ZPĚT

 

Kapitola 3 - Design termonukleární bomby

 

3.1 - Základní informace o termonukleární bombě

 Termonukleární bomby mají o několik řádů vyšší sílu než bomby štěpné. Zatímco síla štěpné bomby bývá obvykle v řádech desítek kilotun, ne více však než megatuna, byly už zkonstuovány a odpáleny termonukleární bomby o síle desítek megatun a limit je v podstatě neomezený.

Termonukleární fúze se používá u více typů bomb. Jsou to termonukleární fúzí posílená štěpná bomba, bomba typu Slojka/Alarm clock a Teller-Ulamova koncepce. Čistě fúzní bomba pravděpodobně neexistuje. Termonukleární fúzí posílená bomba a bomba typu Slojka/Alarm clock jsou vlastně takové hybridní konstrukce. "Skutečnou" termonukleární bombou se označuje pouze Teller-Ulamova koncepce. Teller-Ulamovu koncepci používají vyspělé země obvykle u bomb se sílou 50 kilotun a vyšší. 

Designování termonukleární bomby (Teller-Ulamovy koncepce) je mnohem složitější. Zatímco konstrukce obyčejné štěpné bomby se řídí (relativně) jednoduchými pravidly, u termonukleární bomby jsou pravidla mnohem složitější a výpočty při konstrukci jsou mnohem náročnější. Vlastní výbuch termonukleární bomby je souhra mnoha faktorů, a pokud dojde k porušení některých z nich, dojde ke slabšímu výbuchu nebo dokonce selhání. Ohromná síla těchto bomb je tedy vykoupena velkou náročností, i vzhledem k tomu jsou země, které vlastní jaderné bomby či bomby termonukleární fúzí posílené, zatímco bombu používající Teller-Ulamovu koncepci nemají.

3.2 - Před "Classical Super"

 Myšlenky na sestrojení termonukleární bomby byly už před prvním testem obyčejné štěpné bomby - Trinity. Někdy v létě roku 1942 se skupina vědců, ve které byli např. Edward Teller, Hans Bethe, Robert Oppenheimer, Robert Serber, Emil Konopinski a další, myšlenkou slučování deuteria. Pokud by toto byla soběstačná reakce a šla by "zapálit", bylo by možné vytvořit prakticky neomezeně silné bomby velmi levně. Deuterium je mnohem snadněji získatelné než obohacený uran či plutonium. Tato idea vypadala nadějně, ale pak se zjistilo, že při dosažitelných podmínkách by toto prakticky nebylo možné. Emil Konopinski pak navrhl, že teplota zápalu může být značně snížena přidáním tritia, tento fakt pak měl velký dopad do budoucnosti. [16, 49]

Bylo potřeba však vyřešit tři hlavní problémy - "zapálit" palivo, zajistit, aby se "hoření" svépomocně šířilo a taky dosáhnout, aby celkové množství uvolněné energie překonalo celkové množství dodané energie. Tyto tři problémy se souhrně nazývají problém se zapálením (tzv. ignition problem). [16]

3.3 - Super/Classical Super

 Další design se nazýval "Super, později Classical Super", šlo o to, že jaderná bomba zapálí menší množství deuteria s tritiem (nejsnáze zapalitelná termonukleární reakce), což vyvolá v deuteriu jakousi vlnu termonukleárního hoření, která se v něm bude svépomocně šířit. Vylepšení spočívalo právě v zakomponování tritia, reakce deuteria s tritiem má zápalnou teplotu o řád nižší než reakce deuteria s deuteriem. V praxi se počítalo s použitím GT bomby na bázi obohaceného uranu, která by zapálila směs deuteria a tritia v kapsli v oxidu berylnatého, od které by se šířilo spalování ve válci z deuteria. Předpokládaná hmotnost takové bomby byla asi 10 tun. Měl být použit cca metr krychlový deuteria, z čehož by mělo jít získat sílu asi 10 megatun. Ze začátku vědci počítali, že k zapálení bude potřeba relativně malé množství tritia (nízké stovky gramů), pozdějšími výpočty bylo však zjištěno, že by bylo potřeba mnohem větší množství tritia (v poměru 1 : 1 s deuteriem), jednalo by se řádově o kilogramy.[16, 50]

Dalším problémem, který však nebyl uspokojivě vyřešen, bylo zajistit, aby se hoření v deuteriu svépomocně šířilo. Nejvíce energie z termonukleární reakce se uvolní ve formě neutronů. Většina energie neutronů z fúze je rozptýlená v širokém okolí, ne tam, kde je potřeba - ve fúzním palivu - , což by byl problém pro šíření spalování do okolí. Kromě toho byla problémem ztráta energie přes různé další procesy. Tímto designem se zabývali do roku 1950, kdy se ukázalo, že by bylo potřeba velmi velké množství tritia a efektivita by byla velmi nízká. Součástky tohoto designu byly testovány v testu George v Operaci Greenhouse.[16]

Problém tohoto designu demonstroval George Gamow na dřevě a vatě. Vzal kus vaty, kterou namočil do paliva do zapalovačů. Tento kus vaty představoval štěpnou bombu. Tuto kuličku vaty dal poblíž kusu dřeva, který představoval fúzní palivo. Kuličku zapálil. Tato kulička rychle shořela a dřevo zůstalo v podstatě netknuté. Gamow pak prohlásil: "That is where we are just now in development of the hydrogen bomb" - "Právě tady se nacházíme ve vývoji vodíkové bomby".[51]

Obrázek 26 - Schéma nefunkčního designu Super/Classical Super (Autor)

1 - Primární jaderná bomba - zamýšlena byla GT bomba

2 - Bariéra pro zadržení radiace mimo fúzní palivo - měl být použit ochuzený uran

3 - Směs deuteria a tritia, která má nižší teplotu zápalu fúzní reakce než čisté deuterium

4 - Vlastní deuterium - zamýšlené fúzní palivo

 

3.4 - Design Slojka/Alarm clock

 Tento design fungoval na principu obalení jádra štěpné bomby vrstvami fúzního paliva střídajícími se s uranem (důležitost uranu vysvětlím dále). Jedná se o bombu jednostupňovou. Jde o jakýsi hybrid mezi štěpnými a skutečnými termonukleárními bombami.

