Cifka Miklós
Második atomfegyverkezési verseny - I. rész
1945, az Egyesült Államok által Japán ellen bevetett atombombák óta az atomfegyverek árnyékában élünk.
Amerikának 1942-től 1945-ig hihetetlen erőfeszítésébe került az első atombomba kifejlesztése, de kétségkívül kifizetődő volt. Az atomfegyverek a legfélelmetesebb tömegpusztító fegyverek, melyek nem csak hatalmas pusztításra képesek, de alkalmazásuk után évekkel is áldozatokat szedhet az általuk kibocsátott radioaktív sugárzás. Noha az atomfegyverek előállítása komoly összegekbe kerül, mégis kétségkívül a politikai hadszíntér jolly jokere lett a hidegháborúban, és még ma is az, amint az láthatjuk Észak-Korea illetve Irán esetében. Ebben a cikkben egy rövid áttekintést szeretnénk adni az atomfegyverek felépítéséről, a gyártásukkor felmerülő nehézségekről, illetve arról, hogy ki és miért akar ilyen fegyver a birtokában lenni.
A fissziós (maghasadás elvén működő) egyszerű atomfegyverek a maghasadás láncreakciójára épülnek. A maghasadásnál egy neutron kettéhasít egy nehéz atommagot, ami könnyebb atommá alakul, és közben jelentős mennyiségű energia szabadul fel. Ha a felszabaduló neutronok kellő mennyiségben tudnak újabb atommagokat széthasítani, akkor beindulhat a láncreakció. Ehhez az szükséges, hogy a reakció folyamán legalább kettő vagy több szabad neutron keletkezzen, valamint hogy a neutron lehetőleg újabb maghasadást tudjon okozni. Ha a maghadásból felszabaduló neutronok közül átlagosan egy okoz újabb maghasadást, az a kritikus állapot, ekkor a láncreakció stabil - ez zajlik az atomreaktorokban.
Ha ez az arány átlagosan egy alá csökken, az anyag szubkritikus, és a láncreakció előbb-utóbb leáll. Ha viszont a maghasadásból felszabaduló neutronok több atommagot is szét tudnak hasítani, akkor szuperkritikus állapotról beszélünk, vagyis a láncreakció megfut. Az atomfegyvereknél a cél az, hogy minimális idő (a másodperc milliomod, milliárdod része) alatt minél több maghasadás jöjjön létre, hogy a hirtelen felszabaduló energia hatalmas robbanásban szabaduljon fel. Fontos megjegyezni az időtényezőt: az atombombák még azelőtt felrobbannak, hogy az összes hasadóanyag felemésztődne a láncreakcióban, vagyis a hasadóanyag egy része mindenképpen kihasználatlan marad. Még a legfejlettebb nukleáris fegyverek hatásfoka is csak 40% körül mozog, az egyszerűbb atomfegyvereknél pedig csupán néhány százalék körül van.
A fissziós reakciókhoz hasadóképes anyagra van szükség. A két leggyakrabban használt hasadóanyag két nehézfém, az urán-235 (U-235) és a plutónium-239 (Pu-239). Ugyan elviekben más hasadóanyagok is szóba jöhetnének, de a természetben csak az U-235 található meg, az is viszonylag kis mennyiségben. Mivel felezési ideje 712 millió év, így a természetes uránércnek már csak mintegy 0,72%-a U-235, és, ha nagyon lassan is, de egyre csökken ez az arány.
A reakció beindulásához szükség van egy ún. kritikus tömeg eléréséhez, amit befolyásol az adott hasadóanyag tisztasága, mérete és alakja. Az U-235 kritikus tömege gömb formában mintegy 47 kg, a Pu-239-nek 10 kg körüli. Noha ez a szám látszólag igen kicsinek tűnik, az U-235 aránya a természetes uránércben mindössze 0,7%, a katonai célú felhasználáshoz viszont 80-90% felettinek kell lennie, amihez dúsítani kell, helyesebben fogalmazva csökkenteni a szennyező anyagok, mint az U-238 arányát.
