Cifka Miklós
Második atomfegyverkezési verseny - II. rész
A második részben bemutatjuk milyen fejlesztési korlátokba ütközött az atombomba és kitérünk az "ítéletnap" fegyverekre is.
Mint korábbi cikkünkben kifejtettük, az atombombák fejlesztésénél a hatékonyság és kezdetben a rombolóerő növelése elsődleges volt. Azonban a fissziós bomba további fejlesztése falba ütközött, mivel méreteit nem lehet korlátlanul növelni. Egyfelől mert problémás jelentősebb mennyiségű hasadóanyagot úgy beleplántálni a bombába, hogy az anyag a kritikus tömeg alatt maradjon, másfelől még nehezebb elérni, hogy a hasadóanyag nagy hatásfokkal érje el a szuperkritikus állapotot, még mielőtt a reakció szétvetné azt.
Hirosima az atomrobbanás után - mindössze 15 kilotonnás volt
A nukleáris fegyverek hatóerejét a viszonylagos robbanóerő alapján határozzák meg: nagyságrendileg mennyi hagyományos TNT (trotil, trinitro-toluol) robbanótöltet pusztító hatásának felel meg. A Hirosimára ledobott Little Boy robbanóereje mintegy 15 000 tonna (15 kilotonna) TNT-vel volt egyenértékű, a Nagaszakira ledobott Fat Man pedig nagyságrendileg 21 kilotonnával.
Tudni kell ugyanakkor, hogy a hagyományos nukleáris fegyvereknél a felszabaduló energiának csak a felét teszi ki a robbanás ereje. Körülbelül 35%-a látható és ultraibolya tartományú fény, hő, valamint röntgensugárzás útján, a maradék 15% pedig radioaktív sugárzásként realizálódik. A hagyományos fissziós bombák robbanóereje jellemzően nem megy 150-200 kilotonna fölé, a legnagyobb ilyen töltet (amennyire a hozzáférhető információk alapján ez megállapítható) 500 kilotonnás robbanóerővel bírt.
Tuningolt fissziós bomba
A maghasadásról már volt szó, ott nehézelemek bomlottak le könnyebb elemekre. Ennek ellentéte a magegyesülés, amikor könnyűizotópokból nehezebb anyagok jönnek létre. Ez a fúzió, amivel az a legnagyobb probléma, hogy hihetetlen magas hőmérsékletre (és/vagy nyomásra) van szükség, hogy beinduljon, mégpedig nagyságrendileg százmillió Celsius-fokra. Az egyik legalapvetőbb fúzió a deutérium-trícium (D-T) fúzió, amelynél a két hidrogénizotóp egy héliumatommá olvad össze, miközben neutron szabadul fel. A felszabaduló neutron határozottan jól jön a fissziós bomba hatásfokának növelésére, hiszen még több maghasadás jöhetne létre a hasadóanyagban. Így jött létre a tuningolt fissziós bomba, ahol a berobbantási térben D-T-gáz található.
A D-T fúzió lezajlása
Említettük már, hogy a fissziós bombánál a hasadóanyagnak csak egy kisebb része hasad fel a láncreakció alatt (a Little Boy esetén mindössze alig 1,4%, de a legtöbb fissziós bombánál is általában 20% alatti az arány). Ezzel a megoldással viszont a hatásfokot jelentősen meg lehet növelni, és vele együtt a robbanóerőt is. Egy önmagában 20 kilotonna TNT-vel egyenlő robbanóerejű fissziós bomba ereje a tuningnak köszönhetően mintegy 40 kilotonnára nő. Ennek megfelelően a bomba előállítási költsége is csökkenhet, hiszen az adott robbanóerőhöz kevesebb hasadóanyagra lesz szükség.
A hidrogénbomba, vagyis termonukleáris fegyver
A tuningolt fissziós bomba alapján látható, hogy lehet még több energiát kisajtolni a nukleáris bombából, csak azt kell megoldani, hogy a fúzió mértékét tovább növeljük. Teller Ede és Stanislaw Ulam közösen dolgozta ki a többfokozatú nukleáris fegyvert (így a hidrogénbombát ismerik Teller-Ulam konstrukcióként is), de később a többi nagyhatalom tudósai is feltalálták ugyanezt. A probléma az, hogy a deutérium tárolása problémás, leginkább folyékony állapotban megoldható, de egy bomba belsejében az abszolút nulla fokhoz közeli hőmérsékletet fenntartani nem egyszerű, főleg nem praktikus. Megoldásként lítium és deutérium vegyületét (lítium-deuterid) alkalmazták, amely szilárd halmazállapotú, és viszonylag olcsó.