U této bomby dojde ke stlačení fúzního paliva přibližně na sedmi až šestnáctinásobek původní hustoty a zahřání na téměř stejnou teplotu, jako má jádro bomby ze štěpného materiálu. Pro tyto podmínky je však realizovatelná pouze reakce deuteria a tritia, které je komplikované vyrobit a skladovat. Proto bylo důležité použití deuteridu lithného s lithiem-6. Z tohoto lithia-6 se vyrobilo pomocí neutronů z primární bomby přímo v bombě tritium, které se tak mohlo slučovat s deuteriem. Dále bylo možné přidat do bomby pro snazší zapálení reakce a vyšší sílu taky samotné tritium, případně ve formě tritidu lithného (ovšem vzhledem k drahé výrobě není moc reálné ho tam dát velké množství). K porovnání - bomba tohoto typu měla s přídavkem tritia sílu 400 kilotun, bez přídavku tritia jen 215 kilotun. [16]

Ionizované fúzní palivo o normální hustotě (z prvků s nízkým protonovým číslem) je propustné pro záření z bomby, a které by snadno uniklo ze systému. Proto důležitou věcí bylo právě zakomponování uranu (tamperu), který má vysoké protonové číslo a je nepropustný pro záření, a díky kterému se využila energie z primární bomby. Konkrétně pomohl zajistit vysoké teploty ve fúzním palivu a taky díky vysoké hustotě oddalovat expanzi jádra. Tento uran přispěl velkou mírou k síle bomby, protože se štěpil od neutronů z fúze, které měly vysokou energii. [16]

Na tuto ideu přišli ve více zemích - Edward Teller v USA (který ji pojmenoval "Alarm Clock" (budík)), Andrej Sacharov a Vitalij Ginzburg v SSSR (pojmenovaná "Slojka" /ruský koláč s více vrstvami/) a nakonec ve Spojeném království (vynálezce neznámý). Tato idea byla testovaná v testu RDS-6s, který měl sílu 400 kilotun (primární bomba měla sílu cca 40 kilotun, tedy síla byla zvýšena desetkrát). Síla je omezená, z praktického hlediska je možné dosáhnout asi jedné megatuny. Dnes pravděpodobně žádné tyto bomby nejsou ve výzbroji. [16]

 Obrázek 27 - Přibližné schéma bomby typu Slojka (Autor)

1 - Jádro ze štěpného materiálu (u RDS-6s byl použit obohacený uran)

2 - Fúzní palivo (deuterid lithný obohacený o lithium-6), případně je ještě přídavek tritia

3 - Ochuzený nebo přírodní uran

4 - Implozní systém

 

3.5 - Teller-Ulamova koncepce

3.5.1 - Principy Teller-Ulamovy koncepce

Člověkem, který svými výpočty "pohřbil" "Classical Super", byl Stanislaw Ulam. Později se Stanislaw Ulam zabýval použitím menší jaderné bomby, která by stlačila mnohem větší množství štěpného materiálu. Šlo by tak dosáhnout mnohem větších hustot než při použití konvenčních výbušnin. Klíčovou myšlenou bylo to, že by se jednalo vlastně o dva stupně - první by byla ta štěpná bomba, která by byla zdrojem energie pro stlačení druhého stupně, druhý stupeň by byl ten štěpný materiál, který by byl uložen vedle ní. Velmi rychle přišel s tím, že toto by šlo realizovat i v deuteriu. Ulam počítal s vytvořením potřebného tlaku pomocí nasměrování rázových vln na sekundární část, což by však z praktického hlediska bylo velmi složité.  

Edward Teller přišel s lepší myšlenkou, byl dobře obeznámen s tím, že při jaderném výbuchu se většina energie uvolní ve formě záření x (X-Rays), proto chtěl toto záření využít. Vyvinul něco, čemu se dnes říká radiační imploze. Záření z primární bomby jde přes tzv. radiační kanál mezi fúzním palivem (které je obaleno látkou nepropustnou pro toto záření /U-238 či Pb/) a obalem bomby též z látky tohoto typu. Toto záření se pohybuje rychlostí světla, čili přibližně třicetkrát rychleji než různé částice či fragmenty z primární části. Vnitřní část obalu bomby (tato část se v anglicky psané literatuře taky nazývá Hohlraum - německy dutina) je zářením x z primární bomby ohřáta na velmi vysokou teplotu a přemění se na plazma. Toto plazma "vypustí"  sekundární záření o nižší energii - čili vyšší vlnové délce - na obal sekundární části (či jinak nazvaný stlačovač) z látky nepropustné pro toto záření (U-238 či Pb, ale další jsou taky možné). To způsobí ablaci stlačovače a ten jako raketový motor působí na fúzní palivo. Toto palivo imploduje s obrovskou rychlostí (stovky kilometrů za sekundu) a tak dojde k mnohonásobně vyššímu stlačení než by bylo realizovatelné pomocí konvenčních výbušnin.

Propustnost pro toto záření je závislá na protonovém čísle daného prvku. Např. pro ochuzený uran je propustnost nízká, pro prvky s nízkým protonovým číslem je vysoká. Radiační kanál je vyplněn látkou, která je pro toto záření velmi propustná, jako je nějaký uhlovodík (C=6, H=1). Například je pravděpodobně používaný polystyren. Obal bomby je vyroben právě z látky, která je pro toto záření špatně propustná, stejně tak stlačovač.

Problémem bylo toto stlačené palivo zapálit. Bylo uvažováno nad zapálením od adiabaticného stlačení tak, jako je to u dieselového motoru. Dosažení dostatečně vysoké teploty pomocí tohoto by nebylo i při vysokých tlacích dost dobře možné.

