ZPĚT

 

 Kapitola 1 - Základní principy, informace související s jadernými bombami

 

 

 

 

 

 

 

1.1 - Charakteristiky jaderných výbušnin

 

1.1.1 - Síla jaderného výbuchu, ekvivalent TNT

 

Energie uvolněná explozí jaderné nálože je mnohem vyšší než energie uvolněná při explozi konvenční výbušniny. Pro měření energie jaderných bomb se využívá ekvivalent trinitrotoluenu (TNT), což je dobře poznaná výbušnina. Obyčejné pouze štěpné či termonukleární fúzí posílené bomby (viz Kapitola 2) mají ekvivalent nejčastěji v řádech desítek kilotun, termonukleární (viz Kapitola 3) mají obvykle ekvivalent ve stovkách kilotun až megatunách. Jednoduše řečeno, pokud má bomba sílu ekvivalentu jedné kilotuny TNT, znamená to, že k uvolnění stejného množství energie je potřeba 1000 000 kilogramů konvenční výbušniny TNT. Energie jaderného výbuchu se uvolní ve formě několika složek (viz 1.2.2, příp. Kapitola 3, část věnovaná neutronové bombě), oproti konvenčním výbušninám bude mít menší část uvolněné energie účinky výbuchu. Proto jaderný výbuch o síle např. jedné kilotuny vytvoří menší tlakovou vlnu než  tisíc tun TNT. V případě hypotetické čistě fúzní bomby má účinek výbuchu pouze cca 1/5 uvolněné energie - viz. Kapitola 1.2.1 , zbytek energie je uvolněn hlavně ve formě energie neutronů.

 

Ekvivalent TNT se nepoužívá pouze u jaderných bomb, lze ho využít i k označení síly konvenčního výbuchu (např. když je nějaký výbuch továrny na výbušniny). Jedna kilotuna TNT je též ekvivalent 4,184 TJ (terajoule). Zajímavostí je, že se dříve síla explozí někdy srovnávala s výbuchem v Halifaxu. Tento výbuch lodi převážející výbušniny byl ekvivalentní cca třem kilotunám TNT. V časopisu Time byla po explozi bomby Little Boy síla jejího výbuchu označena jako sedminásobek exploze v Halifaxu. Síla jaderných bomb může být dobře patrná v porovnání nejsilnější nejadernou bombou v arzenálu USA - Bombou GBU-43 MOAB - "Matkou všech bomb". Bomba MOAB má sílu ekvivalentní 11 tunám TNT. První odpálená jaderná bomba byla téměř 2000x silnější. Srovnání síly jednotlivých jaderných bomb:

 

Davy Crockett  - 10 - 20 tun TNT

W48 - nukleární dělostřelecký granát ráže 155 mm - 72 tun TNT

Little Boy - bomba svržená na Hirošimu - 16 kilotun TNT

Trinity první jaderný výbuch - 20 kilotun TNT

W88 - hlavice rakety Trident II - 475 kilotun TNT

B83 - nejsilnější bomba v současném arzenálu USA - 1,2 megatuny

Ivy Mike - První termonukleární bomba - 10,4 megatuny TNT

Car bomba - Nejsilnější odpálená bomba - 57 megatun TNT (plánovaná síla 100 megatun)

 

 

1.1.2 - Poměr síla/hmotnost u jaderných bomb

 

Tento pojem souvisí s předchozím. Prakticky dosažitelné maximum je podle Teda Taylora 6 kilotun/kilogram[1]. To znamená, že z jednoho kilogramu hmotnosti bomby se uvolní energie o ekvivalentu 6 kilotun TNT. Historicky nejvyšší dosažený poměr je 5,2 kilotun/kg. To bylo u bomb B-41[1]. Hodnoty blížící se 6 kilotunám na kilogram jsou prakticky dosažitelné pouze u "špinavých" termonukleárních bomb. Čisté bomby dosahují přibližně poloviny těchto hodnot. U bomby Little Boy byl poměr síla/hmotnost 3,6 tuny TNT/kilogram hmotnosti bomby. Takový poměr byl přibližně 4000 x vyšší než u konvenčních bomb (pokud nebereme v úvahu podíl hmotnosti obalu konvenční bomby, který je inertní). Nicméně Little Boy byl daleko od těch 6 kilotun/kg. Poměr síla/hmotnost byl u bomby Little Boy více než tisíckrát nižší než u bomb s nejvyšším tímto poměrem.

 

Dříve byly v USA termonukleární zbraně rozděleny podle hmotnosti a ekvivalentu TNT do několika tříd - A až F. Zbraně třídy A byly nějtěžší, měly hmotnost 50 000 liber (22 680 kilogramů) nebo nižší a sílu od minimálně 15 až po 20 megatun. Třída B měla hmotnost mezi 23 000 a 15 000 librami (10 433 kilogramů a 6804 kilogramů) a sílu 5 až 10 megatun, třída C měla hmotnost 8500 liber (3856 kilogramů) nebo nižší a sílu od 2 do 10 megatun. Třída D měla hmotnost 3000 až 4000 liber (1361 kilogramů až 1814 kilogramů) a sílu od 250 kilotun do 3 megatun. Třída E pak měla hmotnost 1000 až 1500 liber (454 až 680 kilogramů) a třída F hmotnost do 1000 liber.[2]

 

1.1.3 - Efektivita využití štěpného materiálu/fúzního paliva

 

  Tento pojem též souvisí s dvěma předchozími. Rozštěpí se jen zlomek štěpného materiálu, např. u bomby Little Boy to bylo přibližně 0,9 kilogramu z 64 kilogramů, které tam byly. Zbytek se silou výbuchu rozmetá a nerozštěpí se. Procentuální zastoupení rozštěpeného štěpného materiálu je vlastně efektivita. U bomby Little Boy to bylo (0,9/64) krát 100 = 1,4 %. Obecně mají nejnižší efektivitu GT bomby a lineární imploze, efektivitu těchto bomb je však možné navýšit posílením termonukleární fúzí (viz Kapitola 2). Implozní bomba Fat Man obsahující 6,2 kilogramu plutonia, u které se rozštěpilo 1,1 kilogramu plutonia, měla efektivitu (1,1/6,2) krát 100 = 17,7 %. Dnešní bomby mají efektivitu ještě vyšší (i kolem 50 %), což je ale ze značné části způsobeno posílením termonukleární fúzí. U termonukleárních bomb je pod efektivitou považováno množství zreagovaného fúzního paliva. U bomby v testu Bravo v Operaci Castle byla efektivita zhruba 25 %,  tedy zreagovala asi čtvrtina fúzního paliva[3].  

 

1.2 - Jaderný a termojaderný výbuch

 

1.2.1 - Princip jaderného výbuchu

 

Jaderná bomba je založena na štěpení jader některých izotopů některých těžkých prvků - uranu-235, plutonia-239 a méně často uranu-233. (pozn. autora - jaderná bomba je pojmenovaná právě podle štěpení těchto jader, jádra v bombách (kusy štěpného materiálu) zmiňovaná v Kapitole 2 nejsou původem názvu jaderných bomb). Štěpná reakce v jaderných bombách je na rozdíl od reaktorů neřízená. V jaderných bombách je štěpná reakce až na výjimky (viz Kapitola 2) nemoderovaná. Moderátor neutronů je látka, která zpomaluje neutrony. Jaderná bomba funguje, stručně řečeno tak, že se v nadkritickém množství štěpného materiálu iniciuje štěpná řetězová reakce. Při štěpení vzniknou nové prvky a neutrony (obvykle 2 až 3). Druhá generace neutronů pak štěpí další uran nebo plutonium, třetí generace štěpí další a tak to pokračuje. Čas mezi jednotlivými generacemi je průměrně 10 nanosekund. V momentě, kdy se spustí štěpná reakce, bude mít charakter laviny. Počet neutronů se po pár generacích mnohonásobně zvětší. Tak to pokračuje dál a dál. Štěpení se pak zastaví samo tehdy, když se štěpný materiál dostane do podkritické konfigurace. Celkově v jaderné bombě proběhne k dosažení plné síly těchto generací přibližně 50-55 [4]. Nejvíce energie se uvolní v několika posledních generacích. Přibližně 99,9 % energie je uvolněno v posledních 7 generacích [4]. Při rozštěpení jednoho kilogramu uranu se uvolní přibližně 17 kilotun TNT, u plutonia je to ekvivalent cca 19 kilotun trinitrotoluenu. Při jaderném výbuchu se dosáhne teplot v řádech desítek milionů Kelvinů. Vlastní energie se uvolní ve formě několika složek.

 

 

Pro jadernou bombu jsou z praktického hlediska použitelné 3 dříve jmenované izotopy. Použitelných  z teoretického hlediska je však více, nicméně v praxi se nepoužívají. U některých představují problém nechtěné příměsi patřící neodmyslitelně k produktu, který je vyrobený v jaderném reaktoru. Odseparovat některé vhodné a nevhodné je jen velmi náročné. Jiné izotopy mají problém např. vysokou míru spontánního štěpení - vysvětlím dále. Uran-235 se po absorbování neutronu přemění na excitovaný uran-236, který se rozkmitá a rozštěpí např. na baryum-141 a krypton-92 (ovšem je mnohem více možností, na co se může štěpit) a uvolní se průměrně 2,5 neutronů. Při štěpení plutonia-239 se uvolní však průměrně téměř 3 neutrony. Většinu energie ze štěpení tvoří kinetická energie fragmentů, které vzniknou např. z uranu-235.

