ZPĚT

 

Kapitola 2 - Design štěpných jaderných bomb a jejich modifikací

 

 

2.1 - Základní informace o konstrukci jaderné bomby

U jaderné bomby musí být dosaženo nadkritického stavu velmi rychle, dříve, než se spustí štěpná řetězová reakce. Může se však stát, že bomba se iniciuje před dosažením maximální nadkritičnosti, toto se nazývá predetonace. Bomba tak detonuje s více či méně redukovanou silou. Predetonace se nejde nikdy zbavit, pouze lze snížit její pravděpodobnost na velmi malé hodnoty. Čím vyšší je nadkritické množství, tím silnější výbuch se koná. Hodnoty pro GT bombu (viz dále)  jsou v následující tabulce:

 Tabulka 13 - Hodnoty ekvivalentu TNT pro různý počet kritických množství u GT bomby [16]

1,05 kritického množství 80 kg
1,1 kritického množství 1,2 tuny
1,2 kritického množství 17 tun
1,3 kritického množství 78 tun
1,4 kritického množství 220 tun
1,5 kritického množství 490 tun
1,6 kritického množství 930 tun
1,8 kritického množství 2,5 kilotuny
2,0 kritického množství 5,2 kilotun
2,25 kritického množství 10,5 kilotun
2,4 kritického množství 15 kilotun
2,5 kritického množství 18,6 kilotun
2,75 kritického množství 29,6 kilotun
3,0 kritického množství 44 kilotun

 Dosáhnout superkritického množství jde více způsoby, v praxi se používají v podstatě jen dva, první je Gun-type bomba (dále jen GT bomba), česky lze přeložit Bomba dělového typu, druhým je implozní bomba. Další jsou hypotetické konstrukce, které pravděpodobně nikdy nebyly realizovány. Stručně řečeno u GT bomby jsou k sobě urychleny dva podkritické kusy štěpného materiálu, které v součtu tvoří nadkritické množství, u implozní bomby je podkritické množství rychle stlačeno na nadkritickou hustotu. K těmto úkonům jsou využity výbušniny a různé pomocné systémy. Oba principy jsou znázorněny na jednoduchém obrázku:

 Obrázek 7 - Srovnání GT bomby (nahoře) a implozní bomby (dole) - červeně je štěpný materiál, okrově výbušnina před explozí, žlutě výbušnina během exploze (Autor).

 

 

2.2. - Komponenty společné pro GT bombu i implozní bombu

2.2.1 - Odražeče neutronů (neutronové reflektory, neutronová zrcadla)

Důležitou součástí jaderné bomby jsou odražeče neutronů (chcete-li neutronové reflektory, neutronová zrcadla). Jak jsem psal v první kapitole, mohou snížit kritické množství z cca 50 kilo U-235 na cca 8 kilo, u Pu-239 na asi 2 kila (to jsou ale hodnoty pro extrémně tlustou vrstvu  - skoro kolem půl metru - nejlepších odražečů), v praxi však u jaderné bomby jsou vrstvy odražeče neutronů mnohem tenčí. Volí se vhodný kompromis, kde důležitá je hmotnost a velikost bomby. Pokud okolo jednoho kritického množství (např. u U-235 padesáti kilo) umístíme odražeč neutronů, při přibližném průměru, jaký bývá u jaderné bomby, stane se z něj více než 2,5 kritických množství, což je ekvivalent asi 20 kilotun TNT. Vhodné a používané odražeče neutronů jsou: beryllium, přírodní uran, karbid wolframu, ale i ocel lze použít jako odražeč neutronů, byť nepatří mezi nejlepší. U GT bomb je poněkud problematické použít na odražeč neutronů ochuzený uran - vysvětlím dále v části věnované GT bombě - , proto se tam používá karbid wolframu či pravděpodobně i beryllium. Beryllium je ve využití v jaderných bombách od přibližně poloviny 50. let. V následující tabulce jsou hodnoty pro různé izotopy s různými odražeči neutronů:

Tabulka 14 - Hodnoty kritického množství u vysoce obohaceného uranu (93,5 % U-235, koule bez odražeče neutronů má podle tohoto zdroje 49 kg) při použití různých odražečů neutronů. [16] 

  1 cm 2 cm 5 cm 10 cm 20 cm 30 cm 40 cm
Přírodní uran 38,5 kg 33 kg 24,5 kg 18,5 kg 17 kg 16,5 kg  -
Be 37,5 kg 31,5 kg 21,5 kg 15 kg 9,8 kg - -
BeO - - 22 kg 16,5 kg 11,8 kg 9,2 kg -
Fe 42 kg 37,5 kg 28 kg 25 kg 23,5 kg 23,5 kg 23,5 kg
Al 44 kg 39 kg 36,5 kg 34 kg 33 kg - -

 2.2.2 - Obaly jádra (Tampery)

Kolem štěpného materiálu by měla být látka s co nejvyšší hustotou, která by udržovala štěpný materiál maximální dobu pohromadě, aby se mohl co nejlépe rozštěpit. I malá doba, o kterou tamper oddálí expanzi, dokáže zajistit, aby v bombě proběhlo třeba o jednu nebo dvě generace štěpení více, což má za následek poměrně značné zvýšení síly. U implozní bomby má tamper výhodu, že na jádro působí setrvačnou silou, což u GT bomby není. Použitelné materiály s nejvyšší hustotou na zemi jsou v tabulce níže (vynechány jsou prvky plutonium a neptunium):

 Tabulka 15 - Materiály s nejvyšší hustotou (plus karbid wolframu)

Osmium 22,59 g/cm3
Iridium 22,56 g/cm3
Platina 21,45 g/cm3
Rhenium 21,02 g/cm3
Zlato 19,3 g/cm3
Wolfram 19,25 g/cm3
Uran 19,1 g/cm3
Karbid wolframu 15,6 g/cm3 (slisovaný 14,8 g/cm3 )

 

 U tamperu je taky důležité, aby použitá látka byla dobrý odražeč neutronů a měla vysoké protonové číslo, proto se volí kompromis. Důležité je, aby tamper byl těsně u jádra a (v případě implozní bomby) měl hustotu vyšší nebo alespoň přibližně stejnou jako má jádro. Pokud by tomu tak nebylo, mohlo by dojít ke vzniku nestabilit a jádro by nebylo stlačeno ideálně. Možným problémem u implozních bomb je Rayleigh-Taylorova nestabilita (RT nestabilita, RTI), ta má s jadernými bombami ještě jednu spojitost - díky ní vznikají hřibovité oblaky z atmosférických jaderných explozí. Příčinou vzniku néto nestability je fakt, že tekutina o nižší hustotě má tendenci vnikat do tekutiny o vyšší hustotě. Tekutina, která vniká do tekutiny o vyšší hustotě, má pak tendenci tvořit něco podobné hřibovitému oblaku. Jako příklad můžeme uvést dvojici olej-voda. Při nalití vody do nádoby s olejem vznikají na rozhraní útvary podobné hřibovitému oblaku. U implozních bomb je kromě RT nestability problémem taky Richtmyer-Meškovova nestabilita (RM nestabilita, RMI). Ta vzniká při impulzivním urychlení rozhraní dvou prostředí o různé hustotě -  např. průchodem rázové vlny. U implozních bomb dochází k míchání těchto nestabilit. Tyto dvě nestability se kromě štěpných bomb vyskytují i v termonukleárních bombách.

Na tampery se obvykle používá přírodní uran či karbid wolframu. Je to tu podobné jak u odražeče neutronů. U GT bomby by bylo problematické použít ochuzený uran - vysvětlím v části věnované GT bombě. Na obal jádra by mělo jít použít např. osmium, iridium či platinu, což jsou sice poměrně drahé prvky, nicméně mnohem levnější než plutonium, které se musí velmi nákladně vyrábět v reaktoru. Cena těchto prvků je jen malý podíl ceny vlastní bomby. Jejich hustota je ale nejvyšší ze všech prvků na Zemi. Pro co nejlepší vlastnosti se často používá kombinace, kdy okolo štěpného materiálu je materiál s vysokou hustotou, který je zároveň dobrý odražeč neutronů a okolo něj je látka, která má nižší hustotu, ale je lepší odražeč neutronů (typicky beryllium), bomba je tak lehčí. Obaly jádra jsou u moderních bomb velmi minimalizovány či vypuštěny, protože jsou to bomby posílené termonukleární fúzí a mají dutá jádra, která jsou v okamžik imploze sama o sobě tampery. U bomby Fat Man měl obal jádra tloušťku 7 cm, zatímco u pozdějších bomb měly tampery tloušťku 1,27 - 6,4 cm[28].

2.2.3 - Jádra

Jádro má poněkud jinou podobu u GT a implozní bomby. U GT bomby můžeme za jádro považovat dva kusy složené dohromady (které jsou před odpalem bomby uloženy odděleně), u implozní bomby je jádro "koule" či něco jako koule, ovšem nesymetrické. Toto jádro u implozní bomby se stlačí pomocí implozního systému na vysokou, nadkritickou hustotu, kdy je nějakým způsobem iniciována štěpná reakce a bomba exploduje. Vzhledem k principům funkce těchto dvou typů bomb je zřejmé, že u implozní bomby je potřeba méně štěpného materiálu než u GT bomby. Je to kvůli tomu, že je stlačený na nadkritickou hustotu. U GT bomby je v okamžik iniciace hustota rovna normální hustotě (cca 19 g/cm3), je tedy potřeba více štěpného materiálu. Na jádro se používají prakticky 3 izotopy - U-235, Pu-239 a U-233.

Vlastní jádra se dělají buďto lisováním za zvýšené teploty nebo odléváním. U GT bomby je vhodnější odlévání, protože je zde prakticky dosažitelná vyšší hustota. U implozních bomb je i lisuje i odlévá. U prvních implozních bomb bylo lisováno za teploty 400 stupňů Celsia a tlaku 200 MPa.

2.2.4 - Iniciace štěpného materiálu u jaderné bomby

U jaderné bomby je potřeba, aby se rozjela řetězová reakce v okamžik nejvyšší superkritičnosti. U implozní bomby jádro bude mít maximální hustotu jen v krátký okamžik, proto se musí zrovna v ten okamžik iniciovat. Pokud se iniciuje před dosažením maximální hustoty, dojde k předčasné iniciaci (predetonaci), která bude mít za následek více či méně redukovanou sílu, pokud později, bomba může selhat úplně. Proto je v implozní bombě standardně zakomponováno něco, co štěpný materiál ve vhodný okamžik iniciuje. U GT bomby je to poněkud jednodušší, protože štěpný materiál není stlačen.