Tellera napadlo umístit do středu fúzního paliva subkritické množství štěpného materiálu (U-235 či Pu-239). Tato část je anglicky nazývaná Spark plug, což znamená něco jako zapalovací svíčka u zážehového spalovacího motoru. Toto subkritické množství by se pomocí obrovské komprese dostalo do velmi vysoké nadkritičnosti, což by vyústilo ve velmi rychlou štěpnou reakci. Toto zahřeje značně stlačené fúzní palivo a dosáhne se tak podmínek pro termonukleární fúzi. Toto subkritické množství se pak neutrony z fúze rozštěpí (či jeho podstatná část) a relativně významně přispěje k celkové síle výbuchu. Tento způsob zápalu se nazývá Tellerův způsob (Teller mode). Další možností je použití fúzního paliva ve středu sekundární části, které se nasměřováním rázových vln do středu dostane do podmínek pro zapálení termonukleární fúze a začne zahřívat velmi stlačené fúzní palivo. Použito může být deuterium, či jeho směs s tritiem. Směs s tritiem je výhodnější kvůli nižší teplotě zápalu. Tento způsob zapálení se nazývá Wheelerův způsob (pojmenován po Johnu Wheelerovi) anebo taky způsob Horkého bodu - Hot Spot ignition. Toto je pravděpodobně pojmenování na základě faktu, že rázové vlny jsou zkoncentrovány na střed sekundární části, kde vznikne malá oblast o vysoké teplotě. Tento způsob horkého bodu se uplatňuje i u experimentů s inerciálním uderžením termonukleární fúze. Tellerův způsob umožňuje dosáhnout poměrně vysoké efektivity fúze i při nižší kompresi. Wheelerův způsob potřebuje k iniciaci reakce vyšší kompresi. Efektivita těchto dvou způsobů při různém stupni stlačení je patrná v následujících obrázcích. Je zde použita jako příklad bomba Ivy Mike.[42, 52]

 Obrázek 28 - Průběh efektivity vyhoření a teploty iontů v plazmatu Ti v závislosti na stupni stlačení deuteria pro bombu Ivy Mike. Jsou zde zobrazeny dva způsoby - Tellerův a Wheelerův. Pro stlačení na dvěstěnásobek hustoty jsou zobrazeny všechny 3 teploty plazmatu Ti, Te a Tr - teplota Ti s hvězdičkou je v případě zanedbání inverzního Comptonova jevu [42] 

 

 

Z obrázku je jasně patrné, že při nízké kompresi je spalování pomocí Wheelerova způsobu nedostatečné, při stonásobku stlačení je efektivita vyhoření téměř nulová, nicméně při vysokých hodnotách komprese je efektivita těchto způsobů srovnatelná. Proto je pravděpodobné, že moderní termonukleární hlavice s vysokým stupněm stlačení mohou používat Wheelerův způsob.

 Tyto myšlenky dohromady položily základ pro Teller-Ulamovu koncepci. V dnešní době se Teller-Ulamova koncepce obvykle používá u bomb od síly cca 50 kilotun. 

Mezi primární a sekundární částí je "štít" obvykle z U-238. Jeho úkolem je umožnění radiační imploze a zamezení "předehřívání" fúzního paliva, což by mohlo vést k selhání. Tento štít obsahuje látku pohlcující neutrony - obvykle bor-10. Bor-10 má tu vlastnost, že má velký účinný průřez pro záchyt pomalých neutronů, které štěpí U-235 a Pu-239, ale má malý účinný průřez pro neutrony, které štěpí U-238, což lze v bombě využít. Bor-10 může být taky na povrchu sekundární části, kde brání předčasné iniciaci štěpného materiálu v sekundární části - Spark plugu, zatímco moc neovlivní štěpení stlačovače neutrony z fúze.

Mezi primární a sekundární částí je dále tzv. mezistupeň. O tomto mezistupni je málo zveřejněných informací. Tento mezistupeň má tu funkci, že pohltí záření-x a vyzáří zpět směrem k sekundární části záření o vhodnější vlnové délce. Toto vyzařování bude trvat delší dobu a zajistí, že ablace stlačovače a tím pádem komprese sekundární části bude ideální. Tento mezistupeň pravděpodobně obsahuje beryllium pro moderování toku neutronů z primární části, případně obsahuje beryllium ve formě oxidu berylnatého. Pravděpodobně obsahuje taky látku kódově označovanou FOGBANK. Mělo by se jednat o jednu z forem aerogelů. Tento mezistupeň je spolu se sekundární částí obalen membránou z nerezové oceli, přičemž tyto dvě části tvoří subsestavu.[53]

První termonukleární bombou používající Teller-Ulamovu koncepci byla bomba Ivy Mike . Detaily jsem popsal v článku věnovaném jí. Tato bomba používala kapalné deuterium, které se však později ukázalo jako nevhodné. Lithium sehrálo důležitou roli v testu Castle Bravo, což je popsáno v článku věnujícím se tomuto testu. První použití tohoto deuteridu lithného, tzv. "suchého paliva", bylo v ruském testu RDS-6s, což byl jiný typ termonukleární bomby (Slojka), který se však ukázal jako slepá ulička. Pro Sověty však v době intenzivního jaderného zbrojení bylo podstatné to, že takové bomby mohly být snadno přepravovány letadly a případně svrženy na cíl.

Teorie ablace stlačovače je však jen jedna z teorií o mechanismu komprese sekundární části. Další dvě teorie jsou teorie radiačního tlaku a plazmatu vytvořeného z plastu vyplňujícího radiační kanál. Z těchto teorií se však nejvíce kloní vědci k teorii ablace stlačovače, kterou jsem tu zmínil. Pomocí ostatních metod jsou dosahované tlaky nižší, a to o jeden řád u teorie plazmatu z látky vyplňující radiační kanál a o dva řády u teorie stlačení radiačním tlakem. Rozebral jsem tu pouze tu jednu - nejpravděpodobnější. Vypočítaný dosažitelný tlak při jednotlivých mechanismech u zařízení Sausage z testu Ivy Mike a u hlavice W80 je v následující tabulce. Časování jednotlivých reakcí je pak v další tabulce.

