Sekcja 1.0 Typy broni jądrowej

Nuclear Weapons Frequently Asked Questions

Wersja 2.16: 1 maja 1998

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

1.0 Typy broni jądrowej

Broń jądrową można podzielić na różne klasy w zależności od reakcji jądrowych, które dostarczają jej niszczycielskiej energii, oraz od szczegółów konstrukcji. Popularny podział na bomby rozszczepieniowe i fuzyjne nie jest całkowicie satysfakcjonujący. Spektrum projektów broni jest bardziej złożone, niż sugeruje ta prosta klasyfikacja. Wszystkie skonstruowane dotąd bronie jądrowe wymagają rozszczepienia, aby zainicjować wybuchowe uwolnienie energii. Broń zawierająca paliwo fuzyjne może wykorzystywać je na różne sposoby i z różnymi zamierzonymi efektami. Niniejsza sekcja ma na celu systematyczne omówienie podstawowych typów konstrukcji bomb. Bardziej szczegółowe omówienia fizyki i zasad projektowania każdego typu pojawią się w dalszych sekcjach.

Spis treści

  1. 1.1 Terminologia
  2. 1.2 Nazwy amerykańskich testów jądrowych
  3. 1.3 Jednostki miary
  4. 1.4 Czyste bronie rozszczepieniowe
  5. 1.5 Bronie łączące rozszczepienie i syntezę
  6. 1.6 Bomby kobaltowe

1.1 Terminologia

Do broni uwalniającej energię przez reakcje jądrowe używa się wielu nazw: bomby atomowe (A-bombs), bomby wodorowe (H-bombs), broń jądrowa, bomby rozszczepieniowe, bomby fuzyjne, broń termojądrowa, nie wspominając już o określeniach takich jak „physics package” czy po prostu „device”. Warto więc dodać kilka uwag o terminologii.

Najwcześniejszą nazwą takiej broni wydaje się „bomba atomowa”. Krytykowano ją jako mylącą, ponieważ wszystkie materiały wybuchowe chemiczne również uwalniają energię z reakcji między atomami, to znaczy między nienaruszonymi atomami składającymi się zarówno z jądra, jak i powłok elektronowych. Co więcej, broń rozszczepieniowa, do której stosuje się nazwę „bomba atomowa”, nie jest bardziej „atomowa” niż broń fuzyjna. Mimo to nazwa ta trwale przylgnęła do czystej broni rozszczepieniowej i jest powszechnie akceptowana przez historyków, opinię publiczną oraz naukowców, którzy stworzyli pierwsze bronie jądrowe.

Ponieważ cechą odróżniającą zarówno broń rozszczepieniową, jak i fuzyjną, jest uwalnianie energii z przemian jądra atomowego, najlepszym ogólnym terminem dla wszystkich typów takich urządzeń wybuchowych jest „broń jądrowa” — stąd nazwa tego FAQ.

Bronie fuzyjne nazywa się „bombami wodorowymi” (H-bombs), ponieważ izotopy wodoru są głównymi składnikami zachodzących w nich reakcji jądrowych. W istocie w najwcześniejszych konstrukcjach bomb fuzyjnych deuter (wodór-2) był jedynym paliwem fuzyjnym. Bronie fuzyjne określa się też mianem „broni termojądrowej”, ponieważ do zajścia reakcji syntezy wymagane są bardzo wysokie temperatury.

1.2 Nazwy amerykańskich testów jądrowych

Zanim przejdziemy do omawiania amerykańskich testów jądrowych, trzeba wyjaśnić system oznaczeń stosowany do identyfikowania testów oraz każdej testowanej bomby. Każda testowana bomba miała nazwę kodową, która ją identyfikowała, a sam test miał inną nazwę kodową. Tak więc pierwsza bomba atomowa nosiła nazwę Gadget, a przetestowano ją w operacji Trinity.

Wczesne operacje testowe prowadzono w ramach całych serii testów, czyli dużych przedsięwzięć, w których wielu naukowców, techników, żołnierzy i innych uczestników zbierało się po to, by odpalić i obserwować kilka urządzeń w ciągu tygodni lub miesięcy. Taka seria testów także miała własną nazwę kodową. Na przykład drugi i trzeci testowy wybuch broni jądrowej, będące oczywiście czwartą i piątą eksplozją jądrową w ogóle, stanowiły część serii Crossroads. Te dwa testy oznaczono jako Able i Baker. Zdarzało się również, że USA prowadziły wspólnie dwie sekwencje testów o różnych celach w ramach jednej serii. W takim przypadku nazwy obu sekwencji łączono, tworząc nazwę całej serii, jak w przypadku Tumbler-Snapper.

We wczesnych seriach testowych te same nazwy testów były używane wielokrotnie. Tak więc istniał test Able w seriach Crossroads, Ranger, Buster-Jangle i Tumbler-Snapper. Aby jednoznacznie zidentyfikować każdy test, przyjęto konwencję podawania najpierw nazwy serii, a potem nazwy testu: Crossroads Able, Ranger Able i tak dalej. Po połowie 1952 roku zaczęto stosować unikalne nazwy testów, więc ta konwencja przestała być bezwzględnie konieczna. Mimo to podawanie także nazwy serii pozostaje użyteczne, dlatego przyjąłem ogólną praktykę identyfikowania testów przez kombinację seria-test.

Po 1961 roku system serii testowych został zarzucony, ponieważ podziemne próby w Nevadzie stały się rutyną i zazwyczaj uznaje się je po prostu za część Nevada Series. W rzeczywistości te testy nadal oznaczano jako część określonych serii, ale każda „seria” odpowiadała już po prostu rokowi budżetowemu rządu (Operation Niblick to FY64, Operation Whetstone to FY65 itd.) i traciła praktyczne znaczenie. Ostatnią serią testów atmosferycznych na Pacyfiku była Pacific Series (Dominic I i Dominic II) w 1962 roku, a obok niej istniało jeszcze kilka specjalnych programów testowych (Plowshare, Vela Uniform Seismic Detonation). Dla testów Nevada Series po 1961 roku i dla wszystkich amerykańskich testów po 1963 roku często stosuję powszechną praktykę identyfikowania ich po prostu nazwą samego testu.