2.3 - GT bomba (Gun type bomb)/Bomba dělového typu

 Tato bomba je v česky psaných materiálech označována taky jako explozivní, anebo dělového typu. Explozivní je z mého pohledu poněkud nepřesné, jelikož implozní bomba se svým způsobem taky explozivní. Označení této bomby bombou dělového typu mi však přijde jako správné. U tohoto typu je rychlost sestavení (přechod od největšího podkritického množství do nejvyššího množství nadkritického) poměrně nízká. Podle toho je nutné volit použitý štěpný materiál. Nutné je použít materiál s nízkou mírou spontánního štěpení. Interval mezi jednotlivým spontánním štěpením musí být mnohem delší, než je doba sestavení. Pro jadernou bombu máme prakticky použitelné hlavně tyto tři izotopy: U-235, U-233 a Pu-239. U jiných jsou problémy typu: drahá výroba či separace, nízký poločas rozpadu, vysoká míra spontánního štěpení a mnoho dalších. Pro tento typ bomby jsou, co se týče hodnot spontánního štěpení, použitelné všechny tyto tři. Podle tabulky č. 3 má nejmenší hodnotu spontánního štěpení uran-235, uran-233 ji má dvakrát vyšší a plutonium-239 ji má vyšší 20krát, respektive 40krát. Uran-233 má asi 3 krát nižší hodnotu kritického množství, takže přes dvojnásobnou míru spontánního štěpení bude počet štěpení v kritickém množství nižší než u uranu-235. Tedy po teoretické stránce je U-233 pro tento typ bomby nejvhodnější. Prakticky jsou problémem příměsi, které mají vyšší spontánní štěpení a jsou vysoce radioaktivní. Prakticky je nejvhodnější teda vysoce obohacený uran (93,5 a více % uranu-235), který nemá negativní vlastnosti v až takové míře. Plutonium-239 vyrobené v reaktoru obsahuje příměs plutonia-240, které má velmi vysokou hodnotu spontánního štěpení a tedy plutonium vyrobené v reaktoru kontaminuje do takové míry, že pro GT bombu použitelné není. Design GT jaderné bomby používající plutonium-239, který byl vyvíjen za 2. sv. války - Thin Man - , byl zavrhnut právě kvůli příměsi Pu-240 v plutoniu z reaktorů. Pokud by bylo použito čisté plutonium-239, šlo by takovou bombu pravděpodobně sestrojit.

Pro GT bombu je poněkud nevhodný odražeč neutronů nebo tamper z přírodního uranu. U-238 má poměrně vysokou míru spontánního štěpení, takže u bomby používající jej jako odražeč neutronů by tato hodnota byla neúnosně vysoká. Teoreticky by ho však mělo jít použít, ovšem nemělo by to pravděpodobně žádný přínos. U GT bomb se používá karbid wolframu. Ten má vysokou hustotu a je výborný odražeč neutronů. V historii byl v bombě Little Boy. Též jde použít nějaké slitiny wolframu, kde je jeho zastoupení vysoké (tak to bylo pravděpodobně v jaderných bombách JAR).

V GT bombě je riziko při použití obohaceného uranu s nízkým stupněm obohacení. Bude stoupat míra spontánního štěpení, protože 1) bude tam vysoké procento U-238 s vysokou mírou 2) bude potřeba celkově větší množství štěpného materiálu.

Tento typ bomby lze velmi jednoduše vyrobit. Bomba by fungovala a mohla explodovat s vysokou sílou, i kdyby se dva kusy uranu shodily na sebe z výšky několik metrů, bylo by ale veliké riziko predetonace. Pro takovou bombu by šlo vymyslet jednoduchý systém, který by dva kusy uranu urychlil na třeba 100 až 200 m/s. Pokud by byl uran obohacený na přibližně 90 a více %, mohlo by být riziko predetonace podobné či i nižší než u bomby Little Boy, která obsahovala uran obohacený jen na cca 80 % U-235, ale kusy uranu byly urychleny na 300 m/s. Z toho je zřejmé, že při více obohaceném uranu jsou nároky na konstrukci urychlující podkritické kusy uranu nižší.

Některé konstrukce GT bomby nepotřebují neutronový iniciátor, například lze zmínit bombu Little Boy. U GT bomby není štěpný materiál stlačen na hustotu vyšší než je hustota za normálních podmínek, nebude mít tedy tendenci navracet se do normální hustoty, protože v ní už bude. Problém je ten, že urychlovaný kus uranu má vysokou kinetickou energii, tato energie by mohla mít za následek deformaci či praskání štěpného materiálu, odražeče neutronů nebo cílové oblasti. V konečném důsledku by v okamžik iniciace od spontánního štěpení mohly být komponenty v takové konfiguraci, které by neodpovídala nejvyšší nadkritické, bomba by tak měla nižší sílu či v horším případě by selhala úplně. Jsou dvě možnosti, jak zajistit iniciaci ve vhodný okamžik.

 První je použít generátor neutronů nebo neutronový iniciátor. U takové bomby lze velmi přesně načasovat dobu iniciace, a tedy může být iniciována v dobu, kdy "dosednou" na sebe dvě podkritické části. Bomba bude iniciována dříve než by došlo k případné deformaci. Při této konstrukci by šlo velmi minimalizovat hmotnost, protože by nebylo potřeba počítat s něčím, co by absorbovalo kinetickou energii střely.

Druhou možností je počkat na iniciaci od spontánního štěpení, ke které dojde do doby rovnající se malému zlomku vteřiny. Je však nutné udělat cílovou oblast takovou, aby pohltila energii střely. Například u bomby Little Boy má střela rychlost 300 m/s a hmotnost 86 kg, což se rovná energii 3,87 MJ. Cílová oblast musí tuto energii pohltit, nesmí dojít k nežádoucí deformaci některých komponentů v bombě. Sestava uranu, odražeče neutronů a obalu, který to bude držet pohromadě, tak bude ve vhodné poloze a bomba exploduje s plnou silou.

GT bomba je méně bezpečná než implozní, je tu riziko, že když při nějaké havárii spadne do vody, může se voda, která se do bomby dostane, chovat jako moderátor a spustit štěpnou jadernou reakci. Taky při pádu na zem může důsledkem setrvačnosti dojít ke kolizi podkritických množství a k většímu či menšímu jadernému výbuchu (je dost pravděpodobná exploze s plnou sílou). Jako takový "improvizovaný" pojistný systém lze považovat to, že se štěpný materiál (jedna či obě části) skladuje odděleně od bomby a do ní se uloží až za letu během příprav na svržení. Taky lze hnací náplň sloužící k urychlení kusů štěpného materiálu (např. bezdýmý střelný prach) vložit do bomby až před svržením (tak to bylo u bomby Little Boy).

Ve vojenství je u GT bomb problém v tom, že je více citlivá na výbuch jaderné bomby v blízkém okolí. Je zde vzhledem k nízké rychlosti sestavení riziko predetonace. Proto nemůže být GT bomba odpálena v okruhu pár kilometrů od exploze jiné bomby po dobu několika minut. 

U GT bomby je dalším problémem ten, že pokud dojde u GT bomby k predetonaci, bude to mít za následek velmi redukovanou sílu bomby, což je jiné, než u implozních bomb.

Obrázek 8 - Zjednodušený nákres, jak vypadá GT bomba uvnitř  - Little Boy  (Autor)

1 - "Střela" z obohaceného uranu - asi 80 % uranu-235. Tato část byla urychlena vůči druhé části uranu-235.

2 - Obohacený uran - taky okolo 80 % uranu-235 v cílové oblasti, je držen na ocelové tyči.

3 - Odražeč neutronů z karbidu wolframu. U GT bomb je nepoužitelný přírodní uran

4 - Odražeč neutronů v zadní části střely, též je použit karbid wolframu

5 - Ocelová zadní část střely

6 - Hlaveň, ve které byl obohacený uran urychlen. Podobná technologie jako u konvenčních dělostřeleckých hlavní

7 - Hnací náplň - kordit - , urychlila střelu do cílové oblasti. Za zmínku stojí, že na rozdíl od trhavin v implozních bombách má tato náplň plynulé hoření a ne silnou detonaci.

 

GT bomb je, teda spíše bylo, velmi malé množství. Little Boy, nějaké bomby proti bunkrům, dělostřelecké granáty a některá zařízení, kde bylo potřeba udělat bombu malých rozměrů.

Dále je možné udělat bombu, kde jsou dvě hlavně proti sobě. Tak jsou řešeny pravděpodobně nukleární dělostřelecké granáty. Taky by mělo jít použít několik hlavní (tři a více), kde by se vstřelilo několik podkritických množství do středu. První jaderné bomby USA a bomby JAR, které byly jednoduché, byly pouze standardní konstrukce (jeden projektil v hlavni a jedna cílová oblast). Taky jsou možné různé hybridní techniky (GT/implozní bomba), jak bude rozebráno dále.

2.4 - Implozní bomba

2.4.1 - Základní informace k designu implozní bomby

 U implozní bomby je podkritické množství štěpného materiálu stlačeno implozním systémem, který se skládá ze systému výbušnin a různých pomocných mechanismů, které zvýší tlak působící na jádro. Hustota jádra se zvýší až 4x, díky čemuž se stane z podkritického množství nadkritické, toto se v okamžik nejvíce nadkritické hustoty iniciuje pomocí neutronů generovaných generátorem neutronů nebo neutronovým iniciátorem. Implozní bomba se obvykle skládá z jádra, ve kterém je neutronový iniciátor (u starších bomb) či které je iniciované generátorem neutronů (od začátku 50. let), obalu jádra, který drží štěpný materiál co nejdéle pohromadě (u bomb posílených termonukleární fúzí nemusí být), odražeče neutronů, který dělá z jednoho kritického množství i více než dvě, což dovoluje použít k výrobě bomby mnohem méně štěpného materiálu (odražeč neutronů u některých typů nemusí být), stlačovače, který mimo jiné pomocí konvergence zvýší tlak působící na jádro (který též nemusí u některých typů bomb být) a různých typů systému výbušnin. Jednotlivé části vrstvy mohou plnit více úkolů (např. obal jádra být i odražečem neutronů, odražeč neutronů i stlačovačem). Efektivita přenosu energie z explodujících výbušnin na kompresi jádra je poměrně malá - obvykle nejvýše 30%[16].