Tabulka 18 - Dosahované tlaky u různých mechanismů imploze sekundární části u termonukleární bomby (tlaky jsou v Terapascalech (TPa))[16]

Mechanismus Tlak (Ivy Mike) Tlak (W80)
Radiační tlak 7,3 140
Tlak plasmatu 35 750
Tlak ablace stlačovače/tamperu 530 6400

 

Tabulka 19 - Časování jednotlivých reakcí v termonukleární bombě (časování je až od přechodu záření z primární části na stěny obalu primární a sekundární části) [42]

Reakce čas (ns)
Příchod záření-X 1
Příchod neutronů 20
Příchod rázové vlny 1000
Zahřívání vnitřku bomby 10
Ablativní komprese 100-500
Štěpení "Spark plugu" 10-30
Termonukleární hoření 3-20
Expanze fúzního paliva 3-20

Z této tabulky je názorně vidět rychlost záření v porovnání s rychlostí neutronů. Záření dojde na stěny obalu mnohem dříve než neutrony. Dále je tu vidět rychlost štěpení spark plugu, která je cca desetkrát rychlejší než štěpení jádra u štěpné bomby (doba štěpení jádra je 150-300 nanosekund). Vlastní termonukleární hoření pak trvá velmi krátkou dobu - až stokrát kratší oproti době trvání štěpné reakce. [42]

U termonukleárních bomb se vyskytují jevy, které mají škodlivé účinky na vlastní termonukleární reakci. Jevy, které mají za následek ochlazení plasmatu, anebo snížení hustoty, jsou nežádoucí. Mezi tyto jevy se řadí hydrodynamická expanze, která způsobuje oboje. Dále jsou tu další jevy způsobující ochlazení. Jedná se mimo jiné o vedení tepla. Tento proces se zesiluje při vysokých energiích částic v důsledku tepelné vodivosti elektronového plynu, takže tento plyn nesmí být příliš horký. Dalším z těchto ochlazujících jevů je brzdné záření - bremsstrahlung. Jedná se o ztrátu energie elektronu způsobenou jeho interakcí s Coulombickým energetickým polem jádra. Z části energie pak vznikne elektromagnetické záření o širokém spektru vlnových délek. Tento jev je též intenzivnější při vyšší teplotě elektronového plynu. Dalším problémem je inverzní Comptonův jev. Zde v případě kolize elektronu a fotonu dojde k přenosu energie z jedné částice na druhou. Elektrony ztratí energii a intenzita radiačního pole stoupne. Pokud elektrony mají vyšší průměrnou energii, energie elektronového plynu klesne a dojde k vyrovnání "teplot" radiačního pole a elektronového plynu.[54]

 3.5.2 - Popis funkce Teller-Ulamovy koncepce na schématu

 Funkci termonukleární bomby popíšu na obrázku, kde je patrné, jak fungují jednotlivé části bomby.

 

Obrázek 29 - Termonukleární bomby, pouze hrubé nákresy (Autor)

Obrázek jsem rozdělil na 2 podobrázky, abych mohl detailněji popsat dva typy Teller-Ulamovy koncepce. První je (na podobrázku 1) typ používající válcovou sekundární část. Byly tak řešeny spíše starší bomby včetně úplně první - Ivy Mike. Na podobrázku 2 je znázorněn novější typ - se sférickou sekundární částí (hlavice W88). U tohoho je možnost dosažení většího stlačení, což má za následek vyšší sílu. Tak jsou konstruovány pravděpodobně všechny moderní americké jaderné zbraně. 

 Podobrázek 1

1) Primární bomba - je to jaderná bomba, která slouží k nastavení podmínek pro efektivní stlačení sekundární části. Aby mohla být jaderná bomba použita jako primární část pro termonukleární bombu, musí být upravena. Je potřeba vyřadit z konstrukce materiály s vysokým protonovým číslem, které jsou špatně propustné pro toto záření a bránily by v přenosu energie uložené v záření na sekundární část. V raných jaderných bombách je použit mnohabodově iniciovaný systém výbušnin, kde je potřeba použít spolu s rychlou trhavinou i trhavinu pomalou, jak jsem popsal v Kapitole 2. Síla většiny primárních bomb v současných amerických termonukleárních bombách se pohybuje mezi 20 a 60 kilotunami.

První používanou pomalou trhavinou byl Baratol - směs dusičnanu barnatého a trinitrotoluenu s přidaným 1 % vosku. Baryum má protonové číslo 56, potřebujeme však v systému výbušnin prvky s protonovým číslem nejvýše 28. Je proto nutné nahradit dusičnan barnatý sloučeninou obsahující prvky s protonovým číslem nejvýše 28. Nahrazen byl proto Boracitolem - Směs kyseliny borité a TNT v poměru 60:40. Bor má protonové číslo pouze 5, je tedy velmi dobře propustný pro toto záření. Mělo by být taky možné použít směs výkonné trhaviny s plastovými si skleněnými mikrosférami.

Další problematickou součástí je obal jádra - čili tamper. Ten je obvykle z uranu-238, který je pro toto záření velmi špatně propustný. Toto se řeší pomocí posílení termonukleární fúzí. Bomba posílená termonukleární fúzí nepotřebuje tento obal jádra, který by držel štěpný materiál co nejdéle u sebe. Reakce je velmi razantní. Takže lze tento obal buďto vypustit, anebo nechat ho tam. Pokud se tam nechá, neutrony s vysokou energií z termonukleární fúze ho rozštěpí, což zvýší sílu bomby a obal jádra nebude bránit průchodu záření na sekundární část.

 2) Pod číslem dva je radiační kanál. Právě radiačním kanálem proudí záření z primární části do sekundární. Je vyplněn nějakým plastem obsahujícím prvky s co nejnižší atomovou hmotností, ideálně uhlík a vodík. Bývá to obvykle polystyren. Ale taky molitan může být použit.

 3) Toto je obal funkčních částí bomby, je to vlastně podpůrná sktruktura, která drží komponenty pohromadě. Bývá vyrobený např. z hliníku či jeho slitin. Je potřeba, aby byl pevný a zároveň lehký.

 4) Obal, ve kterém je primární se sekundární částí a radiační kanál, vyrobený z látky nepropustné pro záření z primární části, je velmi důležitou součástí. Přenese energii z primární části na stlačovač v sekundární. Bývá vyrobený z ochuzeného uranu či olova. Jeho tloušťka bývá v centimetrech. U hlavice W80 má tloušťku maximálně dva centimetry, když přihlédneme k tomu, jakou má ta hlavice hmotnost.  Vnitřní povrch této dutiny bývá potažen tenkou vrstvou mědi ned třeba zlata - tloušťka může být čtvrt milimetru. Měď má výborné reflektivní vlastnosti, díky čemuž je zvýšeno celkové albedo této dutiny - velké množství záření z primární části je odraženo na stlačovač sekundární části. 

