Pierwsze bronie jądrowe

Sekcja 8.0 Pierwsze bronie jądrowe

Nuclear Weapons Frequently Asked Questions

Wersja 2.21: 12 czerwca 2020

Ten artykuł jest dziełem pochodnym (tłumaczeniem na język polski wzbogaconym o szereg dodatkowych materiałów z polskich uczelni technicznych) znakomitego Nuclear Weapons FAQ autorstwa Carey Sublette. Oto pełne zastrzeżenie licencyjne oryginalnej wersji angielskiej:

COPYRIGHT CAREY SUBLETTE

This material may be excerpted, quoted, or distributed freely provided that attribution to the author (Carey Sublette) and document name (Nuclear Weapons Frequently Asked Questions or NWFAQ) is clearly preserved. I would prefer that the user also include the URL of the source.

Only authorized host sites may make this document publicly available on the Internet through the World Wide Web, anonymous FTP, or other means.

Unauthorized host sites are expressly forbidden. This restriction is placed to allow me to maintain version control.

The only authorized host site for the NWFAQ in English is the Nuclear Weapons Archive:
http://nuclearweaponsarchive.org

8.0 Pierwsze bronie jądrowe

Ta sekcja opisuje pierwsze bomby rozszczepieniowe i pierwsze bomby termojądrowe, które zostały opracowane i przetestowane. Ma ona trzy cele. Po pierwsze, urządzenia te mają ogromne znaczenie historyczne i publiczne, bo „pierwsze” egzemplarze dowolnej technologii zawsze budzą szczególne zainteresowanie. Po drugie, stanowią archetypiczne przykłady podstawowych konstrukcji, a o nich wiadomo więcej niż o późniejszych modelach. Po trzecie, wysiłek i technologia potrzebne do ich opracowania pokazują, jak łatwo albo jak trudno prymitywne bronie jądrowe mogą zostać rozwinięte przez innych.

• 8.1 Pierwsze bomby atomowe
• 8.1.1 Konstrukcja Gadget, Fat Man i Joe 1 (RDS-1)
• 8.1.2 TRINITY - test Gadget
• 8.1.3 Little Boy
• 8.1.4 Fat Man
• 8.1.5 Dostępność kolejnych bomb
• 8.2 Pierwsze bomby wodorowe
• 8.2.1 Wczesne badania nad bronią fuzyjną
• 8.2.2 Konstrukcja i testy pierwszych broni fuzyjnych

8.1 Pierwsze bomby atomowe

Ta podsekcja opisuje trzy bomby atomowe skonstruowane i zdetonowane w 1945 roku.

8.1.1 Konstrukcja Gadget, Fat Man i Joe 1 (RDS-1)

Konstrukcje Gadget i Fat Man omawia się razem, bo były zasadniczo tym samym urządzeniem. Gadget był eksperymentalną wersją testową systemu implozyjnego użytego później w Fat Manie i różnił się od niego tylko kilkoma detalami. Test bomby implozyjnej uznano za konieczny ze względu na nowość technologii kształtowania fali wybuchowej i dużą złożoność całego układu.

Choć poniższe dane odnoszą się do amerykańskich konstrukcji Gadget i Fat Man, w dużym stopniu dotyczą też pierwszej radzieckiej bomby atomowej RDS-1, nazwanej przez wywiad USA Joe 1. Wynikało to z faktu, że szczegółowe opisy konstrukcji zostały przekazane ZSRR przez szpiegów pracujących w Los Alamos, a Ławrientij Beria nalegał, by pierwsza radziecka bomba jak najściślej kopiowała sprawdzoną konstrukcję amerykańską. Przekazane materiały nie były jednak kompletną dokumentacją wykonawczą, więc nawet próba wiernej repliki musiała różnić się w wymiarach i detalach.

Dwoma najważniejszymi szpiegami w Los Alamos byli Theodore Hall i Klaus Fuchs. Hall przekazał Sowietom pierwsze informacje o koncepcji implozyjnej już jesienią 1944, gdy była jeszcze w fazie wstępnego rozwoju. Bardziej szczegółowe dane projektowe dostarczył Fuchs, który sam odgrywał ważną rolę w pracach nad bombą. Dodatkowe informacje o wytwarzaniu soczewek wybuchowych przekazywał też David Greenglass, choć jego wkład był w dużej mierze powtórzeniem danych od Halla i Fuchsa.