A kétfokozatú termonukleáris bomba felépítése
A lítium-deuterid a korai hidrogénbombáknál hengeres alakban volt elhelyezve U-238 burkolatban, a közepén egy üreges rúd alakú Pu-239 vagy U-235 gyújtógyertyával. A henger előtt egy fissziós bomba foglalt helyet, melynek a felrobbanása akkora nyomást hoz létre, hogy a henger összepréselődik, a belsejében lévő gyújtógyertya szuperkritikussá válik, így a litium-deuteridben a nagy hő és a rendkívüli nyomás hatására megindul a fúziós reakció, hihetetlen mennyiségű energiát szabadítva fel. Az újabb változatokban a második fokozat nem hengeres, hanem gömb alakú a feltételezések szerint, mivel ez egyfelől kedvezőbb a második fokozat berobbanásának szempontjából, másfelől kevesebb helyet foglal el, ami a kis méretű robbanófejeknél nagy előny. A fent említett változat a kétfokozatú nukleáris fegyver, ahol az első fokozat a fissziós robbanótöltet, mely begyújtja a második fokozatot. Ezek lehetnek viszonylag "tiszta" fegyverek is, ha a felszabaduló energia nagy része a fúziós fokozatból származik (viszonylag kicsi a felszabaduló radioaktív sugárzás, és kevés a felhasználatlan, szétterülő hasadóanyag mennyisége).
A következő lépcsőfok az, amikor a második fokozat egy harmadik fokozatot (például U-238-at) bombáz gyors neutronokkal, így a harmadik fokozatban is maghasadás jön létre (fisszió-fúzió-fisszió fokozat). A kétlépcsős termonukleáris fegyver akár 20-50 millió tonna (megatonna) TNT robbanóerejét is elérheti, de az egymást követő fúziós és fissziós fokozatokkal elvileg korlátlan méretű termonukleáris robbanószerkezetett lehet létrehozni.
Az 50 megatonnás Cár volt a valaha felrobbantott legerősebb bomba
A valaha tesztelt legnagyobb nukleáris fegyver egy kétfokozatúvá visszabutított háromfokozatú szovjet bomba, a 27 tonnás Cár volt, melyet 1961. október 30-án detonáltak. Robbanóereje a becslések szerint 50 megatonna körül volt, eredeti változatában, háromfokozatú robbanás esetén pedig meghaladta volna a 100 megatonnát is.
Videó a Cár bomba tesztjéről
A neutronbomba
Ha egy kis méretű termonukleáris fegyvernél a felszabaduló neutronokat nem tartjuk bent a reakció lezajlása alatt a bomba belsejében, neutronbombát kapunk. Tömören így lehetne felvázolni e fegyver működését, amelynél a cél az volt, hogy az energia legnagyobb részét nukleáris sugárzás, elsősorban neutronsugárzás és röntgensugárzás formájában szabadítsuk fel. Egy neutronbombánál ez az arány az 50%-ot is elérheti, míg a hagyományos nukleáris fegyvereknél csak a 15%-a szabadul fel ebben a formában.
A neutronbomba két fő tervezett alkalmazási területe az ellenséges nukleáris robbanófejek tönkretétele, illetve az erős neutronbesugárzás által, ballisztikus rakéta-elhárító rakéták robbanófejeként használva. A harctéri, taktikai alkalmazás volt a másik cél: a neutronbomba robbanóereje viszonylag kicsi, de a felszabaduló neutronsugárzás elég nagy távolságból is képes halálos sugárzást okozni a területen lévő katonáknak.
Egy 1 kilotonnás neutron robbanófej felrobbanásakor az attól 690 méterre lévő korai T-72-es harckocsi személyzete szinte azonnal harcképtelen lesz, és rövid idő alatt meghal, de még ha a robbanás után egy új személyzet is száll a harckocsiba, a besugárzott acélpáncélzatból a személyzet 24 óra alatt halálos mértékű sugárzást kap. Nyílt terepen védelmi felszerelés nélkül tartózkodó katona 1100 méteres távolságon belül rövid időn belül meghal, 1350 méteren belül pedig rendkívül súlyos (mintegy 50%-os halálozási arányt jelentő) besugárzást szenved el.
A neutron robbanófejek előnye, hogy a baráti csapatokhoz viszonylag közel is bevethető, de természetesen a kockázati tényező így sem elhanyagolható. A modernebb harcjárművek egy részébe gyárilag neutronelnyelő burkolatot építenek a veszély csökkentése céljából.