Nazwy kodowe rzeczywistych urządzeń są zazwyczaj słabo znane. Wiele z nich do niedawna pozostawało tajnych, a część być może nadal jest tajna. Ponieważ jedną bombę można przetestować tylko raz, identyfikowanie urządzenia przez test, w którym zostało zdetonowane, jest jednoznaczne. W literaturze jawnej nazwa testu zwykle służyła też jako oznaczenie przetestowanej bomby, i tę samą konwencję stosuję tutaj.

Brytyjskie testy podlegają podobnemu nazewnictwu, ale nie są aż tak systematyczne. Z wyjątkiem pierwszego testu (Hurricane) każdy test miał zarówno identyfikator serii, jak i identyfikator samego testu. Czasem sam identyfikator testu jest unikalny, a czasem nie. Do nazwy serii można też dołączać różne kwalifikatory, odmienne od nazwy samego testu, ale reguła ich używania jest niejasna. Na przykład seria Grapple obejmowała test Grapple 1/Short Granite (gdzie samo Grapple 1 wystarcza do jednoznacznej identyfikacji), ale kilka innych testów miało wspólne oznaczenie serii Grapple Z. Podobnie jak w przypadku testów amerykańskich, będę podawał pełne oznaczenia serii i testu.

1.3 Jednostki miary

Zasadniczo staram się używać w całym FAQ układu metrycznego. Okresowo pojawiają się jednak jednostki należące do amerykańskiego systemu zwyczajowego, ponieważ podstawowe źródła informacji o broni jądrowej pochodzą głównie ze Stanów Zjednoczonych i nie próbowałem jeszcze przekonwertować wszystkich pomiarów ze źródeł amerykańskich na system metryczny. Powoduje to pewne problemy, gdy podawane są liczby przybliżone lub zaokrąglone: czy 50 lb należy oddać jako 22,7 kg, co fałszywie sugeruje precyzję do trzech cyfr znaczących, czy raczej jako 25 kg, co z kolei zmienia wartość pomiaru o 13%?

Pojawia się też pytanie, którego dokładnie „systemu metrycznego” używać. System metryczny został wynaleziony w epoce napoleońskiej, a międzynarodowy organ standaryzacyjny istnieje od 1875 roku. W ciągu dwóch stuleci weszło do użycia wiele jednostek metrycznych, z licznymi odmianami zależnymi od kraju i dyscypliny. W 1960 roku przyjęto system SI (Le Systeme International d'Unités), będący szeroko zakrojoną próbą uporządkowania tego bałaganu. Wiele jednostek, które upowszechniły się we wczesnej epoce atomowej — curie, rem, rad, roentgen, barn, fermi itd. — zostało z niego usuniętych. Jednostki te nie należą do SI, ale standardy SI uznają je za pomocnicze jednostki metryczne, których należy unikać i które docelowo mają zostać wycofane. Jednak zarówno oryginalne dokumenty historyczne i naukowe epoki atomowej, jak i większość późniejszych publikacji na ten temat, są całkowicie zdominowane przez te jednostki spoza SI. Dlatego nie próbowałem na siłę trzymać się wyłącznie systemu SI.

Ciągłym źródłem zamieszania przy broni jądrowej jest znaczenie słowa ton. Zwykle jest ono używane jako jednostka masy lub ciężaru, i nie będę tutaj rozróżniał tych pojęć, w systemie metrycznym, brytyjskim imperialnym lub amerykańskim zwyczajowym, przy czym dwa ostatnie mają po dwa rodzaje ton: krótką i długą. W kontekście broni jądrowej termin ton i jego metryczne rozszerzenia (kiloton, megaton itd.) są również używane jako jednostki energii wybuchu, czyli mocy eksplozji. Zamieszanie pogłębia dodatkowo niestandardowa konwencja stosowana czasem w USA lub Wielkiej Brytanii, polegająca na używaniu skrótu MT (lub Mt, lub mt) dla odróżnienia ton metrycznych od ton krótkich, przy jednoczesnym używaniu dokładnie tego samego skrótu dla megatony.

System SI nie używa jednostki ton, ale uznaje metryczną jednostkę 1000 kg, zwaną tonne, czyli toną metryczną. W tym FAQ używam słowa tonne dla oznaczenia tony metrycznej. Słowo ton odnosi się albo do krótkiej tony amerykańsko-brytyjskiej, albo do energii małych wybuchów. Z kontekstu powinno wynikać, które znaczenie jest właściwe.

Jednostki energii wybuchu — megatony, kilotony lub po prostu tony, zależnie od mocy — wywodzą się z prób porównania siły wybuchowej bomby do materiałów wybuchowych konwencjonalnych. Pierwotnie miały odpowiadać tonom trotylu (TNT), czyli klasycznego materiału wybuchowego stosowanego w wojskowości. Szybko pojawiły się jednak problemy. Do których „ton” odnosi się to porównanie? A sama siła wybuchowa TNT nie jest przecież uniwersalną stałą. Na uwalnianą energię wpływają takie rzeczy jak gęstość ładunku, stopień zamknięcia, temperatura i przyjęty stan końcowy produktów wybuchu. Podaje się zakres energii od 980 do 1100 kalorii na gram.

Aby uporządkować sytuację, kilotonę i megatonę zdefiniowano na nowo jako jednostki metryczne równe dokładnie 10^12 kalorii, czyli 4,186 x 10^12 dżuli. Traktowanie kilotony jako metrycznej jednostki masy TNT (kilotonnes) daje wartość 1000 c/g, dobrze mieszczącą się w podawanym zakresie, natomiast interpretowanie jej jako „tysiąca krótkich ton TNT” daje 1102 c/g, czyli wartość z samego szczytu tego zakresu. Dlatego kilotonę można z podobną poprawnością określić jako „tysiąc ton metrycznych TNT” albo „tysiąc ton krótkich TNT”.

