Fuzje jądrowe
Reakcja termojądrowa opiera się na połączeniu się lekkich jąder atomów w jądra cięższe o większej liczbie atomowej. W związku z tym, że energia wiązania jaka przypada na jeden nukleon (-energia jądrowa) rośnie wraz z liczba atomowa. Reakcji dotrzymuje towarzystwa wydalenie energii , która jest równa przyrostowi całkowitej energii wiązania.
Pochodzenie energii słonecznej bierze się w 99% z reakcji zamiany (fuzji) wodoru w hel. Sytuacja ta ma miejsce w jądrze słonecznym, gdzie jest dostatecznie duża temperatura 15 mln stopni. Odbywa się ona w opisany poniżej sposób:
3He + 3He ==> 4He + 1H + 1H + foton gamma
Pamiętamy, iż stosowanie z teorią względności masa a także energia są równoważne: E=mc2.
W napisanych reakcjach cztery jądra wodoru zamieniają się w hel, natomiast suma mas wejściowych jest większa od masy helu. Ta różnica mas jest zastąpiona energią fotonów w 98% oraz neutrin w drugiej części. Słońce promieniuje kosztem straty swojej masy. Słońce chudnie w czasie sekundy kurczy się o 4 mln ton. Porównując wprawdzie z jego całkowitą masą jest to bardzo mała strata.
Rodzaje przemian:
1. Przemianie poddają się jądra ciężkich atomów, o liczbie masowej przynajmniej 210. Procedura polega na emisji cząstek [alfa]
2. Przemianie poddają się jądra atomów, mające nadwyżkę neutronów w stosunku do liczby protonów. Protony poddają się przemianie
3. Przemianie podlegają jądra atomów, które posiadają nadwyżkę protonów w stosunku do liczby neutronów. Jest postrzegana w przemianach sztucznych izotopów promieniotwórczych.
4. Jest to wychwyt elektronu przez jądro, np. elektron z powłoki K jest przeniesiony zostaje do jądra.
Paliwo jądrowe, tworzywo rozszczepialne stosowany do otrzymywania energii w reaktorach jądrowych. Posiada na ogół wzbogacony uran (tj. uran cechujący się większa od naturalnego składu izotopu 235U, będącą w granicach od kilku nawet do 90%), w przeróżnych formach fizyko-chemicznych: jako ciało stałe (tlenek, węglik, stop metaliczny, metal; w formie prętów, pastylek itp.), w formie ciekłej (jako roztwór siarczanu albo azotanu uranylu) albo jako gaz (sześciofluorek uranu). Kolejną substancją stosowana jako paliwo jądrowe jest izotop plutonu 239Pu. Określony typ paliwa dobrany jest odpowiednio do konkretnego rodzaju reaktora. Podczas lokowania paliwa jądrowego w reaktorze rośnie w nim ilość elementów rozszczepienia oraz aktywacji, aż do poziomu, który zmusza do wymiany konkretnej części paliwa jądrowego. Paliwo jądrowe wyciągnięte z reaktora nazywane jest wypalonym (jest to bardzo radioaktywny rodzaj paliwa jądrowego), po jakimś czasie ulega procesowi oczyszczenia by znowu można było z niego skorzystać (odpady promieniotwórcze).
Kontrolowane wybuchy jądrowe, testy z bronią jądrową, które przeprowadzane były na poligonach jądrowych. Kontrolowane wybuchy jądrowe można podzielić na wysoce oddziałujące na otoczenie (aktualnie wstrzymane), wybuchy troposferyczne, naziemne, stratosferyczne a także podwodne (opad promieniotwórczy globalny) i oddziałujące niezauważalnie na otoczenie wybuchy podziemne. Eksperymentalne wybuchy jądrowe wykonuje się przede wszystkim w celu podnoszenia jakości broni jądrowej. Aktualnie bierze się pod uwagę całkowity zakaz wykonywania wybuchów, co miałoby powstrzymywać rozwój broni jądrowej oraz powiększanie się liczby krajów mających tego rodzaju broń.
Poligony jądrowe- są to tereny gdzie wykonywane są testy z bronią jądrową.
Bomba atomowa - Hiroszima, Nagasaki
Miejsce poligonów jądrowych: Nowa Ziemia, Wyspa Johnsona, Nevada (w pobliżu Las Vegas), atole Eniwetok oraz Bikini na Wyspach Marshalla, okolice Semipałatyńska,Wyspy: Monte Bello, Woomera i Maralinga (Australia - brytyjski), Reggan (Sahara - francuski), atol Mururoa w archipelagu Tuamotu, Wyspy Bożego Narodzenia, okolice jeziora Łob-nor (północno-zachodnie Chin).