U implozních bomb je problém Taylorova vlna. Za reakční zónou ve výbušninách klesá tlak až na nulovou hodnotu. V případě bomby, kde je konvergence, je tento jev ještě zesílený. Toto může způsobovat problémy, jelikož až by dosáhla rázová vlna středu jádra, oblasti dál od středu jádra by expandovaly na svou původní hustotu, což by mělo negativní vliv na kompresi. Proto je nutné tuto Taylorovu vlnu nějak potlačit. Řešením je použití jedné či více vrstev látky o hustotě někde mezi hustotami  jádra s tamperem a systému výbušnin. Odražený vysoký tlak zvýší tlak za reakční zónou na vyšší hodnotu. U bomby Fat Man to bylo řešeno vrstvou hliníku (díky které taky mohlo být dosaženo vyšší komprese, protože zvyšoval povrch výbušnin působících tlakem na jádro). Možné je taky použití beryllia, které je výborný odražeč neutronů. Dále lze použít k potlačení této Taylorovy vlny design duté koule s tenkými stěnami.

Obrázek 9 - Implozní bomba. Jedná se přibližně o bombu Fat Man, byť jsou tam malé nepřesnosti.  Na obrázku je znázorněn pouze systém výbušnin, jádro, neutronový iniciátor, obal jádra/odražeč neutronů, vrstva plastu s borem-10 a hliníkový slačovač. Elektronika, obal systému výbušnin a obal bomby nejsou zahrnuty. (Autor)

A) Polonium-berylliový iniciátor, typ Urchin

B) Jádro z plutonia

C) Odražeč neutronů a obal jádra z U-238

D) Stlačovač z hliníku

E) Vrstva plastu s borem-10

F) Rychlá trhavina

G) EBW detonátory typ 1773 v mosazných kalíšcích

H) Vrstva plsti mezi vnitřní vrstvou rychlé trhaviny a vnější vrstvou pomalé trhaviny

I) Rychlá trhavina

J) Pomalá trhavina

 

Obrázek 10 - Uložení systému výbušnin, jádra, neutronového iniciátoru, obalu jádra/odražeče neutronů, vrstvy plastu s borem-10 a hliníkového slačovače v bombě Fat Man (Autor)

1 - systém jádra se systémem výbušnin, je to hlavní část bomby, tvoří většinu hmotnosti bomby

2 - Jednotka-X (X-unit), sloužila pro odpálení EBW detonátorů, u bomby Gadget vážila 180 kilogramů, jedna z nejkomplikovanějších částí bomby, moderní dvoubodově iniciované imploze potřebují samozřejmě mnohem méně elektřiny k odpálení

3 - Baterie pro napájení jednotky X

4 - Různé přístroje v bombě

5 - Součást systému měřící tlak vzduchu

6 - Obal bomby

2.4.2 Jádra ze štěpného materiálu v implozních bombách

Plutonium nebo uran se nacházejí v jádru. Jádro je tedy to, co je stlačeno. Jádro může být pevné, duté, levitující, nebo nějaké kombinace těchto možností. U menších bomb se používá plutonium, u větších obohacený uran. Jádra bývají někdy zaměnitelná. Například do hlavice W89 je možné použít stará jádra z hlavic W68.

Pro implozní bombu je použitelné plutonium z reaktorů (ovšem zbraňové kvality, u reaktorové kvality je použití problematické - je velmi vysoké riziko predetonace), které obsahuje vyšší množství plutonia-240. První bomba - Gadget při testu  Trinity - obsahoval plutonium, které bylo ozařované v reaktoru jen velmi krátkou dobu, tudíž zastoupení Pu-240 bylo velmi nízké (kolem 1 %), tedy byla tato míra nízká, na druhou stranu však měla poměrně nízkou rychlost sestavení, takže to nebylo až tak dobré.

 Dnešní jaderné bomby v arzenálu USA obsahují plutonium s vyšším zastoupením Pu-240 (asi 6 %), ale 1) je ho tam menší množství 2) rychlost imploze je mnohem vyšší než rychlost střely u GT bomby. Tyto faktory kompenzují vyšší míru spontánního štěpení. Plutonium z elektrárenských reaktorů obsahuje plutonia-240 mnohem více, tedy pro jadernou bombu je jen velmi těžko použitelné a riziko predetonace je obrovské. Některé dnešní jaderné hlavice obsahují plutonium s ještě nižším zastoupením Pu-240 (např. jedna verze hlavice W80). Je tomu tak, aby personál manipulující s hlavicí (či se nacházející poblíž hlavice) byl co nejméně ozářen.

Plutonium má alotropní chování, při roztavení a chladnutí vystřídá několik fází. Kvůli tomu by jádro mohlo rozpraskat. Proto se leguje malým množstvím gallia. Bývá to hmotnostně přibližně 1 %. Plutonium-galliová slitina byla vyvinuta v průběhu projektu Manhattan. Díky legování se stabilizuje v delta fázi, která má nejmenší hustotu, navíc je jádro odolnější proti korozi. Kritické množství delta fáze je 16 kilogramů, alfa fáze je to pouze 10,5 kilogramů. Pokud se do bomby dá plutonium v delta fázi, lze ho tam dát více, aniž by se dosáhlo kritického množství. Fázové chování plutonia je názorně vidět na dalším obrázku:

Graf 2 - alotropní chování plutonia, teplota je v Kelvinech, objem je v kubických Angstromech [29]

Z grafu je zřejmé, že plutonium je za normální teploty v alfa fázi o hustotě 19,86 g/cm3, v beta fázi, která je při vyšší teplotě má hustotu 17,7 g/cm3, v gama fázi, která je ještě při vyšší teplotě, má hustotu 17,14 g/cm3, a v již zmiňované delta fázi má hustotu jen 15,92 g/cm3, dále je fáze delta s čarou, která má však hustotu vyšší ... 16,00 g/cm3, dále je ještě fáze epsilon, která má hustotu 16,51 g/cm3. Nelegované plutonium je v delta fázi pouze mezi teplotami 310°C a 452°C, legované je v ní i za pokojové teploty.

Při implozi je tak možné dosáhnout vyšší nadkritičnosti, protože se brzo dosáhne alfa fáze a hustota bude odpovídat více než jednomu kritickému množství a až pak se dosáhne třeba kolem 2 kritických množství. Přeměna z delta fáze do nejvýše nadkritické konfigurace trvá velmi krátkou dobu, proto je málo pravděpodobné, že někdy v tom času dojde k iniciaci a tedy predetonaci.

U velkých bomb je použití plutonia nevýhodné, protože by byla moc vysoká hodnota spontánního štěpení a tedy vysoké riziko predetonace, toto lze částečně potlačit tak, že se použije plutonium s krátkou dobou ozařování - tedy s nízkým obsahem Pu-240. Tak to udělala Francie v době, kdy neměli k dispozici obohacený uran. U větších bomb je vhodnější obohacený uran, který má mnohem nižší míru spontánního štěpení než plutonium, takže ho lze použít více.

Dříve často používané bylo kompozitní jádro na bázi U-235 a plutonia (též je možné použít různou kombinaci U-235, U-233 a Pu-239). Kompozitní jádro U-235/Pu-239 má výhodu v tom, že výhodněji hospodaří se štěpným materiálem. V bombě Fat Man, která měla čistě plutoniové jádro, byla efektivita jen přibližně 17% (rozštěpilo se 17 % materiálu z jádra). V bombách používající kompozitní jádro byla efektivita rozštěpení plutonia 35% a obohaceného uranu 25%. Vzhledem k tomu, že plutonium bylo cca 4-5x dražší než obohacený uran, byla to velmi důležitá úspora. Šlo tak vyrobit větší množství bomb při stejném množství plutonia. V praxi se jednalo o sféru plutonia obalenou obohaceným uranem. Hmotnostně to bylo 2,5 kg plutonia a 5 kg obohaceného uranu. Později se od kompozitních jader upustilo, mimo jiné kvůli tomu, že byl dostatek plutonia a nebylo třeba šetřit. Výhodou kompozitních jader je taky to, že vzhledem k malému množství plutonia může být horší kvality (více Pu-240), aniž by byla moc vysoká mira spontánního štěpení a riziko predetonace.

Problémem jader z plutonia je jeho velká chemická reaktivita a taky degradace sebeozařováním. Zde se tvoří nevhodné izotopy (americium, neptunium) a taky helium, které může vytvářet různé bubliny a podobné věci.

Moderní jádra obsahují cca 3 kilogramy plutonia, starší ho měla 4-5 kilogramů (Fat Man 6,2 kg).

Obrázek 11 - Forma na odlévání plutonia na jádro [31]

 2.4.2.1 - Pevné jádro

Pevné jádro, někdy označováno jako nelevitující, bylo použito u úplně prvních implozních bomb. Stručně řečeno se jedná o kouli z uranu či plutonia, ve které je neutronový iniciátor. V praxi to však není koule, ale jsou to dvě polokoule, které jsou pokovené (u prvních bomb stříbrem, niklem, nejlepší je zjevně použití zlata), mezi kterými je neutronový iniciátor, či je absence neutronového iniciátoru a je použit generátor neutronů. V tom případě může být jádro řešeno jako koule. Tato jádra se taky nazývají "Christy", což je pojmenování po Robertu Christym.

 2.4.2.2 - Levitující jádro

 Levitující jádro je vyřešeno tak, že je mezi ním a obalem jádra mezera vyplněná vakuem nebo vzduchem a trhaviny jsou tak schopné odražeč neutronů případně s obalem jádra urychlit, takže lze jádro stlačit tak, že bomba má ve výsledku přibližně dvojnásobnou sílu. Je to vlastně efekt dopadu kladiva na hřebík. Když položíte na dřevěnou desku hřebík a na něj položíte kladivo, na které budete tlačit vší sílou, výsledkem bude pravděpodobně jen to, že hřebík udělá do dřeva jen malý důlek. Pokud ale kladivo zvednete do větší výšky do vzduchu a k bouchnutí do hřebíku využijete stejnou sílu, jakou jste na hřebík tlačili, podaří se vám zarazit hřebík do mnohem větší hloubky. Levitace je vyřešena podpíráním jádra tenkostěnnými hliníkovými držáky kolmými na jádro, které se kónicky sužují. Je jich obvykle 6 (ale i 2 či jen jeden), pokud jich je šest, tak vždy dva pro stabilizaci v každém směru. Možné je taky použití nějaké pěny, která bude to jádro držet uprostřed. Při použití pěny je nutno brát v úvahu fakt, že plutonium se přeměňuje na jiné izotopy, tato přeměna má za následek tvorbu tepla, které by mohlo některé druhy pěnových materiálů roztopit a mít za následek nižšší sílu nebo selhání bomby. Dále by mělo být možné vyřešit levitaci i zavěšením jádra na napnuté dráty. Tato levitující jádra byla poprvé testována v operaci Sandstone.