Ez igencsak nehéz művelet, mivel az U-235 és az U-238 tulajdonságaikban nagyon közel áll egymáshoz, így idő- és energiaigényes módszerekkel lehet csak szétválasztani őket. A Manhattan-terv keretében az 1940-es évek közepén az urándúsításhoz hatalmas gyárakat kellett felhúzni, amelyek gigászi mennyiségű elektromos energiát és vizet igényeltek - ezek a dúsítók vitték el a teljes Manhattan program költségvetésének mintegy 90%-át! Jelenleg a legáltalánosabb és leghatékonyabb megoldás az, hogy speciális centrifugák segítségével dúsítják az uránt.
Ezekbe a Zippe-féle centrifugákba urán-hexafluoridot (UF6) táplálnak be. Az U-238 a mintegy 90 000-es fordulatszámon pörgő dob belső palástja mentén, a kicsivel könnyebb U-235 pedig a dob tengelyében gyűlik össze. A szétválást további hevítéssel könnyítik meg, majd a gázokat kivezetik a dobból. A dobot mágneses elven működő csapágyak tartják a helyén, és légüres térben forog, hogy csökkentsék az ellenállást (a kerületi sebesség a legtöbb centrifuga esetén hangsebesség felett van).
Ezek a centrifugák igen magas szintű gyártástechnológiát követelnek meg, és nem olcsó darabok, ráadásul a megfelelő tisztaságú U-235 előállításához egymás után többször is el kell végezni az eljárást a kinyert gázon, hogy eltávolítsák belőle az U-238-at. Mégpedig sokkal többször, mint a legtöbb civil célú reaktorok esetében - például a paksi atomerőműbe kerülő fűtőanyag-kazetták üzemanyagának csak mintegy 3,6% az U-235-tartalma, míg ugye a katonai célú hasadóanyag ideális esetben 90%-os vagy még nagyobb tisztaságú urán kell. Látható tehát, hogy a civil és a katonai célú U-235-dúsítás között nagyon komoly a különbség.
Egy urándúsító centrifugakaszkád
Egyetlen ilyen centrifuga egy év alatt csak alig pár gramm katonai szintre dúsított U-235-öt képes előállítani. Egy U-235 hasadóanyagú fissziós bomba létrehozásához nagyságrendileg ezer ilyen másfél méter átmérőjű, szuperszonikus sebességgel forgó centrifuga egy éves, folyamatos munkája szükséges. A plutónium előállítása valamivel egyszerűbb. Az U-238 neutronbesugárzásra Pu-239-cé alakul. A nukleáris reaktorokban ez a folyamat állandó, de ez az anyag újabb neutron hatására Pu-240-né alakul tovább, amely már elvileg nem használható nukleáris robbanótöltetbe, mivel a Pu-240 túl sok neutront szabadít fel spontán. Ahhoz, hogy a kinyerhető anyag ne legyen túl szennyezett, a reaktorból viszonylag rövid idő alatt el kell távolítani a Pu-239-et tartalmazó fűtőrudat, melyből kémiai úton kivonható a szükséges izotóp.
Ha a fűtőelemeket nem távolítják el, vagyis üzemszerűen, békés céllal használják a reaktort, akkor a keletkező Pu-239 folyamatosan Pu-240-né alakul, így a kiégett fűtőelemekben lévő Pu-239-tartalom túl szennyezett lesz. A katonai célú plutónium csak legfeljebb 7%-ban tartalmaz Pu-240-et, ideális esetben pedig csupán 2-3%-ot. A civil reaktorokból kikerülő plutónium azonban akár 20%-nál is több Pu-240-plutónium-izotópot tartalmazhat.