Synteza jądrowa, fuzja jądrowa - jest to połączenie jąder lekkich pierwiastków w jądra cięższych pierwiastków (nukleosynteza).Jak wiemy jądra mające dodatni ładunek elektryczny równocześnie się odpychają, ich przybliżenie się do siebie na odległości, przy których przyciąganie, które jest spowodowane przez silny wpływ pokona to odpychanie najlepiej realizuje się takie sytuacje w dużych temperaturach (wyższych niż 107 K), i właśnie dlatego reakcje syntezy jądrowej nazywamy reakcjami termojądrowymi.
W reakcjach syntezy jądrowej emitowane są duże części energii, w naturze procesy te są odpowiedzialne za wyrób energii w gwiazdach - cykl pp., cykl CNO (H.A. Bethe). Na Ziemi jesteśmy w stanie dokonać reakcji syntezy jądrowej w skali modelowej (indywidualne jądra w doświadczeniach akceleratorowych), niekontrolowane reakcje wybuchowe (broń termojądrowa), albo w sposób sterowany przez bardzo krótki okres czasu (tokomak).
Reakcjami syntezy jądrowej cechującymi się ogromnym przekrojem czynnym już w względnie niskich energiach są procesy (w nawiasach emitowana w jednej reakcji energia podawana w MeV): 2H+3HT4He+n (17,6), = 2H+2HT3H+p (4,0), 2H+3HeT4He+p (18,3), 3H+3HT4He+2n (11,3), naukowo nie da się wyeliminować doprowadzenia do syntezy jądrowej przez zastosowanie efektu tunelowego razem z obniżeniem odpychającego potencjału jąder przez funkcjonowanie konkretnych pól wewnątrz kryształów, stąd szukanie tzw. zimnej fuzji.
Etap 2:
4.1 Terminologia
Stosuje się kilka określeń w celu charakterystyki bomb wyzwalających energię przez reakcje jądrowe - mówimy o bombach atomowych, broni nuklearnej, bombach opartych o reakcję rozszczepienia, wodorowych, a także opartych o syntezę, broni termonuklearnej. Pierwszym określeniem wprowadzonym do opisania nowej broni była "bomba atomowa". Określenie to była niedokładne oraz błędne – niedługo później zrozumiano, że wybuchowe reakcje chemiczne też działają na poziomie atomów, zatem można też je określać atomowymi. Określenie to stosuje się także dzisiaj w celu charakterystyki bomby, której cała energia jest rozdzielana w momencie rozszczepienia jądrowego. Bomby oparte na syntezie jądrowej określane są uniwersalnie "bombami wodorowymi", gdyż głównym częściami tej reakcji są izotopy wodoru (deuter H-2 i tryt H-3). Broń tą nazywa się jako "termojądrową" z uwagi na duże temperatury, w jakich reakcja syntezy ma miejsce.
4.2 Określenia testów nuklearnych
Przed opisaniem testów jądrowych, musimy zdefiniować system wykorzystany do rozpoznania serii testów i testów indywidualnych bomb. Wszystkie testy mają zdefiniowane przydomki, seria zaś osobny kod. W związku z tym pierwsza bomba atomowa nazwana została Gadget, natomiast weryfikowana została w operacji Trinity. Pierwsze plany testowe były wykonywane jako część serii - operacji na ogromną skalę, w której udział brało mnóstwo badaczy, techników, personelu wojskowego, godnie zebranego w celu spostrzeżenia następnych detonacji przez kilka tygodni albo nawet miesięcy. Tak jak wyżej napisaliśmy seria taka posiadała inny przydomek niż przeprowadzone w niej testy. Przykładowo drugi oraz trzeci test nuklearny (będące w istocie czwartą i piątą detonacją) były fragmentem testu Crossroads (skrzyżowanie dróg). Testy były charakteryzowane jako Able oraz Baker (Piekarz). Niejednokrotnie w Stanach Zjednoczonych testy z dwóch odmiennych serii były połączone w jedną. Wówczas za określenie przyjmuje się zestawienie przydomków konkretnych serii (na przykład Tumbler-Snapper).We wczesnych seriach określenia konkretnych testów były używane kilka razy. Zatem posiadamy test Able w serii Crossroads, Ranger, Buster-Jangle oraz Tumber-Snapper. W celu cofnięcia wynikających z tego dwuznaczności zaakceptowano poprzedzać przydomek każdego testu kodem całej serii (na przykład Crossroads Able, Ranger Able). W połowie 1952 rozpoczęto posługiwanie się niepowtarzalnych określeń testów, również ta zasada nie musiała już być precyzyjnie przestrzegana. Aczkolwiek