 Obrázek 12 - Levitující jádro (zdroj: Autor stránek)

 

1 - Je zde interní neutronový iniciátor na bázi polonia-210 a beryllia

2 - Je to jádro z vlastního štěpného materiálu, může být plutoniové, z uranu-235, anebo kompozitní (dříve často používané v bombách s levitujícím jádrem)

3 - Zde je obal jádra (tamper) z přírodního uranu, který funguje taky jako odražeč neutronů

4 - Tady je beryllium, které je velmi dobrý odražeč neutronů a plní taky funkci stlačovače

5 - Zde jsou již zmiňované kónicky se sužující hliníkové držáky, které poskytují jádru podporu a  mají takový tvar, aby nenarušily symetričnost imploze

 2.4.2.3 - Duté jádro

Duté jádro je v moderních implozních bombách. Je zde podobný efekt jako u levitujícího jádra. Stěna jádra se může urychlit a pak se při velké rychlosti uformuje do koule o vysoké hustotě. Vzhledem k tomu, že plutonium v jádru taky částečně hrale roli obalu jádra (tamperu), je potřeba méně uranu na tamper. Nevýhodou dutého jádra je však nutnost dosažení přesnější imploze než u pevného. Do dutého jádra lze napustit směs deuteria a tritia, která posílí bombu (viz posílení termonukleární fúzí). Duté jádro je více imunní vůči Taylorově nestabilitě než pevné jádro.

 2.4.2.4 - Duté jádro s centrálním jádrem

 Je to vlastně duté jádro, ve kterém "levituje" další jádro. Je to něco podobné levitujícímu jádru. Nebo taky se to může brát tak, že část tamperu blíže jádra je ze štěpného materiálu. Taky může být těchto vrstev více, které postupně implodují, každá vrstva pak strhává další, která je blíže jádru, až bude jádro stlačeno. Ze štěpného materiálu pak bude třeba jen jádro a ta vrstva nejblíže němu. Stlačení jádra pomocí tohoto systému může být velmi efektivní a i tímto lze potlačit Taylorovu vlnu.

 2.4.2.5 - Nesférické jádro

Nesférické jádro umožňuje zmenšení rozměrů bomby. Díky podlouhlému tvaru je možné udělat bombu tenkou. Toto podlouhlé jádro je pomocí trhavin v systému výbušnin "přetvarováno" a stlačeno na vysokou hustotu. Díky přetvarování do koule lze dosáhnout vyšší nadkritičností. Takové nesférické jádro bývá použito v lineární implozi u nukleárních dělostřeleckých "granátů". U nich jsou díky absenci odražeče neutronů a stlačovače minimalizovány rozměry (ráže střel 155 milimetrů /Ted Taylor řekl, že by bylo možné vyrobit nukleární střelu do děla i v ráži 105 mm/[31]). Nesférické jádro je použito u primární bomby v hlavici W88. Simulace s použitím nesférického jádra jsou mnohem složitější než při použití jádra sférického, proto tato technologie může být horší dostupná pro méně vyspělé státy. U dutého nesférického jádra lze taky použít směs deuteria a tritia pro posílení termonukleární fúzí.  

 2.4.3 - Nárazníky (pohlcovače, buffery)

Na rozhraních dvou vrstev o vyšší hustotě dochází k přeměně energie implodující vrstvy na zvýšení entropie. O tuto energii je pak oslabena imploze. Pro eliminaci tohoto problému jsou do konstrukce bomby zakomponovány tyto nárazníky. Tyto nárazníky přemění jednu silnou rázovou vlnu na několik menších a sníží citelně ztrátu energie. Za většinu komprese jsou pak zodpovědné první dvě rázové vlny. Jedná se o pár milimetrů tlustou vrstvu materiálu o nízké hustotě - obvykle se používá k tomutu účelu grafitu, možné je též beryllium. Tato vrstva je v případě levitujícího jádra nanesena na tomto jádře, jak dosáhne tamper jádra, je velké množství energie převedeno na kompresi. [16]   

 2.4.4 - Stlacovače (Pushery)

U implozních bomb bývá stlačovač. Díky této části se jednak uplatní konvergence a taky na rozhraních hustoty stlačovače a trhavin, obalu jádra a stlačovače, stoupá (přibližně se zdvojnásobuje) tlak výbušnin. Pro největší efektivitu musejí být rozhraní značná, takže počet těchto rozhraní může být maximálně 2 - 3.  Toto zvyšování tlaku lze vysvětlit odrážením rázových vln pocházejících z vybuchujících výbušnin zpět, což má za následek zvýšení tlaku a imploze trvá déle než v případě samotných výbušnin.  Rychlost imploze je tedy nižší, než mají výbušniny detonační rychlost. Zde to lze vysvětlit na příkladu bomby Fat Man. Konvergence by tlak zvýšila asi pětkrát a dvě zdvojnásobení dávají dvacet. Tlak výbušnin byl tedy zvýšen dvacetkrát. Composition B má detonační tlak kolem 295 kilobarů, síla působící na jádro bude tedy necelých 6 megabarů. Rychlost imploze však u této bomby byla jen asi 2 kilometry za vteřinu. Dále má tento stlačovač tu funkci, že dokáže zploštit a narovnat Taylorovu vlnu. Bývá vyroben obvykle z hliníku či beryllia. Hliník je levný a snadno opracovatelný, beryllium je výborný odražeč neutronů, nicméně je horší opracovatelné a taky mnohem dražší (což je ovšem jen malý zlomek ceny štěpného materiálu). Okolo něj nebo mezi uranem a jím, bývá vrstva plastu obohaceného o bor-10, který snižuje neutronové pozadí.

2.4.5 Systémy výbušnin generující rázové vlny

U implozní bomby něco musí generovat rázové vlny, které jsou pak převedeny do stlačení jádra. Od toho je tu systém tvořený trhavinou, trhavina je jediná praktická možnost, jak toho dosáhnout. Trhavina má detonační tlak většinou 300-400 kilobarů, který však k dostatečnému stlačení nestačí. U obohaceného uranu je dosažitelné zvýšení hustoty asi o 25 %, u plutonia je to více, protože k přeměně z delta fáze do alfa fáze stačí poměrně nízký tlak, takže v konečném důsledku u plutonia je dosažitelné zvýšení hustoty o asi 50 %[16]. Tento tlak je však v jaderné bombě znásobený konstrukcí bomby, takže na jádro působí tlak mnohem vyšší. Důležité je nasměrovat detonační vlnu do takového směru, aby dorazila na celý povrch jádra současně. Pro nasměrování do tohoto směru lze použít systém rychlé a pomalé trhaviny, plechu, či inertního materiálu. Pokud by byla použita jenom trhavina a jen jedna (beru v potaz mnohabodově iniciovanou implozi, kde by nebyl plech, inertní směrovač či jiný systém pro uformování detonační vlny), jádro by bylo nestejnoměrně stlačeno, rozmetáno a bomba by nefungovala správně (selhala by či explodovala s nízkou sílou) - viz Obrázek 16. Proto je tam ta pomalá, která převede detonační vlnu do vhodného tvaru vzhledem k jádru a imploze je tak symetrická - viz Obrázek 15. Efektivnejší však je použití tritolu s malými skleněnými či plastovými kuličkami (mikrosférami) než standardní pomalé trhaviny. Taky jsou různé typy, co se týče iniciace. Některé jsou iniciovány z mnoha bodů, jsou to hlavně starší konstrukce či u zemí, které nemají tak vyspělý vojenský jaderný program. Pak jsou tu dvoubodově iniciované, které se staly standardem jaderných bomb vyspělých zemí a pak je tu jednobodově iniciovaný systém výbušnin, u kterého nevím, zdali byl někdy použit v praxi. 

Vlastní systémy výbušnin měly v raných bombách hmotnost řádově v tunách, nicméně později bylo dosaženo snížení hmotnosti až řádově na kilogramy. V moderní jaderné bombě může být duté jádro o hmotnosti čtyři kilogramy stlačeno na hustotu odpovídající dvouapůlnásobku původní hustoty (což je zhruba stejné jako u raných jaderných bomb) při použití pouhých deseti kilogramů trhaviny. Rozdíl je tedy obrovský.  

Obrázek 13 - Postup detonační vlny u systému výbušnin u mnohabodově iniciované imploze, role pomalé trhaviny, znázorněno na jednom segmentu (Autor)

 

 

Obrázek 14 - Jaderná bomba, u které by nebyla použita pomalá trhavina (imploze by nebyla dokonalá). Jedná se o mnohabodově iniciovanou implozi, znázorněno na jednom z bodů (Autor)

2.4.5.1 - Vlastní systémy výbušnin

 2.4.5.1.1 - Mnohabodově iniciovaný systém

Mnohabodově iniciovaný systém výbušnin byl u prvních jaderných bomb. Může být iniciována např. z 32, 60, 92 bodů. U prvních bomb (Fat Man) byla iniciována z 32 bodů. Celý systém výbušnin vypadal něco jako fotbalový míč. Byl složen z 20 šestiúhelníků a 12 pětiúhelníků. Ve středu každého byl detonátor. Čím více bodů iniciace je použito, tím menší může být průměr bomby. Na druhou stranu se stoupajícím množstvím detonátorů stoupají energetické nároky na jejich odpálení, což se může negativně projevit na její hmotnosti.

 2.4.5.1.2 - Dvoubodově iniciovaný systém

 V moderních jaderných bombách je systém výbušnin iniciovaný ze dvou bodů. Dvoubodově iniciovaný  systém výbušnin má tu výhodu, že je vlastně i pojistným systémem. Při iniciaci jednoho bodu, v náhodném místě bomby, či oba body určené k iniciaci nebudou iniciovány současně, trhaviny štěpný materiál pouze rozmetají a u dobré konstrukce nedojde k žádnému jadernému výbuchu. Tyto systémy byly testovány ve více operacích, ze kterých lze uvést např. Project 56. U mnohabodově iniciovaného systému je potřeba detonační vlnu "narovnat" a mírně "vytvarovat" do opačného směru. U dvobodově iniciovaného systému je potřeba detonační vlnu narovnat a převést do opačného směru tak, aby došlo k symetrické implozi. U dvoubodově iniciovaného systému výbušnin může být k nasměrování detonační vlny použita vrstva pomalé trhaviny, metoda Flying plate a lineární imploze.