 

Některé izotopy jsou štěpitelné neutrony jakékoliv energie (jako příklad můžeme uvést uran-233, uran-235 a plutonium-239), jiné potřebují k rozštěpení neutrony, které mají vysokou energii (U-238). První tři jsou schopné sebeudržující se štěpné reakce, uran-238 je možné taky štěpit, ale potřebuje dodat více energie, aby se rozštěpil. Pro obyčejnou jadernou bombu jsou vhodné tedy jen ty, které jsou schopné štěpné reakce, která se sama udržuje. Některé štěpné reakce jsou zde, energie u nich je typicky kolem 200 MeV:

 

1. U-235 + n  ---> Ba-141 + Kr-92 + 3n

2. U-235 + n  ---> Xe-142 + Sr-90 + 4n

3. U-235 + n  ---> Cs-144 + Rb-90 + 2n

4. U-235 + n  ---> Ba-139 + Kr-94 + 3n

5. Pu-239 + n  ---> Xe-134 + Zr-103 + 3n

6. U-233 + n  ---> Xe-137 + Sr-94 + 3n

 

 

 

 

Další velmi důležitou reakcí je reakce, která je opačná - tedy slučování. Zde se za vysokých teplot a tlaků slučují jádra lehčíh prvků na těžší. Reakce tohoto typu se konají v termojaderné bombě. Zatímco se štěpí ty nejtěžší prvky, slučují se prvky nejlehčí. Slučování se nazývá termonukleární fúze. Tato termonukleární fúze probíhá ve hvězdách včetně pro život na zemi tak podstatného Slunce. Nejsnáze uskutečnitelnou fúzní reakcí je slučování izotopů vodíku - deuteria a tritia, což jsou vodíky s jedním, respektive dvěma neutrony. Další pro termonukleární bomby podstatná reakce je slučování deuteria s deuteriem, ostatní reakce mají mnohem vyšší teploty zápalu. Deuterium se vyskytuje v malém množství v přírodě, tritium též, ale ve velmi malém množství, proto se vyrábí v reaktoru ozařováním lithia-6. Deuterium je v přírodě hlavně ve formě tzv. polotěžké vody (HDO), přirozeně se vyskytuje i tzv. polosupertěžká voda - HTO, těžká voda (D2O) a supertěžká voda (T2O) a DTO, nicméně množství je velmi malé (zejména v případě supertěžké vody). Tritium má poločas rozpadu pouhých 12,32 let, proto se brzo přemění na jiný izotop - helium-3. Ovšem díky tomu má využití v různých zdrojích světla, miřidlech zbraní, která svítí, atp. Některé důležité reakce v termojaderné bombě jsou tyto:

 

1. D + T ---> He-4 + n + 17,6 MeV (z čehož je 14 MeV energie neutronu), teplota zápalu reakce je okolo 5 x 107 Kelvinů

2. D + D ---> He-3 + n + 3,3 MeV (z čehož je 2,45 MeV energie neutronu), teplota zápalu reakce je okolo 5 x 108 Kelvinů

3. Li-6 + n ---> T + He-4 + 4,8 MeV

4. Li-7 + n ---> T + He-4 + n - 2,5 MeV

 

 

Pak jsou tu vedlejší reakce jako:

 

5. D + n ---> p + 2n - 2,2 MeV

6. Li-6 + n ---> He-4 + D + n - 1,474 MeV

 

 

Při štěpení a termonukleární fúzi (která je však účinnější) se jenom malé množství hmoty přemění na energii. Z kilogramu štěpného materiálu je to jen necený gram. Přestože počet nukleonů (protonů a neutronů) po štěpení je stejný jako před ním, je však průměrná hmotnost nukleonů v produktech štěpení (třeba baryum a krypton) nižší než průměrná hmotnost nukleonů ve štěpném materiálu. V případě fúze je to podobné. Průměrná hmotnost nukleonů v deuteriu či tritiu je vyšší než průměrná hmotnost nukleonů v heliu. Právě hmotnost, která zde ubude, se přemění na energii. Nejnižší průměrná hmotnost nukleonů je v jádru, které má nukleonů 56 (čili např. železo-56) - viz následující obrázek

 

Graf 1 - Závislost průměrné hmotnosti nukleonů na počtu nukleonů v jádře

 

 

 

 

Množství hmotnosti, která se přemění na energii, lze vypočítat ze známého vztahu E=mc2 Pokud se přemění jeden gram hmotnosti na energii, získá se 0,001 × 300 0002 = 9 × 1013 Joule, což je 90 Terajoule. Při přepočítání na ekvivalent TNT je to: 90 Terajoule ÷ 4,184 = 21,5 kilotuny TNT.

 

1.2.2 - Efekty jaderného výbuchu

 

Jaderných výbuchů je několik typů:

 

- atmosférický

- podzemní

- exoatmosférický

- podvodní

 

Atmosférické výbuchy tvoří známé hřibovité oblaky, právě takový byl výbuch v testu Trinity. Podzemní test je jediný v současné době používaný a do jisté míry akceptovatelný. U exoatmosférického může být bomba vynesena raketou do velké výšky a tam odpálena. Podvodní byl např. test Baker v Operaci Crossroads. Efekty atmosférického testu jsou níže:

 

 

Energie jaderného výbuchu se uvolní ve formě 4 složek. Těmi jsou: tlaková vlna, teplo (termální radiace), ionizující radiace a zbytková radiace. Tlaková vlna představuje asi 40 až 50 % energie, termální radiace 30 - 50 % energie, ionizující radiace 5 % energie a zbytková radiace 5 - 10 %. Energie. Poměr těchto složek je však jiný u standardní štěpné bomby o síle cca 10 kilotun a u termonukleární bomby o síle v řádech megatun. Taky u neutronové bomby (viz Kapitola 3) je poměr těchto složek dost jiný (ve prospěch okamžité radiace). První tři složky představují okamžité účinky, čtvrtá složka je účinek, který se pomalu uvolňuje a působí škody ještě dlouho po vlastním jaderném výbuchu.

 

Tlaková vlna způsobuje ničení budov a jiných struktur, které pak mohou zasypávat oběti. Tlaková vlna může působit na větší vzdálenost v důsledku efektu anglicky zvaného Atmospheric focusing. Tlaková vlna je v důsledku rozdílné hustoty jednotlivých vrstev atmosféry horizontálně lomena a šíří se na mnohem větší vzdálenosti, než by se měla teoreticky šířit. Termální radiace způsobuje ošklivé popáleniny, případně vypaření osob (za zmínku stojí, že právě většina úmrtí v případě Hirošimy a Nagasaki byla v první den způsobena popáleninami). Radiace způsobuje pak nemoc z ozáření. Právě radiace je věcí, která hlavně odlišuje jaderný výbuch od výbuchu konvenčního.

 

Ze zpožděných účinků se jedná o radioaktivní kontaminaci území anebo o účinky na atmosféru. Z účinků na atmosféru se jedná třeba o tvorbu velkého množství oxidů dusíku (1 megatuna ekvivalentu TNT vytvoří 5 tisíc tun oxidů dusíku). Zmíněné oxidy dusíku (zvláště pak oxid dusičitý) vznikají z kyslíku a dusíku z atmosféry při vysokých teplotách vyvolaných jaderným výbuchem. Tyto oxidy dusíku pak způsobují hnědočervenou barvu vrcholu jaderného hřibu. Dále dochází k ničení ozonové vrstvy, při větším množstí jaderných výbuchů a/nebo jejich velké síle může dojít k nukleární zimě,...

 

U jaderných a zejména u termonukleárních bomb lze pozorovat efekt zvaný dvojitý záblesk (double flash). Pozorovatel vidí první záblesk, který pak ztratí na intenzitě a následně se objeví druhý záblesk, který má mnohem delší trvání než záblesk první. První záblesk trvá typicky jednu milisekundu a uvolní se při něm zhruba 1 % termální energie. Pokles světelné intenzity je následován druhým zábleskem trvajícím stovky milisekund až jednotky sekund. Je nutno mít na paměti, že první záblesk má vždy vyšší intenzitu než ten druhý. Dvojitý záblesk je možné vysvětlit následovně. Povrch ohnivé koule je rychle překonán expandující rázovou vlnou. Tato expandující rázová vlna před sebou stlačuje vzduch jako píst. Ten je pak ohříván na vysokou teplotu, přičemž dojde k vytvoření plazmatu, které má za následek, že tato vlna není průhledná. Tato rázová vlna sama vydává světlo, nicméně o menší intenzitě, zhruba jednu desetinu intenzity počátečního záblesku. Toto je právě čas mezi prvním a druhým zábleskem. Jak rázová vlna expanduje, dochází k jejímu ochlazení a umožní, aby světlo, které bylo za ní, prosvitlo. A toto je právě ten druhý, méně intenzivní záblesk.[5]

 

1.3 - Vlastnosti materiálů používaných v jaderných bombách

 

 1.3.1 - Fyzikální a chemické vlastnosti

 

Při konstrukci jaderné bomby jsou důležité mimo jiné fyzikální vlastnosti. Jednou z nich je hustota. Hustota je podstatná jak u štěpného materiálu, tak i jiných kompomentů bomby, aby byla funkčnost dokonalá. Důležité jsou též chemické vlastnosti, problémem může být koroze plutonia nebo reakce některých komponentů v bombě. Fyzikální a chemické reakce se mohou zdát jako banalita, nicméně jsou i případy, kdy ohrozily celkovou funkčnost bomby (viz hlavice W47).