jest bardziej praktyczne nadawanie określeń serii, w związku z tym w pracy tej wykorzystano określenia seria-test. Natomiast po 1961 roku następne serie testów przeprowadzano jako podziemne wybuchy w stanie Newada, stąd wszelkie z nich stały się częścią serii Nevada. Testy te określano również jako część specjalnych serii - roków finansowych (Fiscal Year) rządu Stanów Zjednoczonych (Operacja Niblick to FY64, Operacja Whetstone to FY65 itd.) w ten sposób straciły realny sens. Dokonano także serie detonacji atmosferycznych na Pacyfiku (Dominic I i Dominic II) w 1962 oraz parę specjalnych programów testowych (Plowshare, Seismic Detonation, Vela Uniiform). W pracy tej wszelkie testy serii Nevada oraz inne testy dokonane po roku 1963 są identyfikowane przez ich nazwy. Testy brytyjskie określa się w podobny sposób. Bez pierwszego (Hurricane), wszystkie testy określa się przez nazwę seria-test. Niejednokrotnie przydomek testu jest niepowtarzalny, niejednokrotnie nie. Są także takie sytuacje, iż określenia nazwy testów mogą być utożsamiane bez podania nazwy serii, wbrew faktom, iż do niej należą. Na przykład seria Grapple posiada test Grapple 1/Short Granite (zapis Grapple 1 jest jednoznaczny Grapple Short Granite). Jednakowo jak w przypadku Stanów Zjednoczonych w pracy tej testy brytyjskie będą utożsamiane przez podanie nazwy serii oraz testu.
4.3 Jednostki miary
Zamęt w związku z bronią nuklearną oraz jednostkami miary spowodowane jest ze znaczenia, pojmowania słowa "tona". Uniwersalnie określenie to stosuje się jako jednostkę masy albo wagi w systemie metrycznym, angielskim, lub amerykańskim systemie miar - w ewentualnościach dwóch ostatnich określana jest definicja tony angielskiej (long ton) oraz amerykańskiej (short ton). W złączeniu z bronią nuklearną określenie "tona" oraz jego metryczne rozszerzenia (kilotony, megatony itd.) używa się również jako jednostkę wielkości energii eksplozji. Czasami można znaleźć określenie skrótu MT (czy Mt, lub mt) - "metric ton" w celu odznaczenia ton systemu metrycznego od tych systemu angielskiego. Jednak MT (czy Mt, lub mt) jest stosowanie również jako skrót od "megatony". W tej pracy stosowany jest tylko system metryczny - w przypadku masy system ten jest niejednokrotnie zastąpiony przez tonę amerykańską (co jest oczywiście zaznaczone). Jednostka energii eksplozji (megatona, kilotona, lub po prostu tona) wprowadzona została w celu konfrontacji siły eksplozji bomby nuklearnej do typowych substancji wybuchowych - precyzyjniej do trotylu (TNT).Szybko napotkano na kłopoty. Do ton którego z systemów dokonywać porównania? Także energia wydzielona w czasie wybuchu TNT nie była wartością stałą. Uzależniona była ona od takich zmiennych jak ciśnienie lub temperatura. Zawarta była ona między wartościami 980-1100 kalorii/g. W celu objaśnienia sytuacji tony amerykańskie określono jako jednostkę metryczną także dokładnie 1012 kalorii (4.186x1012 dżuli). W związku z traktowaniem amerykańskich ton jako jednostki systemu metrycznego otrzymano wartość 1000 kalorii/gram, zatem wartość z przedziału, wówczas gdy kilotona amerykańska dawała wartość 1102 kalorii/g - wartość końcową z przedziału. W związku z tym kilotony mogą być definiowane jako "kilotony metryczne TNT" a także jako "kilotony amerykańskie TNT". W określeniu kilotony w systemie metrycznym ujęte jest, to że cała energia powinna być od razu wydzielona, niezależnie od formy. Mimo tego, że reakcje chemiczne wydzielają właściwie dużą część energii w formie kinetycznej albo fali powietrza, tylko część energii wybuchów nuklearnych jest wydzielana w taki sposób. W związku z tym kilotona wybuchu nuklearnego obejmuje z sobą znamiennie mniejszą energię fali uderzeniowej niż kilotona eksplozji chemicznej. Skróty związane z kilotoną oraz megatoną są również różnie wykorzystywane. Kt, kt, kT czy KT są na ogół wykorzystywane w literaturze. W pracy tej jako skróty wykorzystane zostały kt i Mt właściwie dla kilotony oraz megatony.