Dvoubodově iniciovaný systém výbušnin s uformováním detonační vlny pomocí vrstvy pomalé trhaviny má nevýhodu ve velké hmotnosti a objemu. Nevím, že by se někde něco takového používalo, vrstvy trhavin jsou podobné jako u mnohabodově iniciovaného implozního systému, jen jsou tlustší. 

 Druhou možností je použití takzvaného "Flying plate". U pomalé trhaviny se detonační vlna šíří rychlostí řekněme 60 % rychlosti v rychlé trhavině, což je stále ještě moc. Dokonalejší systém se nazývá právě Flying plate. Trhavina "odpálí" plech (nebo spíše by bylo přesnější kovový plát), který se bude pohybovat směrem k centrální sféře z rychlé trhaviny rychlostí mnohem nižší, než je detonační rychlost pomalé trhaviny. U místa iniciace bude plech nejdále od centrální sféry z výkonné trhaviny, v bodech nejdále od detonátoru bude u centrální sféry nejblíže. V důsledku nižší rychlosti plechu v porovnání s detonační rychlostí trhaviny dolehne kov z plechu na všechna místa centrální sféry z výkonné trhaviny současně. V okamžik kolize s centrální sférou z výkonné trhaviny v ní kov z plechu vyvolá detonační vlnu a implozní systém stlačí jádro ideálně. Poměrem hmotnost plechu/hmotnost trhavin lze manipulovat s rychlostí plechu. Tento systém výbušnin má délku i méně než dvojnásobek průměru.

Obrázek 15 - Dvoubodově iniciovaný systém výbušnin pro uformování detonační vlny pomocí kovového plátu metodou Flying plate (Autor, kresleno na motivy[32])

1 - Plutoniové jádro. Plutonium je vhodné pro menší jaderné bomby vzhledem k nízkému kritickému množství

2 - Berylliový odražeč neutronů, je lehký a má velmi dobré reflexní účinky.

3 - Směs deuteria a tritia pro posílení termonukleární fúzí (viz dále)

4 - Rychlá trhavina

5 - Kovový plát (nebo taky můžeme nazvat kovový plech), který je v bodech nejblíže iniciaci nejdále od vnitřní sféry z trhaviny. Při konstrukci je možné manipulovat s poměrem hmotnosti plechu a výbušnin.

6 - Body iniciace, na rozdíl od starších bomb stačí pouze dva.

 

Dalším odvětvím dvoubodově iniciované imploze je lineární imploze. Je to podobně neefektivní typ jako bomba dělového typu, který má ale velmi malé rozměry. Superkritičnosti je možné dosáhnout:

 -  přetvarováním do koule (což sníží kritické množství)

- u plutonia přechodem z delta do alfa fáze (což zvýší hustotu o 23 %)

- použitím dutin v jádře, díky tomu jde uložit do bomby více plutonia, aniž by se dosáhlo kritického množství

 Je to technologie vyvinutá v laboratoři Lawrence Livermore. Používá se u nukleárních dělostřeleckých granátů (např. u W48) a jaderné demoliční munice, taky může být v jiných výbušných zařízeních, u kterých jsou požadovány malé rozměry. Zde je dosaženo malých rozměrů, protože tu často nejsou žádné odražeče neutronů či velké tampery. Z každé strany se nachází takové "směrovače" (shapers) z inertního materiálu, které detonační vlna obteče a dojde k víceméně symetrické implozi. Lineární imploze má výhodu, že nepotřebuje neutronový iniciátor. Stav, ve kterém zůstane je stabilní, a tedy se iniciuje od spontánního štěpení. Nízkou efektivitu je možné vykompenzovat posílením termonukleární fúzí. Pro lineární implozi je nejvhodnější plutonium, a to z několika důvodů. První je již zmiňované fázové chování, druhý je nízké kritické množství plutonia. Lineární imploze používá mnohem více štěpného materiálu než jiné hlavice. Je tomu tak, protože musí být vykompenzována nízká komprese. Bývá to přibližně 2x až 3x více. Vzhledem k tomu, že přibližně 4/5 ceny hlavice je štěpný materiál, bývají hlavice používající lineární implozi dražší než jiné typy hlavic. Bomby s lineární implozí mají průměr 6 až 10 palců, což je v přepočtu 155 - 254 mm (W48 má 155 mm), nicméně je možné zkonstruovat i hlavice o průměru kolem 100 milimetrů. Obrázek je zde:

Obrázek 16 - Lineární imploze (Autor, kresleno na motivy [16])

1 - Plutoniové jádro, zde je názorně vidět nesférický tvar.

2 - Trhavina, je použita jenom jedna - rychlá - zde je část, kde ještě nedorazila detonační vlna.

3 - Detonátory. Jsou dva a typu EBW.

4 - Směrovače i inertního materiálu, které detonační vlna obteče a dojde k poměrně dobře synchronizované implozi.

5 - Zde je detonační vlna, jak postupuje po obtečení inertního materiálu.

Tyto tři podtypy dvoubodově inicivané imploze je možné kombinovat. Takže třeba lze použít směrovače z lineární imploze k hrubému nasměrovaní detonační vlny a k ideální implozi přispěje metoda flying plate, anebo vrstva pomalé trhaviny. Výchozí pozice před využitím pomalé trhaviny nebo plechu tak bude výhodnější než v případě, že by nebyly zahrnuty směrovače z inertního materiálu.

 2.4.5.1.3 - Jednobodově iniciovaný systém

Jde vlastně o to, že zakřivení detonační vlny pomocí pomalé trhaviny tu jde až do extrému. Detonační vlnu tu nestačí narovnat a jen mírně převést do opačného směru, tady musí v rychlé trhavině dorazit zezadu k jádru ve stejný okamžik, jak od bodu iniciace dorazí k jádru z přední části. Implozní systém tohoto typu má tvar podobný kardioidu. Z principu je tento systém výbušnin velmi objemný a těžký (alespoň v případě použití pomalé trhaviny), taky je jí zde vysoká spotřeba. Výhodou je, že je možné použít k iniciaci obyčejnou rozbušku (případně ještě nějakou počinovou náložku), protože je jedno, jestli je iniciována o nějaký zlomek vteřiny později či dříve, bomba tak i tak exploduje s plnou sílou (toto je ale vážné riziko pro bezpečnost), není potřeba synchronizovat více detonátorů, jako je to u mnohabodově či dvoubodově iniciované imploze. Mělo by jít místo pomalé trhaviny použít i vrstvy střídající se trhaviny a inertního materiálu, výhodou by byla nižší hmotnost a menší rozměry. Jednobodově iniciovaná imploze pravděpodobně není v praxi u žádných jaderných bomb ve výzbroji.

 Obrázek 17 - Jednobodově iniciovaný systém - přibližný nákres, průřez (Autor, na motivy [16])

 1 - Jádro, může tam být zakomponován odražeč neutronů, obal jádra, neutronový iniciátor, směs deuteria a tritia pro posílení termonukleární fúzí...

 2 - Detonátor

 3 - Rychlá trhavina, ve které se šíří detonační vlna rychleji než v pomalé

 4 - Pomalá trhavina (může však být použita nějaká alternativa)

2.4.5.2 - Iniciace systému výbušnin

U jaderné bomby musí být zajištěno, aby se všechny body iniciace iniciovaly současně. Pokud by byl i malý rozdíl v iniciaci jednotlivých bodů, bomba by mohla ztratit velkou část síly, anebo úplně selhat. Pro dostatečně koordinovanou iniciaci jsou běžné rozbušky zcela nedostačující. K iniciaci u jaderných bomb slouží EBW detonátory (Exploding bridgewire detonator). Je to něco podobného jako rozbušky, nicméně je to oproti konvenčním rozbuškám mnohem přesnější. EBW detonátory jsou řádově tisíckrát přesnější než konvenční rozbušky. Rozdíl iniciace detonátorů je maximálně 0,1 mikrosekundy, což znamená u trhaviny typu PBX 9404 o detonační rychlosti 8820 m/s rozdíl v detonační vlně maximálně 0,882 milimetru. U modernějších EBW jsou však rozdíly ještě menší. Pomalejší trhavinou (např. PBX  obsahující TATB) je rozdíl též zmenšený. Klíčovou součástí EBW detonátorů je můstek, který se na rozdíl od můstku u konvenčních rozbušek nerozžhaví, ale přímo explozivně vypaří. Tento můstek iniciuje v první fázi pentrit o nízké hustotě, který exploduje a odpálí lisovanou trhavinu. Může být použit taky pentrit, hexogen, oktogen, tetryl, ale i třeba trhaviny typu PBX. Můstek je vyrobený typicky ze zlata, platiny, či slitiny těchto dvou kovů. Jeho délka je 0,25-2,5 mm (obvykle však 1 mm), průměr obvykle 0,038 mm. Dodat se musí silný elektrický proud, a to velmi rychle, jinak dojde pouze k zapálení pentritu, případně jeho deflagraci, detonaci však nezpůsobí a bomba tak může selhat. K řízení dodání elektřiny slouží zařízení, které se nazývá "X-Unit" (či alespoň se tak nazývalo v případě bomby Fat Man). Elektřinu je možné dodat rychlým vybitím kondenzátoru s vysokou kapacitou a nízkou indukčností, a to přes nějaký použitelný spínač, taky je možné k dodání elektřiny využít explozí řízený ferroelektrický generátor (Explosive-driven ferroelectric generator, EDFEG) - tyto metody lze též použít u jiných systémů s velkými nároky na energii (Slappery, generátory neutronů). EBW detonátorů je podle počtu bodů, ze kterých je bomba iniciovaná (výjimkou však byla bomba Fat Man, která měla u každého bodu booster, do kterého ústily dva detonátory, což dělalo bombu spolehlivější). EBW detonátory mají velké nároky na energii. Dvoubodově iniciovaná imploze nemá tak vysoké nároky, protože jsou použity pouze dva EBW detonátory (na rozdíl např. od 92-bodově iniciované imploze). U jednobodově iniciované imploze by mělo být možné použít obyčejnou rozbušku. EBW detonátory mají využití kromě jaderných zbraní i v civilním sektoru tam, kde je potřeba přesné načasování.