 5) Je to štít, který brání předehřívání paliva. Pokud by tam nebyl, palivo by bylo zahřáto radiací předčasně, kvůli tomu by nemohlo být dostatečně stlačeno a síla by byla velmi nízká. Tento štít je vyrobený z látky špatně propustné pro toto záření - obvykle tedy U-238 či olovo. Je zde však ještě jeden problém - zahřívání paliva neutronovým tokem. Malé množství neutronů může proniknout do paliva a předehřívat ho, navíc může narušit symetrii imploze, což může být ještě vážnější problém. Řešením proti předehřívání paliva je použít látku pohlcující neutrony, což bývá bor-10. Je pravděpodobné, že zde byl použit ve formě karbidu boru. K předehřívání jsou náchylnější bomby se sférickou sekundární částí, protože mají větší povrch. Testem, který selhal kvůli předehřívání neutrony, byl jeden test v operaci Castle - Koon. Ten používal sekundární část ve tvaru koule a látka obsahující bor-10 nebyla do konstrukce zakomponována. V případě bomb s terciální, případně kvartální částí bývá takový štít u každé části.

 6) Toto je stlačovač (či taky zvaný tamper), který se důsledkem záření dostane do extrémně rychlé ablace a imploduje dovnitř. Podle materiálu v něm použitého se určuje, zda je bomba "čistá" či "špinavá", tedy, jaké produkty se uvolní. Čisté a špinavé termonukleární bomby jsou něco jiného než o tzv. špinavé bomby (RDD - Radiological dispersal device), což je pouze něco, co rozmetá radioaktivní materiál po okolí pomocí konvenční výbušniny. Poměr hmotnost stlačovače : hmotnost fúzního paliva bývá obvykle kolem 10:1. Zhruba 75 % stlačovače důsledkem imploze podlehne ablaci.

Zde na stlačovači se projeví Rayleigh-Taylorova nestabilita. A to ve dvou případech. V prvním případě materiál, který podlehl už ablaci, se chová jako kapalina s nižší hustotou, zatímco materiál, který jí ještě nepodlehl, má hustotu vyšší, proto má tendenci materiál z vnějšku vnikat dovnitř. V druhém případě se RT nestabilita projeví při deceleraci tamperu. Ten se bude zpomalován "horkým bodem" o nižší hustotě a vysoké teplotě vytvořeným štěpícím se centrálním štěpným materiálem zažehujícím vnitřní vrstvu fúzního paliva. Pak může dojít důsledkem RT nestability k promíchání této vnitřní části (horkého bodu) a zbytku relativně chladného fúzního paliva, což zabrání jeho zapálení. Tato nestabilita může být redukována použitím tlustší vrstvy fúzního paliva. Nicméně pokud je přijato řešení tlustší vrstvy fúzního paliva v bombě, má to za následek zpomalení neutronů, které pak negativně ovlivní sílu exploze sekundární části. [55, 56]

Kompresi a RT nestabilitu je možné vidět na obrázku z experimentu inerciálního udržení, kdy ablace bylo dosaženo pomocí laseru. V cíli byly obrobeny nepravidelnosti, čehož následkem byla silnější RT nestabilita.

Obrázek 30 - Komprese a růst RT nestability u experimentu s ICF[57]

 

 

 

"čisté" bomby bývají označovány MRR (minimum residual radiation). Okolí po takové bombě zůstane málo zamořené nebezpečnými radioaktivními izotopy. Takové čisté bomby mají vysoký podíl fúze (i 97 %, jak bylo u slavné bomby "Car"). Pro stlačovače je potřebné vybrat prvek, který má co nejvyšší atomové číslo, ale zároveň se z něj neuvolní nebezpečné radioaktivní produkty. Bývá použito olovo Z=82, či slitina olova a bismutu. Tato slitina má lepší mechanické vlastnosti než olovo a zároveň bismut s protonovým číslem Z=83 dělá stlačovač ještě více nepropustný pro záření.

"špinavé" stlačovače, které jsou štěpitelné, bývají často používány. Izotopy pro tyto stlačovače nejsou štěpné jako např. U-235, ale štěpitelné neutrony z fúze o vysoké energii. Jedná se hlavně o uran-238 a thorium-232. Uran-238 je štěpitelný pouze neutrony o energii nad 1,5 MeV. V praxi se v bombách používá uran od ochuzeného až po vysoce obohacený. Při použití vysoce obohaceného se rozštěpí více, než při použití ochuzeného. Při použití štěpitelného stlačovače je síla vyšší než při použití "čistého", který není štěpitelný. Například u americké bomby B41 byly dvě varianty - čistá a špinavá. Čistá měla sílu ekvivalent 9 megatun, špinavá pak 25 megatun. Mezi lety 1952 a 1954 měly termonukleární bomby USA podíl energie uvolněné ze štěpení 52 až 90 %. Štěpení stlačovače neutrony z fúze má výhodu taky v tom, že velikost není limitována kritickým množstvím, protože uran-238 nemá kritické množství. Při použití uranu 235, který je štěpitelný neutrony o širším spektru energií než U-238, je možné zvýšit energii ještě o cca 50 %. Pravděpodobně tímto faktorem se liší hlavice W87-0 a W87-1. Síla první se stlačovačem z U-238 je 300 kilotun, síla druhé se stlačovačem z U-235 je 475 kilotun. Efektivitu bomby tyto štěpitelné špinavé stlačovače zvyšují nejenom jejich vlastním štěpením, ale taky tím, že při jejich explozi bude fúzní palivo stlačeno ze dvou stran. Od štěpného materiálu ve středu hlavice a taky od štěpícího se stlačovače, takže komprese bude dokonalejší a síla bomby tímto bude taky zvýšena.