Warto zauważyć, że metryczna definicja kilotony odnosi się do całej energii natychmiast uwolnionej przez urządzenie, niezależnie od jej postaci. Chociaż chemiczne materiały wybuchowe uwalniają praktycznie całą energię jako energię kinetyczną lub falę uderzeniową, tylko część energii w eksplozji jądrowej przyjmuje tę postać, choć w większości warunków jest to nadal część dominująca. Zatem wybuch jądrowy o mocy jednej kilotony ma w rzeczywistości słabszy efekt fali uderzeniowej niż chemiczny wybuch o tej samej mocy liczbowej.

Również poprawna kapitalizacja skrótów kiloton i megaton nie została nigdy ujednolicona. W literaturze można spotkać kt, Kt, kT i KT, a autorytatywna książka Effects of Nuclear Weapons unika problemu, nigdy nie stosując skrótów tych terminów. Standardy SI uznają małe t dla tonne, ale dla „wybuchowej tony” nie przyjęto żadnej oficjalnej zasady. Oficjalna zasada SI mówi, że kilo zapisuje się małym k, a mega dużym M. Osobiście uważam, że bardziej logiczne byłoby zarezerwowanie małych liter dla ułamków (deci, centi, milli) i dużych dla wielokrotności (deka, kilo, mega), ale SI tak nie działa.

Bez szczególnego powodu stosuję małe t dla ton jako jednostki energii wybuchu i trzymam się standardu SI dla przedrostków metrycznych, stąd kt i Mt dla kilotony i megatony.

1.4 Czyste bronie rozszczepieniowe

Są to bronie wykorzystujące wyłącznie reakcje rozszczepienia jako źródło energii. Bomby rozszczepieniowe działają przez bardzo szybkie złożenie podkrytycznej konfiguracji materiału rozszczepialnego, czyli plutonu albo wzbogaconego uranu, w konfigurację silnie nadkrytyczną. Oryginalne bomby atomowe przetestowane 16 lipca 1945 roku (Gadget w teście Trinity) oraz zrzucone na Japonię 6 sierpnia 1945 roku (Little Boy nad Hiroszimą) i 9 sierpnia 1945 roku (Fat Man nad Nagasaki) były czystymi broniami rozszczepieniowymi.

Są to najłatwiejsze do zaprojektowania i wyprodukowania bronie jądrowe, a zdolność ich budowy jest warunkiem wstępnym opracowania jakiegokolwiek innego typu. Oprócz pięciu uznanych mocarstw jądrowych — USA, ZSRR/Rosji, Wielkiej Brytanii, Francji i Chin — które wszystkie zdobyły i testowały taką broń, weszły one również w posiadanie Izraela, Indii, Republiki Południowej Afryki i Pakistanu. Indie przetestowały bombę rozszczepieniową, a Izrael i RPA są podejrzewane o przeprowadzenie takiego testu.

Istnieją praktyczne ograniczenia wielkości czystych bomb rozszczepieniowych. Większe bomby wymagają większych ilości materiału rozszczepialnego, co:

  1. staje się coraz trudniejsze do utrzymania w stanie podkrytycznym przed detonacją;
  2. utrudnia złożenie układu o wysokiej sprawności do stanu silnie nadkrytycznego, zanim przypadkowe neutrony spowodują predetonację.

Z powodu tajności oraz kwestii boostingu, opisanych dalej, dość trudno jednoznacznie wskazać największą czystą bombę rozszczepieniową, jaką kiedykolwiek przetestowano. Wygląda na to, że był to amerykański test Ivy King o mocy 500 kt z 15 listopada 1952 roku. Urządzeniem użytym w tym teście była Mk-18 Super Oralloy Bomb (SOB) zaprojektowana przez zespół kierowany przez Teda Taylora.

1.5 Bronie łączące rozszczepienie i syntezę

Wszystkie bronie jądrowe, które nie są czystą bronią rozszczepieniową, wykorzystują reakcje syntezy do zwiększania efektów niszczących. Wszystkie bronie korzystające z syntezy wymagają bomby rozszczepieniowej, która dostarcza energii niezbędnej do zainicjowania reakcji fuzyjnych. Nie musi to jednak oznaczać, że sama synteza wytwarza znaczącą część energii wybuchu albo że właśnie siła eksplozji jest zamierzonym efektem.

1.5.1 Broń rozszczepieniowa ze wzmocnieniem (boosted fission)

Najwcześniejszym praktycznym zastosowaniem syntezy w użytecznej broni było opracowanie broni rozszczepieniowej ze wzmocnieniem. W tego typu bombach kilka gramów mieszaniny deuteru i trytu w postaci gazu umieszcza się w centrum rozszczepialnego rdzenia. Gdy rdzeń przejdzie wystarczająco dużo rozszczepień, nagrzewa się do temperatury zdolnej zapalić reakcję syntezy D-T, która zachodzi bardzo szybko. Reakcja ta wytwarza intensywny impuls wysokoenergetycznych neutronów, powodując odpowiednio intensywny wzrost liczby rozszczepień w rdzeniu. Silnie przyspiesza to tempo rozszczepiania, dzięki czemu znacznie większy procent materiału w rdzeniu zdąży ulec rozszczepieniu, zanim układ rozleci się hydrodynamicznie. Zwykle w przeciętnej bombie czysto rozszczepieniowej rozszczepieniu ulega nie więcej niż około 20% materiału, i to przy dość dobrej sprawności; w praktyce może być znacznie mniej, bomba zrzucona na Hiroszimę miała sprawność około 1,4%. Przyspieszając proces rozszczepienia, bomba ze wzmocnieniem może podnieść moc nawet o 100%, więc niewzmocniona bomba 20 kt może stać się bombą 40 kt. Rzeczywista ilość energii pochodzącej z samej syntezy jest jednak znikoma, rzędu 1% mocy całej bomby, co sprawia, że odróżnianie testów bomb wzmocnionych od czysto rozszczepieniowych jest trudne. W praktyce wykrycie śladów trytu jest niemal jedynym sposobem.