Az X-10 plutóniumgyártó kísérleti reaktor 1943-ban
Noha az általános vélemény az, hogy ez a plutónium nem használható atomfegyverben, ezt némi kétkedéssel kell fogadnunk. Anglia 1953-ban egy kísérleti atombombát robbantott fel, a Totem I-et, ami hagyományos nukleáris reaktorból kikerült plutóniumból készült. Legalább 17%-os volt a Pu-240 tartalma, célja pedig pont az volt, hogy tapasztalatokat gyűjtsenek a Pu-240 szennyezésről. India legalább egy kis robbanóerejű kisérleti töltetett robbantott fel, amely civil nukleáris reaktorból származó plutóminot használt.
Ugyan kétségkívűl nem ideális az ilyen kiégett civil reaktor-fűtőanyagból származó plutónium egy nukleáris fegyver létrehozására, de a jelek szerint korántsem lehetetlen. A nagyhatalmak általában speciális reaktorokat használtak, melyek feladata kifejezetten a Pu-239 előállítása volt, de mára ezek jó részét leállították, mivel egyfelől kevés új plutónium fegyver készül, ráadásul a nukleáris leszerelés miatt sok bombát szétszereltek, amelyekből szintén jelentős mennyiségű plutónium került a raktárakba. A mai napig mintegy 300 tonna katonai célú plutóniumot gyártottak, az USA mintegy 100 tonnát, Szovjetunió/Oroszország körülbelül 180 tonnát, Franciaország, Anglia és Kína pedig 12 tonna körül.
A bomba alapvető működése
Adva van tehát a szükséges mennyiségű U-235 vagy Pu-239 hasadóanyagunk. De hogyan fogjuk elérni, hogy rövid idő alatt megfusson a reakció? Ez két fő eljárással valósítható meg. Az elsőnél két vagy több, a kritikus tömegnél kisebb anyagmennyiséget robbanótöltetekkel összelöknek, amihez általában plusz neutronforrást is biztosítanak, hogy a láncreakció garantáltan beinduljon. A hirtelen megfutó reakciót a gyors neutronok hozzák létre. Rövid idő alatt hatalmas energiák szabadulnak fel, és a másodperc milliomod része alatt több millió fokos hőmérséklet keletkezik.
Ez az eljárás egyszerű, és a hatása sem kérdéses. Ilyen elven működött a Little Boy, amit Hirosimára dobtak le 1945 augusztusában. Azonban ez az eljárás csak U-235 esetén működhet, Pu-239 esetén nem, mivel abból nagyobb számban szabadulnak fel spontán neutronok, és a láncreakció által keletkező hő egyszerűen szétvetné a bombát, mielőtt a részek megfelelően egybeérnének, és kellően reaktívvá válna. Ennek a problémának a megoldására dolgozták ki a berobbantásnak nevezett megoldást.
Itt a reakcióanyag egy üreges gömb (de egyes bombáknál később állítólag áttértek az amerikai focilabdára emlékeztető alakra), amely körül robbanóanyag van. A robbanóanyagnak igen rövid idő alatt kell a Pu-239-et egyetlen pontba összenyomnia. A hirtelen felületcsökkenés (ahol a keletkező neutronok megszökhetnek) és a megnőtt sűrűség miatt szuperkritikussá válik az anyag. A reakció megindulását itt is egy neutronforrás biztosítja, és egy U-238- vagy berilliumtükör veszi körbe a plutóniummagot, amely nagyban javítja a fegyver hatásfokát.
A modern, összetett berobbantási módszerekkel hatásosan lehet csökkenteni a szükséges reakcióanyag mennyiségét. Amíg egy tiszta Pu-239 hasadóanyag kritikus tömege gömb formában mintegy 10 kg körüli, berobbantásos eljárással ez 4 kg-ra, a fejlettebb berobbantásos megoldásokkal pedig egyes becslések szerint akár 1-2 kg-ra is lecsökkenthető. A berobbantásos eljárás használható az U-235-bombáknál is, ahol a kritikus tömeg mintegy 15 kg-ra csökkenthető le.