4.4 Broń atomowa
Grupa ta składa się z głowice, których głównym źródłem energii (naturalnie z wyjątkiem ładunku konwencjonalnego) jest reakcja rozszczepienia. W bombach tych przez intensywne połączenie (w wyniku wybuchu ładunku konwencjonalnego) paru (na ogół z dwóch) części ładunku rozszczepialnego o masie podkrytycznej narusza krytyczną granicę reakcji. Bomby atomowe sprawdzane w lipcu 1945 roku oraz zrzucone na miasta japońskie w sierpniu tego roku ( Litte Boy oraz Fatman) były uzbrojone w tego rodzaju głowice. Są także ograniczenia odnoszące się do wymiarów takich głowic. Ogromne bomby potrzebują dużej ilości substancji rozszczepialnych, które: 1) przeszkadzają w zachowaniu go w formie mas podkrytycznych przed detonacją oraz 2) przeszkadzają łączeniu go w masę (nad)krytyczną nim neutrony, wywodzące czy to z promieniowania tła, czy z samo rozszczepienia (odnosi się to głównie do Pu-239), sprawią, że przed-detonację (nie wszystkie części ładunku rozszczepialnego zostaną złączone). Nie da się powiedzieć, jaką największą bombę takiego rodzaju wyprodukowano, a następnie dokonano udanej próby (trzeba mieć na uwadze niebywałe znaczeniu tej broni w czasach jej wyrobu - nic więc dziwnego, że takie wiadomości były bardzo pilnie strzeżone). Przepuszczalnie był to 500 kilotonowy Ivy King zdetonowany 15 listopada 1952 roku. Głowicą zdetonowaną w tym teście była Mk 18 Super Oralloy Bomb (SOB) skonstruowana przez zespół Teda Taylora.
4.5 Głowice łączone - rozszczepienie/fuzja
Wszelkie głowice jądrowe stosują reakcji rozszczepienia do wyzwolenia własnych destruktywnych efektów. W związku z tym wszelkie głowice, które opierały się o fuzję potrzebują użycia bomb atomowych (wspierając się o rozszczepienie) w celu doprowadzenia konkretnej ilości energii potrzebnej do inicjalizacji syntezy. Nie powoduje to wcale, iż reakcja rozszczepienia produkuje dużą ilość energii (porównując z fuzją).
4.5.1 Broń jądrowa o wzmożonej sile wybuchu
Pierwsze rodzaje głowic bazujących o syntezę, miały być nie tylko bombami o wzmożonej sile. W bombach tych w środku rozszczepialnego rdzenia ulokowano kilkanaście gram gazowej mieszaniny deuteru/trytu. Zabieg ten posiada dość jawne korzyści - po zdetonowaniu, gdy rdzeń przejdzie już w konkretnym stopniu rozszczepienie, temperatura rośnie na tyle, by zainicjalizować fuzję D-T. W związku z tym, że reakcja ta odbywa się bardzo szybko, wysokoenergetyczne neutrony w niej produkowane wykorzystuje się do rozszczepienia dużej ilości substancji. Podniesienie natomiast części rozszczepionego materiału powoduje wzrost stopnia wydajności reakcji (jest to współczynnik wyznaczający stopień zastosowania materiału rozszczepialnego). Prawidłowo współczynnik ten równy jest ok. 20% (bywa on także o wiele niższy - bomba zrzucona na Hiroszimę posiadała zaledwie 1,3%), w momencie gdy bomba o wzmożonej sile wybuchu jest w stanie uzyskać 50% (co może doprowadzić do zwielokrotnienia siły wybuchu w porównaniu do bomby tradycyjnej). Obecnie w głowicach tego typu energia uwolniona w czasie reakcji rozszczepienia jest ogromnie niska, równa ok. 1% siły wybuchu, co powoduje, że trudno odróżnić bomby o wzmożonej sile wybuchu od czystej bomby wodorowej. Pierwszym testem bomby o wzmożonej sile wybuchu był Greenhouse Item (45.5 Kt, 24 maj 1951) zdetonowany na wyspie Janet, która wchodziła w skład atolu Enewetok. Ta doświadczalna głowica stosowała, zamiast gazowej, ciekłej mieszaniny deuteru-trytu. W związku z wykorzystaniem techniki wzmożonej siły wybuchu powiększono ilość wydzielonej energii niemal dwa razy. Przetestowano także inne wersje tej broni - z gazową postacią deuteru, deuterkiem litu, nie wiadomo jednak czy jakiekolwiek głowice tego rodzaju weszły w skład uzbrojenia. Większa część aktualnych bomb jest tego rodzaju, włączając w to jako zapalnik rozszczepialny w broni typu rozszczepienie-fuzja (patrz następny punkt). Mimo znacznie większego zastosowania materiału rozszczepialnego oraz wykorzystania nowych technik, głowice te bazują w dalszym ciągu o reakcję rozszczepienia a także kreuja te same kłopoty z większymi ładunkami. Budowanie bomb według tej technologii przynosi duże korzyści przy konstruowaniu małych, lekkich bomb, w przypadku których mała efektywność prezentuje szczególny problem. Tryt jest ogromnie kosztowną substancją, i rozpada się z prędkością 5.5% w ciągu roku, ale w nieznacznych ilościach potrzebnych dla lekkich bomb technika ta jest oszczędna.