Pierwszym testem broni ze wzmocnieniem był Greenhouse Item (45,5 kt, 24 maja 1951 roku), oparty na uranie wysoko wzbogaconym (oralloy) i zdetonowany na wyspie Janet na atolu Enewetak. To eksperymentalne urządzenie używało kriogenicznego ciekłego deuteru i trytu, a nie gazu. Wzmocnienie mniej więcej podwoiło moc względem oczekiwanej wartości dla ładunku niewzmocnionego. Testowano także warianty wykorzystujące sam deuter oraz wodorek lub trytek litu, ale nie wiadomo, czy któreś z tych rozwiązań zastosowano w broni operacyjnej.

Ze względu na wyraźny wzrost mocy, a także inne zalety, takie jak zmniejszenie masy układu rozszczepieniowego i usunięcie ryzyka predetonacji, większość współczesnych bomb rozszczepieniowych jest dziś wzmacniana, w tym także te używane jako pierwsze stopnie w rzeczywistych broniach rozszczepieniowo-fuzyjnych. Chociaż boosting może zwielokrotnić moc bomb rozszczepieniowych, nie usuwa fundamentalnych ograniczeń konstrukcyjnych tego typu przy projektach wysokowydajnych. Technika ta jest najbardziej wartościowa w małych i lekkich bombach, które w przeciwnym razie miałyby niską sprawność. Tryt jest bardzo drogim materiałem, a dodatkowo rozpada się z szybkością 5,5% rocznie, ale małe ilości potrzebne do boostingu — rzędu kilku gramów — czynią jego użycie ekonomicznie wykonalnym.

1.5.2 Broń z warstwowym ściskaniem radiacyjnym

Ta klasa broni jest też nazywana bronią typu Teller-Ulam albo, zależnie od konstrukcji, bronią rozszczepieniowo-fuzyjną lub rozszczepieniowo-fuzyjno-rozszczepieniową. Tego typu bronie wykorzystują reakcje syntezy z udziałem izotopów lekkich pierwiastków, takich jak wodór i lit, aby usunąć ograniczenia mocy bomb rozszczepieniowych i bomb ze wzmocnieniem, obniżyć koszt broni przez zmniejszenie ilości drogiego wzbogaconego uranu lub plutonu potrzebnego do osiągnięcia określonej mocy oraz zmniejszyć masę samej bomby. Reakcje syntezy zachodzą w pakiecie paliwa fuzyjnego (the secondary), fizycznie oddzielonym od rozszczepieniowego zapalnika (the primary), co daje bombę dwustopniową, przy czym stopień rozszczepieniowy liczy się jako pierwszy. Promieniowanie rentgenowskie z pierwszego stopnia służy do ściskania drugiego poprzez proces zwany implozją radiacyjną. Następnie stopień wtórny zapalany jest przez rozszczepialny spark plug znajdujący się w jego centrum. Energia produkowana przez fuzyjny drugi stopień może z kolei posłużyć do zapłonu jeszcze większego trzeciego stopnia fuzyjnego. Wielostopniowość pozwala w zasadzie na tworzenie bomb o praktycznie nieograniczonej wielkości.

Reakcje syntezy służą do zwiększenia mocy na dwa sposoby:

  1. przez bezpośrednie uwolnienie dużej ilości energii w reakcjach fuzyjnych;
  2. przez użycie wysokoenergetycznych, czyli szybkich, neutronów powstających w syntezie do wywoływania rozszczepień w płaszczu rozszczepialnym otaczającym stopień fuzyjny. W przeszłości płaszcz ten często wykonywano z naturalnego lub zubożonego uranu, dzięki czemu energia była wytwarzana przez szybkie rozszczepienie taniego U-238. Do tego celu można używać także toru, choć jest on gorszy od taniego i obfitego zubożonego uranu. W broni, w której liczy się przede wszystkim stosunek mocy do masy i rozmiaru, czyli praktycznie we wszystkich nowoczesnych strategicznych systemach, jako materiał płaszcza stosuje się uran średnio lub wysoko wzbogacony.

Bomby, które uwalniają znaczną ilość energii bezpośrednio z syntezy, ale nie wykorzystują neutronów fuzyjnych do rozszczepiania płaszcza stopnia fuzyjnego, nazywa się bronią rozszczepieniowo-fuzyjną. Jeśli wykorzystują dodatkowy krok polegający na rozszczepieniu płaszcza przez neutrony fuzyjne, nazywa się je bronią rozszczepieniowo-fuzyjno-rozszczepieniową.

Szybkie rozszczepienie płaszcza wtórnego stopnia w bombie rozszczepieniowo-fuzyjno-rozszczepieniowej bywa czasem określane jako trzeci stopień bomby, i w pewnym sensie rzeczywiście nim jest. Trzeba jednak uważać, by nie mylić tego z prawdziwie trójstopniowym projektem termojądrowym, w którym występuje jeszcze jeden kompletny trzeciorzędowy stopień fuzyjny.

Bomby reklamowane jako czyste, oczywiście tylko w sensie względnym, uzyskują zdecydowaną większość całkowitej mocy z syntezy. Ostatni i największy stopień takich urządzeń jest zawsze czysto fuzyjny, nie licząc spark plug, a materiał płaszcza zastępuje się w nim substancją nierozszczepialną. Udział energii fuzyjnej w takich konstrukcjach, potwierdzony testami, sięgał nawet 97%, czego przykładem była Tsar Bomba.

Bomby rozszczepieniowo-fuzyjno-rozszczepieniowe są brudne, ale oferują znacznie lepszy stosunek bang for the buck i pow per pound. Wytwarzają dużą ilość opadu rozszczepieniowego, ponieważ rozszczepienie odpowiada za większość ich mocy. Test Redwing Tewa (5 Mt, 20 lipca 1956, atol Bikini) miał udział rozszczepienia na poziomie 85%. Jeśli nacisk kładzie się na niską cenę, do płaszcza zwykle używa się zubożonego lub naturalnego uranu. Jeśli nacisk kładzie się na moc względem masy, jak w niemal całej współczesnej broni strategicznej, stosuje się uran wzbogacony.

Koncepcja stopniowania umożliwia wykorzystanie jako paliwa czystego deuteru lub różnych mieszanin litu-6 i litu-7 w postaci związku z deuterem, czyli deuterku litu-6/7. Te naturalne, stabilne izotopy są znacznie tańsze od sztucznie wytwarzanego i promieniotwórczego trytu.