 

1.3.2 - Kritické množství

 

Důležitou vlastností je kritické množství štěpného materiálu. Jedná se o nejmenší množství štěpeného materiálu potřebné pro sebeudržující štěpnou řetězovou reakci. Kritické množství je závislé na tvaru štěpného materiálu, hustotě, teplotě, přítomnosti odražeče neutronů, přítomnosti látky pohlcující neutrony,... Čím větší je povrch štěpného materiálu, tím je větší kritické množství. Na tomto je založené bezpečné skladování štěpného materiálu, při kterém je v takové konfiguraci, že má velký povrch a hodně neutronů unikne ven. Čím je vyšší hustota, tím je kritické množství nižší. Tohoto faktu se využívá při konstrukci jaderné bomby - bude vysvětleno dále. Kritická množství některých izotopů jsou v následující tabulce, hodnoty jsou jen přibližné:

 

Tabulka 1 - kritická množství

 

Uran-235 50 kg
Uran-233 15-16 kg
Plutonium-239 10-10,5 kg  v alfa fázi, 16 kg v delta fázi
Plutonium-238 9-10 kg
Neptunium-236 7 kg
Neptunium-237 60 kg
Americium-242 9-14 kg
Curium-247 7 kg
Californium-251 5 kg
Californium-252 2,73 kg

 

 

Tyto hodnoty jsou pro kouli (tento útvar má ze všech útvarů nejmenší povrch a tedy nejmenší kritické množství), která je z čistého izotopu bez příměsí a odražeče neutronů. Při vhodném tvaru lze pohromadě uložit i několikanásobek zmiňovaných hodnot, což se taktéž využívá/využívalo u jaderných bomb. Je zde však riziko, že při kolapsu tvaru štěpného materiálu se dosáhne množství nadkritického. Při nižším obsahu izotopu se kritické množství mění. Mám na mysli hlavně uran-235, kde bývá jako příměs U-238. Pokud je podíl uranu-238 větší, stoupá i kritické množství. Tedy když je uran obohacený na 93,5 % U-235, bude jeho kritické množství menší než u uranu obohaceného na 85 % uranu-235. Zároveň se snižující se koncentrací uranu-235 stoupá potřebné množství ve štěpném materiálu, aby bylo možné dosáhnout kritického množství. Tedy u 93,5 % U-235 (obohacení v amerických jaderných bombách) je potřeba zastoupení uranu-235 necelých 45 kilogramů, při obohacení jen na 40 % U-235 je potřeba už 100 kilogramů U-235 ve štěpném materiálu.

Kritičnost (kritický stav) může být buď zbrzděná (delayed) anebo okamžitá (prompt). Většina neutronů je emitována přímo štěpením - ty se nazývají okamžité neutrony, nicméně malá část - řádově desetiny procenta - pochází z produktů štěpení, tyto neutrony se uvolňují se zpožděním v řádech desetin až jednotek vteřin a nazývají se zpožděné. Pokud jde o zbrzděnou kritičnost, znamená to, že neutronová populace ve štěpném materiálu je dostatečná, aby se štěpná reakce mohla sama udržovat. Tato neutronová populace je tvořena jak okamžitými neutrony, tak zbrzděnými neutrony. Pokud jde o kritičnost okamžitou, znamená to, že okamžité neutrony samy o sobě jsou dostatečné pro štěpnou reakci, která se sama udržuje. Jaderné reaktory pracují se zbrzděnou kritičností. Okamžitá kritičnost je však původem několika nehod, kdy došlo k ozáření a smrti lidí. U jaderných bomb se považuje za kritický stav ten, kdy je okamžitá kritičnost. 

 

1.3.3 - Neutronové pozadí

 

 Neutronové pozadí je průměrná míra vypouštění neutronů do štěpného materiálu. Tato míra je velmi důležitá. Tyto neutrony mohou iniciovat predetonaci a tak způsobit selhání bomby - viz Kapitola2. Zároveň však díky tomuto jevu je možné u některých bomb vypustit neutronový iniciátor, což je komplikovaná součástka. Toto je možné typicky u GT bomb - viz Kapitola 2.

 

Většina neutronů pochází ze spontánního štěpení vlastního štěpného materiálu, případně některých znečisťujících izotopů obsažených ve štěpném materiálu. Hodnota spontánního štěpení se udává v počtu štěpení za sekundu na kilogram štěpného materiálu. Přibližné hodnoty spontánního štěpení, největšího zdroje neutronů, u podstatných izotopů, jsou v následující tabulce:

 

Tabulka 2 - hodnoty spontánního štěpení

 

U-233 0,5 štěpení/s-kg
U-235 0,25 štěpení/s-kg
U-238 7 štěpení/s-kg
Pu-239 10 štěpení/s-kg
Pu-240 415000 štěpení/s-kg

 

 

Problémem některých izotopů je to, že emitují alfa částice. Tyto alfa částice mohou reagovat s atomy lehkých prvků (např. Be) a vytvořit neutrony, které mohou způsobit předčasnou iniciaci - predetonaci. Proto je v takovém případě nutné zajistit, aby bylo co nejmenší možné množství těchto lehkých prvků ve štěpném materiálu a v kontaktu s ním.

 

1.3.4 - Poločas rozpadu

 

Poměrně důležitou vlastností štěpného materiálu je poločas rozpadu. U všech jako štěpný materiál používaných izotopů je však dostatečně vysoký (minimálně desítky tisíc let), ovšem u některých součástí jaderných bomb je s ním problém (neutronové iniciátory, posílení termonukleární fúzí - vysvětlím dále). Důležité je taky to, jaké vzniknou produkty rozpadu. Některé totiž mohou mít negativní jaderné vlastnosti (např. některé transurany) nebo nevhodné fyzikální vlastnosti (např. helium). Konkrétní poločasy rozpadu pro některé izotopy používané v jaderných bombách jsou v následující tabulce:

 

Tabulka 3 - poločasy rozpadu

 

Uran 233 159200 let
Uran 235 703 milionů let
Plutonium 239 24110 let
Uran 238 4,51 miliardy let
Polonium 210 138 dní
Tritium 12,32 let

 

 

 

1.4 - Materiály používané v jaderných bombách

 

V jaderných bombách jsou používány jak izotopy, které se zapojují do jaderných reakcí, tak i látky, které se do jaderných reakcí nezapojují a slouží jen jako pomocné systémy pro vyvolání jaderného výbuchu - např. chemické výbušniny. Získání potřebných izotopů a jejich prekurzorů pro jadernou bombu se provádí buďto jejich výrobou v reaktoru anebo izotopovou separací.

 

V reaktoru se vyrábějí ozařováním. Reaktory pro výrobu těchto izotopů se nazývají transmutační, jejich primárním úkolem je výroba izotopů vhodných pro jadernou bombu (či pro jiné použití), ostatní úkoly jsou až druhořadé.

 

V reaktoru se vyrábí:

 

- plutonium-239 z uranu-238

- uran-233 z thoria-232

- tritium z lithia-6

- polonium-210 z bismutu-209

 

 

Doba ozařování určuje, jaké izotopy se vyrobí. Stručně řečeno, čím déle budou prvky ozařovány, tím více bude vyrobeno vyráběného izotopu, ale na druhou stranu se chtěný izotop přemění na izotopy, které mají nevhodné vlastnosti. Proto se doba ozařování pečlivě hlídá. Izotop pro jadernou bombu je možné vyrobit i v obyčejném reaktoru (které jsou v jaderných elektrárnách), ovšem zde se ozařuje po dlouhou dobu a je zde vysoké zastoupení nevhodných izotopů, které potřebný izotop znehodnocují. 

 

Dále je možné potřebné izotopy získat z přírody pomocí izotopové separace, ty jsou:

 

- uran-235 z přírodního uranu

- deuterium z vody

- lithium-6 z přírodního lithia

 

 

1.4.1 - Přírodní uran, obohacování uranu

Přírodní uran je nezbytný jak při obohacování uranu na potřebné zastoupení U-235, tak při výrobě plutonia-239 v reaktoru. Uran se může těžit buďto v otevřené jámě, kde je výhoda, že dělníci jsou většinu času v kabinách strojů, takže nepochytí vysoké dávky záření. Další metodou je těžba v dolech, která se provádí, pokud je hornina s uranem příliš hluboko pro využití předchozí techniky. Je zde méně odpadu než u předchozí techniky, ale horníci jsou vystaveni vyšším dávkám radonu. Tato metoda se moc neliší od těžby některých ostatních kovů. Dalším způsobem těžby je chemická těžba. Často používanou metodou je in-situ louhování. Při této metodě jsou pumpovány chemikálie do půdy s uranovou rudou, pak jsou vyčerpány na povrch a uran je z nich chemicky izolovám. Podobným způsobem těžby je takový, kdy je hornina vytěžena na povrch a až tam jsou do ní pumpovány chemikálie. Používanou chemikálií je např. kyselina sírová o nízké koncentraci. Tímto způsobem je možné dostat ven jen asi 70 % uranu obsaženého v hornině. Natěžený uran je ve formě "Žlutého koláče" - Yellowcake, který obsahuje průměrně 80 % U3O8. Název je podle jasně žluté barvy, kterou měl Yellowcake v dřívějších dobách, moderní Yellowcake však nemá žlutou barvu, ale je zbarvený spíše do hněda či do černa[26].

