Második atom­fegy­ver­ke­zé­si ver­seny - I. rész

1945, az Egyesült Államok által Japán ellen bevetett atombombák óta az atomfegyverek árnyékában élünk.

Amerikának 1942-től 1945-ig hihetetlen erőfeszítésébe került az első atombomba kifejlesztése, de kétségkívül kifizetődő volt. Az atomfegyverek a legfélelmetesebb tömegpusztító fegyverek, melyek nem csak hatalmas pusztításra képesek, de alkalmazásuk után évekkel is áldozatokat szedhet az általuk kibocsátott radioaktív sugárzás. Noha az atomfegyverek előállítása komoly összegekbe kerül, mégis kétségkívül a politikai hadszíntér jolly jokere lett a hidegháborúban, és még ma is az, amint az láthatjuk Észak-Korea illetve Irán esetében. Ebben a cikkben egy rövid áttekintést szeretnénk adni az atomfegyverek felépítéséről, a gyártásukkor felmerülő nehézségekről, illetve arról, hogy ki és miért akar ilyen fegyver a birtokában lenni.

Nagy tisztaságú U-235 fém

A fissziós (maghasadás elvén működő) egyszerű atomfegyverek a maghasadás láncreakciójára épülnek. A maghasadásnál egy neutron kettéhasít egy nehéz atommagot, ami könnyebb atommá alakul, és közben jelentős mennyiségű energia szabadul fel. Ha a felszabaduló neutronok kellő mennyiségben tudnak újabb atommagokat széthasítani, akkor beindulhat a láncreakció. Ehhez az szükséges, hogy a reakció folyamán legalább kettő vagy több szabad neutron keletkezzen, valamint hogy a neutron lehetőleg újabb maghasadást tudjon okozni. Ha a maghadásból felszabaduló neutronok közül átlagosan egy okoz újabb maghasadást, az a kritikus állapot, ekkor a láncreakció stabil - ez zajlik az atomreaktorokban.

Ha ez az arány átlagosan egy alá csökken, az anyag szubkritikus, és a láncreakció előbb-utóbb leáll. Ha viszont a maghasadásból felszabaduló neutronok több atommagot is szét tudnak hasítani, akkor szuperkritikus állapotról beszélünk, vagyis a láncreakció megfut. Az atomfegyvereknél a cél az, hogy minimális idő (a másodperc milliomod, milliárdod része) alatt minél több maghasadás jöjjön létre, hogy a hirtelen felszabaduló energia hatalmas robbanásban szabaduljon fel. Fontos megjegyezni az időtényezőt: az atombombák még azelőtt felrobbannak, hogy az összes hasadóanyag felemésztődne a láncreakcióban, vagyis a hasadóanyag egy része mindenképpen kihasználatlan marad. Még a legfejlettebb nukleáris fegyverek hatásfoka is csak 40% körül mozog, az egyszerűbb atomfegyvereknél pedig csupán néhány százalék körül van.

A fissziós reakciókhoz hasadóképes anyagra van szükség. A két leggyakrabban használt hasadóanyag két nehézfém, az urán-235 (U-235) és a plutónium-239 (Pu-239). Ugyan elviekben más hasadóanyagok is szóba jöhetnének, de a természetben csak az U-235 található meg, az is viszonylag kis mennyiségben. Mivel felezési ideje 712 millió év, így a természetes uránércnek már csak mintegy 0,72%-a U-235, és, ha nagyon lassan is, de egyre csökken ez az arány.

A reakció beindulásához szükség van egy ún. kritikus tömeg eléréséhez, amit befolyásol az adott hasadóanyag tisztasága, mérete és alakja. Az U-235 kritikus tömege gömb formában mintegy 47 kg, a Pu-239-nek 10 kg körüli. Noha ez a szám látszólag igen kicsinek tűnik, az U-235 aránya a természetes uránércben mindössze 0,7%, a katonai célú felhasználáshoz viszont 80-90% felettinek kell lennie, amihez dúsítani kell, helyesebben fogalmazva csökkenteni a szennyező anyagok, mint az U-238 arányát.

A Zippe-féle centrifuga

Ez igencsak nehéz művelet, mivel az U-235 és az U-238 tulajdonságaikban nagyon közel áll egy­más­hoz, így idő- és energia­igényes módsze­rekkel lehet csak szétvá­lasztani őket. A Manhattan-terv keretében az 1940-es évek közepén az urándúsításhoz hatalmas gyárakat kellett felhúzni, amelyek gigászi mennyiségű elektromos energiát és vizet igényeltek - ezek a dúsítók vitték el a teljes Manhattan program költségvetésének mintegy 90%-át! Jelenleg a legáltalánosabb és leghatékonyabb megoldás az, hogy speciális centrifugák segítségével dúsítják az uránt.

Ezekbe a Zippe-féle centrifugákba urán-hexafluoridot (UF₆) táplálnak be. Az U-238 a mintegy 90 000-es fordulatszámon pörgő dob belső palástja mentén, a kicsivel könnyebb U-235 pedig a dob tengelyében gyűlik össze. A szétválást további hevítéssel könnyítik meg, majd a gázokat kivezetik a dobból. A dobot mágneses elven működő csapágyak tartják a helyén, és légüres térben forog, hogy csökkentsék az ellenállást (a kerületi sebesség a legtöbb centrifuga esetén hangsebesség felett van).

Ezek a centrifugák igen magas szintű gyártástechnológiát követelnek meg, és nem olcsó darabok, ráadásul a megfelelő tisztaságú U-235 előállításához egymás után többször is el kell végezni az eljárást a kinyert gázon, hogy eltávolítsák belőle az U-238-at. Mégpedig sokkal többször, mint a legtöbb civil célú reaktorok esetében - például a paksi atomerőműbe kerülő fűtőanyag-kazetták üzemanyagának csak mintegy 3,6% az U-235-tartalma, míg ugye a katonai célú hasadóanyag ideális esetben 90%-os vagy még nagyobb tisztaságú urán kell. Látható tehát, hogy a civil és a katonai célú U-235-dúsítás között nagyon komoly a különbség.


Egy urándúsító centrifugakaszkád
Egyetlen ilyen centrifuga egy év alatt csak alig pár gramm katonai szintre dúsított U-235-öt képes előállítani. Egy U-235 hasadóanyagú fissziós bomba létrehozásához nagyságrendileg ezer ilyen másfél méter átmérőjű, szuperszonikus sebességgel forgó centrifuga egy éves, folyamatos munkája szükséges.