Úvod do termojaderné fúze 4. Termonukleární zbraně

Prezentace na téma: "Úvod do termojaderné fúze 4. Termonukleární zbraně"— Transkript prezentace:

1 Úvod do termojaderné fúze 4. Termonukleární zbraně
Jan Mlynář 4. Termonukleární zbraně Štěpná bomba jako roznětka, booster, Teller-Ullam, Mike, Sloyka, testy – USA, SSSR, UK, Čína, Francie, atomový hřib, spadová stopa, účinky, miniaturizace, neutronová a kobaltová bomba, moratoria, náklady, otázky svědomí, mírové využití? Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

2 Termonukleární zbraně
Myšlenka: fúze může být spuštěná explozí štěpné bomby 1 kg TNT (rozumí se „ekvivalent TNT“ i když to není přesně ekvivalent) je totéž co megakalorie (ohřeje tunu vody o jeden stupeň), tj. 4,184 MJ. Budeme mluvit o megatunách, 1 Mt TNT ~ PJ, což odpovídá např. elektrickému výkonu Temelína (2GW) po dobu 2 miliónů sekund ~ 23 dní, nebo cca veškerá energetická spotřeba lidstva za sedm minut... reverse engineering Fact that fissile and/or fissionable materials are present in some secondaries, material unidentified, location unspecified, use unspecified, and weapons undesignated. Utajení: a) Niijak se nekomentují úniky informací, takže se nikdy neví, zda jde o únik nebo o smyšlenku. b) „Born secret“ filozofie (pokud to vymyslíš správně, podléháš automaticky utajení)  Veřejné informace jsou založeny na zpětných výpočtech a rozhovorech s vědci. DOE výjimečně a dodatečně utrousí nějakou perlu: “Fact that fissile and/or fissionable materials are present in some secondaries, material unidentified, location unspecified, use unspecified, and weapons undesignated.” Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

3 Štěpná bomba Jaderná nálož se stlačí na nadkritické množství chemickou explozí, a iniciuje neutronovým zdrojem. Hirošima (Little Boy) kT, 235U Nagasaki (Fat Man) kT, 239Pt (Největší konvenční bomba ve výzbroji U.S. má 25 T ekviv. TNT) Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

4 T-boosted, Super I relativně malé množství fúzních reakcí může znásobit množství štěpných reakcí (produkcí rychlých neutronů) „booster“ 235U D T První nápady Tellera: Super (přímé zapálení DT „prskavky“), Ullam zjišťuje že to nevychází (mj. neutrony a nízká hustota); Alarm Clock jako Sloyka, Tellerovi se ale nelíbí, že má nízký podíl fúze, dál se v USA nevyvíjí Super Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

5 Teller-Ullam 2 stage bomb
První stupeň: štěpná nálož, druhý stupeň: separovaná termojaderná nálož (dokonce stíněná). Pokud je obálka 2. stupně z uranu, vyvolá výbuch štěpení přírodního uranu „fission – fusion – fission“ Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

6 Teller-Ullam 2 stage bomb
Na termonukleární nálož působí 3 tlaky: záření, plazmatu (z výplně) a odpařujícího se obalu 2. stupně (ablace). Posledně jmenovaný tlak je zdaleka největší (tisíce TPa) (poměr tlaků cca 0,02:0,11:1, ale různé fyzikální role) V 2. stupni se zřejmě používá štěpná „prskavka“ Radiation pressure: Ivy Mike: 73 million bar (7.3 TPa) W-80: 1.4 billion bar (140 TPa) Plasma pressure: Ivy Mike: (est.) 350 million bar (35 TPa) W-80: (est.) 7.5 billion bar (750 TPa) Ablation pressure: Ivy Mike: 5.3 billion bar (530 TPa) W-80: 64 billion bar (6400 TPa) Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

7 Teller-Ullam 2 stage bomb
Radiation pressure: Ivy Mike: 73 million bar (7.3 TPa) W-80: 1.4 billion bar (140 TPa) Plasma pressure: Ivy Mike: (est.) 350 million bar (35 TPa) W-80: (est.) 7.5 billion bar (750 TPa) Ablation pressure: Ivy Mike: 5.3 billion bar (530 TPa) W-80: 64 billion bar (6400 TPa) Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

8 Potřeba výpočtů - ENIAC
Zároveň vznikají první vyšší programovací jazyky Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

9 Operation Ivy, Mike 1st November 1952, 10,9 Mt
Enewetak atoll, Marshall Islands pozemní lednička (kapalné D,T) Too unwieldy to be deployed as a weapon, it was built to demonstrate the power and possibility of using nuclear fusion as a principle for larger-yield nuclear weapons than previously possible. It was detonated on Elugelab Island in the Enewetak atoll of the Marshall Islands. It yielded 10.4 megatons of explosive power, over 450 times the power of the bomb that fell on Nagasaki. The detonation obliterated Elugelab, leaving an underwater crater 6,240 ft (1.9 km) wide and 164 ft (50 m) deep where an island had once been. Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

