Második atom­fegy­ver­ke­zé­si ver­seny - I. rész

A plutónium előállítása valamivel egyszerűbb. Az U-238 neutronbesugárzásra Pu-239-cé alakul. A nukleáris reaktorokban ez a folyamat állandó, de ez az anyag újabb neutron hatására Pu-240-né alakul tovább, amely már elvileg nem használható nukleáris robbanótöltetbe, mivel a Pu-240 túl sok neutront szabadít fel spontán. Ahhoz, hogy a kinyerhető anyag ne legyen túl szennyezett, a reaktorból viszonylag rövid idő alatt el kell távolítani a Pu-239-et tartalmazó fűtőrudat, melyből kémiai úton kivonható a szükséges izotóp.

Ha a fűtőelemeket nem távolítják el, vagyis üzemszerűen, békés céllal használják a reaktort, akkor a keletkező Pu-239 folyamatosan Pu-240-né alakul, így a kiégett fűtőelemekben lévő Pu-239-tartalom túl szennyezett lesz. A katonai célú plutónium csak legfeljebb 7%-ban tartalmaz Pu-240-et, ideális esetben pedig csupán 2-3%-ot. A civil reaktorokból kikerülő plutónium azonban akár 20%-nál is több Pu-240-plutónium-izotópot tartalmazhat.


Az X-10 plutóniumgyártó kísérleti reaktor 1943-ban
Noha az általános vélemény az, hogy ez a plutónium nem használható atomfegyverben, ezt némi kétkedéssel kell fogadnunk. Anglia 1953-ban egy kísérleti atombombát robbantott fel, a Totem I-et, ami hagyományos nukleáris reaktorból kikerült plutóniumból készült. Legalább 17%-os volt a Pu-240 tartalma, célja pedig pont az volt, hogy tapasztalatokat gyűjtsenek a Pu-240 szennyezésről. India legalább egy kis robbanóerejű kisérleti töltetett robbantott fel, amely civil nukleáris reaktorból származó plutóminot használt.

Egy 11 cm átmérőjű, 5,3kg-os, 99,96%-os tisztaságú Pu-239-gyűrű

Ugyan kétségkívűl nem ideális az ilyen kiégett civil reaktor-fűtőanyagból származó plutónium egy nukleáris fegyver létrehozására, de a jelek szerint korántsem lehetetlen. A nagyhatalmak általában speciális reaktorokat használtak, melyek feladata kifejezetten a Pu-239 előállítása volt, de mára ezek jó részét leállították, mivel egyfelől kevés új plutónium fegyver készül, ráadásul a nukleáris leszerelés miatt sok bombát szétszereltek, amelyekből szintén jelentős mennyiségű plutónium került a raktárakba. A mai napig mintegy 300 tonna katonai célú plutóniumot gyártottak, az USA mintegy 100 tonnát, Szovjetunió/Oroszország körülbelül 180 tonnát, Franciaország, Anglia és Kína pedig 12 tonna körül.

A bomba alapvető működése

Adva van tehát a szükséges mennyiségű U-235 vagy Pu-239 hasadóanyagunk. De hogyan fogjuk elérni, hogy rövid idő alatt megfusson a reakció? Ez két fő eljárással valósítható meg. Az elsőnél két vagy több, a kritikus tömegnél kisebb anyagmennyiséget robbanótöltetekkel összelöknek, amihez általában plusz neutronforrást is biztosítanak, hogy a láncreakció garantáltan beinduljon. A hirtelen megfutó reakciót a gyors neutronok hozzák létre. Rövid idő alatt hatalmas energiák szabadulnak fel, és a másodperc milliomod része alatt több millió fokos hőmérséklet keletkezik.
Ez az eljárás egyszerű, és a hatása sem kérdéses. Ilyen elven működött a Little Boy, amit Hirosimára dobtak le 1945 augusztusában. Azonban ez az eljárás csak U-235 esetén működhet, Pu-239 esetén nem, mivel abból nagyobb számban szabadulnak fel spontán neutronok, és a láncreakció által keletkező hő egyszerűen szétvetné a bombát, mielőtt a részek megfelelően egybeérnének, és kellően reaktívvá válna. Ennek a problémának a megoldására dolgozták ki a berobbantásnak nevezett megoldást.

Itt a reakcióanyag egy üreges gömb (de egyes bombáknál később állítólag áttértek az amerikai focilabdára emlékeztető alakra), amely körül robbanóanyag van. A robbanóanyagnak igen rövid idő alatt kell a Pu-239-et egyetlen pontba összenyomnia. A hirtelen felületcsökkenés (ahol a keletkező neutronok megszökhetnek) és a megnőtt sűrűség miatt szuperkritikussá válik az anyag. A reakció megindulását itt is egy neutronforrás biztosítja, és egy U-238- vagy berilliumtükör veszi körbe a plutóniummagot, amely nagyban javítja a fegyver hatásfokát.
A modern, összetett berobbantási módszerekkel hatásosan lehet csökkenteni a szükséges reakcióanyag mennyiségét. Amíg egy tiszta Pu-239 hasadóanyag kritikus tömege gömb formában mintegy 10 kg körüli, berobbantásos eljárással ez 4 kg-ra, a fejlettebb berobbantásos megoldásokkal pedig egyes becslések szerint akár 1-2 kg-ra is lecsökkenthető. A berobbantásos eljárás használható az U-235-bombáknál is, ahol a kritikus tömeg mintegy 15 kg-ra csökkenthető le.