W miarę upływu czasu do domeny publicznej przedostawały się coraz pełniejsze opisy konstrukcji Gadget. Ważnym źródłem okazał się raport LA-3067 z 1964, w którym opublikowano dane o układach krytycznych badanych w Los Alamos. Po późniejszych ujawnieniach z archiwów radzieckich stało się jasne, że jedna z opisanych tam konfiguracji odpowiada właśnie Gadgetowi.

Źródło zwraca uwagę, że późniejsze publiczne opisy Gadget i Fat Mana były przez długi czas nieco mylące, bo często mieszały różne etapy ewolucji projektu z rzeczywistą postacią urządzeń użytych w Trinity i nad Nagasaki. Dopiero od połowy lat dziewięćdziesiątych zaczęły się pojawiać bardziej precyzyjne dane o faktycznej konstrukcji tych bomb, m.in. dzięki pracom Johna Coster-Mullena.

Przekrój bomby implozyjnej

Poniżej pokazano przekrój bomby implozyjnej narysowany w skali:

Najważniejsze elementy zespołu były następujące:

Element	Wymiar zewnętrzny	Masa
Inicjator neutronowy	2,0 cm
Wnęka inicjatora	2,1 cm
Rdzeń plutonowy	9,17 cm	6,15 kg
Powłoka tampra uranowego	22,86 cm	111 kg
Powłoka z boroplastiku	23,50 cm
Aluminiowy pusher	46,99 cm	128 kg
Wewnętrzna warstwa materiału wybuchowego	92,08 cm	608 kg
Soczewki wybuchowe	137,8 cm	około 1900 kg

Rdzeń plutonowy był otoczony warstwą naturalnego uranu pełniącego rolę tampra i reflektora neutronów, a następnie cienką powłoką z boroplastiku. Całość otaczała gruba aluminiowa sfera zwana pusherem, poprawiająca przebieg implozji. Każdy element zespołu implozyjnego musiał być wykonany z bardzo wysoką precyzją, bo odchyłki większe niż około 5% w symetrii fali uderzeniowej były już niedopuszczalne.

System wybuchowy składał się z dwóch warstw materiałów wybuchowych o łącznej grubości 17,875 cala (45,4 cm). Każda warstwa była podzielona na 32 bloków ułożonych jak panele piłki nożnej: 20 sześciokątnych i 12 pięciokątnych. Cała sfera wybuchowa miała średnicę 54,25 cala (137,8 cm) i ważyła około 2400 kg.

Każda soczewka wybuchowa składała się z części z szybkiego materiału wybuchowego oraz z parabolicznego wkładu z materiału wolniejszego, który ogniskował falę. Szybkim materiałem był Composition B, mieszanina RDX, TNT i wosku. Wolnym materiałem był baratol, mieszanina TNT, azotanu baru i wosku. Ogromne znaczenie miały zarówno dokładna geometria odlewów, jak i jednorodność gęstości mieszanin.

Do uzyskania maksymalnej synchronizacji nie zastosowano klasycznych zapalników elektrycznych, lecz nowo wynalezione detonatory z eksplodującym drutem (exploding bridgewire detonators). Pozwalały one uzyskać zgranie rzędu ±10 ns, ale wymagały rozbudowanego układu kondensatorów, przełączników iskrowych i zasilania. System ten, znany jako X-Unit, ważył około 180 kg i był jednym z najtrudniejszych elementów do kwalifikacji przed drugim atakiem atomowym.

Obudowa sfery implozyjnej

Rozwój obudowy, która utrzymywała razem sferę wybuchową, przebiegał początkowo niezależnie od samej konstrukcji implozyjnej. Wczesny model 1222 był skomplikowany i wymagał około 1500 śrub. Latem 1944 porzucono go na rzecz znacznie prostszego modelu 1561, złożonego z dwóch czap biegunowych i pięciu segmentów równikowych ze stopu duraluminium, wymagającego tylko 90 śrub.

Wnętrze aluminiowej sfery wyściełano korkiem o grubości pół cala, który amortyzował i ściskał sferę wybuchową. Zewnętrzny płaszcz stalowy miał grubość 3/8 cala. Zarówno Gadget, jak i bojowy Fat Man, były składane na miejscu z osobnych części. Złożenie całej bomby zajmowało co najmniej dwa dni.

W późniejszej ewolucji projektu wprowadzono rozwiązanie trap door assembly, pozwalające montować pit na końcowym etapie przez otwór serwisowy, bez całkowitego rozbierania bomby.