Koncepcja warstwowej implozji radiacyjnej została pierwotnie wymyślona przez Stanisława Ulama, a następnie rozwinięta we współpracy Ulama z Edwardem Tellerem na początku 1950 roku. Pierwszym testem warstwowego urządzenia termojądrowego był Ivy Mike, przeprowadzony 31 października 1952 roku na wyspie Elugelab/Flora na atolu Enewetak. Eksperymentalne urządzenie nazwane Sausage używało czystego deuteru, prawdopodobnie jedyny raz w historii, i naturalnego płaszcza uranowego. Zaprojektował je komitet Panda kierowany przez J. Carsona Marka w Los Alamos. Mike osiągnął moc 10,4 Mt, z czego 77% pochodziło z rozszczepienia.

Koncepcję Tellera-Ulama później niezależnie odkryły pozostałe cztery państwa posiadające broń jądrową i wszystkie one testowały oraz wdrożyły takie konstrukcje. Żadne inne państwo nie jest znane z rozmieszczenia tego typu broni, choć nieuznane mocarstwa jądrowe, takie jak Izrael i Indie, niemal na pewno prowadziły nad nimi prace rozwojowe.

Konstrukcje trójstopniowe były testowane i wdrażane do tworzenia broni o bardzo dużej mocy. Pierwszym amerykańskim testem urządzenia trójstopniowego, i prawdopodobnie pierwszym na świecie testem takiej broni, było urządzenie Bassoon, zdetonowane w teście Redwing Zuni (27 maja 1956, atol Bikini, 3,5 Mt). Największą eksplozją jądrową w historii była Tsar Bomba, czyli radziecka konstrukcja trójstopniowa rozszczepieniowo-fuzyjno-rozszczepieniowa. Zdetonowano ją 30 października 1961 roku nad Nową Ziemią na wysokości 4000 m.

Jeśli trzeci stopień obłożyć materiałem nierozszczepialnym, urządzenia trójstopniowe mogą dawać wysokowydajne czyste bronie. Zarówno Zuni, jak i Tsar Bomba były w istocie bardzo czystymi urządzeniami — Zuni uzyskało 85% energii z syntezy, a Tsar Bomba aż 97%. Obie konstrukcje pozwalały jednak zastąpić ołowiany lub wolframowy płaszcz trzeciego stopnia przez U-238. Wersja Bassoon o nazwie Bassoon Prime została przetestowana w brudnym teście Tewa, o którym wspomniano wyżej. Brudne urządzenie wywodzące się z Bassoon zostało uzbrojone jako najwyżej energetyczna broń, jaką kiedykolwiek Stany Zjednoczone wprowadziły do służby — 25-megatonowa Mk-41. Konstrukcja Tsar Bomby zakładała z kolei bombę rozszczepieniowo-fuzyjno-rozszczepieniową o zdumiewającej mocy co najmniej 100 megaton.

Możliwą odmianą warstwowej implozji radiacyjnej jest projekt, w którym zamiast stopnia termojądrowego ściskany jest drugi stopień rozszczepieniowy. Była to zresztą początkowa koncepcja rozwinięta przez Stanisława Ulama, zanim zrozumiał jej możliwe zastosowanie do broni termojądrowej. Zaleta tego podejścia polega na tym, że prędkości implozji radiacyjnej są setki razy większe, a maksymalne gęstości dziesiątki razy wyższe, niż przy użyciu samych materiałów wybuchowych. Pozwala to osiągnąć moce większe niż są praktycznie osiągalne w broni rozszczepieniowej napędzanej klasycznymi materiałami wybuchowymi oraz używać materiału rozszczepialnego niższej jakości. Jeśli do drugiego stopnia rozszczepieniowego włączy się niewielką ilość paliwa fuzyjnego dla zwiększenia mocy, powstaje swego rodzaju hybrydowa broń dwustopniowa z boostigiem, zacierająca granicę między dwustopniową bronią rozszczepieniową a klasyczną bronią termojądrową typu Teller-Ulam. Amerykańska konstrukcja TX-15 Zombie była początkowo planowana jako dwustopniowe urządzenie czysto rozszczepieniowe, ale później przekształciła się w taki właśnie układ hybrydowy ze wzmocnieniem. Zombie przetestowano w próbie Castle Nectar (13 maja 1954, atol Bikini, 1,69 Mt) i wdrożono jako Mk-15.

1.5.3 Konstrukcja Alarm Clock / Sloika / Layer Cake

Pomysł ten poprzedzał wynalezienie warstwowych konstrukcji z implozją radiacyjną i najwyraźniej został wymyślony niezależnie co najmniej trzy razy. Najpierw opracował go Edward Teller w USA, nadając projektowi nazwę Alarm Clock. Później Andriej Sacharow i Witalij Ginzburg w ZSRR wpadli na tę samą ideę i nazwali ją sloika. Sloika to rosyjskie ciasto warstwowe, podobne do napoleona, dlatego w tłumaczeniach pojawia się określenie Layer Cake. Wreszcie podobną koncepcję opracowali Brytyjczycy, choć nazwisko wynalazcy nie jest znane. Każdy z tych programów badań nad bronią jądrową trafił na tę ideę, zanim ostatecznie doszedł do trudniejszej, lecz znacznie potężniejszej i sprawniejszej koncepcji warstwowej broni termojądrowej.

System ten nazwano przez Sowietów Layer Cake, ponieważ wykorzystywał sferyczny układ koncentrycznych powłok. W centrum znajdował się rozszczepieniowy pierwszy stopień z U-235/Pu-239, wokół niego opcjonalna warstwa U-238 jako rozszczepialny tamper, następnie warstwa deuterku lub trytku litu-6, dalej fuzyjny tamper z U-238, a na końcu klasyczny system implozji chemicznej. Proces rozpoczyna się jak w zwykłej bombie implozyjnej. Po zakończeniu reakcji pierwszego stopnia energia, którą on uwalnia, ściska i ogrzewa warstwę fuzyjną do temperatur termojądrowych. Impuls neutronów rozszczepieniowych inicjuje następnie sprzężony łańcuch reakcji rozszczepieniowo-fuzyjno-rozszczepieniowych. Wolniejsze neutrony rozszczepieniowe produkują tryt z litu, który następnie łączy się z deuterem, wytwarzając bardzo szybkie neutrony. Te z kolei wywołują szybkie rozszczepienie w fuzyjnym tamperze, hodując jeszcze więcej trytu. W pewnym sensie paliwo fuzyjne działa tu jak akcelerator neutronów, umożliwiający zajście łańcucha rozszczepień w dużej masie U-238, która normalnie nie jest rozszczepialna w klasycznym sensie. Choć początkowa domieszka trytu w warstwie fuzyjnej nie jest bezwzględnie konieczna, pomaga zwiększyć moc.