 Uran můžeme dělit na ochuzený, přírodní, nízko obohacený a vysoce obohacený. Ochuzený je odpadní produkt z obohacování uranu. Obsahuje přibližně 0,2 až 0,4 % U-235, získávání více uranu 235 z přírodního uranu by bylo neekonomické. Přírodní uran má 0,718 % U-235. Nízko obohacený obsahuje obvykle 3-5 % U-235 a je jako palivo většiny jaderných elektráren s lehkou vodou moderovanými a lehkou vodou chlazenými reaktory. Vysoce obohacený má 20 % a více uranu 235, používán je u některých reaktorů a pokud má přibližně 80 % a více U-235, tak i do jaderných bomb jako štěpný materiál. V jaderných bombách však nachází využití i méně obohacený uran, jak bude zmíněno dále.

 Uran-235 je získáván izotopovou separací z přírodního uranu. Tento proces se nazývá taky jinak obohacování uranu. Při obohacování se zastoupení U-235 navyšuje. Chemicky obohacování není moc dobře možné, k obohacování se využívá poměrně malého rozdílu fyzikálních vlastností uranu-235 a U-238. Při jednom průchodu zařízením na obohacování se podíl U-235 navýší jen nepatrně, pro obohacování se zařízení stavějí do kaskád, nicméně jsou tu i metody, které při jednom kroku významně navýší podíl - např. calutron či laserové obohacování. Celé obohacování je velmi nákladné, přesto je však obohacený uran levnější než plutonium. K malému množství produktu je potřeba mnoho přírodního uranu. Je více metod obohacování - centrifuga (odstředivka), difúze plynu, laserové obohacování, aerodynamické metody. K většině metod se používá fluorid uranový, ale některé využívají jiné látky. UF6 je látka, která má výhodné fyzikální vlastnosti (sublimuje při 56,5 stupních Celsia za normálního tlaku), nicméně je jedovatá a nebezpečná. Pokud unikne na vzduch, zreaguje se vzdušnou vlhkostí na UO2F2 a fluorovodík. Vzhledově je to za normální teploty šedá pevná krystalická látka. Důležitou vlastností fluoru je to, že má jen jeden stabilní a v přírodě se vyskytující nuklid, kdyby se na příklad vyskytovaly v přírodě jeho nuklidy dva (vykazoval by izotopii), vyskytoval by se fluorid uranový ve čtyřech hmotnostních frakcích a oddělit dva izotopy uranu by bylo komplikovanější. S obohaceným uranem se musí bezpečně zacházet. Je zde veliké riziko překročení kritického množství (např. při dostání do látky fungující jako moderátor, kontaktem s odražečem neutronů).

Obrázek 1 - Fázový diagram UF6 (teplota je ve stupních Fahrenheita) [6]

Obrázek 2 - Fluorid uranový ve skleněné ampuli [6]

Přírodní či nízko obohacený uran se používá v termonukleárních bombách. Je štěpitelný pomocí neutronů s vysokou energií a právě z něj je u některých termonukleárních bomb největší podíl síly. Dále lze u některých komponentů štěpné bomby použít přírodní uran kvůli jeho vysoké hustotě a dobrým reflektivním vlastnostem. Uran se obohacuje hlavně následujícími metodami:

- Centrifugou (jinak řečeno odstředivkou)

- Difúzí plynu

- Calutronem

- Aerodynamickou separací

- Laserem

 

1.4.1.1 - Obohacování uranu pomocí centrifugy

Obohacování uranu centrifugou využívá odstředivé síly. Pro toto obohacování se používá fluorid uranový. UF6 s U-238 má tendence pohybovat se směrem ke stěně, zatímco UF6 s U-235 má tendence zůstat u středu. V centrifuze (typu Zippe) je dno zahříváno a vytvářejí se velmi silné konvekční proudy, efektivitu zvyšuje ještě značně silná Coriolisova síla. Do každé centrifugy je jeden vstup a dva výstupy (pro obohacenou a ochuzenou frakci). Obohacená frakce jde do vyšších stupňů, anebo se dál zpracuje. Vlastní centrifugy se stejně jako zařízení pro difúzi plynu stavějí do kaskád. Centrifuga má výhodu, že do ní a z ní může nepřetržitě proudit fluorid uranový. Jedná se o nejběžnější způsob obohacování uranu, nároky na její provoz jsou mnohem nižší než u zařízení na difúzi plynu. Centrifuga typu Zippe pochází z SSSR, kde se nazývá Kameněvova, nicméně v roce 1956 ji již zmiňovaný Zippe přenesl na západ. Centrifuga se skládá z přívodů UF6, rotoru, obalu a elektromotoru, respektive pulzujícího magnetického pole. Vlastní rotor je uložen v obalu, ze kterého je vysátý vzduch. Toto je nutné, aby bylo vyloučeno tření vzduchu. Rotor má malý průměr - obvykle 10 až 20 centimetrů (ale může mít i méně než 10 cm), ale je vysoký i několik metrů. Točí se velmi vysokou rychlostí, přibližně 90 000 otáček za minutu. Dolní ložisko je jehlového typu, je zde tedy velmi malý povrch, kde je rotor v kontaktu s uložením. Horní ložisko je magnetické. U dna rotoru je pulzující magnetické pole, které rotor roztáčí. Rotor je u dna zahříván tak, že rozdíl mezi dnem a vrcholem je 300 stupňů Celsia. Rotor má úzké stěny a je vyrobený z materiálu, který má vysokou pevnost a nízkou hustotu, musí se proto najít vhodný kompromis. Rotor může být vyrobený z hliníku, oceli, v dnešní době však zejména z kompozitních materiálů. Dosahované lineární rychlosti jsou u rotoru z hliníku asi 350 m/s, u rotoru z oceli 500 m/s a u rotorů z kompozitních materiálů 700 až 900 m/s. Problémem centrifugy je náročnost na přesnost - magnetické pole musí být ve středu rotoru, rotor musí být perfektně vyvážený, známé jsou i případy, kdy otisky prstů na rotoru vedly k jeho havárii. Další problém způsobuje chemická agresivita fluoridu uranového a taky jeho toxicita, což představuje riziko při případném úniku.

1.4.1.2 - Obohacování difúzí plynu 

Je to starší metoda, dříve velmi rozšířená, která se dnes už však moc nepoužívá. Nicméně ještě v roce 2008 tvořila Francie touto metodou 33 % světové produkce obohaceného uranu. Metoda difúze plynu byla navržena v roce 1940 ve Velké Británii vědci Francisem Simonem a Nicolasem Kurtim. Dále pak byla použita v Projektu Manhattan. Vlastní difúze plynu je charakterizována Grahamovým zákonem, který je definovaný takto:

 

Kde je:

Míra1 = Průměrná rychlost UF6 s U-235  

Míra2 = Průměrná rychlost UF6 s U-238

M1 = Molekulová hmotnost UF6 s U-235

M2 = Molekulová hmotnost UF6 s U-238

Z toho plyne, že průměrný rozdíl mezi průchodem molekul UF6 s U-235 a molekul UF6 s U-238 je cca 0,43 %.

 Fluorid uranový se protlačuje membránou, kterou projde něco málo více U-235 než U-238. Velikost pórů je 10 až 25 nanometrů a vyrábí se spékáním hliníku nebo niklu. Spékají se kuličky o velikosti asi 100 nanometrů. Jinou možností jsou takzvané bariéry filmového typu. Tyto bariéru jsou z počátku z neporézního materiálu, ve kterém se vytvoří pak póry. Je to možné uskutečnit pomocí slitiny, ze které se dostane pryč jeden z kovů. To může být např. slitina stříbra a zinku, ze které se pomocí kyseliny chlorovodíkové dostane zinek pryč.

Je důležité, aby bylo co nejmenší množství pórů větší velikosti, ty menší velikosti nejsou tolik škodlivé, nicméně snižují separační výkon. Ač se to nemusí zdát, toto zařízení je energeticky mnohem náročnější než centrifuga. Mnoho energie je potřeba na protlačování přes membránu a taky chlazení, protože se UF6 stlačením zahřeje. Separační výkon není moc vysoký a obvykle se zapojuje velké množství těchto jednotek do kaskád.

Podobnou metodou obohacování je termální difúze kapaliny. Ta byla spolu s difúzí plynu použita pro obohacení uranu pro bombu Little Boy.

