Broń jądrowa (atomowa, nuklearna) jest bronią masowego rażenia. Swoja niszczącą siłę bierze z rozszczepienia jąder izotopów uranu (233U, 235U) bądź plutonu (239Pu, 241Pu) lub syntezy jąder izotopów wodoru (deuter-tryt). Ten ostatni rodzaj broni nazywany jest bronią termojądrową i charakteryzuje się znacznie większą siłą niszczącą niż "zwykła" bomba jądrowa. W bombie nuklearnej rozpadające się jądra emitują neutrony, które rozbijają inne jądra, wywołując reakcję łańcuchową. Aby mogła zajść taka reakcja musi zostać przekroczona tzw. masa krytyczna. Masa krytyczna materiału rozszczepialnego, jest to taka jego masa, przy której reakcja rozszczepiania przebiega w sposób łańcuchowy, ale liniowy, tj. gdy rozszczepienie jednego jądra inicjuje dokładnie jedno rozszczepienie innego jądra. Poniżej masy krytycznej reakcja rozszczepiania jąder samoistnie zaniknie, natomiast powyżej masy krytycznej (w masie nadkrytycznej) zjawisko rozszczepiania jąder atomowych będzie zachodzić w sposób lawinowy. Wartość masy krytycznej zależy od rodzaju materiału rozszczepialnego, np. dla izotopów uranu 233U i 235U wynosi odpowiednio 15 kg i 50 kg, natomiast dla plutonu 239Pu 10 kg. Podane masy dotyczą czystych izotopów uformowanych w kule. Wielkości te ulegają zmniejszeniu, jeśli materiał będzie ekranowany, tzn. jeśli zostanie otoczony reflektorem czyli materiałem odbijającym neutrony (np. warstwą grafitu).

Zasada działania bomby termojądrowej polega na wysoce energetycznej syntezie deuteru i trytu. Do zajścia tej reakcji konieczne jest dostarczenie do układu dużej ilości energii w postaci wysokoenergetycznych neutronów, stąd inicjatorem jej jest klasyczna bomba nuklearna.

Kluczem do budowy bomby nuklearnej było odkrycie w 1938 roku przez niemieckich naukowców Otto Hahniego i Fritza Strassmanna oraz Otto Frischa i Lisę Meitner procesu rozszczepienia jąder uranu. Pod koniec grupa badaczy, którzy wyemigrowali z Europy do Stanów Zjednoczonych ogłosili, że możliwe jest wyprodukowanie broni jądrowej. Wśród owych emigrantów znajdował się m.in. Albert Einstein.

Wyprodukowanie pierwszej bomby atomowej trwało około 3 lat. Dokonał tego zespół pracujący pod kierownictwem Roberta Oppenheimera w laboratoriach w Los Alamos w stanie Nowy Meksyk. Ten ściśle tajny projekt nazywany był Projektem Manhattan.

Pierwszą testową bombę zdetonowano na powierzchni ziemi 16 lipca 1945 roku na poligonie niedaleko miasteczka Alamogordo w stanie Nowy Meksyk. Użytym do jej budowy materiałem rozszczepialnym był pluton . Pierwszymi testowanymi w warunkach bojowych bombami nuklearnymi były bomby zwane Little Boy i Fat Man. Pierwsza z nich zrzucona została na japońskie miasto Hiroshima 6 sierpnia 1945, zaś druga 9 sierpnia na Nagasaki. W bombie zrzuconej na Hiroshimę jako materiału rozszczepialnego użyto uranu, natomiast w bombie zdetonowanej w Nagasaki wykorzystano pluton. Różnice w budowie tych bomb wynikały z chęci porównania działania różnych materiałów. Obie eksplozje były eksplozjami nadziemnymi. Bomby wybuchły na wysokościach około 600 metrów nad ziemią. Detonacja bomb na tej wysokości pozwalała zwiększyć zniszczenia spowodowane falą uderzeniową i promieniowanie świetlne.