Obrázek 18 - Schéma EBW detonátoru použitého v raných jaderných zbraních (typu Fat Man) [33]

Další evolucí EBW detonátorů jsou detonátory typu "Slapper". Jiným názvem jsou označovány jako exploding foil initiator (EFI). Je to modernější technologie, která byla vyvinuta v laboratoři Lawrence Livermore na začátku 70. let. V dnešní době je právě tato technologie používána v moderních jaderných zbraních. Zde je naproti peletce z odpalované výbušiny krátký dutý válec. Na konci tohoto válce, který je dál od výbušniny, je tenká kovová, anebo plastová folie se stranou dále od výbušniny pokrytou kovem. Použitý kov může být třeba hliník, měď, anebo zlato. Plast může být Mylar. Při iniciaci je do kovové fólie vpuštěn silný elektrický proud, který z kovu z fólie vytvoří plasma. Koule z tohoto plasmatu druhou folii z např. z plastu (zvanou též Slapper anebo Flyer) urychlí na vysokou rychlost. Ta pak při kolizi s výbušinou vyvolá ve výbušině detonační vlnu. Je to něco vzdáleně podobné technologii flying plate u dvoubodově iniciované imploze. Jako výbušina může být použít třeba lisovaný pentrit, anebo hexanitrostilben. U těchto detonátorů na rozdíl od EBW není kov v přímém kontaktu s výbušinou, takže nehrozí jeho chemická degradace. Taky je výhodou možnost použití méně citlivé výbušiny oproti poměrně citlivému pentritu. Díky tomu jsou bezpečnější než EBW detonátory. Tyto detonátory nemají tak velké nároky na elektřinu jako detonátory EBW, jelikož účinnost přenesení dodané elektrické energie na detonaci výbušniny je oproti EBW detonátorům  vyšší. Možnou modifiací této technologie je použití magnetického pole k urychlení druhé folie. Dále může být použito laseru k vytvoření plasmatu z folie, které pak urychlí druhou fólii. Použít lze pevnolátkový laser, kde by byl puls z něj přenesen přes optické vlákno. Výhodou Slapper iniciátorů je taky to, že detonační vlna se bude jinak šířit výbušinou. Zatímco u EBW detonátorů se šíří do všech směrů, což není tak efektivní, u Slapperů se šíří ve formě takového kužele, kde je méně energie ztraceno po stranách. Rychlost Slapperu je v řádech kilometrů za sekundu, obvykle 2-4 km/s[34]. Konkrétní údaje pro slapper mohou být následující:  materiál fólie je zlato, tloušťka kovové folie 0,025 mm (25 mikrometrů), tloušťka Slapperu/Flyeru 0,075 mm, průměr folie 1 palec (24,5 milimetrů), kapacitance: 56 mikrofaradů, indukčnost 40 nH, nabíjecí napětí 40kV, odpor 6 miliohmů, rychlost folie: 3,12 km/s, dávka proudu: 503 kA[34].

Obrázek 19 - Detonátor typu Slapper, Autor, kresleno na motivy [34]

1 - Přívod elektřiny

2 - Izolace

3 - Kovová fólie s Flyerem (Flyer je blíže části s výbušninou)

4 - Dutý válec

5 - Výbušina, která je iniciována

Hypotetickou konstrukcí by bylo použití trubic naplněných trhavinou. Pokud by tento systém fungoval, šlo by udělat z vícebodově iniciované imploze (mám na mysli zejména dvoubodově iniciovanou implozi, ale mnohabodová by měla být taky možná) pouze jednobodově iniciovanou implozi schopnou použít pouze jednu rozbušku. Touto metodou by mohlo jít obejít problém EBW detonátorů (a taky jednotky X-unit), které nejsou zrovna nejjednodušší komponenty. U tohoto způsobu nevím o nějakém reálném použití, přesnost iniciace by však byla (i při maximální snaze) velmi pravděpodobně nižší než u EBW detonátorů. Konstrukčně by to bylo vyřešeno tak, že by trhavina v trubici byla iniciována z jednoho bodu a v jednom místě by se trubice rozdvojila a vzniklé dvě trubice by byly zavedeny každá do jednoho ze dvou (popř. více bodů). Podmínkou funkčnosti by zcela jistě byla dokonalá homogenita trhavin, chemická čistota hlavních složek a vysoká hustota trhaviny. Při konstrukci trubic by se nesmělo dostat pod kritický průměr dané trhaviny, vhodný průměr by musel být takový, kde by bylo chování trhaviny spolehlivě předvídatelné. Vážnou nevýhodou tohoto by byla nízká bezpečnost. Zatímco standardní dvoubodově iniciovaná imploze může být velmi bezpečná (v případě iniciace jednoho detonátoru nedojde k jadernému výbuchu), zde by v případě iniciace rozbušky došlo (v případě fungování tohoto konceptu) zcela jistě k plné síle výbuchu. Je to něco, co je podobné původnímu návrhu iniciace jaderných bomb, kde bylo zamýšleno iniciování pomocí bleskovic Primacord, jen by na rozdíl od toho tyto trubice byly tvrdé, neohybatelné. Trubice Primacord však byly nahrazeny detonátory typu EBW, které byly přesnější[35]. Otázkou je, jak moc byl tento systém nevyhovující, když byl u bomby Fat Man nahrazen, jestli by bomba explodovala pouze se sníženou silou (otázkou jak moc), anebo by úplně selhala, já se klaním spíše k té první možnosti.

Obrázek 20 - Iniciace pomocí trubic plněných trhavinou - znázorněno na lineární implozi, Autor

 

1 - Místo iniciace

2 - Vlastní trubice plněné trhavinou

3 - Směrovač z inertního materiálu

4 - Trhavina

5 - Jádro

2.4.6 - Iniciace štěpného materiálu u implozní bomby

U implozní bomby je fakt ten, že štěpný materiál vydrží v nadkritickém množství jen velmi malou chvíli, proto je nutné započat nějak štěpnou reakci. K tomu slouží buďto neutronový iniciátor, anebo generátor neutronů. U prvních jaderných bomb byl ten iniciátor, od 50. let se používá generátor neutronů. Neutronový iniciátor však pravděpodobně používají země, které nemají tak vyspělý jaderný program. Ty se uchylují obvykle k napodobování designu bomby Fat Man, který je dostupný a ověřený.

 

A) Generátor neutronů (externí neutronový iniciátor)

Generátory neutronů jsou vlastně malé lineární urychlovače, kde se srazí jádra deuteria a tritia, což vytvoří vysoce energetické neutrony. Tento generátor neutronů byl poprvé použit v operaci Greeenhouse v testu George v roce 1951. Umožní přesnější iniciaci a má delší životnost (12,32 let u tritia vs. 138 dní u polonia-210). Generátor neutronů je na rozdíl od neutronového iniciátoru uložený mimo jádro s odražečem neutronů (případně i stlačovačem) a implozní systém z trhavin. Dalším názvem je "externí neutronový iniciátor" (ENI). Vlastní generátor neutronů je několik centimetrů dlouhá trubice, ve které je vakuum. Na jednom konci této trubice je zdroj iontů, na druhé je jejich cíl. Ionty jsou urychleny do cíle, kde dojde ke kolizi a některou z fúzních reakcí se vytvoří neutrony a helium. Urychlena mohou být jádra deuteria, tritia či směs obou izotopů. Cíl je obvykle kovový hydrid, kde je místo vodíku deuterium či tritium. Může to být třeba ScT2. Neutrony mohou vznikat reakcí deuteria s deuteriem a deuteria s tritiem, produkty reakce a energie neutronů je v Kapitole 1. Puls neutronů z těchto generátorů není nasměrovaný, ale neutrony jdou do všech stran stejně, takže jich jen zlomek zasáhne jádro. Generátor neutronů musí být umístěný v dostatečné vzdálenosti od implozního systému, aby nebyl zasažen vybuchujícími trhavinami, rázová vlna se ve vzduchu však šíří rychlostí 20-25x nižší než je detonační rychlost trhavin používaných v jaderných bombách, proto jeho vzdálenost může být od implozního systému poměrně malá. Dobré je, aby mezi jádrem a generátorem neutronů nebyla tlustá vrstva materiálu s moderačními účinky, což jsou třeba trhaviny nebo různé plasty. Možnou alternativou, která byla testována a fungovala, je použití Betatronu. Při deceleraci svazku elektronů vzniknou pomocí brzdného záření (bremsstrahlung) fotony o vysoké energii. Pomocí nich pak v důsledku fotonově indukovaného štěpení a taky fotodisintegrace dojde ke tvorbě volných neutronů a iniciaci jaderné bomby. Tyto reakce se konají přímo v jádru bomby, ne vedle implozního systému. Takto iniciovaná bomba byla testována např. v Operaci Tumbler-Snapper, testu George[36]. Taková iniciace je velmi přesná[36]. 