4.5.2 Jądrowa broń fazowa (rozszczepienie-fuzja i rozszczepienie-fuzja-rozszczepienie)
Głowice tego rodzaju stosują reakcje syntezy izotopów lekkich pierwiastków (wodoru, litu) w celu wyeliminowaniu ograniczeń kształtu bomb bazujących o rozszczepienie oraz powiększenie jej możliwości, co ciągnie za sobą dużą redukcję kosztów połączonych z wzbogacaniem uranu albo wykorzystaniem drogiego plutonu - ma to niemały wpływ na masę oraz rozmiary całości. Reakcja syntezy odbywa się w materiale fuzyjnym (stanowiącym człon drugi), który jest fizycznie odosobniony od zapalnika rozszczepialnego (człon pierwszy), konstruując w ten sposób bombę dwustopniową. Promieniowanie X z pierwszego członu stosowane jest do kompresji członu drugiego (paliwa fuzyjnego) przez proces nazwany promieniowaniem implozyjnym (więcej na ten temat przeczytasz w rozdziale Fizyka broni jądrowej). Ciśnienie oraz duża temperatura jest wówczas zapalnikiem wówczas fuzja się zaczyna. Energia produkowana w czasie reakcji termojądrowej może być zastosowana do zainicjowania reakcji w nawet dużym fuzyjnym członie trzecim. Zastosowanie tej techniki pozwala na budowanie bomb o nieograniczonych rozmiarach.
Reakcje syntezy są stosowane do powiększenia mocy bomby na dwa inne sposoby:
1. jako sposób pozbycia się ogromnej części energii
2. w celu zastosowania wysokoenergetycznych albo szybkich neutronów produkowanych w czasie tej reakcji do wydalania energii, która pochodzi z rozszczepienia warstwy będącej naokoło stopnia fuzyjnego. Warstwa ta jest wyprodukowana z naturalnego uranu - energia produkowana przez gwałtowne rozszczepienie bierze się więc z taniego U-238. W tym celu używa się także toru, a w głowicach, w których jest rezerwa masy, także wzbogaconego uranu. Bomby, które zwalniają ogromną część energii poprzez reakcję termojądrową, ale nie stosują powstałych neutronów do rozszczepienia U-238, nazywa się bronią jądrową dwufazową (rozszczepienie-fuzja). Jeśli natomiast oprócz tego rozszczepiają szybkimi neutronami U-238 nazywane są jako broń trójfazowa (rozszczepienie-fuzja-rozszczepienie). Bomby nazywane jako "czyste" uzyskują dużą część swojej energii z reakcji fuzji (niewiele opadów radioaktywnych). Są to na ogół głowice typu rozszczepienie-synteza (nie każde z nich posiadają stopień skuteczności syntezy 97%) Bomby typu rozszczepienie-synteza-rozszczepienie "czystymi" nie są, ale posiadają dużą moc. Produkują ogromną część promieniotwórczych odpadów skażających przyrodę. 5 Mt test Redwing Tewa (20 lipiec 1956, atol Bikini) uzyskał skuteczność frakcji rozszczepienia 85%. Jeśli pod uwagę weźmiemy koszty wyprodukowania, jako trzeciego stopnia stosuje się naturalny uran albo tor. Jeśli siłę wybuchu (jest tak w najnowszej broni strategicznej) na ogół wykorzystuje się wzbogacony uran. W głowicach tego typu dozwolone jest także wykorzystanie jako paliwa czystego deuteru, albo mieszaninę litu 6 i 7 z deuterem w formie deutereku litu 6/7. Te oczywiście stabilne izotopy są znacznie tańsze niż sztucznie produkowany oraz radioaktywny tryt. Pierwszym testem fazowej broni termonuklearnej był Ivy Mike zdetonowany 31 października 1953 na wyspie Elugelab/Flora na atolu Enewetok. Ta doświadczalna bomba, nazywana została Sausage (Kiełbasa), wykorzystywała czysty deuter jako paliwa oraz naturalnego uranu jako jego obudowy (trzeci stopień). Została zbudowana przez grupę z Los Alamos nadzorowaną przez Carsona Marka. Siła wybuchu Mike'a wynosiła 10.4 Mt, 77% z tego to rozszczepienie. Trójfazowa broń nuklearna została testowana oraz zaszufladkowana jako broń ogromnej mocy. Pierwszą amerykańską bombą trójfazową, i przypuszczalnie pierwszą tego typu na świecie, była głowica Basson zdetonowana w teście Redwing Zuni (27 maj 1956, atol Bikini, 3.5 Mt). Najpotężniejszą eksplozją jaką do tej pory dokonano (50 Mt) była