Kobaltbomba, és más ítéletnap-fegyverek
Az ítéletnap-fegyverek egyik klasszikus változata az, hogy a Föld előre meghatározott pontjain egyszerre robbantanak fel nagy mennyiségű termonukleáris fegyvert, és a légkörbe kerülő radioaktív anyagok annyira elszennyezik a Föld felszínét, hogy az már alkalmatlan lesz az életre (nukleáris tél). Más elképzelések szerint föld és/vagy tenger alatti nukleáris robbantásokkal gigászi földrengéseket és szökőárat lehetne produkálni, melyek hatalmas pusztításra lennének képesek. Ezen tervek legnagyobb része azonban inkább a tudományos-fantasztikumhoz áll közel, mint a valósághoz. Persze ez nem jelenti azt, hogy az ítéletnap-fegyver teljesen fantazmagória lenne.
Szilárd Leó vetette fel először 1950-ben azt, hogy hamarosan akár olyan nukleáris fegyvereket is kifejleszthetnek, amelyekkel az egész Földön kiirtható az emberiség. A felvázolt terv alapja olyan termonukleáris fegyver, ahol a neutronsugárzás hatására egyébként stabil anyagokból (kobalt, arany, tantál vagy cink) erős gammasugárzást kibocsátó radioakítv izotópot hoz létre és szór szét az egész világon.
A nukleáris fegyverekből bizonyos mennyiségű radioaktív anyag mindenképpen a légkörbe kerül, de a legveszélyesebb keletkező izotópok viszonylag rövid felezési idejük miatt hamar el is tűnnek. A kobalt-60 izotóp azért ideális e fegyver számára, mivel 5,26 éves felezési ideje miatt kevés az esély arra, hogy egy bunkerben ki lehessen húzni addig, amíg az izotóp magától eltűnik a légkörből. Leó - aki a kezdektől fogva az atomfegyverek által felvetett morális problémák egyik fő szószólója volt - nem komoly tervként hozakodott elő ezzel a rémképpel, hanem éppen a nukleáris fegyverkezés szélsőséges veszélyére akarta felhívni a figyelmet. Amennyire tudni lehet, egyetlen ország sem készített soha kobaltbombát.
Jövőbeli atomfegyverek
Több atomhatalom is szembesült azzal a problémával, hogy a nem tudják pontosan a sokszor évtizedekkel korábban legyártott nukleáris robbanófejeik hogyan is viselkednének, ha adott esetben szükség lenne rájuk, illetve nem merültek-e fel velük kapcsolatban biztonsági problémák. Egyes rendszerben lévő nukleáris fegyverekben a hasadóanyag akár 40-45 éves is lehet. Ugyan bizonyos becslések szerint még a 100 éves hasadóanyag sem okozhat komolyabb problémát a tárolás során, illetve akkor sem, ha esetleg működésbe kellene lépnie. Más vélemények ezt a szemléletett kritizálják, és nehezményezik az atomarzenál elavulását.
Mint korábbi cikkünkben kifejtettük, az atombombák fejlesztésénél a hatékonyság és kezdetben a rombolóerő növelése elsődleges volt. Azonban a fissziós bomba további fejlesztése falba ütközött, mivel méreteit nem lehet korlátlanul növelni. Egyfelől mert problémás jelentősebb mennyiségű hasadóanyagot úgy beleplántálni a bombába, hogy az anyag a kritikus tömeg alatt maradjon, másfelől még nehezebb elérni, hogy a hasadóanyag nagy hatásfokkal érje el a szuperkritikus állapotot, még mielőtt a reakció szétvetné azt.
Hirosima az atomrobbanás után - mindössze 15 kilotonnás volt
A nukleáris fegyverek hatóerejét a viszonylagos robbanóerő alapján határozzák meg: nagyságrendileg mennyi hagyományos TNT (trotil, trinitro-toluol) robbanótöltet pusztító hatásának felel meg. A Hirosimára ledobott Little Boy robbanóereje mintegy 15 000 tonna (15 kilotonna) TNT-vel volt egyenértékű, a Nagaszakira ledobott Fat Man pedig nagyságrendileg 21 kilotonnával.
Tudni kell ugyanakkor, hogy a hagyományos nukleáris fegyvereknél a felszabaduló energiának csak a felét teszi ki a robbanás ereje. Körülbelül 35%-a látható és ultraibolya tartományú fény, hő, valamint röntgensugárzás útján, a maradék 15% pedig radioaktív sugárzásként realizálódik. A hagyományos fissziós bombák robbanóereje jellemzően nem megy 150-200 kilotonna fölé, a legnagyobb ilyen töltet (amennyire a hozzáférhető információk alapján ez megállapítható) 500 kilotonnás robbanóerővel bírt.