10 Sloyka (layer cake) Střídání vrstev štěpného a fúzního paliva
Joe 4 (Warhead name: RDS-6s (Reaktivnyi Dvigatel Stalina; Stalin's Rocket Engine)) was an American nickname for the first Soviet test of a thermonuclear weapon and was on August 12, 1953. Střídání vrstev štěpného a fúzního paliva - Ztěžuje odpálení konvenční explozí D-T není „ignited“ + jednoduché, a nějaký efekt je zaručen Sacharov Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

11 Sloyka (layer cake) II RDS-6s čili „Joe 4“, 400 kt, 20% DT + fission boost 12. srpna 1953, Semipalatinsk, Kazachstán Sacharovova „první myšlenka“ ~ Tellerův (nepoužitý) „Alarm Clock“ a „druhá myšlenka“ – použití deuteridu lithia (!) Joe 4 (Warhead name: RDS-6s (Reaktivnyi Dvigatel Stalina; Stalin's Rocket Engine)) was an American nickname for the first Soviet test of a thermonuclear weapon and was on August 12, 1953. První „deployable“, tj. transportovatelná Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

12 U.S. testy „deployable H-bombs“
Operation Castle, Bravo 1st March 1954, Bikini, 15 Mt (místo předpovězených 6 Mt...) Six very large nuclear tests were conducted at the Bikini Atoll and the Enewetak Atoll as part of Operation Castle in The most notable was Castle Bravo, which was the first deployable (dry fuel) hydrogen bomb developed by the United States. Its yield, at 15 Mt was over twice as powerful as was predicted, and was the largest weapon ever detonated by the United States. It spread nuclear fallout over a wide area, including the Enewetak Atoll, Rongerik Atoll, Ailinginae Atoll, and Rongelap Atoll. An evacuation ensued, but many of the natives exposed suffered from cancers and a high incident of birth defects. A Japanese fishing boat, the Daigo Fukuryu Maru, was additionally exposed and resulted in one death from radiation sickness, which gained considerable international attention. Romeo, 27 March 1954, 11 Mt (natural Lithium) Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

13 SSSR – super, bomba car Super = RDS-37, 22/11/1955, 1,6 Mt, Semipalatinsk “Sacharovova třetí myšlenka“ ~ Tellerovo-Ullamovo schéma. První shozená z letadla ... špionážní aféry (Fuchs)... Царь-бомба 30/10/1961 Nová Země 30-50 Mt – největší, 3-stage (účinek snížen pomocí olova) Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

14 Další země s H bombou Spojené království, operation Grapple :
první 15. května 1957 Malden Island se nepovedl (300 kt) 8. listopadu 1957 Christmas Island Grapple X 1,8 Mt ale náročné na kvalitní 235U 28. dubna 1958 Grapple Y 3 Mt 1958 US-UK dohoda o spolupráci Čína: 17. července 1967, Lop Nur, 3,3 Mt (ani ne 3 roky po první čínské A bombě) hlavní princip možná odvodili ze studií spadu Francie, operace Canopus 24. srpna 1968, Fangataufa atol, 2,6 Mt Indie: tvrdí, že podzemní, 11. května 1998, nejisté (max 45kT)  veřejné informace jsou neúplné? Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

15 „atomový hřib“ a produkty
Videa… Měření spadu (fallout) : ve vzduchu (letadla) i na povrchu Země, měří se relativní i absolutní zastoupení aktivních izotopů tj. hmotnostní spektroskopie či s trochou štěstí jen měření intenzity záření vzorků. Ze spadu po výbuchu H-bomby lze odvodit jaké byly neutronové toky ve výbuchu, a mnozí argumentují, že právě to (a nikoli špionáž) dává dostatečný návod k tomu, jak bombu postavit. Nezávislá švédská zpráva (1981, publikována 1991): ano, pokud se měří také uran a plutonium, z jejich izotopů lze evidentně odvodit fakt, že bomba je dvoustupňová. Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

16 Ničivé účinky Tlaková vlna – 40-60% energie statické poškození (přetlak, podtlak) - dynamické poškození (vichr) Tepelné záření – % energie Ionizující záření (+ elektromagnetický puls) Záření spadu a indukované záření Each home was equipped with refrigerators, typical appliances, the kinds of food one would eat, from baby food to adult food, and were exposed to the blast. Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