Bomba atomowa w Hiroshimie eksplodowała nad śródmieściem. Wybuch nastąpił o godzinie 8:16:02 zabijając w jednej chwili blisko 80 000 osób, a ciężko raniąc prawie 35 000. Prawie 14 000 osób zaginęło, natomiast dziesiątki tysięcy zostało napromieniowanych lub rannych w sposób pośredni.

Eksplozja w Nagasaki nastąpiła nad peryferiami miasta, nad niezamieszkałego terenu. Celem była Fabryka Wojskowa Mitsubishi. Mimo takiego stanu rzeczy w wyniku tego ataku zginęło prawie 75 000 osób, a około 40% miasta zostało całkowicie zniszczona lub poważnie uszkodzona.

W toku dalszych prac nad rozwojem tego typu broni opracowano projekt bomby wodorowej (termojądrowej). 1 listopada 1952 roku grupa amerykańskich fizyków na czele z Edwardem Tellerem zdetonowali pierwszą taką konstrukcję na atolu Eniwetok. Paliwem termojądrowym w tej bombie był deuter i tryt. Eksplodowała ona z siłą równoważną 10 megatonom trotylu, co odpowiada w przybliżeniu około 700 bombom atomowym o sile tej użytej do ataku na Hiroszimę.

Od momentu pierwszej eksplozji amerykańskiej bomby na pustyni w Nowym Meksyku wiele państw posiadło umiejętność budowy bomb nuklearnych i wykonywało ich testy zarówno w atmosferze, jak i pod ziemią. W latach 1945-98 na naszej planecie przeprowadzone zostało ponad 2050 testów. Najwięcej z nich przeprowadziły Stany Zjednoczone oraz ZSRR, a także Francja. Około 25% tych prób, to były eksplozje atmosferyczne. Ze względu na ich wysoką szkodliwość zdrowotną zaniechano ich.

Rażące działanie broni jądrowej

Ładunki jądrowe mogą być przenoszone drogą lotniczą, wystrzeliwane jako pociski artyleryjskie lub rakietowe. Rażące działanie broni jądrowej polega na wytworzeniu pięciu zjawisk. Należą do nich:

  • fala uderzeniowa
  • promieniowanie cieplne
  • promieniowanie przenikliwe
  • skażenie promieniotwórcze
  • impuls magnetyczny

Jednym z najistotniejszych czynników destrukcyjnych eksplozji ładunku jądrowego jest fala uderzeniowa. Falą uderzeniową nazywamy zjawisko rozchodzenia się warstwy gazów z prędkością większą od lokalnej prędkości dźwięku. W przypadku ziemskiej atmosfery wartość tej prędkości wynosi około 330 m/s czyli około 1200 km/h, zwana też prędkością 1 Macha. Fala uderzeniowa może również rozprzestrzeniać się jako zespół fal na przemian o wysoki i niskim ciśnieniu.

Poruszająca się fala uderzeniowa bezpośrednio wpływa na otoczenie. Ciśnienie wywierane przez gazy powoduje niszczenie budynków, powalanie, łamanie, odkształcanie infrastruktury naziemnej, pojazdów oraz flory, w tym głównie drzew. Zabójczy wpływ fali uderzeniowej na ludzi i inne organizmy żywe objawia się w dwojaki sposób. Ciśnienie gazów może bezpośrednio oddziaływać na ludzi lub poprzez przedmioty niesione jego siłą. Fala uderzeniowa rozchodzi się promieniście, a jej siła spada dość szybko wraz ze wzrostem odległości o centrum eksplozji. Po osłabnięciu fala uderzeniowa rozchodzi się dalej jako fala dźwiękowa. W przypadku eksplozji jądrowej na lub nad terenem u urozmaiconej morfologii może następować odbijanie fali uderzeniowej i powracanie jej na teren, przez który już przeszła.