Osiągalny udział energii fuzyjnej jest jednak dość mały, rzędu 15–20%, i nie da się go znacząco zwiększyć ponad ten poziom. Wykorzystanie paliwa fuzyjnego jest tu również mało efektywne. Konstrukcja ta pozostaje także ograniczona do podobnych zakresów mocy i stosunku mocy do masy jak duże bomby czysto rozszczepieniowe oraz bomby rozszczepieniowe ze wzmocnieniem. Mimo to ZSRR i Wielka Brytania rozwinęły ją do poziomu broni nadającej się do dostarczenia, zanim przeszły do opisanych wyżej konstrukcji warstwowych. USA nie zdecydowały się jej rozwijać, częściowo dlatego, że Teller nie uważał jej za dostatecznie niszczycielską, by uzasadniała wysiłek.

Pierwszym testem tej koncepcji było urządzenie RDS-6s, znane w USA jako Joe 4, przeprowadzone 12 sierpnia 1953 roku. Dzięki domieszkowaniu trytem osiągnięto około dziesięciokrotny wzrost względem samego stopnia zapalającego, co dało łączną moc 400 kt. Brytyjskie urządzenie Orange Herald Small, testowane jako Grapple 2 31 maja 1957 roku, było podobne, ale używało znacznie większego rozszczepieniowego pierwszego stopnia, w zakresie 300 kt, prawdopodobnie bez trytu, osiągając łączną moc 720 kt, czyli wzrost rzędu 2,5 raza. Był to prawdopodobnie największy test tej konstrukcji.

Chociaż ten typ najwyraźniej nie jest dziś stosowany w żadnej broni pozostającej w służbie pięciu uznanych mocarstw jądrowych, nadal jest to wykonalny projekt, który może być atrakcyjny dla państw niemających zasobów do opracowania trudniejszej technicznie konstrukcji z implozją radiacyjną. Informacje przekazane przez Mordechaja Vanunu wskazują, że Izrael mógł opracować broń tego rodzaju.

Tę konstrukcję należy chyba uznać za odrębną klasę broni jądrowej. Ma ona bowiem charakter hybrydowy i może być traktowana albo jako typ urządzenia rozszczepieniowego ze wzmocnieniem, albo jako jednostopniowa broń rozszczepieniowo-fuzyjno-rozszczepieniowa.

1.5.4 Bomby neutronowe

Bomby neutronowe, formalnie określane jako enhanced radiation warheads (ER warheads), są małymi broniami termojądrowymi, w których impuls neutronów generowany przez reakcję syntezy celowo nie jest pochłaniany wewnątrz urządzenia, lecz pozwala mu się wydostać. To właśnie ten intensywny impuls wysokoenergetycznych neutronów stanowi podstawowy mechanizm niszczenia. Neutrony przenikają materię lepiej niż inne typy promieniowania, dlatego wiele osłon skutecznych przeciw promieniowaniu gamma działa wobec nich znacznie gorzej. Termin enhanced radiation odnosi się tylko do impulsu promieniowania jonizującego uwolnionego w momencie detonacji, a nie do zwiększenia promieniowania resztkowego w opadzie.

Stany Zjednoczone opracowały bomby neutronowe do użycia jako strategiczna broń przeciwrakietowa oraz jako broń taktyczną przeznaczoną do walki z wojskami pancernymi. Jako broń przeciwrakietowa miały chronić silosy amerykańskich ICBM przed nadlatującymi sowieckimi głowicami, uszkadzając ich komponenty jądrowe intensywnym strumieniem neutronów. Taktyczne bomby neutronowe miały przede wszystkim zabijać żołnierzy chronionych pancerzem. Pojazdy opancerzone są bardzo odporne na falę uderzeniową i efekt cieplny wybuchu jądrowego, dlatego skuteczny zasięg broni jądrowej przeciw czołgom wyznacza zasięg śmiertelnego promieniowania, choć i on jest częściowo redukowany przez pancerz. Wypuszczając duże ilości śmiertelnego promieniowania w najbardziej przenikliwej postaci, głowice ER maksymalizują śmiercionośny zasięg przy danej mocy głowicy przeciw celom opancerzonym.

Jednym z problemów przy stosowaniu promieniowania jako taktycznej broni przeciwpiechotnej jest to, że aby wywołać szybką niezdolność celu do działania, trzeba podać dawkę wielokrotnie przekraczającą poziom śmiertelny. Dawka 600 radów jest zwykle uznawana za śmiertelną, zabijając co najmniej połowę narażonych osób, ale przez kilka godzin nie daje zauważalnych objawów. Bomby neutronowe miały dostarczać dawkę 8000 radów, aby wywołać natychmiastową i trwałą niezdolność do działania. Głowica ER o mocy 1 kt może to osiągnąć wobec załogi czołgu T-72 z odległości 690 m, podczas gdy czysta bomba rozszczepieniowa tylko z 360 m. Dla „zaledwie” 600 radów zasięgi wynoszą 1100 m i 700 m, a dla nieosłoniętych żołnierzy dawki 600 radów występują odpowiednio na 1350 m i 900 m. Śmiercionośny zasięg taktycznych bomb neutronowych przekracza więc zasięg śmiertelnej fali uderzeniowej i efektu cieplnego nawet wobec nieosłoniętych żołnierzy.