Amerikának 1942-től 1945-ig hihetetlen erőfeszítésébe került az első atombomba kifejlesztése, de kétségkívül kifizetődő volt. Az atomfegyverek a legfélelmetesebb tömegpusztító fegyverek, melyek nem csak hatalmas pusztításra képesek, de alkalmazásuk után évekkel is áldozatokat szedhet az általuk kibocsátott radioaktív sugárzás. Noha az atomfegyverek előállítása komoly összegekbe kerül, mégis kétségkívül a politikai hadszíntér jolly jokere lett a hidegháborúban, és még ma is az, amint az láthatjuk Észak-Korea illetve Irán esetében. Ebben a cikkben egy rövid áttekintést szeretnénk adni az atomfegyverek felépítéséről, a gyártásukkor felmerülő nehézségekről, illetve arról, hogy ki és miért akar ilyen fegyver a birtokában lenni.
 Nagy tisztaságú U-235 fém |
Ha ez az arány átlagosan egy alá csökken, az anyag szubkritikus, és a láncreakció előbb-utóbb leáll. Ha viszont a maghasadásból felszabaduló neutronok több atommagot is szét tudnak hasítani, akkor szuperkritikus állapotról beszélünk, vagyis a láncreakció megfut. Az atomfegyvereknél a cél az, hogy minimális idő (a másodperc milliomod, milliárdod része) alatt minél több maghasadás jöjjön létre, hogy a hirtelen felszabaduló energia hatalmas robbanásban szabaduljon fel. Fontos megjegyezni az időtényezőt: az atombombák még azelőtt felrobbannak, hogy az összes hasadóanyag felemésztődne a láncreakcióban, vagyis a hasadóanyag egy része mindenképpen kihasználatlan marad. Még a legfejlettebb nukleáris fegyverek hatásfoka is csak 40% körül mozog, az egyszerűbb atomfegyvereknél pedig csupán néhány százalék körül van. A fissziós reakciókhoz hasadóképes anyagra van szükség. A két leggyakrabban használt hasadóanyag két nehézfém, az urán-235 (U-235) és a plutónium-239 (Pu-239). Ugyan elviekben más hasadóanyagok is szóba jöhetnének, de a természetben csak az U-235 található meg, az is viszonylag kis mennyiségben. Mivel felezési ideje 712 millió év, így a természetes uránércnek már csak mintegy 0,72%-a U-235, és, ha nagyon lassan is, de egyre csökken ez az arány.
A reakció beindulásához szükség van egy ún. kritikus tömeg eléréséhez, amit befolyásol az adott hasadóanyag tisztasága, mérete és alakja. Az U-235 kritikus tömege gömb formában mintegy 47 kg, a Pu-239-nek 10 kg körüli. Noha ez a szám látszólag igen kicsinek tűnik, az U-235 aránya a természetes uránércben mindössze 0,7%, a katonai célú felhasználáshoz viszont 80-90% felettinek kell lennie, amihez dúsítani kell, helyesebben fogalmazva csökkenteni a szennyező anyagok, mint az U-238 arányát.
 A Zippe-féle centrifuga |
Ezekbe a Zippe-féle centrifugákba urán-hexafluoridot (UF6) táplálnak be. Az U-238 a mintegy 90 000-es fordulatszámon pörgő dob belső palástja mentén, a kicsivel könnyebb U-235 pedig a dob tengelyében gyűlik össze. A szétválást további hevítéssel könnyítik meg, majd a gázokat kivezetik a dobból. A dobot mágneses elven működő csapágyak tartják a helyén, és légüres térben forog, hogy csökkentsék az ellenállást (a kerületi sebesség a legtöbb centrifuga esetén hangsebesség felett van).
Ezek a centrifugák igen magas szintű gyártástechnológiát követelnek meg, és nem olcsó darabok, ráadásul a megfelelő tisztaságú U-235 előállításához egymás után többször is el kell végezni az eljárást a kinyert gázon, hogy eltávolítsák belőle az U-238-at. Mégpedig sokkal többször, mint a legtöbb civil célú reaktorok esetében - például a paksi atomerőműbe kerülő fűtőanyag-kazetták üzemanyagának csak mintegy 3,6% az U-235-tartalma, míg ugye a katonai célú hasadóanyag ideális esetben 90%-os vagy még nagyobb tisztaságú urán kell. Látható tehát, hogy a civil és a katonai célú U-235-dúsítás között nagyon komoly a különbség.