Tuningolt fissziós bomba
A maghasadásról már volt szó, ott nehézelemek bomlottak le könnyebb elemekre. Ennek ellentéte a magegyesülés, amikor könnyűizotópokból nehezebb anyagok jönnek létre. Ez a fúzió, amivel az a legnagyobb probléma, hogy hihetetlen magas hőmérsékletre (és/vagy nyomásra) van szükség, hogy beinduljon, mégpedig nagyságrendileg százmillió Celsius-fokra. Az egyik legalapvetőbb fúzió a deutérium-trícium (D-T) fúzió, amelynél a két hidrogénizotóp egy héliumatommá olvad össze, miközben neutron szabadul fel. A felszabaduló neutron határozottan jól jön a fissziós bomba hatásfokának növelésére, hiszen még több maghasadás jöhetne létre a hasadóanyagban. Így jött létre a tuningolt fissziós bomba, ahol a berobbantási térben D-T-gáz található.
A D-T fúzió lezajlása
Említettük már, hogy a fissziós bombánál a hasadóanyagnak csak egy kisebb része hasad fel a láncreakció alatt (a Little Boy esetén mindössze alig 1,4%, de a legtöbb fissziós bombánál is általában 20% alatti az arány). Ezzel a megoldással viszont a hatásfokot jelentősen meg lehet növelni, és vele együtt a robbanóerőt is. Egy önmagában 20 kilotonna TNT-vel egyenlő robbanóerejű fissziós bomba ereje a tuningnak köszönhetően mintegy 40 kilotonnára nő. Ennek megfelelően a bomba előállítási költsége is csökkenhet, hiszen az adott robbanóerőhöz kevesebb hasadóanyagra lesz szükség.
A hidrogénbomba, vagyis termonukleáris fegyver
A tuningolt fissziós bomba alapján látható, hogy lehet még több energiát kisajtolni a nukleáris bombából, csak azt kell megoldani, hogy a fúzió mértékét tovább növeljük. Teller Ede és Stanislaw Ulam közösen dolgozta ki a többfokozatú nukleáris fegyvert (így a hidrogénbombát ismerik Teller-Ulam konstrukcióként is), de később a többi nagyhatalom tudósai is feltalálták ugyanezt. A probléma az, hogy a deutérium tárolása problémás, leginkább folyékony állapotban megoldható, de egy bomba belsejében az abszolút nulla fokhoz közeli hőmérsékletet fenntartani nem egyszerű, főleg nem praktikus. Megoldásként lítium és deutérium vegyületét (lítium-deuterid) alkalmazták, amely szilárd halmazállapotú, és viszonylag olcsó.
A kétfokozatú termonukleáris bomba felépítése
A lítium-deuterid a korai hidrogénbombáknál hengeres alakban volt elhelyezve U-238 burkolatban, a közepén egy üreges rúd alakú Pu-239 vagy U-235 gyújtógyertyával. A henger előtt egy fissziós bomba foglalt helyet, melynek a felrobbanása akkora nyomást hoz létre, hogy a henger összepréselődik, a belsejében lévő gyújtógyertya szuperkritikussá válik, így a litium-deuteridben a nagy hő és a rendkívüli nyomás hatására megindul a fúziós reakció, hihetetlen mennyiségű energiát szabadítva fel. Az újabb változatokban a második fokozat nem hengeres, hanem gömb alakú a feltételezések szerint, mivel ez egyfelől kedvezőbb a második fokozat berobbanásának szempontjából, másfelől kevesebb helyet foglal el, ami a kis méretű robbanófejeknél nagy előny. A fent említett változat a kétfokozatú nukleáris fegyver, ahol az első fokozat a fissziós robbanótöltet, mely begyújtja a második fokozatot. Ezek lehetnek viszonylag "tiszta" fegyverek is, ha a felszabaduló energia nagy része a fúziós fokozatból származik (viszonylag kicsi a felszabaduló radioaktív sugárzás, és kevés a felhasználatlan, szétterülő hasadóanyag mennyisége).
A következő lépcsőfok az, amikor a második fokozat egy harmadik fokozatot (például U-238-at) bombáz gyors neutronokkal, így a harmadik fokozatban is maghasadás jön létre (fisszió-fúzió-fisszió fokozat). A kétlépcsős termonukleáris fegyver akár 20-50 millió tonna (megatonna) TNT robbanóerejét is elérheti, de az egymást követő fúziós és fissziós fokozatokkal elvileg korlátlan méretű termonukleáris robbanószerkezetett lehet létrehozni.
