A nukleáris fegyverekről

Dátum: 2017. április 20.
Forrás: Wikipedia
 
Augusztus 6-án és 9-én emlékezünk a Hirosima és Nagaszaki városát ért atombombázásra. Csak a Nagaszaki elleni támadásban, több mint 80000 ember vesztette életét és 75000 lettek sugárbetegek. Cikkünk keretében ennek az eseményenek szeretnénk emléket állítani a nukleáris fegyverek működési elvének és azok hatásmechanizmusainak bemutatásával.



A nukleáris fegyver olyan fegyver, amelynek az energiája atommag-átalakulásból származik. Két típusa kétféle magátalakulást használ fel: az atombomba esetén maghasadás következtében, a hidrogénbomba esetén magfúzió következtében az atommag kötési energiája szabadul fel. Rendkívül nagy pusztító ereje van: egyetlen ilyen fegyver képes elpusztítani egy várost. Mivel a hasadáson és a fúzión alapuló bombák közös jellemzője, hogy az atommag (latinul és angolul nucleus = mag) átalakítása révén szabadítanak fel energiát, a legpontosabb közös elnevezés e robbanóanyagok különféle formáira a „nukleáris fegyver”.
A kísérleti robbantásoktól eltekintve kétszer használtak nukleáris fegyvert: a II. világháborúban az Egyesült Államok dobta le két japán városra, Hirosimára és Nagaszakira.

Nagaszaki az atombomba-támadás előtt és után
Nagaszaki az atombomba-támadás előtt és után


A következő államokról tudható, hogy van atombombájuk: Amerikai Egyesült Államok, Oroszország, Egyesült Királyság, Franciaország, Kína, India és Pakisztán. Bizonyosra vehető, hogy Izraelnek is van nukleáris fegyvere, de erről nem hajlandó nyilatkozni; a közelmúltban pedig Észak-Korea tett szert nukleáris fegyverre. Irán üzembe helyezett egy urándúsító-üzemet, és az Egyesült Államok szerint ezt katonai célokra akarja alkalmazni. Az ottani kormány szerint az atomprogram békés célú. A Dél-afrikai Köztársaság az 1980-as évek elején titokban kifejlesztett nukleáris fegyvereket, viszont 1991-ben szétszerelte őket. Ukrajna, Fehéroroszország és Kazahsztán a Szovjetunió felbomlás után rendelkeztek nukleáris fegyverrel, de visszaszolgáltatták őket Oroszországnak.

Története

Az atombombát az Egyesült Államokban a Manhattan-terv keretein belül fejlesztette ki egy kutatócsoport az Új-Mexikói Los Alamosban. Az első atombombát 1945. július 16-án robbantották föl a szintén Új-Mexikói Alamogordo melletti kísérleti telepen. Ugyanezen év augusztus 6-án Hirosimára, majd augusztus 9-én Nagaszakira dobtak atombomát.

A Manhattan-terv Szilárd Leó kezdeményezésére indult 1939-ben, elsődlegesen a német atomprogramtól való félelem miatt. A projekt vezetője Robert Oppenheimer lett. A munkában amerikai, olasz és angol tudósok mellett Teller Ede és Neumann János is részt vett.
Az első Japánra dobott bombát az Enola Gay nevű B-29-es bombázó szállította, a neve pedig Little Boy volt. A Nagaszakira dobott bombát neve Fat Mannak nevezték. Előbbi uránt, utóbbi plutóniumot tartalmazott.

A világháború után leghamarabb a Szovjetunió tett szert nukleáris fegyverre. Első kísérleti robbantásukat 1949. augusztus 29-én hajtották végre egy Kazahsztáni kísérleti telepen, és ezzel megindult a fegyverkezési verseny. A szovjet atomprogramra válaszként az Egyesült Államok beindította a hidrogénbomba-programot, Teller Ede és Stanislaw Ulam tervei alapján. Ennek eredményeképpen 1952. november 1-jén felrobbantották az első hidrogénbombát, az Eniwetok-atoll térségében.