Egy urándúsító centrifugakaszkád
Egyetlen ilyen centrifuga egy év alatt csak alig pár gramm katonai szintre dúsított U-235-öt képes előállítani. Egy U-235 hasadóanyagú fissziós bomba létrehozásához nagyságrendileg ezer ilyen másfél méter átmérőjű, szuperszonikus sebességgel forgó centrifuga egy éves, folyamatos munkája szükséges. A plutónium előállítása valamivel egyszerűbb. Az U-238 neutronbesugárzásra Pu-239-cé alakul. A nukleáris reaktorokban ez a folyamat állandó, de ez az anyag újabb neutron hatására Pu-240-né alakul tovább, amely már elvileg nem használható nukleáris robbanótöltetbe, mivel a Pu-240 túl sok neutront szabadít fel spontán. Ahhoz, hogy a kinyerhető anyag ne legyen túl szennyezett, a reaktorból viszonylag rövid idő alatt el kell távolítani a Pu-239-et tartalmazó fűtőrudat, melyből kémiai úton kivonható a szükséges izotóp.
Ha a fűtőelemeket nem távolítják el, vagyis üzemszerűen, békés céllal használják a reaktort, akkor a keletkező Pu-239 folyamatosan Pu-240-né alakul, így a kiégett fűtőelemekben lévő Pu-239-tartalom túl szennyezett lesz. A katonai célú plutónium csak legfeljebb 7%-ban tartalmaz Pu-240-et, ideális esetben pedig csupán 2-3%-ot. A civil reaktorokból kikerülő plutónium azonban akár 20%-nál is több Pu-240-plutónium-izotópot tartalmazhat.
Az X-10 plutóniumgyártó kísérleti reaktor 1943-ban
Noha az általános vélemény az, hogy ez a plutónium nem használható atomfegyverben, ezt némi kétkedéssel kell fogadnunk. Anglia 1953-ban egy kísérleti atombombát robbantott fel, a Totem I-et, ami hagyományos nukleáris reaktorból kikerült plutóniumból készült. Legalább 17%-os volt a Pu-240 tartalma, célja pedig pont az volt, hogy tapasztalatokat gyűjtsenek a Pu-240 szennyezésről. India legalább egy kis robbanóerejű kisérleti töltetett robbantott fel, amely civil nukleáris reaktorból származó plutóminot használt.
 Egy 11 cm átmérőjű, 5,3kg-os, 99,96%-os tisztaságú Pu-239-gyűrű |
A bomba alapvető működése
Adva van tehát a szükséges mennyiségű U-235 vagy Pu-239 hasadóanyagunk. De hogyan fogjuk elérni, hogy rövid idő alatt megfusson a reakció? Ez két fő eljárással valósítható meg. Az elsőnél két vagy több, a kritikus tömegnél kisebb anyagmennyiséget robbanótöltetekkel összelöknek, amihez általában plusz neutronforrást is biztosítanak, hogy a láncreakció garantáltan beinduljon. A hirtelen megfutó reakciót a gyors neutronok hozzák létre. Rövid idő alatt hatalmas energiák szabadulnak fel, és a másodperc milliomod része alatt több millió fokos hőmérséklet keletkezik.
Itt a reakcióanyag egy üreges gömb (de egyes bombáknál később állítólag áttértek az amerikai focilabdára emlékeztető alakra), amely körül robbanóanyag van. A robbanóanyagnak igen rövid idő alatt kell a Pu-239-et egyetlen pontba összenyomnia. A hirtelen felületcsökkenés (ahol a keletkező neutronok megszökhetnek) és a megnőtt sűrűség miatt szuperkritikussá válik az anyag. A reakció megindulását itt is egy neutronforrás biztosítja, és egy U-238- vagy berilliumtükör veszi körbe a plutóniummagot, amely nagyban javítja a fegyver hatásfokát.