Jedynym przypadkiem, gdy fala uderzeniowa nie ma znaczenia, jest wybuch bomby neutronowej. Jej niszczące działanie polega na innej zasadzie.

Promieniowanie cieplne jest falą magnetyczną wysyłaną przez każde ciało, którego temperatura jest wyższa od zera bezwzględnego (0K). W efekcie wybuchu jądrowego z jej ładunku powstaje chmura gazów o wysokim ciśnieniu i wysokiej temperaturze oscylującej wokół miliona stopni. Gazy te w tak wysokiej temperaturze wysyłają duże ilości promieniowania w zakresie fal podczerwonych, widzialnych i ultrafioletowych. Rozchodzi się ono z prędkością światła, czyli 300 km/h. Promieniowanie cieplne stanowi około 35% energii całkowitej wybuchu ładunku nuklearnego. Rozchodząca się fala termiczna powoduje pożary infrastruktury bombardowanego terenu, flory, w tym zwłaszcza lasów oraz w tym ludzi i zwierząt. W zależności od odległości od centrum eksplozji może nastąpić odparowanie organizmów żywych bądź ich poparzenie.

Drugim rodzajem promieniowania będącym czynnikiem rażącym przy wybuchu jądrowym jest promieniowanie przenikliwe. Na ten rodzaj promieniowania składa się głównie promieniowanie gamma i promieniowanie neutronowe. Jak wskazuje jego nazwa ma ono zdolność silnego przenikania przez napotykane przeszkody o znacznej grubości, tak więc pomimo krótkiego czasu jego występowania po wybuchu, rzędu 10-15 s, jest ono czynnikiem silnie rażącym. Działając na organizmy żywe powoduje ono tzw. chorobę popromienną, która w zależności od otrzymanej dawki może być śmiertelna. Energia promieniowania przenikliwego, to około 5% całej energii wybuchu bomby jądrowej.

Promieniowania gamma jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali do 10 pm, niosącym ze sobą znaczne energie. Przemiana promieniotwórcza pierwiastków powoduje wydzielanie energii, która pochłaniana jest przez atomy, a następnie wydzielana przez nie w postaci tegoż właśnie promieniowania. Jest to promieniowanie jonizujące, wysoce przenikliwe. Z łatwością przechodzi przez ściany budynków, organizmy żywe jonizując je. Dla ochrony przed tym promieniowaniem konieczne jest budowanie specjalnych schronów, których ściany wyłożone są grubą warstwą ołowiu.

Promieniowanie neutronowe będące częścią rażącego wpływu eksplozji bomby jądrowej to energia przemieszczających się neutronów. Emitowanie neutronów podczas wybuchu zachodzi w dwojaki sposób: natychmiastowy i opóźniony. Neutrony natychmiastowe emitowane są w trakcie eksplozji w czasie około 10 μs. Neutrony natychmiastowe powstają w procesie rozszczepienia lub proces rozszczepienia i syntezy paliwa nuklearnego. Neutrony opóźnione emitowane są przez produkty rozszczepienia, bądź produkty rozszczepienia i syntezy materiału nuklearnego. Dominująca jego część emitowane jest w okresie 10 s po wybuchu bomby.

Kolejnym czynnikiem rażenia broni jądrowej jest skażenie promieniotwórcze. Powodowane jest ono przez opadający materiał radioaktywny powstały w eksplozji nuklearnej, a także materiał stający się promieniotwórczym w wyniku jego jonizacji (promieniotwórczość wzbudzona). Skażenie promieniotwórcze dzielimy na skażenie pierwotne i skażenie wtórne. Pierwszy rodzaj skażenia powstaje w wyniku opadania materiału promieniotwórczego po wybuchu bomby. Skażenie wtórne natomiast jest efektem kontaktu ze skażonymi substancjami, bądź przebywania na skażonym terenie.