Obrázek 3 - Zařízení pro separaci pomocí difúze plynu (Autor)

1 - vstup fluoridu uranového do separátoru

2 - membrána

3 - vysoký tlak

4 - nízký tlak

5 - výstup pro obohacenou frakci

6 - výstup pro ochuzenou frakci

 

1.4.1.3 - Obohacování uranu calutronem

Calutron, či jinak se tato metoda může nazývat elektromagnetická separace izotopů (EMIS), je de facto zvětšený hmotnostní spektrometr. Toto zařízení využívá faktu, že ionty U-235 mají stejný náboj jako ionty U-238, ale mají jinou hmotnost. Na základě poměru m/Q jsou izotopy separovány. Právě pomocí calutronu bylo dosaženo nejvyššího obohacení uranu pro bombu Little Boy. Tento Calutron byl v závodě v Oak Ridge. Ostatně vysoce obohacený uran po něm nese jméno -  OralloyOak Ridge Alloy. Tedy volně přeloženo slitina z Oak Ridge. Vzhledem k válečnému nedostatku mědi na něj bylo využito stříbro.

Calutron má tu výhodu, že během jednoho cyklu je dosaženo vysokého stupně obohacení. Nicméně není vhodný pro průmyslové obohacování uranu. Proces obohacování calutronem je drahý a zdlouhavý. Produkt z Calutronu může být velmi čistý, nicméně za cenu nízkého separačního výkonu.

Vlastní obohacování se děje v nádrži, ve které je téměř vakuum. Uran se do Calutronu používá v jiné chemické sloučenině -  chloridu uraničitém. Ten je možné vyrobit reakcí oxidu uraničitého s tetrachlormethanem nebo taky reakcí hexachloropropenu s UO3. U Calutronu je první elektricky zahřán chlorid uraničitý, aby byla vytvořena pára, pak dojde k ionizaci, ionty jsou pak urychleny a ve druhé části jsou odkloněny velmi silným magnetickým polem. Lehčí, ale stejně nabitý uran-235 bude směřovat do středu, těžší U-238 půjde více ke kraji. Konkrétně průměr dráhy iontů U-235 je o 0,6 % menší než průměr dráhy iontů U-238. V určitém místě jsou oddělené izotopy odebrány a mohou se dál obohacovat pro dosažení vyššího stupně obohacení, anebo jsou zpracovány na kov nebo jinou požadovanou sloučeninu. Zdlouhavost metody je způsobená mimo jiné tím, že vlastní vakuová nádrž musí být čištěna od materiálu, který je roptýlen mimo místo, kde je odebrán produkt.[7]

Calutron lze taky využít k separaci izotopů plutonia. Separace izotopů plutonia Calutronem umožňuje výrobu plutonia zbraňové kvality z plutonia reaktorové kvality. Calutron má výhodu, že pomocí něj lze oddělit od sebe izotopy, které mají velmi malý rozdíl relativních atomových hmotností - tedy například plutonium-239 od plutonia-240. Separace izotopů plutonia je jiná než separace izotopů uranu. Zatímco přírodní uran obsahuje asi 0,7 % potřebného U-235, plutonium z reaktorů obsahuje plutonia-239 i 70 %, tedy stokrát více. Velikost továrny na separaci izotopů plutonia může být i stokrát menší než závod na obohacování uranu. I pomocí jednoho calutronu běžné velikosti je možné vyrobit i 5 kilogramů plutonia zbraňové kvality ročně. Separovat izotopy plutonia ostatními metodami běžně používanými pro obohacování uranu je problematické i kvůli tomu, že vzhledem k vysoce radioaktivnímu materiálu se důležité součástky zařízení (membrány u difúze plynu, rotory v centrifuze) stávají radioaktivními. Obohacování těchto radioaktivních materiálů vyžaduje zařízení, kde je možné vyměňovat snadno součástky, které se stanou radioaktivními - což jsou u Calutronu třeba nádoby na sběr produktu - nebo nádoby, ve kterých je výchozí látka. Tyto součástky je možné pak nahradit. Další metoda toto umožňující je obohacování laserem. [8, 9]                               

Obrázek 4 - Schéma principu funkce calutronu (poznámka: Tuballoy je přírodní uran)[10]

 

Obrázek 5 - Calutron v Oak Ridge[11]

1.4.1.4 - Obohacování uranu laserem

 Jedná se o novější metodu, její použití v průmyslu je malé, nicméně má velmi dobré vlastnosti. Obohacování uranu pomocí laseru se nazývá SILEX a pochází z 90. let. Je založeno na dvou starších metodách obohacování uranu laserem, které zde popíšu. Jsou to MLIS (MOLIS) - Molecular laser isotope separation a AVLIS - Atomic vapor laser isotope separation. Výhodou obohacování lasery je nízká spotřeba energie (pouze asi 5 % spotřeby energie u difúze plynu), vysoký separační faktor (k obohacení pro jaderné elektrárny stačí pouze několik průchodů zařízením na rozdíl od stovek či tisíců průchodů zařízením pro difúzi plynu) a malé množství vytvořeného odpadu. Náklady na výstavbu zařízení pro obohacování laserem jsou mnohem nižší než náklady pro výstavbu zařízení pro obohacování jinými metodami. [12, 13]

První metoda  - MLIS - využívá stejně jako většina ostatních metod fluorid uranový. Tato metoda pochází ze začátku sedmdesátých let. Vlastní obohacování se skládá z několika kroků. První se vhání UF6 v nosném plynu (směs vzácného plynu a vodíku, kde převažuje vzácný plyn) s přidaným methanem přes Lavalovu dýzu do vakua, kde expanze způsobí jeho ochlazení. UF6 je ozářen infračerveným laserem vlnové délky (10,6 až 16 mikrometrů), která podrobí excitaci pouze molekuly s U-235. Směs je pak ozářena laserem, který podrobí tyto molekuly UF6 s U-235 fotolýze, přičemž se rozpadnou na UF5 a fluor. Nyní se zapojí methan, který se sloučí s fluorem, aby pak fluor nemohl zpátky zreagovat s UF5 na UF6. UF5 je pevná látka, je odstraněn ze směsi (např. filtrací) a může se dále převést na UF6 a obohacovat na vyšší podíl U-235. Laser pro excitaci je na bázi oxidu uhličitého. Laser pro fotolýzu má vlnovou délku 308 nanometrů a je to laser typu XeCl. K provádění této metody je potřeba menší množství energie než u metody AVLIS. [12, 13]

Druhá metoda - AVLIS - používá čistý uran. Tato metoda pochází taky ze začátku 70. let. Obohacovaný kus uranu je odpařován ve vakuu. Uran je podrobený záření laseru, které atomy U-235 excituje a fotoionizuje. Kladně nabité ionty U-235 jsou elektrostatickým polem odkloněny do místa, kde jsou pak odebrány. Laser má takovou frekvenci, která zasáhne jen U-235. Nechtěný uran 238 projde skrz. K metodě je potřeba velmi přesný laser, což zvyšuje její technickou náročnost. [12, 13] 

1.4.1.5 - Aerodynamická separace

Aerodynamická separace je poměrně neúčinná. Efektivita je podobná jako u difúze plynu. Jsou dvě metody aerodynamické separace. Tzv. Vírové trubice a obohocování pomocí Beckerovy trysky.

1.4.1.5.1 - Vírové trubice

Této metodě se taky může říkat statická centrifuga. Tato metoda spotřebovává velké možství elektrické energie, tak je potřeba z velké části na chlazení podobně jako u dífúze plynu. U této metody je použita směs nosného plynu (vodík nebo helium), kterého je 98 až 99 %, a fluoridu uranového. Tato směs nosného plynu a UF6 se rychlostí blízké rychlosti zvuku tangenciálně vstřikuje do trubice, ze které vyjde obohacená a ochuzená frakce. Vlastní obohacování je založeno na odstředivé sile. V Jihoafrické Republice byla na tomto založena metoda zvaná Helikon vortex separation process. Zde bylo do jednoho modulu zakomponováno 20 separačních stupňů, na které byl určen společně jeden pár axiálních kompresorů. Tímto JAR obohacovala jak pro jejich jaderné elektrárny, tak i pro jaderné zbraně. [27]   

1.4.1.5.2 - Separační tryska

 Tato metoda využívá tzv. Beckerovu trysku. V této metodě je směs UF6 a nosného plynu (vodík nebo helium, kde ho je přibližně 95 %) stlačena a vháněna vysokou rychlostí podél již zmiňované trysky. Molekuly UF6 s U-235 (2) jsou více zakřiveny, zatímco těžší UF6 s U-238 (3) jsou méně zakřiveny a mají tendenci jít od středu. Molekuly jsou pak odděleny pomocí čepele. Trysky mají poměrně malé rozměry, řádově v milimetrech. Vlastní trysky se vyrábí leptáním kovových fólií. Tato metoda je poměrně neúčinná, nevýhodou je nutnost výroby velmi přesných trysek, dále se pro snížení nákladů vodík či hélium recykluje, což vyžaduje další separaci. [14]

Obrázek 6  - Separační tryska (Autor)

1 - Přívod UF6 v nosném plynu

2 - Frakce obohacená o UF6 s U-235 a nosný plyn

3 - Frakce ochuzená o UF6 s U-235 a nosný plyn

1.4.1.6 - Ostatní metody

Přestože chemicky separace není moc dobře možná, byly vyvinuty i chemické metody separace, nicméně nedostaly se do průmyslové produkce. Jednou z těchto metod je francouzská metoda CHEMEX. Další metodou je metoda založená na supravodivých magnetech a plazmatu. Tato se nazývá PSP (Plasma separation process). Francouzi vyvinuli jejich vlastní verzi zvanou RCI.