Taky jsou stlačovače, které nejsou štěpitelné, ale po záchytu neutronu se přemění na izotopy s nízkým poločasem rozpadu, které zamoří místo exploze. Jedná se například o tantal, který se skládá hlavně z tantalu-181, který se po záchytu neutronu přemění na tantal-182, který má poločas rozpadu 115 dní. Dále je možné použití kobaltu - tzv. "kobaltová bomba". Tam je použit kobalt-59, který se po záchytu neutronu přemění na kobalt-60 z poločasem rozpadu 5,26 roku. Tento proces se nazývá aktivace.

 7) Je to vlastní termonukleární palivo. U prvních bomb (Ivy Mike) a připravované testy v operaci Castle, které nebyly ale kvůli zastaralosti odpáleny, to bylo kryogenické deuterium. Zde je nevýhoda deuteria, že muselo být chlazeno na nízkou teplotu. Dále bylo zamýšleno použití amoniaku, kde by byly vodíky nahrazeny deuteriem. Od Operace Castle se ve všech bombách používá deuterid lithný, se kterým poprvé přišli Rusové. Jedná se o pevnou látku, která se nemusí chladit, což dovolí udělat bombu mnohem kompaktnější a z lithia se vyrobí tritium, které se zapojí do termonukleární reakce. Tento deuterid lithný bývá obvykle obohacený o lithium-6, kde jsou s neutrony výhodnější reakce, což je popsáno v kapitole 1. Obohacení činí v amerických jaderných hlavicích asi 95 %, (zbytek je lithium-7).

Vlastní děj v termonukleárních bombách s deuteridem lithným s lithiem-6 se nazývá Jetterův cyklus "Jetter's cycle". Je to cyklus reakcí v bombě, který je pojmenovaný po německému vědci Ulrichu Jetterovi. Jde o to, že deuterium s tritiem vytvoří helium-4 a neutron. Tento neutron zreaguje s lithiem-6 a vytvoří se tritium a helium-4. Toto tritium se pak sloučí opět s deuteriem a vznikne helium-4 a neutron...a toto se pak opakuje dále.[58]

Toto termonukleární palivo je stlačeno na hustoty v řádech desítek až stovek g/cm3, u sférických částí dosahované hustoty obecně bývají vyšší. Pro vyšší efektivitu stlačení je zde uplatněn známý efekt "bouchnutí kladiva na hřebík". To je vyřešeno mezerou mezi stlačovačem a ním. Tato mezera taky pomáhá potlačit Taylorovu nestabilitu. Vlastní rychlost imploze u této sekundární části se pohybuje v řádech statisíců metrů za sekundu. Průměr kapsle paliva je mezi 15 a 60 centimetry.

 8)  Je to subkritické množství obohaceného uranu či plutonia, které se v okamžik imploze sekundární části dostane do vysoké nadkritičnosti (stlačí se přibližně na šestnáctinásobek normální hustoty) a zapálí stlačené fúzní palivo. U válcovitého tvaru sekundární části to má podobu duté tenké tyče. V termonukleární bombě se rozštěpí (skoro) všechno plutonium či obohacený uran z této části. Tato tyč se přibližně v okamžik nejvyšší nadkritičností odpálí od neutronů z primární bomby. Tyto neutrony vstoupí k této tyči přes malý otvor ve štítu proti předehřívání paliva. Toto řešení se vyskytovalo u starších bomb, novější bomby používají generátory neutronů, které umožní lepší načasování iniciace. Stlačené palivo je relativně chladné a tato štěpící se tyč ho zahřeje. Dále se neutrony ze štěpící se tyče vytvoří z lithia v deuteridu lithném tritium, které se bude slučovat s deuteriem. Z této reakce půjdou vysoceenergetické neutrony, které budou v případě špinavé bomby štěpit U-238 ve stlačovači a podstatně zvýší sílu bomby.

 9) Označuje, kde je primární část, což je vlastně upravená štěpná jaderná bomba

 10) Označuje, kde je sekundární část.

Podobrázek 2

1) Zde je směs deuteria a tritia v poměru 50:50. Je to vlastně posílení termonukleární fúzí. Tritium se k deuteriu napustí až v okamžik odjišťování několik sekund před odpalem. Toto deuterium s tritiem je ve formě plynu. Toto posílení je taky nutné kvůli tomu, že chybí obal jádra z látky o vysoké hustotě (popř. je značně minimalizován), u posílené bomby má štěpení prudší charakter, takže látka o vysoké hustotě není potřeba. 

 2) Tu je plutoniové jádro. Je použito plutonium pravděpodobně s obsahem kolem 6,5 % Pu-240. V primárních bombách moderních termojaderných hlavic bývá použito přibližně 4,5 kilo plutonia (v porovnání s Fat Manem, který ho obsahoval 6,2 kilo). Jádro je duté, což umožní vyšší kompresi než zastaralá jádra, která nejsou dutá, a též se do dutiny může napustit směs deuteria s tritiem, což je velmi důležité. U hlavice W88 (a možná i dalších) má jádro z plutonia nesférický tvar, konstrukce takového jádra je mnohem složitější než konstrukce sférických jader, na druhou stranu tak lze zmenšit průměr primární části a v konečném důsledku i celé bomby, což je právě cenné pro použítí do dlouhých a tenkých návratových modulů.

 3) Je to berylliový odražeč neutronů. U moderních termonukleárních bomb je použito beryllium hned z několika důvodů:

a) Beryllium je velmi dobrý odražeč neutronů, pravděpodobně nejlepší známý.

b) Beryllium má nízkou hustotu, díky tomu lze zkonstruovat lehčí hlavici.

c) Beryllium má atomové číslo 4, je tedy velmi dobře propustné pro záření, které se využije ke stlačení sekundární části. Oproti dalším dobrým odražečům neutronů (U-238, WC) je rozdíl propustnosti opravdu obrovský.

 4) Toto je trhavina použitá v systému výbušnin. Dnes se považuje za standard používání necitlivých výbušnin (ovšem zrovna u W88 taková není). Systém výbušnin je iniciovaný ze dvou bodů, právě toto a použití necitlivých trhavin je důležité pro bezpečnost (rozeberu dále). Dvoubodově iniciovaný systém výbušnin je kompaktnější než mnohabodově a jde tak vměstnat bombu snáze do hlavice.