Ostatnim elementem rażenia broni jądrowej jest impuls elektromagnetyczny. Pod tą nazwą kryje się nagle wygenerowane pole elektromagnetyczne o bardzo wysokim natężeniu. Indukuje ono w urządzeniach elektrycznych i elektronicznych wysokie napięcie elektryczne, które powoduje ich zniszczenie. Impuls elektromagnetyczny powstaje w wyniku oddziaływanie promieni gamma z gazami zawartymi w ziemskiej atmosferze.

Impuls elektromagnetyczny nie wpływa w sposób szkodliwy na organizmy żywe.

Budowa i rodzaje broni jądrowych

Budowa bomb jądrowych

Ze względu na budowę wyróżniamy trzy rodzaje bomb jądrowych: bomby o ładunku jednofazowym, dwufazowym i trójfazowym.

Bomba o ładunku jednofazowym, to zwykła bomba atomowa, której działanie polega na lawinowym rozszczepieniu jąder materiału nuklearnego.

W przypadku bomby o ładunku dwufazowym, zwanej inaczej dwustopniową, mamy do czynienia z dwoma reakcjami: reakcją lawinowego rozszczepienia jąder materiału radioaktywnego oraz syntezy jąder lekkich pierwiastków - deuteru i trytu. W wyniku eksplozji zwykłej bomby atomowej następuje bardzo wysoki wzrost temperatury oraz ciśnienia, co powoduje zainicjowanie syntezy jądrowej. Inna nazwa tego typu bomy to bomba FF (ang. fission-fusion: synteza-rozszczepienie). Przykładem bomby dwustopniowej jest bomba wodorowa.

Bomba o ładunku trójrazowym, inaczej trójstopniowa ma budowę bomby dwufazowej, w której zastosowano jako reflektor materiał rozszczepialny. Materiałem tym może być niewzbogacony, naturalnie występujący w przyrodzie uran 238 czy nawet tor. W tym przypadku nie jest konieczne osiągnięcie przez ten materiał masy krytycznej, gdyż inicjacja eksplozji tego ładunku wywoływana jest przez pochłonięcie wysokoenergetycznych neutronów (tzw., neutrony szybkie), wytwarzanych w trakcie syntezy jądrowej, a nie przez wywołanie reakcji łańcuchowej. Bomba tego typu nazywana jest też bombą FFF (ang. fission-fusion- fission: synteza-rozszczepienie-synteza)

Rodzaje bomb jądrowych

Wyróżniamy pięć podstawowych rodzajów bomb jądrowych:

  • bombę atomową
  • bombę wodorową (termojądrową)
  • bombę neutronową
  • bombę kobaltową
  • bombę brudną

Jak wspomniano wcześniej, działanie bomby atomowej (jądrowej, nuklearnej) polega na łańcuchowej reakcji rozszczepienia ciężkich jąder atomowych uranu bądź plutonu spowodowanej wytworzeniem masy nadkrytycznej materiału rozszczepialnego. Pierwotnie stworzono dwie koncepcje budowy bomb jądrowych. Pierwszą z nich była bomba zwana "Litte Boy", której działanie bojowe przetestowano zrzucając ją na miasto Hiroshima, drugą zaś była bomba "Fat Man" zrzucona na Nagasaki.

"Litte Boy" była bombą uranową. Inicjacja łańcuchowej reakcji jądrowej wywoływana była tutaj przez błyskawiczne złączenie dwóch mas podkrytycznych materiału rozszczepialnego w masę krytyczną. Połączenie tych mas wywoływane zaś było poprzez rozprężenie gazów w wyniku eksplozji konwencjonalnego materiału wybuchowego, których ciśnienie przesuwało umieszczony przed nimi materiał rozszczepialny w kierunku drugiego z fragmentów materiału rozszczepialnego.