Strumień neutronów może wzbudzać znaczące ilości krótkotrwałej radioaktywności wtórnej w środowisku w obszarze wysokiego strumienia w pobliżu punktu wybuchu. Stopy stali używane w pancerzu mogą stać się radioaktywne na tyle, by stanowić zagrożenie przez 24–48 godzin. Jeżeli czołg trafiony bombą neutronową 1 kt z odległości 690 m, czyli na dystansie powodującym natychmiastową niezdolność załogi do działania, zostanie natychmiast ponownie zajęty przez nową załogę, nowi żołnierze otrzymają śmiertelną dawkę promieniowania w ciągu doby.

Nowsze konstrukcje pancerza zapewniają lepszą ochronę niż radziecki T-72, przeciwko któremu pierwotnie kierowano głowice ER. Opracowano też specjalne techniki pancerza pochłaniającego neutrony, takie jak pancerze zawierające tworzywa z domieszką boru czy wykorzystywanie paliwa pojazdu jako osłony. Niektóre nowocześniejsze typy pancerza, takie jak pancerz czołgu M-1, wykorzystują zubożony uran, co może częściowo neutralizować te ulepszenia, ponieważ przechodzi on szybkie rozszczepienie, wytwarzając dodatkowe neutrony i sam stając się radioaktywny.

Ze względu na szybkie tłumienie energii neutronów przez atmosferę, spada ona około dziesięciokrotnie co 500 m, nie licząc zwykłego osłabienia wynikającego z rozpraszania przestrzennego, bronie ER są skuteczne tylko na krótkich dystansach, dlatego mają relatywnie niewielką moc. Projektuje się je również tak, by minimalizować ilość energii rozszczepieniowej i efekt fali uderzeniowej w stosunku do strumienia neutronów. Głównym powodem było umożliwienie użycia ich blisko własnych wojsk. Powszechne wyobrażenie o bombie neutronowej jako o „bombie dla właściciela kamienicy”, która zabija ludzi, ale zostawia budynki nienaruszone, jest mocno przesadzone. Na zakładanym efektywnym dystansie bojowym 690 m fala uderzeniowa z bomby neutronowej 1 kt zniszczy lub uszkodzi do stanu nieużywalności niemal każdy budynek cywilny. Oznacza to, że użycie bomb neutronowych do zatrzymania ataku przeciwnika, wymagające detonacji wielu egzemplarzy w celu pokrycia całych ugrupowań przeciwnika, zniszczyłoby również wszystkie budynki w danym obszarze.

Bomby neutronowe, przynajmniej ich wersje taktyczne, różnią się od innych broni termojądrowych tym, że jedynym paliwem fuzyjnym jest mieszanina gazowego deuteru i trytu. Powody są dwa: reakcja termojądrowa D-T uwalnia 80% energii w postaci energii kinetycznej neutronów, a ponadto jest najłatwiejszą do zapłonu ze wszystkich reakcji fuzyjnych. Oznacza to, że tylko 20% energii syntezy przechodzi w falę uderzeniową i promieniowanie cieplne, że powstający strumień neutronów składa się z bardzo przenikliwych neutronów 14,7 MeV oraz że do zapłonu reakcji wystarcza bardzo mały wybuch rozszczepieniowy, rzędu 250–400 ton. Bardziej typowe paliwo w postaci deuterku litu powodowałoby znacznie większy efekt fali uderzeniowej i błysku przy tej samej liczbie neutronów oraz wymagałoby znacznie większej eksplozji rozszczepieniowej do zapłonu. Wadą paliwa D-T jest to, że tryt jest bardzo drogi i rozpada się z szybkością 5,5% rocznie. W połączeniu z większą złożonością konstrukcji sprawia to, że głowice ER są droższe w budowie i utrzymaniu niż inne taktyczne bronie jądrowe. Aby uzyskać 1 kt energii fuzyjnej, potrzeba 12,5 g trytu i 5 g deuteru.

USA opracowały i wyprodukowały trzy głowice neutronowe, a czwartą anulowano przed rozpoczęciem produkcji. Wszystkie zostały wycofane i zdemontowane.

  1. Głowica W66 do pocisku Sprint była pierwszą opracowaną głowicą ER. Produkowano ją w latach 1974–1975, a wycofano już w sierpniu 1975 roku, po zaledwie kilku miesiącach służby, kiedy system Sprint został dezaktywowany. Zbudowano około 70 sztuk. Miała moc kilku kiloton, zgłaszano nawet 20 kt, i mogła, ale nie musiała, używać paliwa D-T.
  2. Głowica W70 Mod 3 do pocisku Lance miała całkowitą moc około 1 kt, z czego 60% pochodziło z syntezy, a 40% z rozszczepienia. Produkowano ją w latach 1981–1983, a wszystkie egzemplarze wycofano do 1992 roku. Zbudowano 380 sztuk.
  3. Głowica W79 Mod 0 do pocisku artyleryjskiego kalibru 8 cali miała regulowaną moc od 100 T do 1,1 kt. Przy najniższej mocy była czystą bronią rozszczepieniową, a przy najwyższej 800 T pochodziło z syntezy (73%), a 300 T z rozszczepienia. Produkowano ją w latach 1981–1986, pierwsze egzemplarze zaczęto wycofywać już w połowie lat osiemdziesiątych, a do 1992 roku wycofano wszystkie. Zbudowano 325 sztuk.
  4. Głowicę W82 Mod 0 kalibru 155 mm, o regulowanej mocy podobnej do W79, anulowano w październiku 1983 roku jeszcze przed uruchomieniem produkcji.

Wiadomo, że ZSRR, Chiny i Francja także opracowały konstrukcje bomb neutronowych i możliwe, że utrzymywały je w służbie. Wiele raportów twierdziło również, że Izrael opracował bomby neutronowe, które mogłyby być wartościowe na polu walki pancerno-zmechanizowanej, takim jak Wzgórza Golan, ale ponieważ jest to broń trudna do opracowania i wymagająca znaczących testów, wydaje się mało prawdopodobne, by Izrael rzeczywiście ją pozyskał.