Źródło podkreśla też problem bezpieczeństwa. Przypadkowa detonacja materiałów wybuchowych mogłaby bez wątpienia sprasować 6,15 kg plutonu z fazy delta do nadkrytycznej fazy alfa. Oczekiwany uzysk takiej awarii wynosiłby od dziesiątek do nawet setek ton TNT, a głównym zagrożeniem byłoby nie tyle samo uderzenie, ile śmiertelne promieniowanie neutronowe i gamma.

8.1.2 TRINITY - test Gadget

Pierwszy w historii test wybuchu atomowego przeprowadzono na szlaku Jornada del Muerto w rejonie poligonu Alamogordo Bombing Range w Nowym Meksyku, na współrzędnych 33.675 N, 106.475 W. Samo urządzenie nosiło nazwę Gadget, a cała operacja otrzymała kryptonim TRINITY.

Gadget był kulą o średnicy około 150 cm, złożoną z zasadniczego zespołu implozyjnego i zewnętrznie zamontowanej elektroniki. Całość ustawiono na stalowej wieży o wysokości 100 stóp. Montaż zaczął się 11 lipca 1945, a 16 lipca 1945 o 5:29:45 czasu lokalnego urządzenie zostało zdetonowane.

Wydajność wybuchu wyniosła według nowszych ocen 20-22 kt. Wieża stalowa wyparowała, a ponieważ bomba eksplodowała nad ziemią, powstał tylko płytki krater o głębokości około 2 m i promieniu około 80 m. Otaczający piasek stopił się, tworząc szkliwo nazwane trinitite.

Eksplozja nad powierzchnią i stosunkowo niska wysokość sprawiły, że powstał zauważalny lokalny opad promieniotwórczy. Chmura wzniosła się na około 11 000 m. Najsilniejszy opad odnotowano około 20 mil na północny wschód od punktu zero. W miejscu nazwanym Hot Canyon odczyty wynosiły m.in.:

15.0 R/h po 3 godzinach
14.0 R/h po 3,5 godziny
6.0 R/h po 8,5 godziny
0.6 R/h po 36 godzinach

Łączna dawka w tym miejscu sięgała 212-230 R. W Bingham rejestrowano 1.5 R/h między drugą a czwartą godziną po wybuchu, a na południe od tej miejscowości nawet 15 R/h. Część ludności ewakuowano na trasie chmury do około 30 km, ale nie wszystkich. U pobliskiego bydła zaobserwowano później oparzenia beta.

8.1.3 Little Boy

Konstrukcja Little Boy była całkowicie inna niż Gadget i Fat Man. Wykorzystywała metodę działową (gun assembly), pierwotnie rozważaną także dla plutonu. Wczesne prace nad takim układem dla uranu prowadzono latem i jesienią 1943, ale na pewien czas je przerwano, gdy uwaga skupiła się na trudniejszej technicznie bombie plutonowej. Gdy latem 1944 okazało się, że pluton z reaktorów emituje zbyt wiele neutronów spontanicznych, metoda działowa dla plutonu została porzucona, a program uranowy odzyskał priorytet.

Program Little Boya prowadził A. Francis Birch. Choć sama koncepcja była prostsza niż implozja, zespół musiał mieć absolutną pewność, że bomba zadziała. Układ był konserwatywny konstrukcyjnie, a główne ryzyko dotyczyło poprawnego zadziałania zapalnika we właściwym momencie.

Użyto trzech luf gładkolufowych kalibru 6,5 cala (165 mm), zamówionych w marcu 1944, dostarczonych w październiku i przetestowanych w grudniu. Lufa miała długość 6 stóp, a ważyła około 450 kg. Znacznie cięższa była obudowa celu z wysokostopowej stali, ważąca ponad 2300 kg, która musiała bez deformacji zatrzymać rozpędzony pocisk.

Wewnątrz obudowy znajdował się cylindryczny tamper z węglika wolframu, mający 33 cm średnicy i długości oraz ważący 310 kg. W przeciwieństwie do Fat Mana nie użyto tampra z naturalnego uranu, ponieważ U-238 emituje zbyt wiele neutronów spontanicznych, co uczyniłoby metodę działową niewykonalną.

Cały wzbogacony rdzeń uranowy ważył 64,15 kg i był podzielony w stosunku około 40/60 między wkład docelowy i pocisk. Autor podkreśla, że była to konstrukcja niezwykle rozrzutna materiałowo, ale w zamian bardzo bezpieczna z punktu widzenia pewności zadziałania.

8.1.4 Fat Man

Fat Man był bojową wersją układu przetestowanego jako Gadget. Zasadnicza filozofia konstrukcyjna pozostała ta sama: plutonowy pit, uranowy tamper, aluminiowy pusher, wielowarstwowa sfera materiałów wybuchowych i precyzyjnie zsynchronizowany system implozyjny.