Obrázek 21 - Generátory neutronů z Laboratoře Sandia, 3 typy, z nichž 2 jsou používány v amerických jaderných zbraních. U prvních dvou typů (Ferroelektrických) je dodán elektrický impuls pomocí generátoru na bázi výbušnin, u třetího (Elektronického), který je ve vývoji, je impuls dodán elektronicky. [67]

 

B) Interní neutronový iniciátor

Nejznámějším neutronovým iniciátorem je iniciátor na bázi beryllia-9 a polonia-210. První takový byl Urchin, který byl použit v testu Trinity a dalších bombách první generace. Zde je vlastně centrální pozlacená a poniklovaná kulička o průměru 8 milimetrů, okolo které jsou dvě taky pozlacené a poniklované hemisféry, ve kterých jsou drážky ve tvaru V. Ty jsou umístěny na hemisférách tak, že tvoří svým způsobem takové "rovnoběžky". Polonium bylo umístěno v drážkách a na povrchu poniklované a pozlacené centrální kuličky. Iniciátor byl umístěn ve středu plutoniového jádra. Při implozi se pomocí Munroe efektu (používá se mimo jiné v kumulativních náložích) promíchalo polonium-210 s berylliem a alfa částice z polonia reagovaly s atomy beryllia. Polonia může být málo - řádově jednotky miligramů. U iniciátoru Urchin bylo 11 miligramů polonia (50 curie), což znamená, že každou sekundu se uvolnilo (3,7 x 1010 ) x 50 = 1,85 x 1012 alfa částic. To vytvořilo neutron průměrně každých 5-10 nanosekund a ty iniciovaly plutoniové jádro při dosažení maximální hustoty. Neutronový iniciátor je kritická součástka, protože jeho funkce se musí zajistit ve správný čas. Pokud bude dříve, dojde k předčasné iniciaci (de-facto predetonaci), pokud to bude později, bomba může selhat úplně, protože se štěpný materiál rozpadne do podkritické konfigurace. Dalším iniciátorem byl Tom (Poprvé otestován v bombě v Operaci Ranger, testu Baker-1), ten byl menší (průměr 1 cm) a měl polonium-210 uložené v takových "pyramidách" či v takových "kuželech", což zajistilo lepší promíchání polonia s berylliem. Tento iniciátor používal méně polonia, nicméně počet neutronů na miligram polonia byl vyšší než u Urchina. Neutronový iniciátor je možné taky modifikovat tak, že se z konstrukce zcela vynechá centrální kulička a je v něm tedy taková dutina, tímto způsobem by bylo možné iniciátor zmenšit. Neutronové iniciátory se zahřívají, protože rozpad polonia v těchto iniciátorech produkuje rozpadové teplo. V případě iniciátoru Urchin to bylo teplo asi 0,1 Wattu. Možné je taky použít místo polonia-210 taky některé jiné alfa zářiče, např. některé izotopy americia a california. Pri použití izotopu s delším poločasem rozpadu lze udržovat neutronové iniciátory funkční po delší dobu. Je taky možnost iniciátoru na bázi reakce deuteria s tritiem, která vytvoří neutrony. Jednalo by se o malou kuličku se směsí těchto izotopů o vysokém tlaku (obsahovala by pár desetin gramu každého izotopu) umístěnou uprostřed jádra. V okamžik imploze by pomocí extrémních teplot a tlaků v centru jádra způsobených implozním systémem došlo k fúzi malého mnžství deuteria a tritia, která by vytvořila neutrony, které by iniciovaly štěpný materiál. Výhodou tohoto iniciátoru by byla jednoduchá konstrukce (byla by to jen dutá koule naplněná plynem) a taky větší poločas rozpadu tritia než má třeba polonium 210[16]. Během experimentů v roce 1977 se polským vědcům podařilo pomocí velmi symetrické nasměřované exploze výbušnin vytvořit 3 × 107 neutronů [37].

2.4.7 - Popis funkce implozní bomby znázorněné na animaci

Animace 1 - Implozní bomba [38] 

 

Bomba na obrázku je mnohabodově iniciovaná imploze (počet bodů iniciace nejspíše 32) s levitujícím jádrem. Tak byly řešeny bomby testované v Operaci Sandstone. Na obrázku je jasně vidět funkce pomalé trhaviny. V první okamžik se iniciují EBW detonátory, detonační vlna se šíří od detonátorů všemi směry stejnou rychlostí až do doby, kdy narazí na pomalou trhavinu, která ji převede do vhodného směru vzhledem k jádru. Pak detonační vlna přejde na centrální sféru z výkonné trhaviny. Pak se urychlí obal jádra (tamper) a při kolizi s jádrem ho více stlačí než by tomu bylo u nelevitujícího jádra. V poslední okamžik se aktivuje neutronový iniciátor, který je ve středu bomby. Ten vytvoří neutrony, které iniciují jádro ze štěpného materiálu přibližně v okamžik nejvyšší nadkritičnosti, bomba následně exploduje.

Animace 2 - Implozní systém jaderné bomby pod rentgenem - součást testování v Projektu Manhattan [39]

 

2.5 - Alternativní konstrukce jaderných bomb

Je více možností, jak dosáhnout superkritického stavu a jaderného výbuchu. Konstrukce jiné než GT a implozní bomby by mohly fungovat, nicméně převládají negativní vlastnosti. I v Projektu Manhattan byly různé návrhy na konstrukci jaderných bomb, které však nebyly realizované. Zde jsou na obrázku různé návrhy bomb z roku 1942, tedy 3 roky před prvním testem jaderné bomby:

Obrázek 22 - Návrhy bomb z roku 1942 [40]

 

Možné je třeba dát do množství štěpného materiálu, které je nadkritické, látku pohlcující neutrony (obvykle bor obohacený o bor 10). V okamžiku, kdy by tato látka pohlcující neutrony byla odstraněna, a bylo by to dostatečně rychle, bomba by explodovala. Další podobnou metodou je zakomponování látky pohlcující neutrony do dutin, které by tou látkou byly potaženy. Při stlačení implozí by došlo ke stlačení těchto bublin, došlo by ke změně geometrie součástí a bylo by dosaženo nadkritické konfigurace, bomba by následně vybuchla. Tyto designy jsou souhrnně nazývány autokatalytickými bombami. Někdy jsou právě autokatalytické bomby uváděny jako třetí design po GT a implozní bombě. Autokatalytickou měla být právě bomba Mk-2, která však nebyla realizována. Nevýhodou by bylo potřeba velké množství štěpného materiálu, bezpečnost by asi též nebyla dobrá.[40]

Další možností je "přistřelení" odražeče neutronů ke štěpnému materiálu. Toto by taky přeměnilo subkritické množství na superkritické a mohlo by dojít k jadernému výbuchu. Taky by mělo jít přistřelit k sobě několik subkritických množství, něco mezi GT bombou a implozní bombou.[40]

 2.6 - Modifikace jaderných bomb

 Dříve popsané základní typy je možné modifikovat, lze je tak učinit efektivnějšími, případně lze použít jiný štěpný materiál (např. pokud není k dispozici vhodnější). Některé modifikace se dostaly do praxe (posílení termonukleární fúzí), jiné se dostaly pouze do fáze experimentů (bomba s hydridem nebo deuteridem uranu, bomba z plutonia reaktorové kvality) nebo dokonce nebyly ani testovány.

2.6.1 - Bomba posílená termonukleární fúzí (Boosted bomb, fusion boosting)

Idea posílení štěpné jaderné bomby termonukleární fúzí byla vyvinuta v Los Alamos někdy mezi konci let 1947 a 1949. Prvním testem bomby posílené termonukleární fúzí byl test Item v operaci Greenhouse, který měl sílu 45,5 kilotuny (bez posílení by byla asi 20 kilotun). V dnešní době je většina jaderných bomb posílená termonukleární fúzí (alespoň u zemí s vyspělým jaderným programem, jako jsou USA). Stručně řečeno se napustí směs plynného deuteria a tritia do centra bomby. Ta se při dosažení ekvivalentu přibližně pár stovek tun TNT- uvádí se 300 tun - (což odpovídá rozštěpenému přibližně jednomu procentu štěpného materiálu) zapálí, vytvoří velké množství neutronů s vysokou energií, které pak štěpí uran či plutonium a sílu bomby několikanásobně zvýší (přibližně dvakrát až desetkrát). Spolu s ostatními vymoženostmi jako výkonnější trhaviny, lepší geometrie komponentů bomby, atd... lze bombu velmi minimalizovat... Tato směs plynů je v jádře uložena v měděné kapsli, aby bylo zabráněno difuzi těchto plynů do plutoniového jádra - testováno již v testu Item v Operaci Greenhouse[41]. Během skladování je umístěno plynné tritium a deuterium mimo celek jádra - v nějaké zásobní nádově. Problém způsobuje malý poločas rozpadu, proto se musí tritium po čase měnit. Taky je možné tyto plyny uchovávat ve formě kovového hydridu - třeba hydridu (resp. deuteridu a tritidu) uranu, kde pak bude vhodným podnětem dosaženo jeho rozkladu. Rozpad tritia způsobuje ještě jeden problém. Produkt rozpadu tritia - helium-3 - má velký účinný průřez a způsobuje pohlcování neutronů, což může mít negativní následky na funkci bomby. Je proto nutné tritium čistit od tohoto izotopu helia.

Možné je taky použít směs deuteridu a tritidu lithného, zde ale je problém kvůli krátkému poločasu rozpadu tritia. To se musí periodicky měnit a u pevné látky je to trochu problém. Plyn se může jednoduše vypustit a pak napustit nový. Další nevýhodou použití pevné látky je to, že nejde skladovat mimo celek jádra s odražečem neutronů a systémem výbušnin. Je to vlastně nemožnost zakomponování pojistného systému (viz. Kapitola 4). Další možností je použití směsi kryogenického deuteria a tritia, tam je ale nevýhoda v tom, že se musí chladit a chlazení tritia, které produkuje v jednom gramu 0,32 Wattu rozpadového tepla, je ještě komplikovanější. 

Při sloučení jednoho molu deuteria (2 gramy) a jednoho molu tritia (3 gramy) se vytvoří spolu s jedním molem helia (4 gramy) taky jeden mol (1 gram) neutronů, které mohou rozštěpit jeden mol plutonia či uranu. Při zásahu jádra z Pu či U těmito vysoce energetickými neutrony se uvolní mnohem více neutronů druhé generace (u plutonia-239 průměrně 4,6 molů neutronů druhé generace vs. 2,9 molu), tyto neutrony pak mohou štěpit 4,6 molu dalšího plutonia. V samotných prvních dvou generacích dojde teoreticky (bez ohledu na ztráty únikem a rozptylem neutronů) k rozštěpení 5,6 molů plutonia, což samo o sobě odpovídá energii ekvivalentní více než 23 kilotunám TNT. Samotná explozivní síla fúze je jen velmi malý podíl explozivní síly bomby - jen asi cca 1-2 %. V posílených bombách bývá použito typicky mezi 2 a 3 gramy tritia. Možné je posílit termonukleární fúzí oba dva typy bomby - GT bombu i implozní bombu. U GT bomby by však nebylo před iniciací štěpení deuterium s tritiem stlačeno, místo toho by však mohlo být využito kinetické energie projektilu. 

Dále je možné tzv. dvojité posílení termonukleární fúzí. To je u termonukleární bomby. Zde je zakomponováno posílení jak do primární části, tak i ve "Spark plugu" - viz Kapitola 3. Díky tomu může být bomba ještě silnější.