A 1960-as évek során még 3 állam tett szert nukleáris fegyverre: Franciaország, Nagy-Britannia és Kína. Már ekkor erősödni kezdtek a nukleáris fegyvereket ellenző mozgalmak. Ennek eredményeképpen 1963-ban Anglia, az USA és a Szovjetunió aláírta a részleges atomcsend-egyezményt (Partial Test Ban Treaty), ami tiltja a légköri, vízalatti és világűri robbantásokat. Mivel két ország (Kína és Franciaország) nem írta alá az egyezményt, ezért ez csak részleges sikerrel járt.

1968-ban Nagy-Britannia, az USA, Kína, Franciaország, és a Szovjetunió aláírták az atomsorompó egyezményt (Non proliferation Treaty). Ez szerint az aláírók segítik egymást az atomenergia békés hasznosításában, és nem segítik a nukleáris fegyverrel nem rendelkező államokat azoknak megszerzésében. Ezenkívül az aláírók engedélyezik a Nemzetközi Atomenergia Ügynökségnek, hogy a nukleáris berendezéseiket ellenőrizze. 1970-ig 187 ország írta alá az egyezményt, viszont Kuba, India, Izrael és Pakisztán elutasította. India és Pakisztán időközben nukleáris fegyverre tettek szert. Az atomsorompó egyezmény egyik hibája, hogy nem tette kötelezővé a leszerelést.
A teljes körű atomcsend-egyezményt 1996 óta 166 állam, közöttük az 5 atomnagyhatalom írta alá. Ez megtilt mindennemű kísérleti robbantást. Létrehoztak egy globális megfigyelő hálózatot is.

Fizikai alapok

Az atom magból és elektronhéjból áll. Az a reakció kémiai reakció, melyben több atom vesz részt, és csak az elektronburkok rendeződnek át. Ha a reakció következtében új atommag (és atom fajta) jön létre, akkor nukleáris reakcióról van szó. E cikk szempontjából a nukleáris reakció két típusát említjük: a magfúziót és a maghasadást. A magfúzió következtében két kisebb atommagból egy nehezebb jön létre, a maghasadáskor egy nehezebb atommagból két könnyebb. A nukleononkénti kötési energia a periódusos rendszerben nő a hidrogéntől a xenonig haladva, és a vastól kezdve csökken. Ezért egy magfúzió esetén, ha a végtermék könnyebb a xenonnál, akkor energia szabadul fel (a legtöbb energia a hélium szintézisénél szabadul fel, és csökken a xenonig). Ha a magfúzió végterméke nehezebb a vasnál, akkor a reakció endoterm. Ez a természetben szupernóva robbanásakor megy végbe. Fordított a helyzet maghasadáskor, mikor energia szabadul fel nehéz elemek (235U) maghasadásakor.

A radioaktív elemek maghasadása lehet természetes, vagy gerjesztett. A természetes maghasadás ritmusát a felezési idő határozza meg, és ez elég lassú. Az 235U esetében maghasadás következtében keletkeznek neutronok is, melyek ha másik 235U magba ütköznek, ezt hasadásra gerjesztik, a gerjesztett hasadásból keletkezik három neutron és így beindulhat egy láncreakció. Mivel az atommag nagyon kicsi az atomhoz viszonyítva, a neutron az elektronhéjon áthaladhat anélkül, hogy magot találna. Ha elég nagy mennyiségű 235U van egyben, akkor valószínű, hogy a neutron egy magba ütközik és beindul a láncreakció. Az a mennyiségű anyag, melyben beindul a láncreakció, az a kritikus tömeg és az 235U esetében ötvenkét kilogramm. Leegyszerűsítve azt mondhatjuk, hogy a megfelelő mennyiségű töltetet (ami több, mint a kritikus tömeg) két vagy több részre osztják (egy résznek a tömege kisebb, mint a kritikus tömeg) és az adott pillanatban, klasszikus robbantással egy darabba préselik. Hogy pusztító erejét kifejtse, a burok elég kemény kell legyen, hogy a láncreakció előrehaladjon és nagy mennyiségű energia szabaduljon fel. Ha túl hamar hasad a burok, a töltet szétszóródik, megszűnik a kritikus tömeg és a láncreakció leáll. Az atomerőművekben nagyjából ugyanez megy végbe, a keletkezett három neutronból csak egynek engedjük, hogy láncreakcióban részt vegyen, a többit elnyeletjük (induláskor valamivel több mint egy, leálláskor kevesebb mint egy).