 5) Zde se jedná o kanystr s tritiem pro posílení bomby termonukleární fúzí. Je uložen mimo primární bombu a může se periodicky vyměňovat v něm tritium kvůli jeho krátkému poločasu rozpadu (12,32 let), před odjištěním je tritium uloženo právě zde.

 6) Toto je podkritické množství obohaceného uranu (ale může být použito i Pu) ve středu sekundární části, jedná se vlastně o "Spark plug". Právě toto zapálí vysoce stlačené termonukleární palivo. Je možné použít k tomuto účelu směs deuteria a tritia - již zmiňovaný Wheelerův způsob zápalu, tak je to pravděpodobně v hlavici W80 . U hlavice W88 má obohacený uran určený k tomuto účelu pravděpodobně dutinu, ve které je další fúzní palivo.

 7) Jedná se o vlastní fúzní palivo - deuterid lithný s obohaceným lithiem na 95 % lithia-6, toto je pravděpodobně použito u všech moderních amerických termonukleárních bomb.

 8) Stlačovač z uranu (může být použit vysoce či nízko obohacený, ochuzený, ale i přírodní). Bomby se stlačovačem z obohaceného uranu mívají vyšší sílu než ty, které ho obohacený nemají, obohacený uran se štěpí snadněji. Při použití obohaceného uranu se musí brát ohled na jeho kritické množství.

 9) Radiační kanál, neměly by tam být významné rozdíly oproti termonukleárním bombám s válcovou sekundární částí.

 10) Obal, ve kterém je primární se sekundární částí a radiační kanál. Tento obal přenese energii uloženou v záření z primární části na stlačovač v sekundární části, bývá použit U-238 z vnitřní strany a třeba hliník z vnější strany sloužící jako podpůrná struktura, tloušťka vrstvy uranu může být velmi malá (u hlavice W76 na některých místech údajně nebyl o mnoho tluštší než plechovka od piva).

 11) Návratový modul, ve kterém je uložena hlavice. W87 má Mk-21 a W88 má Mk-5. Je vyrobený z grafitu a epoxidu a musí zvládnout náročné podmínky při návratu na zem, je použit pravděpodobně podobný materiál, jako mají v konstrukci grafito-epoxidové raketové motory. V návratovém modulu je uložena elektronika a podobné věci potřebné pro funkci hlavice.

3.5.3 - Třístupňové bomby vs. bomby štěpení-fúze-štěpení

 Jde o dva pojmy, které se týkají bomb používajících Teller-Ulamovu koncepci, znamenají něco úplně jiného, často se však stává, že se tyto dva pojmy pletou. 

Síla dvoustupňové termonukleární bomby používající Teller-Ulamovu koncepci, je omezená sílou primární části (která je pouze termonukleární fúzí posílená jaderná bomba). Pro potlačení tohoto omezení je možné udělat třístupňovou či případně vícestupňovou bombu. Třístupňová verze je takový typ Teller-Ulamovy koncepce, který má primární bombu (standardní jaderná bomba posílená termonukleární fúzí se sílou nejčastěji řádově v kilotunách či desítkách kilotun), která je první stupeň. Tento první stupeň je zodpovědný za stlačení druhého stupně, který je na Obrázku 25 označený jako sekundární část. Tento druhý stupeň má na starost stlačení třetího stupně, který je podobný jako ten druhý stupeň, ale může být mnohem větší, z tohoto stupně bývá u třístupňových bomb nejvyšší množství uvolněné energie. Třístupňové bomby jsou obvykle v řádech desítek megatun, bylo jich však zkonstruováno a vyrobeno jen málo. Například to byla v arzenálu USA bomba B41, která byla založena na bombách testovaných v Operaci Redwing, testech Zuni a Tewa. Dále to byla bomba Car, která byla nejsilnější bombou, která kdy byla odpálena. Schéma takové třístupňové bomby je na následujícím obrázku:

 

Obrázek 31 - Přibližné schéma třístupňové termonukleární bomby. Jedná se pouze o domněnku autora, jak by to pravděpodobně v třístupňové termonukleární bombě mohlo vypadat. Kresleno je to tedy na základě těch málo informací volně přístupných na internetu. (Autor, kresleno na motivy [59])

1 - Obal bomby se stabilizátory

2 - Primární štěpná termonukleární fúzí posílená bomba

3 - Obal, ve kterém se nachází primární, sekundární a terciální část spolu s radiačním kanálem - vyroben z U-238 nebo olova

4 - Plast z prvků s nízkou atomovou hmotností

5 - Sekundární část

6 - Terciální část

 

Bomby typu štěpení-fúze-štěpení jsou vlastně termonukleární bomby, které mají obal sekundární části vyrobený např. z U-238. Tyto bomby využívají energii neutronů z fúze, které mají dostatečnou energii k rozštěpení U-238. Z tohoto uranu 238 je právě velký podíl síly těchto bomb - i kolem 80 %. Jinak řečeno bomby typu štěpení-fúze-štěpení jsou "špinavé bomby se štěpitelným stlačovačem". Bomby typu štěpení-fúze jsou pak bomby používající Teller-Ulamovu koncepci, které jsou "čisté" anebo používají stlačovač, který se po záchytu neutronu přemění na radioaktivní izotopy. Jinak se to dá nazvat "špinavá termonukleární bomba s neštěpitelným stlačovačem". V česky psaných materiálech se pro bombu typu štěpení-fúze-štěpení setkáváme spíše s názvem "třífázová bomba".