Wersja użyta bojowo miała jednak aerodynamiczną obudowę przystosowaną do zrzutu z bombowca, zespół zapalników i układ bezpieczeństwa dopasowane do realnej misji oraz praktyczne procedury montażu w terenie. Ze względu na złożoność systemu uznawano, że bez wcześniejszego testu Trinity użycie takiej bomby w walce byłoby nie do przyjęcia.

8.1.5 Dostępność kolejnych bomb

Źródło omawia również pytanie, ile kolejnych bomb Stany Zjednoczone mogły mieć gotowych po sierpniu 1945. Little Boy był jedyną bombą uranową dostępną wtedy natychmiast. Produkcja kolejnych egzemplarzy zależała od napływu U-235 z zakładów wzbogacania.

W przypadku plutonu sytuacja wyglądała lepiej, bo kolejne rdzenie można było uzyskiwać z Hanford. Po Trinity i ataku na Nagasaki w przygotowaniu były dalsze pity plutonowe, ale tempo pozostawało ograniczone, a każdy kolejny ładunek wymagał czasochłonnego montażu i testów komponentów.

8.2 Pierwsze bomby wodorowe

8.2.1 Wczesne badania nad bronią fuzyjną

Idea broni fuzyjnej pojawiła się bardzo wcześnie, niemal równolegle z badaniami nad samą bombą atomową. Już w 1942 grupa teoretyczna Oppenheimera w Berkeley analizowała zasady konstrukcji bomby atomowej oraz możliwość zbudowania bomb opartych na syntezie. Bomby megatonowe uznawano za prawdopodobne.

W 1943 Hans Bethe został wybrany na szefa Wydziału Teoretycznego w Los Alamos, a Edward Teller dostał zadanie prowadzenia mniej priorytetowych prac nad tzw. Super, czyli wczesną koncepcją bomby wodorowej. W lutym 1944 zarząd Los Alamos uznał, że do wybuchowej reakcji fuzyjnej potrzebny byłby tryt, co jeszcze bardziej obniżyło priorytet tych badań.

Pod koniec wojny Teller i inni badacze rozważali klasyczną konstrukcję Super: działową bombę uranową otoczoną dużą objętością ciekłego deuteru, całość zamkniętą w ciężkim tamprze. Problem polegał na tym, że do zapalenia takiego układu potrzebne były ogromne ilości trytu, a i tak nie było pewności, czy reakcja będzie się samopodtrzymywać.

W 1946 Teller wysunął koncepcję Alarm Clock, w której paliwo fuzyjne, zwłaszcza deuterolitek, miało znajdować się w uranowym tamporze bomby rozszczepieniowej. Neutrony z rozszczepienia miały produkować tryt z litu, a energia rozszczepienia miała sprasować i ogrzać paliwo. Koncepcja ta była ważnym krokiem pośrednim, ale sam Teller pod koniec 1946 nie oceniał jej już zbyt optymistycznie.

Po wojnie postęp spowalniał brak mocy obliczeniowej. Mimo że około połowy wysiłku teoretycznego Los Alamos kierowano na problem Super, do początku 1951 nie było jasne, jak zbudować rzeczywiście działającą bombę wodorową.

Po decyzji prezydenta Trumana z 31 stycznia 1950 o kontynuowaniu programu bomby wodorowej prace przyspieszyły, ale zarazem analizy Ulama, Everetta, Fermiego i później obliczenia komputerowe wykazały, że klasyczny Super jest praktycznie ślepą uliczką. Wymagałby jeszcze większych ilości trytu, niż wcześniej sądzono, i najpewniej w ogóle by nie zadziałał.

8.2.2 Konstrukcja i testy pierwszych broni fuzyjnych

Przełom nastąpił w styczniu 1951, gdy Stanislaw Ulam zaproponował ideę stopniowania (staging): użycia energii pierwszego stopnia rozszczepieniowego do sprężenia osobnej kapsuły paliwa. Początkowo myślał o poprawionych bombach rozszczepieniowych, ale szybko zrozumiał, że taki schemat może pokonać podstawowe bariery dla wydajnej syntezy.

Współpracując z Ulamem, Teller dodał ważną poprawkę: doszedł do wniosku, że do generowania niezbędnej implozji lepiej nadaje się strumień promieniowania cieplnego z pierwszego stopnia niż sam szok hydrodynamiczny czy strumień neutronów. Później zaproponował także umieszczenie w centrum paliwa fuzyjnego rozszczepialnej świecy zapłonowej (spark plug), która po sprężeniu przechodziłaby w stan nadkrytyczny i inicjowała reakcję.