1.6 Bomby kobaltowe i inne bomby „solone”

Solona broń jądrowa przypomina broń rozszczepieniowo-fuzyjno-rozszczepieniową, ale zamiast rozszczepialnego płaszcza wokół wtórnego stopnia fuzyjnego używa nierozszczepialnej otoczki z dobranego specjalnie izotopu solącego, na przykład kobaltu-59 w przypadku bomby kobaltowej. Taka otoczka wychwytuje uciekające neutrony fuzyjne, hodując radioaktywny izotop, który maksymalizuje zagrożenie opadowe, zamiast wytwarzać dodatkową energię wybuchu, oraz niebezpieczny opad rozszczepieniowy, przez szybkie rozszczepienie U-238.

Różne efekty opadowe można uzyskać przez użycie różnych izotopów solących. Proponowano złoto dla opadu krótkotrwałego, liczonego w dniach, tantal i cynk dla opadu średniotrwałego, liczonego w miesiącach, oraz kobalt dla skażenia długotrwałego, liczonego w latach. Aby dany izotop nadawał się do „solenia”, jego forma macierzysta musi występować licznie w naturalnym pierwiastku, a produkt promieniotwórczy powstający po pochłonięciu neutronu musi być silnym emiterem przenikliwego promieniowania gamma.

Tabela 1.6-1 Kandydaci na materiały „solące”

Izotop macierzysty   Udział naturalny   Produkt promieniotwórczy   Okres półtrwania

Kobalt-59            100%               Co-60                      5,26 roku
Złoto-197            100%               Au-198                     2,697 dnia
Tantal-181           99,99%             Ta-182                     115 dni
Cynk-64              48,89%             Zn-65                      244 dni

Pomysł bomby kobaltowej wywodzi się od Leo Szilárda, który nagłośnił go w lutym 1950 roku nie jako poważny projekt broni, ale jako ilustrację faktu, że wkrótce może być możliwe skonstruowanie broni, która w zasadzie mogłaby zabić wszystkich ludzi na Ziemi. Taka broń teoretyczna wymaga izotopu promieniotwórczego, który da się rozproszyć na całym świecie, zanim ulegnie rozpadowi. Ponieważ rozproszenie takie zajmuje od wielu miesięcy do kilku lat, okres półtrwania Co-60 jest do tego celu idealny.

Zagrożenie opadowe związane z Co-60 jest większe niż w przypadku produktów rozszczepienia pochodzących z płaszcza U-238, ponieważ:

  1. wiele izotopów powstających przy rozszczepieniu ma bardzo krótki okres półtrwania, więc rozpada się, zanim opad zdąży opaść na ziemię albo zanim da się przed nim schronić w krótkotrwałych schronach;
  2. wiele produktów rozszczepienia ma bardzo długi okres półtrwania, a więc nie emituje szczególnie intensywnego promieniowania;
  3. część produktów rozszczepienia w ogóle nie jest promieniotwórcza.

Okres półtrwania Co-60 jest natomiast na tyle długi, że materiał zdąży opaść, zanim nastąpi istotny rozpad, i na tyle krótki, że przeczekanie go w schronach jest niepraktyczne, a jednocześnie promieniowanie pozostaje bardzo intensywne.

Początkowo promieniowanie gamma od produktów rozszczepienia pochodzących z równoważnie dużej bomby rozszczepieniowo-fuzyjno-rozszczepieniowej jest znacznie intensywniejsze niż od Co-60: 15 000 razy intensywniejsze po 1 godzinie, 35 razy po tygodniu, 5 razy po miesiącu i mniej więcej równe po 6 miesiącach. Potem jednak promieniowanie z rozszczepienia spada szybko, tak że po roku opad Co-60 jest 8 razy bardziej intensywny, a po pięciu latach aż 150 razy bardziej intensywny. Dopiero po około 75 latach bardzo długo żyjące izotopy powstające przy rozszczepieniu ponownie zaczęłyby przewyższać Co-60.

Cynk był proponowany jako alternatywny kandydat do roli zagłady świata. Zaletą Zn-64 jest to, że jego szybszy rozpad daje większą początkową intensywność. Wady są jednak istotne: ponieważ stanowi tylko około połowę naturalnego cynku, trzeba by go wzbogacać izotopowo albo zgodzić się na spadek mocy o połowę; jest słabszym emiterem gamma niż Co-60, dając tylko około jedną czwartą liczby fotonów gamma przy tej samej ilości molowej; a dodatkowo znaczna część rozpadałaby się jeszcze podczas samego globalnego procesu rozpraszania. Zakładając użycie czystego Zn-64, promieniowanie Zn-65 byłoby początkowo około dwa razy silniejsze niż Co-60, ale po 8 miesiącach zrównałoby się z nim, a po 5 latach Co-60 byłby już około 110 razy bardziej intensywny.

Militarnie użyteczne bronie radiologiczne wykorzystywałyby skażenie lokalne, a nie globalne, oraz wysoką intensywność początkową dla szybkiego efektu. Długotrwałe skażenie również byłoby z wojskowego punktu widzenia niepożądane. W tym świetle Zn-64 może być lepiej dopasowany do zastosowań wojskowych niż kobalt, ale prawdopodobnie ustępuje tantalu lub złotu. Jak wspomniano wcześniej, zwykłe brudne bomby fuzyjno-rozszczepieniowe również cechują się bardzo wysoką początkową intensywnością promieniowania i także należy je uznać za rodzaj broni radiologicznej.

Żadna bomba kobaltowa ani żadna inna bomba solona nigdy nie była testowana w atmosferze i, o ile wiadomo publicznie, żadna nie została zbudowana. Biorąc pod uwagę łatwą dostępność zwykłych bomb rozszczepieniowo-fuzyjno-rozszczepieniowych, wydaje się mało prawdopodobne, by kiedykolwiek rozwinięto specjalistyczną broń przeznaczoną wyłącznie do skażania opadem.

Brytyjczycy przetestowali natomiast bombę zawierającą kobalt jako eksperymentalny znacznik radiochemiczny, w teście Antler/Round 1 z 14 września 1957 roku. To urządzenie 1 kt zdetonowano na poligonie Tadje w kompleksie Maralinga w Australii. Eksperyment uznano za nieudany i nie powtórzono go.