 Obrázek 23 - je zde průběh efektivity vyhoření a teploty iontů v plazmatu Ti v závislosti na teplotě štěpícího jádra ze štěpného materiálu Tb. Komprese směsi deuteria a tritia je ve všech případech stejná. Teploty jádra tu jsou 1,5 keV, 2,0 keV a 2,5 keV. Pro teplotu 1,5 keV jsou zobrazeny všechny 3 teploty plazmatu Ti , Te a Tr ,[42]

 

 2.6.2 - Moderovaná jaderná bomba, zvláště pak bomba s hydridem nebo deuteridem uranu

 Jednu z modifikací jaderné bomby je přidání moderátoru do štěpného materiálu. Moderátor může být jak individuálně, tak i ve sloučenině (např. hydrid uranu). Díky tomu je sníženo kritické množství. U tohoto typu bomby se jedná zvláště o bomby s hydridem uranu. Dvě tyto bomby byly testovány v Operaci Upshot-Knothole jako testy Ruth a Ray. První používal lehký vodík (ve formě hydridu uranu), druhý deuterium (ve formě deuteridu uranu). Testy byly poměrně hluboko pod předpovídanou silou a nakonec byly vyhodnoceny jako selhání. Problémem těchto bomb je to, že neutrony jsou vodíkem nebo deuteriem zpomaleny tak, že se bomba vlastní silou rozpadne (dostane do podkritické konfigurace a řetězová reakce se zastaví) dříve, než se rozštěpí dostatečné množství štěpného materiálu. Touto myšlenkou se zabývali už v Projektu Manhattan, pak byla opuštěna. Edward Teller se o ni zajímal nadále a prosadil bombu tohoto typu pro test - byly to již zmiňované testy Ruth a Ray v Operaci Upshot-Knothole. Bomby tohoto typu mají z principu dost omezenou sílu, je možné dosáhnout teoreticky cca jedné kilotuny (zmiňované testy Ruth a Ray měly každý 200 tun).[43, 44]

 2.6.3 - Bomba z plutonia reaktorové kvality

 Výroba jaderné bomby z plutonia reaktorové kvality - viz. tabulka 1 v první části - je předmětem debat. Můžeme však říct, že z jakékoliv kombinace izotopů plutonia je možné vyrobit jadernou bombu, byť síla se může dost lišit. Vzhledem k rychlostem sestavení GT a implozní bomby vyplývá, že pro plutonium reaktorové kvality se hodí pouze bomba implozní. Plutonium z reaktorů obsahuje hodně plutonia-240 a ostatních izotopů s vysokou mírou spontánního štěpení. Hodnota spontánního štěpení v bombě je tak vysoká, že se bomba s velmi vysokou pravděpodobností iniciuje brzo po dosažení jednoho kritického množství - de fakto se jedná o predetonaci. Pravděpodobnosti různé síly výbuchu jsou v následujících  tabulkách. Je zde počítáno s bombou testovanou v testu Trinity a s bombou s dvakrát vyšší rychlostí sestavení.

Tabulka 16 - Pravděpodobnosti různé síly výbuchu u plutonia různé kvality u bomby testované v testu Trinity [7]

20 kilotun Nad 5 kilotun Nad 1 kilotunu Pod 1 kilotunu
Kvalita Plutonia jako v testu Trinity 88% 94% 98% 2%
10x větší zdroj neutronů 28% 54% 82% 18%
20x větší zdroj neutronů 8% 29% 67% 33%
30x větší zdroj neutronů 2% 16% 55% 45%
40x větší zdroj neutronů 0,6% 8% 45% 55%

 

Tabulka 17 - Pravděpodobnosti různé síly výbuchu u plutonia různé kvality u bomby s dvakrát rychlejším sestavením než u testu Trinity [7]

20 kilotun Nad 5 kilotun Nad 1 kilotunu Pod 1 kilotunu
Kvalita Plutonia jako v testu Trinity 94% 97% 99% 1%
10x větší zdroj neutronů 54% 74% 90% 10%
20x větší zdroj neutronů 28% 54% 82% 18%
30x větší zdroj neutronů 16% 40% 74% 26%
40x větší zdroj neutronů 8% 30% 67% 33%

Pokud počítáme v plutoniovém jádru bomby z testu Trinity 99 % Pu-239 a 1 % Pu-240, vychází nám v 6,19 kg plutonia 61,9 gramů plutonia 240, zbytek je plutonium 239. U plutonia reaktorové kvality je to 1,3 % plutonia 238, 60,3 % plutonia 239, 24,3 % plutonia 240, 9,1 % plutonia 241 a 5 % plutonia 242. Pokud počítáme hodnoty neutronů ze spontánního štěpení podle tohoto zdroje[7], vyjde nám poměr hodnot neutronů ze spontánního štěpení v 6,19 kg plutonia z testu Trinity a stejného množství plutonia reaktorové kvality 1:37,3. Z této hodnoty je zřejmé, že bomba se stejnou rychlostí sestavení jako bomba v testu Trinity, by měla pravděpodobnost síly nad 1 kilotunu přibližně stejnou jako pravděpodobnost síly pod jednu kilotunu TNT. U dvojnásobné rychlosti sestavení by byla cca třetinová šance síly nad 5 kilotun proti méně než třetinové šanci síly pod jednu kilotunu. U těchto bomb by byla však 1 % respektive 10 % šance na výbuch síly 20 kilotun. Z toho plyne, že bomba z plutonia reaktorové kvality by mohla mít rozhodně nezanedbatelnou sílu. Technickým problémem by však mohlo být teplo uvolněné rozpadem některých izotopů, které je zvláště u plutonia-238 a 241 vysoké. Ostatně plutonium-238 se používá v radioizotopových termoelektrických generátorech v kosmických lodích. Zatímco u plutonia zbraňové kvality jeden kilogram plutonia uvolňuje 2,4 W rozpadového tepla, u plutonia reaktorové kvality je to 14,5 W ze stejného množství[16]. Uvažované plutonium je extrahováno z nízkoobohaceného uranu, který má stupeň vyhoření 33 MWd/kg, jednalo se o plutonium, které bylo v tlakovodním reaktoru a po vyjmutí skladováno po dobu 10 let, jedná se o pravděpodobně podobný reaktor jako je u elektráren Temelín a Dukovany[7].

Obrázek 24 - Rozžhavená peletka oxidu plutoničitého, kde je plutonium-238 [45]

Hypotetickou konstrukcí implozní bomby bez neutronového iniciátoru je bomba vyrobená z plutonia reaktorové kvality, které se iniciuje od spontánního štěpení. Výhodou bomby z plutonia reaktorové kvality je to, že bomba nepotřebuje neutronový iniciátor, což konstrukci bomby dělá snazší, jelikož neutronový iniciátor je kritická součástka, díky které může bomba snadno selhat. Tedy iniciace bude od spontánního štěpení. Bomba takové konstrukce by byla jednoduchá na výrobu, ovšem by byla nejistá síla výbuchu, což by bombu dělalo strategicky prakticky nepoužitelnou.

 Je však jistá pravděpodobnost, byť mizivá, že obyčejná bomba z plutonia z elektrárenských reaktorů, která by neměla neutronový iniciátor, by mohla mít sílu srovnatelnou s bombou z testu Tritity nebo bombou Little Boy svrženou na Hirošimu.

Zvýšit sílu je možné i u těchto bomb z plutonia reaktorové kvality pomocí posílení termonukleární fúzí. Je však potřeba dosáhnout ekvivalentu cca několika stovek tun TNT, aby byly vytvořeny podmínky pro její zapálení. Lze tak udělat ze síly bomby v řádech stovek tun mnohonásobně vyšší sílu.

 2.6.4 - Bomba s dvourozměrnou implozí

 Zatímco u standardní implozní bomby je jádro ve formě koule či duté koule, je taky možné udělat jádro ve formě dutého válce. Komprese tak bude pouze dvourozměrná. Hypoteticky je možné udělat kompresi taky jednorozměrnou. V případě jádra ve formě dutého válce je jádro stlačeno do formy tyče, ve které může být směs deuteria a tritia pro posílení termonukleární fúzí. Dvourozměrná imploze byla použita u testu George v Operaci Greenhouse. K formování detonační vlny pro ideální implozi je možné použít modifikované techniky ze standardních jaderných bomb. Lze tak udělat pomocí systému kovového plátu, anebo mnoha detonátorů a vrstvy pomalé trhaviny. Taková 2D komprese se taky koná v Termonukleární bombě - viz Kapitola 3.

2.6.5 - Bomba používající hybridní techniky (GT bomba/imploze)

Jak bylo již naznačeno v části věnující se GT bombě, je možné zkombinovat techniku GT a implozní bomby. Toto může být vyřešeno tak, že podkritické kusy štěpného materiálu mohou být proti sobě vystřeleny a cílová oblast, kde by se setkaly, bude obalená trhavinou. V okamžik střetu (kdy už může být nadkritické množství), se odpálí výbušnina, která tento složený štěpný materiál stlačí (stlačení bude dvourozměrné). Tímto se dosáhne ještě vyšší nadkritičnosti. Pak dojde k iniciaci pomocí generátoru neutronů nebo neutronového iniciátoru a bomba exploduje. Štěpný materiál použitý u této techniky musí splňovat parametry vhodné pro GT bombu - tedy musí mít nízkou míru spontánního štěpení - není tedy použitelné plutonium s jaderných reaktorů. Použití této techniky je znázorněno na následujícím obrázku:

Obrázek 25 - Jaderná bomba používající hybridní techniku (GT/imploze)

2.6.6 - Bikónická jaderná bomba

Tento typ bomby byl navržen polským vědcem Sylwestrem Kaliskim ve článku "Bistozkowa, profilowana kompresja wybuchowa materii" - v překladu "Bikónicky profilovaná explozí indukovaná komprese hmoty". Tento typ by měl být schopný štěpný materiál (konkrétně U-235) stlačit pětinásobně až sedminásobě, což sníží kritické množství o více než dva řády. Dosahované tlaky by měly být přes 240 megabarů, tedy více než třicetinásobek tlaku u bomby Fat Man. Vlastní bomba by se zjednodušeně řečeno skládala z malé kuličky obohaceného uranu nebo plutonia o hmotnosti v řádech desítek až nízkých stovek gramů. Která by byla mezi dvěma kužely z uranu-238, za kterými by byly výbušiny. Byly by to vlastně dvě proti sobě namířené kumulativní nálože s uranovou vložkou, mezi kterými by byla právě ta kulička ze štěpného materiálu. Bomba by měla být velmi efektivní, dosažitelné síly by mohly být 1 až 2 kilotuny. Je to pouze hypotetická konstrukce, pravděpodobně nikdy nebyla úspěšně otestována. Jisté však je, že k dosažení těchto tlaků by i v případě fungování tohoto systému bylo potřeba značné množství silných trhavin.[46, 47, 48]

 

 

Další kapitola