radziecka trójstopniowa głowica typu rozszczepienie-fuzja-rozszczepienie. W teście opuszczono ostatnie rozszczepienie, gdyby jednak do tego nie doszło bomba miałaby moc 150 Mt trotylu. Dzięki reflektorowi wytworzonemu z materiału nierozszczepialnego, głowice trójstopniowe mogą wytwarzać ogromną ilość "czystej" energii. Także Zuni jak i Tsar bomba były bardzo "czystymi" bombami - Zuni osiągał 85% energii z fuzji, Tsar Bomba natomiast 97%. Konstrukcje obydwu głowic zakładały zamienienie ołowianej lub wolframowej obwoluty uranem-238. Wersja Bassoona została dostosowana do osiągnięcia największej siły wybuchu w historii testów Stanów Zjednoczonych - była to 25 megatonowa głowica Mk-41. Tsar Bomba pozwalała na osiągnięcie 100-150 Mt!
4.5.3 Głowice typu budzik/przekładaniec
Koncepcja ta, precyzyjnie połączona z implozją radiacyjną, została niezależnie odkryta przynajmniej trzy razy. Pierwszy raz przez Edwarda Tellera w Stanach Zjednoczonych (który projekt ten nazwał "budzik"), później przez Andrzeja Sacharowa oraz Witalija Ginzburga (którzy nazwali go "przekładańcem"), i nareszcie przez Brytyjczyków (wynalazca nieznany). Wszystkie z tych programów badań dążył swoją do bardziej skomplikowanej, ale dającej doskonałe rezultaty, metody stopniowej (fazowej) konstrukcji bomb termonuklearnych. Określanie rosyjskie związana jest precyzyjnie z konstrukcja nowej broni - w przekroju zauważyć można albowiem, że jest to dosłownie przekładaniec. W środku głowicy umieszczony jest materiał rozszczepialny w formie U-235/Pu-239, otoczone warstwą U-238, później umieszczona jest warstwa deuterku/trytu litu, następna warstwa U-238 i w końcu system implozyjny. Proces na początku przebiega jak wybuch zwykłej bomby implozyjnej. Po rozszczepieniu substancji, który znajduje się w środku, wydzielająca się energia pakuje się oraz powoduje, że temperatura wzrasta do stanu, gdy mogą rozpocząć się procesy termonuklearne w warstwie fuzyjnej. Neutrony wyprodukowane w rozszczepieniu inicjują wówczas reakcję łańcuchową rozszczepienie-synteza-rozszczepienie. Wolne neutrony wywodzą się z rozszczepienia reagują z litem czego efektem jest tryt, który syntezuje z deuterem wytwarzając bardzo szybkie neutrony. W rezultacie paliwo fuzyjne otrzymuje rolę swoistego akceleratora pozwalającego na zapoczątkowanie reakcji łańcuchowej normalnie nie rozszczepialnego U-238. Ilość paliwa fuzyjnego, który przereaguje jest względnie mała, 15-20%, i nie może być większa. Takie planowanie bomb spotyka same limity jak bomby opierające się tylko o rozszczepienie oraz bomby o wzmożonej sile wybuchu. Tylko Związek Radziecki a także Wielka Brytania rozwinęła ten plan do możliwych do przekazywania głowic bojowych (badacze radzieccy szybko poznali istotę budowy bomb stopniowych, które mogły mieć dosłownie ogromne wymiary). Stany Zjednoczone nie podeszły aż tak na serio do planu, dlatego że Teller czuł, iż nie jest to broń zadawalająco destruktywna. Pierwszym badaniem tego pomysłu była detonacja głowicy określonej jako RDS-6s (oznaczenia przez wywiad Stanów Zjednoczonych jako Joe 4) 12 sierpnia 1953. Przy wykorzystaniu uzupełniającego trytu uzyskano 10 krotny przyrost ponad siłę rdzenia, co dało całkowicie siłę wybuchu 400 kt. Angielski Orange Herald Small użyty w badaniach Grapple 2 (31 maj 1957) był zbliżony ale w przeciwieństwie do poprzedniego używał znacznie większego rdzenia rozszczepialnego (300 kt) i nie posiadał trytu - siła wybuchu uzyskała wartość 720 kt, uzyskano zatem 2.5 krotny przyrost. Mimo tego, że głowic takiego rodzaju nie ma teraz w użyciu, należy pamiętać, że ze względu na różnice w budowie, głowice takiego rodzaju stanowią inną grupę broni nuklearnej. Klasa ta stanowi ogniwo pośrednie, hybrydę broni o wzmożonej sile wybuchu oraz bomb fazowych (stopniowych) typu rozszczepienie-fuzja-rozszczepienie.