 1.4.2 - Plutonium

 

Nejčastějším v reaktoru vyráběným izotopem pro jaderné bomby je plutonium-239. To je vyráběno nejčastěji v grafitem nebo těžkou vodou moderovaných reaktorech, nicméně v reaktorech jiného typu (třeba lehkou vodou moderovaných i chlazených) je ho možné též vyrobit. Používaný grafitem moderovaný reaktor byl typ Magnox - Magnesium non-oxidizing. Název je vytvořen podle slitiny, která obaluje tyče jaderného paliva, to je slitina hořčíku s příměsí hliníku a dalších prvků. Nevýhodou je nemožnost uchovávání vyhořelého paliva pod vodou, protože by obal tyčí s ní reagoval. Tento reaktor může díky výborným moderačním účinkům grafitu používat obyčejný neobohacený uran - 0,718 % U-235. Tyto reaktory jsou chlazené oxidem uhličitým. Nejsou moc bezpečné a už se vyřazují. Výjimkou je KLDR, která je díky jednoduchosti používá na výrobu plutonia. Dalším takovým reaktorem je CANDU - těžkou vodou moderovaný. Jaderné elektrárny v ČR obsahují lehkou vodou moderované a chlazené reaktory, které se nepoužívají se k výrobě plutonia.

 

Moderátorem v reaktorech jsou těžká voda, lehká voda a uhlík (grafit). Pokud je použit grafit, musí být vysoce kvalitní (co nejmenší množství boru, který pohlcuje neutrony a měl by mít vysokou hustotu)

 

Při ozařování v reaktoru uran-238 zachytí neutron a přemění se na uran-239. Ten se s poločasem rozpadu 23,5 minut přemění na neptunium-239, ze kterého vznikne poločasem rozpadu 2,36 dne plutonium-239.

 

Důležitý je u plutonia z reaktoru stupeň vyhoření. Jedná se vlastně o to, kolik se uvolní energie z určitého množství štěpného materiálu. Uvadí se v gigawatt-den/tuna štěpného materiálu (GWD/t) nebo taky megawatt-den/tuna štěpného materiálu (MWD/t).  Na tomto závisí izotopové složení. Je nutné najít kompromis mezi kvalitou (málo Pu-240)  a kvantitou vyrobeného plutonia. Například pro plutonium pro bombu v testu Trinity mělo reaktorové palivo stupeň vyhoření pouze 100 MWD/t, současné reaktory pro výrobu plutonia dosahují stupně vyhoření 600-1000 MWD/t a elektrárenské reaktory cca 60 GWD/t), použitím více obohaceného paliva lze tuto hodnotu ještě navýšit. Pro představu o vzniklých nuklidech ve vyhořelém jaderném palivu je následující tabulka.

 

 

 

Tabulka 4 - Nuklidy ve vyhořelém palivu (palivo je z lehkovodního reaktoru, kde byl použit uran s obohacením na 3,4 % U-235), údaje jsou v kilogramech, při použití jiných reaktorů se izotopové složení paliva může výrazně lišit. [15]

 

Nuklid Stupeň vyhoření v MWD/t    
  17700 24300 31800
U-235 19 15,9 11,8
Celkově plutonium 7,56 10,5 10,2
Pu-239 5,6 7,42 6,27
Np-237 0,21 0,46 0,47
Am-241 0,09 0,12 0,14
Cm-244 - 0,008 0,016
Cs-137 0,80 0,88 1,12
Sr-90 0,29 0,36 0,47
Tc-99 0,43 0,58 0,77
Pd 0,41 0,72 -

 

 

Z tabulky je zřejmé, že už i plutonium se stupněm vyhoření 17700 MWD obsahuje velké množství nechtěných izotopů, chtěného plutonia-239 obsahuje jen cca 74 %, což je pro konstrukci standardní jaderné zbraně nevhodné.

 

 Plutonium se z vyhořelého paliva extrahuje pomocí procesu zvaného PUREX, což znamená plutonium uranium redox extraction. K extrakci využívá roztok tributylfosfátu (TBP) v nějakém organickém rozpouštědle - nejčastěji petroleji. Začne se oddělením vyhořelého paliva obsahující U a Pu od jeho obalu. To je pak rozpuštěno v roztoku kyseliny dusičné o koncentraci přibližně 7 mol/l. Pak se vyhořelé palivo zbaví filtrací nerozpuštěných zbytků. Je vytvořen 30 % roztok TBP v petroleji. Tyto roztoky se slejí v poměru 1 : 1 a důkladně promíchají. Nyní je U ve formě komplexů UO2(NO3)2. 2TBP. Plutonium je v podobném komplexu, ostatní prvky se nacházejí v roztoku kyseliny dusičné. Pak se oddělí roztok TBP od roztoku kyseliny dusičné. Plutonium se extrahuje pomocí roztoku amidosíranu železnatého. Tento převede plutonium z oxidačního čísla +IV do +III. Plutonium v +III je oproti Pu v +IV prakticky nerozpustné v TBP a přejde do vodné fáze, ze které se může extrahovat. Pak se redukcí získá čistý kov. Uran zůstane v TBP. Z něj je získán pomocí kyseliny dusičné o koncentraci 0,2 mol/l. 

 

Plutonium se dělí podle kvality. Kvalita se rozlišuje podle zastoupení izotopu Pu-240. Čím je nižší jeho zastoupení, tím je vyšší kvalita. Do 3 % Pu-240 je "superkvalita", 3-7 % bývá plutonium zbraňové kvality, obvykle se do zbraní používá plutonium s 6-6,5 % Pu-240, pak je tu palivové kvality, to je 7-19 % Pu-240. Další je reaktorová kvalita, to je nad 19 % Pu-240. Ještě je tu "rovnovážné" plutonium, u kterého je velmi vysoký stupeň vyhoření. Toto má přibližně stejně Pu-239 jako Pu-240. Pro jaderné bomby se používají pouze zbraňové kvality a v menší míře plutonium superkvality (W80-0).

 

 

Tabulka 5 - Izotopové složení plutonia různé kvality (hodnoty jsou pouze přibližné). [7]

 

  Pu-238 Pu-239 Pu-240 Pu-241 Pu-242
Super kvalita - 98 % 2 % - -
Zbraňová kvalita 0,012 % 93,8 % 5,8 % 0,35 % 0,022 %
Reaktorová kvalita 1,3 % 60,3 % 24,3 % 9,1 % 5 %
Palivo MOX 1,9 % 40,4 % 32,1 % 17,8 % 7,8 %

 

 

 1.4.3 - Uran-233

 

Uran-233 má kritické množství podobné plutoniu v delta fázi, konkrétně 15 kilogramů. Uran-233 se vyrábí v reaktoru z thoria. Thorium-232 se po záchytu neutronu přemění na thorium-233, to se poločasem rozpadu 22 minut přemění beta rozpadem na protaktinium-233, které se dalším beta rozpadem o poločasu 27 dní přemění právě na uran-233. Ten se pak extrahuje pomocí procesu THOREX, který je podobný procesu PUREX. Uran 233 byl poprvé testovaný v operaci Teapot, kde byl v jednom testu použit v kompozitním jádru spolu s plutoniem. Uran-233 má nízkou míru spontánního štěpení, problémem je U-232. Uran-232 má poločas rozpadu 69 let. Při jeho rozpadu se uvolňuje alfa záření, které může v kontaktu s lehkými prvky (např. beryllium) vytvářet neutrony. Proto se jejich zastoupení musí minimalizovat. Uran-232 má ale hodnotu spontánního štěpení asi 1000 x nižší než Pu-240. Díky tomu je Uran-233 použitelný i do GT bomb. Některé izotopy vzniklé rozpadem uranu-232 produkují silné gama záření, což je problém pro personál, který manipuluje s bombou, která ho obsahuje. Dále se při rozpadu uranu-232 uvolňuje značné množství tepla (718 Wattů/Kg)[16], takže i malé množství U-232 může způsobit problémy při konstrukci bomby.

 

1.4.4 - Deuterium

 

Deuterium má podobné fyzikální a chemické vlastnosti jako lehký vodík. Deuterium je potřebné pro bombu posílenou termonukleární fúzí (zde je ho potřeba pouze minimum), dále pro termonukleární bombu (jako deuterid lithný) a taky některé reaktory na výrobu plutonia jsou moderované těžkou vodou, tedy vodou obsahující místo lehkých vodíků deuterium. Deuterium se získává z vody. Tato separace je snazší než obohacování uranu a voda je velmi levná. Ve vodě připadá na jeden atom deuteria kolem 6400 atomů vodíku. V praxi je to 1 molekula polotěžké vody (HDO) na 3200 molekul lehké vody.