Magfúzió esetén két könnyű atommagot kell ütköztetni, hogy ezek egyesüljenek. Az atommagok azonos, pozitív töltése erős taszítóerőt fejt ki, ennek legyőzésére a magokat nagy sebességgel kell ütköztetni. Ezért nagy hőmérsékletre van szükség, hogy a magoknak elég energiája legyen a taszító erő legyőzéséhez, ugyanakkor óriási nyomásra, mivel nem minden ütközés vezet magfúzióhoz.

Típusai

Atombombák
Az atombombák, vagy fissziós bombák energiájukat atommagok hasadásából nyerik: nehéz atommagok (urán vagy plutónium) hasadnak könnyebb elemekké neutronok besugárzása révén (ezek újabb neutronokat hoznak létre, melyek újabb atommagokat bombáznak, láncreakciót eredményezve). Ezeket történelmi okokból atombombának nevezzük. Az elnevezés nem pontos, mivel a kémiai reakciók szabadítanak fel energiát atomok kapcsolódásából, nem a hasadás, valamint a fúzió (az atommagok egyesülése) sem kevésbé atomi jellegű, mint a maghasadás (fisszió). E lehetséges félreértés ellenére az atombomba kifejezést széles körben használják kimondottan a nukleáris fegyverekre, s leginkább a fissziós bombákra. Az atombombák méretét nem lehet tetszőlegesen növelni, mivel a kritikus tömeg felett maguktól felrobbannak mindenféle külső hatás nélkül.

Teller Ede, a magyar származású atomtudós
Teller Ede, a magyar származású atomtudós


Hidrogénbombák
A hidrogénbombák, vagy fúziós bombák az atommagok egyesülésén, fúzióján alapulnak, amikor könnyebb atommagok, mint például hidrogén vagy hélium állnak össze nehezebb elemekké nagy energia felszabadulása mellett. A hidrogénbomba elnevezést az alapanyaga miatt kapta, hívják még termonukleáris fegyvernek is, mivel a fúziós reakcióknál a láncreakció beindulásához rendkívül magas hőmérséklet kell. A hidrogénbombák tömegének nincsen felső korlátja, mivel csak akkor robban, amikor megfelelően magas a hőmérséklet.

Fúzióval felerősített fissziós bombák
Ennél a típusnál a hasadóanyag közepébe deutérium és trícium (a hidrogén izotópjai) cseppfolyós keverékét helyezik. A fissziós bomba robbanásakor kialakuló magas nyomás és hőmérséklet beindítja a fúziót a D-T elegyben. A fúzió során sok szabad neutron keletkezik, amik hozzájárulnak a láncreakcióhoz. Ezzel az eljárással a fissziós bomba hatásfoka akár a duplájára növelhető. Lényeges tény, hogy a fúzióból származó energia a bomba energiájához képest elenyésző – 1% körül mozog.

Felosztásuk

UGM–133 Trident II D5 rakéta indítása tengeralattjáróról
A harcászati, vagy taktikai nukleáris fegyverek kisebb hatóerejűek (a legkisebb 0,3 kilotonnástól egészen pár száz kilotonnáig), és a harcmezőn kerülnek bevetésre. Fajtái:
- tüzérségi lövedékek,
- tengeralattjárók elleni mélységi bombák,
- gravitációs légibombák,
- harcászati rakéták,
- atomaknák.

A hadászati, vagy stratégiai nukleáris fegyverek nagy erejűek (pár 10 kilotonnától egészen az elméleti 100 megatonnáig a hidrogénbomba esetében). Célpontjaik ellenséges városok (amelyeket teljesen meg tud semmisíteni), rakétakilövő állomások, védett vezetési pontok. Gyakran interkontinentális ballisztikus rakétákra vagy robotrepülőgépekre szerelik őket, így biztosítva a több ezer kilométeres hatótávolságot. Egy ilyen interkontinentális rakétával felszerelt tengeralattjáró a Földön bármely célpontot meg tud semmisíteni.