"Litte Boy" zrzucony został na Hiroshimę 6 sierpnia 1945 roku o godzinie 8:16:02 czasu lokalnego. z wysokości około 9,5 km. Samolot, który ją zrzucił nazywał się "Enola Gay". Jego pilotem był płk. Paul Tibbets.

Długość tej bomby wynosiła 3 metry, zaś jej średnica w najgrubszym miejscu 71 cm. Masa całkowita bomby wynosiła 4035 kg, przy czym masa materiału rozszczepialnego, wzbogaconego uranu, wynosiła w sumie 64 kg. Reflektorem był karbidek wolframu otoczony dodatkowo warstwą stali. Masa reflektora wynosiła 2300 kg. Moc "Little Boya" wynosiła około 15 kt (była równoważna około 15 tysiącom ton trotylu). Bomba ta posiadała zapalnik barometryczny, który odpalał ładunek inicjujący na żądanej wysokości nad celem.

"Fat Man" był bombą plutonową. Miało on odmienną od "Litte Boya" konstrukcję. W tym przypadku inicjacja ładunku wybuchowego następowała po przejściu masy podkrytycznej w krytyczną przez wywołanie eksplozji konwencjonalnego ładunku wybuchowego, którego siła wybuchu skierowana była do wewnątrz, w kierunku rdzenia wykonanego z plutonu, jako materiału rozszczepialnego. W związku takim działaniem bomby nazywana ona była również bombą implozyjną. Ściśnięta w wyniku eksplozji materiału wybuchowego przy ciśnieniu rzędu miliona atmosfer podkrytyczna masa zagęściła się do wartości blisko czterokrotnej masy krytycznej. Dodatkową zaletą takiej konstrukcji było to, że w jądra tak zagęszczonego materiału rozszczepialnego intensywniej trafiały neutrony. Dla zwiększenia intensywności emisji neutronów w środku materiału rozszczepialnego zainstalowano inicjator berylowo-polonowy. Dodatkowo "ostrzał" jąder neutronami wspomagał reflektor, który również został ściśnięty eksplozją, zmniejszając tym samym całą objętość po jakiej poruszały się neutrony.

Średnica bomby typu "Fat Man" wynosiła 152 cm, zaś jej długość 365 cm. Jej masa to 4670 kg.

"Fat Man" miał zostać zrzucony na Kokurę, jednak silna mgła uniemożliwiająca optyczne rozpoznanie celu oraz artyleria japońska uniemożliwiają atak. W tej sytuacji wybrano cel zastępczy - Nagasaki. Bomba "Fat Man" eksplodowała nad miastem Nagasaki o godzinie 11:02 czasu lokalnego 9 sierpnia 1945 roku. Zrzutu dokonał pilot Charlesa Sweeney z samolotu Bock`s Car. Szacowana siła wybuchu tej bomby to równoważność około 21 kiloton trotylu.

Bomba atomowa o wzmożonej sile wybuchu zbudowana jest podobnie jak zwykła bomba jądrowa. Różnica polega na tym, że w centralnej części materiału rozszczepialnego umieszcza się kilkanaście gramów mieszanki deuteru i trytu. Taki zabieg znacznie zwiększa wydajność reakcji rozszczepiania materiału rozszczepialnego przez dostarczenie dodatkowych neutronów z zainicjowanej syntezy nuklearnej. W przypadku normalnej bomby jądrowej współczynnik wykorzystania materiału rozszczepialnego wynosi około 20%, choć bywa, że i mniej (w eksplozji bomby zrzucona na Hiroshimę współczynnik ten wyniósł zaledwie 1,3%). W przypadku bomb o zmożonej sile wartość współczynnika dochodzi do 50%, zwiększając wielokrotnie moc takiej bomby. Bomba taka jest przykładem prostej konstrukcji bomby dwustopniowej.