4.5.4 Bomby neutronowe
Bomby zaliczające się do tej grupy nie absorbują neutronów produkowanych podczas syntezy, tylko zezwalają im na ucieczkę. Wzmożone promieniowanie wysokoenergetycznych neutronów jest ich podstawowym mechanizmem destrukcji, gdyż nie jest ono anulowane przez większą część substancji. Broń ta odkryto w Stanach Zjednoczonych jako broń anty-rakietowa (blisko 20 kt głowica bojowa poświęcona dla pocisku Sprint) a także jako broń, która jest w stanie zabijać załogi dobrze zabezpieczanych obiektów wojskowych (małe głowice przeznaczone dla artylerii a także i pocisków rakietowych). Bomby neutronowe z zasady generują dużą część swojej energii przez syntezę termojądrową. Nie jest to jednakże receptą - głowica amerykańskiego pocisku Lance produkowała 60% energii z fuzji, pozostałą część wprawdzie z rozszczepienia. Taktyczne bomby neutronowe były na początku wyprodukowane do zabijania żołnierzy dobrze zabezpieczonych. Samochody opancerzone są uodpornione na działanie fali uderzeniowej ale także i cieplnej produkowanej w czasie wybuchu jądrowego, ale stalowy pancerz może obcinać promieniowanie neutronowe w nieznacznym stopniu, tak, że skutki napromieniowania przekraczają inne typy efektów wybuchu. Śmiercionośne promieniowanie wysyłane przez taktyczne bomby neutronowe przewyższa skutki fali uderzeniowej a także cieplnej nawet dla nieosłoniętego żołnierza. Opancerzenie może absorbować neutrony, również energię, minimalizując wtedy dawkę promieniowania neutronowego, na jakie narażona jest załoga czołgu, ale jest w stanie także pogorszyć ich sytuację poprzez szkodliwe oddziaływanie z neutronami. Istnieją także takie stopy, które mogą zostać poruszone radioaktywnie, co może być ponure dla załogi (np. pancerz czołgu M-1). W momencie gdy szybkie neutrony zwolnią, stracona energia może się ujawnić jako promieniowanie X. Są jednak odpowiednie osłony absorbujące neutrony, które zaopatrują pewne bezpieczeństwo przed bronią neutronową.
4.6 Bomby kobaltowe. Bomby zasolające
'Zasolająca' broń jądrowa jest zbliżona do broni typu rozszczepienie-fuzja-rozszczepienie, ale zamiast rozszczepialnego trzeciego stopnia wykorzystuje się nierozszczepialne, specyficznie dobrane izotopy radioaktywne (w wypadku bomb kobaltowych jest to Co-59). Warstwa taka asymiluje uciekające neutrony fuzyjne oraz sprawia przejście zawartego w niej izotopu do stanu radioaktywnego w celu maksymalizacji opadu radioaktywnego, a co za tym idzie skażenia terenu. Zmienny efekt skażenia uda się dokonać na skutek wykorzystania konkretnych izotopów. Złoto jest projektowane dla krótkoterminowego skażenia (trwającego dni), tantal oraz cynk dla skażenia pośredniego (trwającego miesiące), kobalt wykorzystuje się do skażania długoterminowego (lata). Aby izotop był przydatny do procesu zasolenia powinien w dużych ilościach miały miejsce w naturalnej formie, element radioaktywny natomiast powinien silnie emitować promieniowanie gamma.
