mezikontinentální rakety příliš těžká a velká. U rakety Peacekeeper bylo použito 12 hlavic W78, které vážily přes 300 kilogramů, což dává dohromady 3600 kilogramů, vzhledem k rozměru „payloadu“ si myslím, že by bylo možné tam vměstnat takovou bombu. Ale do raket, které mají kratší dolet, by taková bomba moc použitelná nebyla. A takové rakety má třeba Indie. A celkově méně vyvinuté země. Ty novější mají i méně než 100 kg, už v 50. letech byly bomby, které měly 150 liber a sílu do 15 kilotun – hlavice W45. Ovšem nezdá se mi, že by rozvojové země takové bomby měly.
Doufám, že nepíšu pozdě, ale na konci píšete o případném rozšíření seriálu, že by to bylo před začátkem školního roku, tak jestli by to bylo možné i třeba teď. Zajímaly by mě tyto věci: bomba s hydridem uranu (uranium hydride bomb), levitující jádra, design Slojka, zbraně se zvýšenou radiací (neutronové bomby.
Něco o tom už vím, ovšem jen z anglicky psaných internetových stránek, jen málo z odborné literatury. Rád bych se dozvěděl více, samozřejmě jen z volně dostupných zdrojů, z ničeho tajného samozřejmě – ostatně vše, co jsem dnes psal je z volně dostupných anglických internetových zdrojů, popř. z jednoho dílu knihy Swords of Armageddon od Chucka Hansena.
Těším se na diskusi s Vámi, popř. opravení mě, pokud jsem napsal nějaké nesmysly
🙂
To je námětů! Udělám asi seminář… a dám vědět.
Tedy jen krátce:
8kg u Pu239 a 25kg u U235 je tzv. significant quantity (SQ), čím se ve světě měří zásoby jaderného materiálu. Přišla s tím MAAE a je to konstanta, kterou všichni, jak píšete, umějí zmenšit 🙂
Ano, U233 je výtečný materiál na bombu. Já bych řekl, že asi nejlepší. Jen příprava je tristně těžká. Při výrobě U233 z Th232 bohužel vzniká (mimo Vámi zmiňovaného U232) i U234, takže touto cestou nikdo nejde…
SECONDARY chcete mít s vysokou hustotou, rozhodně NE plyn. Tedy s LiD máte naprostou pravdu. Tekutý vodík byl jen na testy. A isotop Li6 co nejvíce, protože Li6 + n -> T + He. Proto Li6 taky dnes v civilních aplikacích (baterkách) skoro nenajdete, tam je naopak obohacené Li7. Výhoda „výroby“ tricia z Li6 přímo v bombě je, že T nemusíte (oproti BOOSTED PRIMARY) doplňovat, jak se vám radioaktivně rozpadá…
Zaujímavé čítanie, ale mňa by zaujímalo, ako sa sila tých výbuchov meria. Výpočet je totiž jedna vec a realita druhá.
A tiež som v jednom dokumente videl, že vraj gulička Pu veľkosti mužskej päste dokáže poháňať jadrovú ponorku 20 (či dokonca viac) rokov. A nielen pohon, ale všetku energiu, čo ponorka potrebuje. Je to vôbec možné?
Vůbec ničemu nerozumím. Všichni jste divní. Jděte se léčit. S pozdravem, budoucí vládkyně světa!!!!