Zaawansowaną konstrukcją bomby dwustopniowej jest bomba termojądrowa (wodorowa). Zasadnicza część energii takiej bomby pochodzi z zainicjowanej klasyczną bombą jądrową reakcji syntezy pierwiastków lekkich. Początkowo w bombach wodorowych stosowano pierwiastkowy deuter i tryt. Jednak dość krótki okres półtrwania trytu wynoszący 12,26 roku powodował, że bomba taka nie nadawała się do przechowywania zbyt długo, gdyż traciła na mocy. Problem ten ominięto poprzez wytwarzanie trytu już w trakcie eksplozji bomby. Pierwiastki te otrzymywane są wtedy z deuterku litu poprzez jego bombardowanie neutronami wytwarzanymi podczas reakcji rozszczepienia materiał tworzącego zwykła bombę atomową będącą inicjatorem syntezy termojądrowej. Bomba taka ma zwykle małą moc, gdyż służy wyłącznie do inicjacji wspomnianej syntezy i nie ma znaczenia rażącego. Tak przygotowane paliwo termojądrowe jest o wiele wygodniejsze w stosowaniu i przechowywaniu wraz z całą konstrukcją bomby, gdyż deuterek litu jest ciałem stały, i nie wymaga instalacji chłodzących tak jak gazowy deuter i tryt, który na dodatek ze względu na wielkość cząsteczki silnie dyfunduje. W przypadku tej konstrukcji wydłuża się również czas przechowywania bomby.

Bomba neutronowa konstrukcyjnie jest bardzo podobna do bomby termojądrowej. Różnicę tutaj stanowi brak powierzchni ekranującej neutrony, czyli brak reflektora. Siła wybuchu takiej bomby jest względnie mała, podobnie jak niewielkie jest skażenie radioaktywne terenu, jednak jej moc rażąca jest specyficzna i polega na intensywnej emisji promieniowania przenikliwego w postaci neutronów powstających w wyniku reakcji syntezy deuteru i trytu. Generowane w ten sposób wysokoenergetyczne neutrony z łatwością przenikają przez większość przeszkód, typu budynki pojazdy, jednak są śmiertelnie niebezpieczne dla organizmów żywych. Użycie takiej bomby pozwala na eliminację życia biologicznego bez niszczenia infrastruktury naziemnej bombardowanego obszaru.

Bomba kobaltowa jest bombą jądrową, w której do budowy osłony odbijającej neutrony wykorzystano kobalt. Pod wpływem emitowanych przez ładunek jądrowy neutronów kobalt ten przekształca się w swój izotop o masie atomowej 60, który jest silnym źródłem promieniowania gamma. Głównym funkcją takiej bomby jest skażenie bombardowanego terenu. Kobalt 60 jest materiałem promieniotwórczym o okresie półtrwania wynoszącym ponad 5 lat. Nie jest możliwym przeczekanie tak długiego okresu jego szkodliwego wpływu w ukryciu. Wykorzystanie bomb tego typy na dużą skalę na długo zniszczyłoby życie na naszej planecie.

Zamiast kobaltu 60 w bombach takich można użyć również materiałów promieniotwórczych o krótszych czasach półrozpadu, jak np.: złoto, tantal czy cynk. Ich okresy trwałości wynoszą od kilku dni do kilku miesięcy. Najprawdopodobniej bomby tej konstrukcji jak dotąd nie zbudowano.

Bomba brudna nie jest właściwie bombą jądrową, a bombą radiologiczną. Jej działanie polega na rozrzuceniu materiału promieniotwórczego na znacznej przestrzeni przy wykorzystaniu konwencjonalnego ładunku wybuchowego. Wyłącznym czynnikiem rażącym takiej broni jest skażenie terenu i wynikające z tego promienienie przenikliwe.

Prostota takiej konstrukcji i duże zagrożenie życia i zdrowia jakie spowodowałoby jej użycie, a także ogromne trudności i koszty eliminacji skażenia środowiska, uprawdopodabniają niebezpieczeństwo wykorzystania takich bomb w atakach terrorystycznych.