 

Možná metoda separace polotěžké od lehké vody je elektrolýza vody. Průmyslově se však deuterium vyrábí přes GS proces. Jedná se o výměnné reakce voda-sirovodík. Technické provedení jsou kolony, kde spodní sekce je horká a horní studená. Studená sekce má teplotu 30, teplá pak 130 stupňů Celsia. Voda protéká shora dolů, sirovodík opačně. Při nízkých teplotách přechází deuterium do vody, při vysokým pak do sirovodíku.

 

Při sloučení jednoho kilogramu deuteria na helium se uvolní 150 kilotun TNT, tedy zhruba desetkrát tolik, jako u rozštěpení kilogramu U-235. Kapalné deuterium má při teplotě 24,5 K hustotu 160 kg/m3[17].

 

1.4.5 - Tritium

 

Tritium je vyráběno v reaktoru z lithia-6. Je potřebné u bomb posílených termonukleární fúzí. Výroba je však velmi drahá. Gram tritia stál v roce 2003 30 000 dolarů[35], vzhledem k inflaci a tendenci růstu ceny bude dnes cena pravděpodobně mnohem vyšší. Produkce jednoho kilogramu tritia se rovná ztracené produkci cca 70 až 80 kilogramů plutonia[16]. Pro posílení termonukleární fúzí je ho však potřeba velmi málo (pár gramů), takže to není nějak extrémně ekonomicky náročné. Má poločas rozpadu 12,32 let, takže je zde problém s trvanlivostí v bombě.

 

1.4.6 - Lithium

 

Lithium je kov o hustotě 0,534 gramů/cm krychlový. Do termonukleárních bomb se používá jako palivo deuterid lithný. Je možné použít přírodní lithium (což bylo např v testu Castle Romeo). Lepší je však obohacené lithium o lithium-6. Přírodní lithium tvoří 7,5 % lithia-6, zbytek je lithium-7. K obohacování lithia se používá rtuť nebo je možné využít modifikovanou destilaci. Vzhledem k velkému procentuálnímu rozdílu relativních atomových hmotností je obohacování lithia mnohem snažší než obohacování uranu.

 

1.4.7 - Polonium-210

 

Polonium-210 se používalo v neutronových iniciátorech, které byly v jaderných bombách do cca 50. let (v USA). Dnes je polonium-210 nejspíše v neutronových iniciátorech bomb méně vyspělých jaderných mocností. Polonium-210 je alfa zářič. Poločas rozpadu je přibližně 138 dní. Vyrábí se v reaktoru ozařováním bismutu-209. Když se v reaktoru v Hanfordu ozařovalo 62 kilogramů bismutu-209 po 100 dní, šlo získat 132 miligramů (600 curie) polonia-210[19]. Kódové označení bismutu bylo Pork a kódové označení jeho ozařování bylo Pork Chops[20].

 

1.4.8 - Transurany (kromě neptunia a plutonia)

 

Transurany (např. americium nebo kalifornium) je možné použít jako alfa zářiče, a to jak v reaktoru, tak v jaderné bombě v neutronovém iniciátoru. Tyto prvky se vyskytují ve vyhořelém palivu - viz tabulka 16. Z něj se pak získávají pomocí procesu TRUEX. Hypoteticky by bylo možné je použít i jako štěpný materiál, atraktivní je zvláště nízké kritické množství některých z nich (kalifornium-251), nicméně v praxi by to nebylo možné. Tyto izotopy mají vysokou míru spontánního štěpení a taky krátký poločas rozpadu. Tyto izotopy jsou silné zářiče, takže by to bylo velmi nebezpečné pro personál manipulující s tímto a opatření pro zajištění bezpečnosti by byla nepraktická - ostatně k přepravě množství řádově v gramech se používají mnohatunové stíněné kontejnery. Bomba z kalifornia by tedy při současných možnostech (systémy používající k dosažení superkritického stavu výbušniny) nebyla reálná a patří spíše mezi "urban legends". Extrémně malé bomby z těchto izotopů, jak jsou někde zmiňovány, jsou při současných možnostech už úplně vyloučené.

 

1.4.9 - Hydrid a deuterid uranu

 

Jedná se o sloučeninu s vzorcem UH3 respektive UD3. Tato sloučenina má díky moderačním účinkům vodíku nižší kritické množství oproti kovovému uranu. Jeho průměrná doba mezi štěpeními je asi stokrát delší než v případě kovového uranu. Jedná se o silně pyroforickou (samozápalnou) a toxickou látku hnědošedé až hnědočerné barvy. U jaderných bomb bylo zabráněno samozápalnosti potáhnutím povrchu parafínem. Krystalická hustota je 10,95 gramu/cm krychlový, nicméně při lisování tlakem 10 tisíc atmosfér bylo dosaženo hustoty pouze asi 8 g/cm krychlový. Vzhledem k problematickému dosažení potřebné hustoty pozdější výpočty ukázaly, že kritické množství bude mít mnohem vyšší hodnotu než byly hodnoty dříve vypočítané.[22]

 

1.4.10 - Výbušniny v jaderných bombách

V jaderných bombách je nutné nějak dosáhnout podnětu, který by dostal štěpný materiál do superkritického stavu. K tomuto účelu jsou používány energetické materiály, jelikož mají v malém množství mnoho energie, kterou mohou uvolnit. Z energetických materiálů jsou používány pouze výbušniny. U výbušnin je možné velmi rychlé uvolnění energie, nicméně oproti energetickým materiálům typu hořlavin je množství uvolněné energie menší. Výbušniny jsou pro použití v jaderných zbraních omezeny pouze na trhaviny a z historického hlediska též na střeliviny (nicméně je možné, že některé malé subkomponenty používají i třaskaviny).

Trhaviny v jaderných zbraních musí mít kompromis mezi vlastnostmi, jakými jsou výkon, nízká citlivost (a však spolehlivá odpalovatelnost), dobrá zpracovatelnost, odolnost proti deformacím a další. Pokud chceme, aby brizantní trhaviny v jaderných bombách explodovaly co nejdokonaleji, je nutné dosáhnout co nejvyšší hustoty. Pokud by byla nižší, byla by nižší i detonační rychlost a celkově výkon. Navíc by detonační vlna mohla trhavinou jít nevyzpytatelně a bomba tak mít více či méně sníženou efektivitu anebo úplně selhat. Pokud chceme dosáhnout vysoké hustoty, můžeme trhavinu buďto lisovat s pojivem a případně flegmatizátorem, odlét, anebo plastifikovat. Pro jaderné zbraně připadají v úvahu pouze první dvě možnosti. Pro odlévání je potřeba buďto dobře odlévatelná trhavina (TNT) nebo směs TNT s jinou často velmi výkonnou trhavinou. V praxi se u jaderných bomb používá vzhledem k výkonu pouze směs TNT s výkonnou trhavinou. Moderní bomby mají spíše lisované trhaviny. Pro lisování je potřeba pojivo, popř. taky flegmatizátor (nebo může jedna látka plnit dvě tyto funkce). To se lisuje na vysokou hustotu. Jdou lisovat velmi přesné segmenty trhavin. V moderních bombách bývá jako pojivo nějaký plast, jsou to trhaviny typu PBX.

Tabulky 6 a 7 - pomalé a rychlé trhaviny

Rychlé trhaviny:

 

Název Detonační rychlost Poznámky
trinitrotoluen (TNT,tritol) 6900 m/s Podrobnosti o vlastnostech TNT jsou níže.
hexogen (RDX) 8750 m/s Podrobnosti o vlastnostech hexogenu jsou níže.
oktogen (HMX) 9100 m/s Velmi výkonná trhavina. Vysoká teplota tání, zpracování podobné jak hexogen - neodlévatelný. Musí být ve směsi s TNT nebo se lisovat. Poměrně citlivý
pentrit (PETN) 8350 m/s Není příliš vhodný do jaderných bomb jako rychlá trhavina. Má poměrně malý výkon a velkou citlivost. Je však obsažený v EBW detonátorech
Triaminotrinitrobenzen (TATB) 7619 m/s Podrobnosti o vlastnostech TATB jsou níže.
Composition B 8050 m/s Je to směs hexogenu, tritolu a malého množství vosku jako flegmatizátor. Poměr je 60 % hexogenu a 40 % tritolu, k čemuž je přidáno 1 % vosku. Byla použita v prvních jaderných zbraních typu Fat Man. Později však byla nahrazena výkonnějšími trhavinami jako třeba Cyklotolem nebo Oktolem.
Cyklotol 8350 m/s Směs RDX a TNT, kde je vyšší obsah hexogenu jak u Composition B. Obsah hexogenu se pohybuje od 65 do 80 %, v hlavicích bývá poměr 77:23. Je to poměrně citlivá trhavina a v moderních amerických hlavicích už dlouhou dobu mimo jiné proto není. 
FOX-7 (DADNE) 8870m/s (vypočítaná) Je to necitlivá trhavina, která by pravděpodobně mohla být použita v trhavinách PBX, oproti TATB má vyšší detonační rychlost.
DAAF (diaminoazoxyfurazan) 7930 m/s ( při hustotě dosahující 96,5 % teoretické maximální hustoty)[25] Další necitlivá trhavina, možná alternativa k TATB. Malý kritický průměr (menší než 3 mm), tlak 306 kilobar (při hustotě dosahující 96,5 % maximální hustoty). Syntéza je možná tzv. Ruskou metodou. Při ní se vyrábí z peroxidu vodíku, kyseliny sírové a diaminofurazanu, velikost částic je okolo 80 mikrometrů, možné použítí do trhavin typu PBX. [25]
     
     

 

 

 

 

Pomalé trhaviny:

Název Det. rychlost  Poznámky
Baratol 4870 m/s Pomalá trhavina v prvních jaderných bombách - např bombě Fat Man. Dusičnan barnatý a tritol s přidaným 1 % vosku, zastoupení TNT 25-33 %, hustota okolo 2,5 g/cm3. Je odlévatelná. Pro poměr 24:76 je det. tlak 140 kilobarů, det. rychlost 4870, hustota 2,55 g/cm krychlový.
Plumbatol 4860 m/s Kyselina boritá s TNT, 60:40, taky použitelné, nižší hustota než Baratol (1,55 g/cm3)
Boracitol 4850 m/s Směs dusičnanu olovnatého s TNT, vyšší hustota než baratol (2,89g/cm3), 30 % TNT, 70 % dusičnan olovnatý.