3.6 - Štěpný materiál stlačený pomocí jaderné bomby

Bomby tohoto typu jsou podobné původní Ulamově myšlence. Spolu s Teller-Ulamovou koncepcí se jedná o typ bomby založený na radiační implozi. Standardní jaderná bomba posílená termonukleární fúzí stlačí podkritické množství štěpného materiálu, popřípadě štěpného materiálu, ve kterém je směs deuteria a tritia (či deuteridu a tritidu lithného). Pomocí jaderné bomby je možné dosáhnout mnohem vyšších hustot, než by bylo dosažitelné pomocí konvenčních výbušnin. Proto se štěpný materiál využije mnohem efektivněji. Vzhledem k velkému zastoupení štěpení jsou tyto bomby velmi "špinavé". Bomby tohoto typu mohou mít i sílu v řádech megatun. Takové bomby bylo testovány na příklad v Operaci Castle, testu Nectar. Zde testovaná bomba měla stlačovanou štěpnou bombou posílenou termonukleární fúzí. Taky byla bomba tohoto typu testovaná v Operaci Redwing, testu Cherokee - síla 3,8 megatun. Vzhledem k tomu, že bomby tohoto typu bývají posílené termonukleární fúzí, fungují na podobném principu jako Teller-Ulamova koncepce a mají sílu v řádech megatun, rozhodl jsem se je zařadit do této části věnované termonukleární bombě. 

3.7 - Neutronová bomba

Neutronová bomba (oficiálně Zbraň se zvýšenou radiací, anglicky Enhanced radiation weapon - ERW), je bomba, u které je zvýšený podíl okamžité radiace. U neutronové bomby je tedy oproti standardním štěpným bombám jiný poměr složek energie, která se uvolní při výbuchu. Vynálezcem je Samuel T. Cohen. Je to vlastně malá termonukleární bomba, kde je primární štěpná bomba, která dostane směs deuteria a tritia do takových podmínek, aby mohla probíhat termonukleární fúze. Vytvoří se velké množství neutronů, které místo absorbování ostatními komponenty bomby uniknou ven. Neutrony poměrně snadno proniknou ocelovým pancířem obrněných vozidel, kde posádka obdrží smrtelnou dávku radiace a je během hodin, maximálně dnů, vyřazena z boje. Neutronové bomby jsou často vměstnány do dělostřeleckých granátů.

Tabulka 20 - porovnání obyčejné jaderné bomby a neutronové bomby, co se týče různých typů uvolněné energie [60]

Typ energie Standardní bomba Neutronová bomba
Tlaková vlna 50 % 40
Tepelné záření 35 % 25
Okamžitá radiace 5 % 30
Zbytková radiace 10 % 5

Konstrukčně je podobná Teller-Ulamově koncepci. Jedná se o dvoustupňovou bombu. Primární část je štěpná či posílená termonukleární fúzí bomba, (obvykle lineární imploze) vedle které je ve wolframové kapsli uložena směs deuteria a tritia (v množství desítek gramů) - sekundární část. Kapsle je stlačena podobným způsobem jako u Teller-Ulamovy koncepce. Obal, ve kterém je primární se sekundární částí, či pouze sekundární část, je vyroben co nejtenčí, aby neutrony mohly snadno uniknout ven. Bývá vyroben z wolframu. U neutronové bomby je efekt posílení termonukleární fúzí nežádoucí, ba dokonce škodlivý, podle toho je bomba konstruována. Směs deuteria a tritia je zapálena od termální radiace z primární části. Vzhledem ke snadnosti zážehu u směsi deuteria a tritia není potřeba štěpného materiálu ve středu fúzního paliva (na rozdíl od Teller-Ulamovy koncepce používající jako fúzní palivo deuterid lithný). U dělostřeleckého granátu W79 - varianty, kde je neutronová bomba, se uvolní ekvivalent 1 kilotuny TNT, z čehož je 1/4 štěpení a 3/4 fúze.

Další střelou s neutronovou bombou je W82 - která je byla vyvinuta z W48. Neutronová bomba má velký efekt na živou sílu, efekt na budovy a podobné věci je pokud možno co nejnižší. Bylo plánováno použití proti formacím sovětských tanků. Dále bylo plánováno použití neutronových bomb proti raketám s jadernými hlavicemi. V době, kdy byly neutronové bomby ve výzbroji, byly terčem mezinárodní kritiky, mimo jiné taky kvůli tomu, že snižovaly práh nukleární války. Neutronové bomby už nejsou v arzenálu USA (poslední rozebraly v roce 2003).

3.8 - Čistě fúzní bomba

Čistě fúzní bomba zatím s největší pravděpodobností nebyla zkonstruována, nicméně je několik konceptů, které se pokoušejí takovou bombu navrhnout. Některé jsou reálné, jiné jsou spíše sci-fi. Čistě fúzní bomba je ten typ bomby, který ke svému fungování nepotřebuje primární bombu na bázi štěpení. Bomba je vzhledem k nulovému zastoupení štěpení čistá. Většina energie z reakce se uvolní jako kinetická energie neutronů. Vzhledem k této skutečnosti je výbušná síla této bomby nejnižší ze všech typů jaderných bomb. Zároveň je však tato bomba v případě vhodné konstrukce nejideálnější neutronovou bombou. Vzhledem k teplotám zápalu jednotlivých termonukleárních reakcí připadá v úvahu zejména reakce směsi deuteria a tritia. Ostatní reakce mají teploty zápalu vyšší a je náročnější je realizovat. Čistě štěpnou bombu je možné modifikovat na bombu typu "fúze-štěpení", kde by bylo použito přírodního uranu, který není štěpný, ale je štěpitelný a je snadno získatelný. Šlo by tak sílu zdvojnásobit nebo ztrojnásobit. A větší část energie by se uvolnila ve formě tlakové vlny.

Designem navrhnutým s použitím současných technologií je design používající generátor elektromagnetického pulsu na principu stlačení magnetického toku pomocí výbušniny. Ze vzniklé energie dojde k vytvoření plazmatu a následně je vytvořeno silné magnetické pole, které imploduje kapsli z fúzního paliva. Bomba tohoto typu by měla při hmotnosti 3 tun sílu okolo 2,5 tun TNT (v ideálním případě), do čehož by bylo započítáno 320 kilogramů výbušniny pro napájení generátoru elektromagnetického pulsu. Obecně tato bomba neposkytuje oproti konvenčním výbušninám žádné výhody.[61]

Dalším hypotetickým designem čistě fúzní bomby je bomba využívající antihmotu. Při anihilaci dojde k vytvoření energie, která dostane fúzní palivo do takových podmínek, aby probíhala termonukleární fúze. Vzhledem realizačním problémům antihmotové bomby tento koncept zatím není reálný.

 

Další kapitola