Az 50 megatonnás Cár volt a valaha felrobbantott legerősebb bomba
A valaha tesztelt legnagyobb nukleáris fegyver egy kétfokozatúvá visszabutított háromfokozatú szovjet bomba, a 27 tonnás Cár volt, melyet 1961. október 30-án detonáltak. Robbanóereje a becslések szerint 50 megatonna körül volt, eredeti változatában, háromfokozatú robbanás esetén pedig meghaladta volna a 100 megatonnát is.
Videó a Cár bomba tesztjéről
A neutronbomba
Ha egy kis méretű termonukleáris fegyvernél a felszabaduló neutronokat nem tartjuk bent a reakció lezajlása alatt a bomba belsejében, neutronbombát kapunk. Tömören így lehetne felvázolni e fegyver működését, amelynél a cél az volt, hogy az energia legnagyobb részét nukleáris sugárzás, elsősorban neutronsugárzás és röntgensugárzás formájában szabadítsuk fel. Egy neutronbombánál ez az arány az 50%-ot is elérheti, míg a hagyományos nukleáris fegyvereknél csak a 15%-a szabadul fel ebben a formában.
A neutronbomba két fő tervezett alkalmazási területe az ellenséges nukleáris robbanófejek tönkretétele, illetve az erős neutronbesugárzás által, ballisztikus rakéta-elhárító rakéták robbanófejeként használva. A harctéri, taktikai alkalmazás volt a másik cél: a neutronbomba robbanóereje viszonylag kicsi, de a felszabaduló neutronsugárzás elég nagy távolságból is képes halálos sugárzást okozni a területen lévő katonáknak.
Egy 1 kilotonnás neutron robbanófej felrobbanásakor az attól 690 méterre lévő korai T-72-es harckocsi személyzete szinte azonnal harcképtelen lesz, és rövid idő alatt meghal, de még ha a robbanás után egy új személyzet is száll a harckocsiba, a besugárzott acélpáncélzatból a személyzet 24 óra alatt halálos mértékű sugárzást kap. Nyílt terepen védelmi felszerelés nélkül tartózkodó katona 1100 méteres távolságon belül rövid időn belül meghal, 1350 méteren belül pedig rendkívül súlyos (mintegy 50%-os halálozási arányt jelentő) besugárzást szenved el. A neutron robbanófejek előnye, hogy a baráti csapatokhoz viszonylag közel is bevethető, de természetesen a kockázati tényező így sem elhanyagolható. A modernebb harcjárművek egy részébe gyárilag neutronelnyelő burkolatot építenek a veszély csökkentése céljából.
Kobaltbomba, és más ítéletnap-fegyverek
Az ítéletnap-fegyverek egyik klasszikus változata az, hogy a Föld előre meghatározott pontjain egyszerre robbantanak fel nagy mennyiségű termonukleáris fegyvert, és a légkörbe kerülő radioaktív anyagok annyira elszennyezik a Föld felszínét, hogy az már alkalmatlan lesz az életre (nukleáris tél). Más elképzelések szerint föld és/vagy tenger alatti nukleáris robbantásokkal gigászi földrengéseket és szökőárat lehetne produkálni, melyek hatalmas pusztításra lennének képesek. Ezen tervek legnagyobb része azonban inkább a tudományos-fantasztikumhoz áll közel, mint a valósághoz. Persze ez nem jelenti azt, hogy az ítéletnap-fegyver teljesen fantazmagória lenne.
Szilárd Leó vetette fel először 1950-ben azt, hogy hamarosan akár olyan nukleáris fegyvereket is kifejleszthetnek, amelyekkel az egész Földön kiirtható az emberiség. A felvázolt terv alapja olyan termonukleáris fegyver, ahol a neutronsugárzás hatására egyébként stabil anyagokból (kobalt, arany, tantál vagy cink) erős gammasugárzást kibocsátó radioakítv izotópot hoz létre és szór szét az egész világon.
 Szilárd Leo 1949-ben |
Jövőbeli atomfegyverek
Több atomhatalom is szembesült azzal a problémával, hogy a nem tudják pontosan a sokszor évtizedekkel korábban legyártott nukleáris robbanófejeik hogyan is viselkednének, ha adott esetben szükség lenne rájuk, illetve nem merültek-e fel velük kapcsolatban biztonsági problémák. Egyes rendszerben lévő nukleáris fegyverekben a hasadóanyag akár 40-45 éves is lehet. Ugyan bizonyos becslések szerint még a 100 éves hasadóanyag sem okozhat komolyabb problémát a tárolás során, illetve akkor sem, ha esetleg működésbe kellene lépnie. Más vélemények ezt a szemléletett kritizálják, és nehezményezik az atomarzenál elavulását.