Tabela 4.6-1 Typowe pierwiastki stosowane do procesu skażenia radiologicznego ('zasolania')
Forma Naturalna Obecność w przyrodzie Produkt Promieniotwórczy Okres Półrozpadu
Kobalt -59 100% Co-60 5.26 lat
Złoto-197 100% Au-198 2.697 dni
Tantal-181 99.99% Ta-182 115 dni
Cynk-64 48.89% Zn-65 244 dni
Koncepcja bomby kobaltowej powstała dzięki Leo Szilard, amerykańskiemu fizykowi pochodzenia węgierskiego, który ujawnił w lutym 1950 roku, nie jako poważną koncepcję nowej broni, ale jako bardziej prognoza możliwości skonstruowania broni, która jest w stanie wymordować wszystkich mieszkańców Ziemi. Kłopot skonstruowania takiej broni polegał na odkryciu konkretnego izotopu promieniotwórczego, który mógłby zostać rozproszony nad dużą powierzchnią ziemi nim ulegnie rozpadowi. Takie rozproszenie zajmie kilka miesięcy, albo nawet lat, więc Co-60 nadawał się do tego znakomicie. Promieniotwórczy opad Co-60 jest większy niż elementy rozszczepienia U-238 gdyż: 1) dużo elementów rozpadu to izotopy o bardzo zwięzłym czasie połowicznego rozpadu, w związku z tym rozpadają się nim wyrządzą jakieś szkody albo przed skutkiem ich działania ludzi ochronią tymczasowe bunkry; 2) dużo elementów rozszczepienia to izotopy o bardzo długim czasie połowicznego rozpadu i w związku z tym nie emitują intensywnego promieniowania; albo 3) nie każde elementy rozszczepienia ani trochę nie są radioaktywne. Czas połowicznego rozpadu Co-60 jest tak długi, by napromieniować miejsca w poważnym stopniu nim się rozpadnie a także by uczynić niepraktycznym czekanie w schronie, równocześnie będąc na tyle krótkim, aby emitować intensywne promieniowanie. Na początku promieniowanie gamma elementów rozszczepienia z bomby typu rozszczepienie-synteza-rozszczepienie jest o wiele bardziej usilne niż Co-60: 15.000 razy bardziej intensywne po godzinie; 35 razy większe po 1 tygodniu; 5 razy intensywniejsze po miesiącu i równe po połowie roku. Od tego czasu opady rozszczepialne nie promieniują tak intensywnie jak opady Co-60: 8 razy słabiej po roku i 150 razy po 5 latach. Izotopy o bardzo długim czasie połowicznego rozpadu wyprodukowane w czasie rozszczepienia znów wyprzedzą Co-60 po około 75 latach. Cynk może być także wykorzystywany do "zasolenia". Izotop Zn-64, którego 48.9% znajduje się w cynku naturalnym, może zostać przekształcony w Zn-65, który to jest emiterem promieniowania gamma o czasie połowicznego rozpadu 244 dni. Plusy z wykorzystania Zn-64 to przede wszystkim szybki rozpad połączony z intensywnym promieniowaniem. Minusem natomiast jest to, iż jest on tylko w połowie naturalnego cynku, musi być tylko wzbogacany. Jest też bardzo słabym emiterem promieniowania gamma niż Co-60, wypromieniowuje bowiem tylko 1/4 tego co kobalt o tych samych masach molowych. Natomiast gdy założymy, że użyje się czystego Zn-64, intensywność promieniotwórcza Zn-65 będzie na początku dwa razy większa od Co-60. Wartość ta będzie malała, aż po 8 miesiącach będzie wynosiła jeden (tzw. aktywność promieniotwórcza będzie taka sama), natomiast po 5 latach Co-60 będzie 110 razy silniejszy. Militarnym wykorzystaniem broni radiologicznej jest spowodowanie krajowych zanieczyszczeń, z dużą intensywnością początkowych efektów. Przedłużone zanieczyszczenie jest niewłaściwe. Zatem widać, że lekki Zn-64 jest przypuszczalnie najbardziej nadający się do wykorzystań wojskowych. Jedyną głośną próbą bomby zasolającej był brytyjski test bomby posiadającej ładunek kobaltu (Antler/Round 1, 14 wrzesień 1957). Ta 1 kt głowica została zdetonowana w pobliżu Maralingi w Australii. Doświadczenie ogłoszono za niepowodzenie w związku z tym nigdy nie wykonano go ponownie. Poza tym ewentualnością nic nie jest wiadomo o jakimś eksperymencie bomby kobaltowej albo cynkowej, i przede wszystkim nigdy takiej bomby nie skonstruowano. W świetle gotowych do wykorzystania bomb typu rozszczepienie-synteza-rozszczepienie (bomb bardzo silnych), jest nie do pomyślenia, by głowice, które skonstruowane są do skażeń radioaktywnych były wykorzystane do arsenału nuklearnego.
AnaMarie83