17 Výbuchy nad atmosférou
Starfish Prime, Operation Dominic, 1.4 Mt, 400km, 9. července 1962 Elektromagnetický puls aj. The mechanism for a 400 km high altitude burst EMP: gamma rays hit the atmosphere between km altitude, ejecting electrons which are then deflected sideways by the earth's magnetic field. Např. sledování rychlých elektronů či stopového Cd-109 Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

18 „Miniaturizace“ Všimněte si: druhý stupeň může být kulový
Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

19 Neutronová a kobaltová bomba
Neutron bombs = enhanced radiation bombs = termonukleární bomby ve kterých je místo uranové obálky (tamper) něco, co propouští neutrony (Cr, Ni ?) tj. fúzní neutrony unikají jako smrtící radiační impuls, exploze je menší (nedochází k druhému štěpení). Spekuluje se i o štěpných bombách se zdrojem rentgenového záření (použití wolframu) Opak: Cobalt bombs = salted bombs = neutrony zachytává 59Co, vzniká 60Co, b rozpad vede na silné g záření. „dirty bomb“ Navrhl Leó Szilárd, který jinak jaderné zbraně nesnášel, s dovětkem „tuto bombu můžete vyzkoušet přímo u sebe v pracovně“ t1/2 je dost krátká na to, aby bylo záření intenzivní, a dost dlouhá na to, aby se dalo v zasažené oblasti přežívat v krytech. Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

20 Testy a moratoria Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

21 Testy a moratoria Partial Test Ban Treaty 10. října 1963
„... Seeking to achieve the discontinuance of all test explosions of nuclear weapons for all time, determined to continue negotiations to this end, and desiring to put an end to the contamination of man's environment by radioactive substances...“ Outer Space Treaty 10. října 1967 bars States Parties to the Treaty from placing nuclear weapons or any other weapons of mass destruction in orbit of Earth, installing them on the Moon or any other celestial body, or to otherwise station them in outer space „...bars States Parties to the Treaty from placing nuclear weapons or any other weapons of mass destruction in orbit of Earth, installing them on the Moon or any other celestial body, or to otherwise station them in outer space.“ Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

22 Náklady na vývoj Estimated Minimum Icurred Costs of U.S. Nuclear Weapons Programs Pozor, anglicky bilión je česky miliarda „Lze srovnat jen s rozpočty klasického zbrojení a sociálních výdajů; je to více než státní podpora školství či zdravotnictví.“ Tj dnes už to bude 6 biliónů dolarů ~ 1000x ITER Většina šla do vývoje raket, vývoj a stavba bomb cca 409 miliard ~ 70x ITER a to je jen jediná velmoc Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

23 Poselství příběhu (?) Řada kapacit věří, že jaderné zbraně znemožnily další světovou válku Jisté je, že nás dostaly na pokraj katastrofy (říjen 1962, karibská krize) Z hlediska chápání přírodních zákonů šlo o mimořádnou výzvu a je fakt, že technicky vzato je bomba fantastickým úspěchem. Nicméně, fyzikové, kteří se na tomto výzkumu tak či onak podíleli, měli později velmi často vážné názorové střety, doprovázené osobními problémy jak pracovními, tak ohledně svědomí (Einstein, Oppenheimer, Teller, Sacharov...)  vědeckou práci (zvláště její řízení) nelze brát jen racionálně a bez ohledu na realitu společnosti, zodpověst nelze delegovat problém, se kterým dnes bojuje hlavně biologie, zítra možná nanotechnologie, potom možná AI... Když vznikne skutečně napjatá situace, peníze se vždycky najdou, a v úplně jiných řádech než jsme zvyklí počítat.  nikdy se nenechte strhnout k žabomyším válkám mezi vědci o pár miliónů. Realita je taková, že výzkum jako celek potřebujeme silnější. Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

24 Poselství příběhu (?) „It is an evil thing considered in any light“ Enrico Fermi, Isidor Rabi Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně

25 Mírové využití, aplikace v energetice?
U.S.: Project Plowshare U.S.S.R.: „Nuclear Explosions for the National Economy“ ... Převážně geologické práce, hloubení, vytváření podzemních prostor, průlivů, seismický a geologický průzkum... Sedan crater, Nevada Energetika: U.S. Project PACER – úvaha: opakované výbuchy malých H bomb ve velkém podzemním 30x100 m železném válci, zčásti naplněným chladicí kapalinou (fluoridové soli?), výměník, turbíny potíže – radiační bezpečnost, výroba bomb ve velkém, nebezpečí proliferace, vliv na zemskou kůru? jeden tomu věnovaný výbuch GNOME (1961, New Mexico) se moc nepovedl (únik radiace trhlinami) Nuclear Pulse Propulsion Projekt Orion - na malých modelech fungovalo! Dodnes přežívá (spíše ale s ICF) Úvod do termojaderné fúze 4: Termonukleární zbraně