 

Informace o nejčastěji používaných trhavinách:

 

TNT (Trinitrotoluen, Tritol)

Tritol samotný o sobě není příliš výkonná trhavina, takže samotný se do jaderných bomb moc nehodí. Má ale výhodu, že je odlévatelný (na rozdíl od některých výkonnějších trhavin), takže se u bomb používají trhaviny, které jsou směsi TNT a třeba hexogenu. Nicméně to bylo spíše u starších, dnes jsou v bombách trhaviny typu PBX. Vlastní TNT není příliš citlivá trhavina, což je pro využití v jaderných bombách pozitivum. Výroba TNT je notoricky známá, proto považuji za zbytečné ji nějak rozebírat.

 Tabulka 8 - Vlastnosti tritolu

Citlivost k nárazu (Kastovo kladivo, 2 kg): 100-125cm
Výduť v olověném (Trauzlově) bloku: 300 cm3
Teplota vzbuchu: 290°C
Brisance podle Hesse: 16 mm
Detonační rychlost: 6900 m/s
Kyslíková bilance:  - 74,1 %
Objem výbušných plynů: 730l/kg
Výbuchová teplota: 3100°C
Energie výbuchu asi 1000 kcal/kg

 

Hexogen (RDX)

Trhavina, která byla součástí spíše starších jaderných bomb. Byla zde ve směsi s TNT. Jsou to např trhaviny typu Cyklotol nebo Composition B. Tato trhavina není odlévatelná, musí tedy být ve směsi s TNT nebo se lisovat. Hexogen je poměrně citlivá trhavina. Výroba je jednoduchá a poměrně levná, nejznámější možnost výroby je nitrolýza hexaminu bezvodou kyselinou dusičnou.

Tabulka 9 - Vlastnosti hexogenu

Detonační rychlost  8750 m/s
Kyslíková bilance - 21,6 %
Výduť v Trauzlově bloku 450 cm3
Citlivost, Kast, 2 kg 32 cm
Objem výbuchových plynů 910 l/kg
Teplota výbuchu 3380°C
RE faktor 1,6
Energie exploze 1390 kcal/kg
Maximální detonační tlak 350 kilobar

Oktogen (HMX)

Jedná se o trhavinu podobnou hexogenu. Zatímco hexogen je cyklický triamin, oktogen je cyklický tetramin. Výkonově je oktogen na tom lepší než hexogen. Oktogen patří mezi nejsilnější výbušniny, které jsou ve větším množství vyráběny. Oktogen vzniká spolu s hexogenem při jeho výrobě. Podle metody je různý obsah oktogenu. Ze směsi se pak hexogen odstraní jeho rozkladem a zůstane oktogen. Oktogen je používán v některých současných jaderných zbraních.

Tabulka 10 - Vlastnosti oktogenu

Detonační rychlost  9100 m/s
Kyslíková bilance - 21,6 %
Výduť v Trauzlově bloku 480 cm3
Citlivost, Kast, 2 kg - cm
Objem výbuchových plynů - l/kg
Teplota výbuchu -°C
RE faktor 1,7
Energie exploze - kcal/kg
Maximální detonační tlak 395 kilobar

 

 TATB (Triaminotrinitrobenzen)

Nejčastěji používaná necitlivá trhavina. Je obsažena v necitlivých trhavinách typu PBX v moderních jaderných zbraních. Citlivost je mnohem nižší než u ostatních trhavin. Vlastní TATB je jasně žlutá látka o hustotě 1,93 g/cm3 (při 20 stupních Celsia). TATB působením UV záření mění barvu zprva do světle zelena, pak přes tmavě hnědou až do černé. Při teplotě 120 stupňů Celsia je možné TATB tlakem 30000 psi slisovat na hustotu 1,86 g/cm3. TATB má teplotu tání 350 stupňů Celsia a při této teplotě zároveň dochází  rozkladu.

TATB se vyrábí v několika krocích tzv. Benzigerovým procesem. První se reakcí 1,3,5,-trichlorbenzenu (TCB) s SO3 (který je ve formě 30% olea) a dusičnanem sodným vyrobí 1,3,5,-trichloro-2,4,6-trinitrobenzen. Pak je reakční směs ochlazena a je do ní přidáno velké množství ledu a 1,3,5,-trichloro-2,4,6-trinitrobenzen (TCTNB) je izolován filtrací. 1,3,5,-trichloro-2,4,6-trinitrobenzen je pak zreagován s plynným amoniakem za přítomnosti toluenu, kde vznikne nakonec triaminotrinitrobenzen. [23, 24]

Tabulka 11 - Vlastnosti triaminotrinitrobenzenu (TATB). [23]

Detonační rychlost  7619 m/s (slisovaný na hustotu 1,86 g/cm3)
Kyslíková bilance -56 %
Výduť v Trauzlově bloku - cm3
Citlivost, Kast, 2 kg - cm
Kritický průměr 4 mm (při hustotě 1,86 g/cm3)
Teplota výbuchu -°C
RE faktor 1,17
Energie exploze - kcal/kg
Maximální detonační tlak 291 kilobar (naměřený detonační tlak při hustotě dosahující 96,5 % maximální hustoty je 259 kilobar[25])

Trhaviny typu PBX:

 Trhaviny typu PBX jsou ve všech moderních amerických jaderných zbraních. PBX znamená Polymer bonded explosive. U těchto trhavin je pojivo a zároveň flegmatizátor nějaký polymer. Jinak se taky nazývají Plastic bonded explosive. Je možné bezpečně a velmi přesně obrábět tyto trhaviny na CNC strojích. Tyto trhaviny mohou být jak normální "citlivé", tak necitlivé - viz Kapitola 4. Vlastní výbušnina v PBX bývá oktogen, hexogen či pentrit v "citlivých" a TATB v "necitlivých". Zastoupení se pohybuje od 80 % do 96 %. Polymer může být např. Viton-A, Kel-F 800, Nylon, Polyuretan,... V USA se trhaviny PBX značí podle laboratoře (Los Alamos má PBX a Lawrence Livermore má LX) a pak je číslo (u LX je 1-17, u PBX mezi přibližně 9000 a 9700). Pak jsou ještě PBXN - vyvinuté Námořnictvem USA.

Tabulka 12 - Některé trhaviny typu PBX v amerických jaderných zbraních. [16]

Název Složení Poznámky
Lx-17-0 92,5 % TATB a 7,5 %  KEL-F-800 Necitlivá trhavina, jedna ze dvou necitlivých používaných v jaderných zbraních USA, používána v hlavicích a bombách B83, W84, W87, W90
PBX 9501 95 % Oktogen, 2,5 % Estane, 2,5 % BDNPA-F Vysoký výkon, citlivá, používána v W76, W78, W88. Inertní verze této trhaviny se nazývá PBS 9501 a obsahuje místo oktogenu cukr. Tato inertní verze je určena k výcviku.
PBX 9502 95 % TATB a 5 % KEL-F-800 Necitlivá trhavina. Často v amerických hlavicích jako náhrada starších citlivých trhavin. Používána v bombách B61 modelech 3,4,6,7,8,9,10, W61, W80, W85, W90, W91.
LX-10 95 % oktogen a 5 %Viton A, LX-10-1 má složení 94,5 % Oktogen a 5,5 % Viton A Nahradila v hlavici W68 LX-09, dále v hlavivích W70, W79, W82.
PBX 9404 94 % oktogen, 3 % nitrocelulóza, 3 % CEF B/Mk61 (modely 0, 1, 2, 5), Mk-43, W48, W50, W55, W56, Mk57 mod 2. Byly u ní vážné problémy v oblasti bezpečnosti. Problém stárnutí způsobený nitrocelulózou. Trhavina pak mění mimo jiné i svoji barvu.
PBX 9010 90 % hexogen, 10 % KEL-F 3700 Používaná ve W50, B43, poměrně vysoký výkon

 

 

 

 

Další kapitola