Dopiero w kwietniu 1951 zebrano komplet zasad fizycznych potrzebnych do realnej konstrukcji bomby wodorowej. Dalej pozostawał już gigantyczny problem projektowy i obliczeniowy.

Najważniejsze testy na drodze do broni termojądrowej

Greenhouse George
Detonacja: 9 maja 1951, Enewetak
Całkowity uzysk: 225 kt
Był to test czysto rozszczepieniowego ładunku, przy którym dołączono eksperyment z zewnętrznym paliwem D-T. Zaobserwowano neutrony fuzyjne, czyli pierwsze zapalenie reakcji termojądrowej przez bombę atomową. Nie dawało to jeszcze praktycznej drogi do broni wielkiej mocy, ale dostarczyło użytecznych danych.

Greenhouse Item
Detonacja: 25 maja 1951, Enewetak
Całkowity uzysk: 45,5 kt
Pierwszy test bomby rozszczepieniowej wzmacnianej (boosted fission). Mieszanina D-T w rdzeniu podwoiła uzysk względem niewzmacnianej konstrukcji.

Ivy Mike
Detonacja: 1 listopada 1952, Enewetak
Całkowity uzysk: 10,4 Mt
Był to pierwszy test pełnej konfiguracji Teller-Ulam. Urządzenie używało ciekłego deuteru i miało postać ogromnej instalacji laboratoryjnej, niepraktycznej bojowo. Mimo to udowodniło, że zasada działa. Mike był ogromnym cylindrem o wysokości około 6,19 m i masie ponad 140 000 lb, a eksplozja całkowicie zniszczyła wyspę Elugelab.

Soviet Joe 4
Detonacja: 12 sierpnia 1953
Całkowity uzysk: około 400 kt
Był to radziecki wariant Layer Cake, czyli rozwiązanie pokrewne dawnej koncepcji Alarm Clock. Nie była to jeszcze pełna konfiguracja promienistej implozji Teller-Ulam, lecz ważny krok przejściowy.

Castle Bravo
Detonacja: 1 marca 1954, Bikini
Całkowity uzysk: 15 Mt
Pierwszy test bomby Teller-Ulam z paliwem w postaci deuterolitu. Była to konstrukcja, która stała się standardem dla późniejszych bomb wodorowych. Uzysk okazał się znacznie większy od przewidywanego z powodu nieoczekiwanej roli Li-7. Test doprowadził też do największej katastrofy radiologicznej w historii amerykańskich prób jądrowych.

Castle Romeo
Detonacja: 27 marca 1954, Bikini
Całkowity uzysk: 11 Mt
Kolejna dwustopniowa konstrukcja na stałe paliwo, tym razem z naturalnym deuterolitem. Również przekroczyła przewidywania.

Castle Union
Detonacja: 26 kwietnia 1954, Bikini
Całkowity uzysk: 6,9 Mt
Test pierwszej bomby wodorowej, która rzeczywiście weszła do arsenału USA jako uzbrojenie bojowe.

Castle Yankee
Detonacja: 5 maja 1954, Bikini
Całkowity uzysk: 13,5 Mt
Rozwinięcie poprzednich stałopaliwowych konstrukcji dwustopniowych.

Soviet Test No. 19
Detonacja: 22 listopada 1955
Całkowity uzysk: 1,6 Mt
Pierwszy radziecki test pełnej bomby opartej na radiacyjnej implozji i paliwie z deuterolitu. Po tym doświadczeniu ZSRR zaczął budować swój strategiczny arsenał w oparciu o tę klasę konstrukcji.

Uwagi końcowe

Sekcja 8.0 pokazuje dwa wielkie skoki technologiczne. Pierwszy to przejście od prostszej, ale bardzo materiałochłonnej metody działowej do precyzyjnej implozji plutonowej. Drugi to przejście od bomb rozszczepieniowych i wzmacnianych do prawdziwych konstrukcji dwustopniowych Teller-Ulam, które otworzyły drogę do praktycznie nieograniczonych uzysków.

Z perspektywy proliferacji najważniejsza lekcja jest taka, że pierwsze bomby atomowe były ogromnie trudne przemysłowo, ale mieściły się jeszcze w logice dużego projektu państwowego. Prawdziwa bomba wodorowa była już nie tylko problemem materiałowym, lecz przede wszystkim triumfem modelowania fizycznego, precyzji inżynieryjnej i wielkoskalowych obliczeń.