Hatásai

A maghasadásból származó energia több formában nyilvánul meg:
- Légnyomás (40–60%)
- Elektromágneses impulzus (40–60%) A hősugárzástól kezdve a látható fényen keresztül egészen a röntgensugarakig minden frekvencia megtalálható a spektrumában.
- Radioaktív sugárzás (10–20%) Főként neutron- és gamma-sugárzás. Ide tartozik a radioaktív kihullás is.

Az energiamegoszlásból látszik, hogy a nukleáris fegyver nem sokban különbözik a klasszikus bombáktól: jelentős romboló hatása csak a légnyomásnak és a hősugárzásnak van. A radioaktív sugárzás sok esetben elhanyagolható. Lényeges különbség jelentkezik viszont a felszabadult energia szempontjából: az atombomba sokkal több energiát szabadít föl sokkal rövidebb idő alatt. Így nukleáris fegyverek erősségét ekvivalens mennyiségű TNT erejével mérik. Egy közönséges atombomba 10 és 1000 kilotonna TNT-vel egyenértékű. A hirosimai bomba 15 kilotonnás volt, míg a legnagyobb bomba az 50 Mt-ás szovjet Cár-bomba volt.

A bomba robbanásakor a hőmérséklet a több száz millió Kelvint is elérheti. Ilyen állapotban az atomok főleg röntgensugárzás formájában adják le az energiájukat. A levegő pár méter után teljesen elnyeli a keletkezett röntgensugárzást, ezáltal hirtelen felmelegszik. Légköri detonáció esetében egy tűzgömb alakul ki, ami tágulni és egyben emelkedni kezd. Ez a tűzgömb egy 1 megatonnás bomba esetében az első ezredmásodperc után 150 m átmérőjű, míg a legnagyobb átmérője (10 másodperc után) 2200 m. A tűzgömb hirtelen tágulása összenyomja a szélén lévő hideg levegőt, akusztikus hullámot kialakítva. Egy perc után a tűzgömb kihűl, és az emelkedés megáll. Így keletkezik a jellegzetes gomba forma, ami lehet kicsapódott vízgőz, vagy földfelszíni robbanás esetében por.

A robbanás magasságának függvényében megkülönböztetünk légköri, földfelszíni, földalatti és magaslégköri robbanásokat.

A légköri robbanás magassága kevesebb, mint 30 km, viszont elég magas ahhoz, hogy a tűzgömb ne érje el a Föld felszínét. A magasság változtatásával maximalizálhatjuk a légnyomási, hősugárzási vagy a radioaktív hatást. Gyalogság ellen ez a legmegfelelőbb bevetési mód, mivel nagy területen (több négyzetkilométer) égési sérüléseket okoz, és még nagyobb területen okoz szemsérülést. A radioaktív kihullás ez esetben nem a robbanás közelében ér földet.

A földfelszíni robbanás esetében a keletkezett tűzgömb hozzáér a földhöz, így a felszabadult energia egy részét a föld nyeli el. Hatása kisebb, mint a légköri robbanás esetében. A radioaktív kihullás itt jelentős.
A magaslégköri robbanás 30 km fölötti. A levegő ritkasága miatt a röntgensugaraknak sokkal nagyobb a hatótávolságuk (több száz km), így a keletkezett tűzgömb is nagyobb. A légkör nagymértékű ionizálása telekommunikációs rendszerek (műholdak, repülőgépek) összeomlását idézi elő. Az elektromágneses impulzus tönkreteheti a kifinomult elektronikai eszközöket. Bevetésük valószínűtlen a nagy hatótávolságuk miatt: egy ilyen bomba egy egész kontinens kommunikációs rendszerét is megbéníthatja.

Légnyomás

A bomba robbanásakor hirtelen felszabaduló energia egy része a bomba közvetlen közelében levő atomok hőenergiájává alakul. A nagy sebességű atomok sugarasan távolodni kezdenek a robbanás központjától, maguk előtt „tolva” a még hideg levegőt. Így egy nagyon erős lökéshullám alakul ki, ami valójában egy klasszikus akusztikus hullám. Ez a lökéshullám eleinte késik a tűzgömbhöz képest (bár így is gyorsabb, mint a hang). Abban a pillanatban, amikor a lökéshullám utoléri a tűzgömböt, a nagy nyomástól a levegő izzásig melegszik, így még egy villanás látható. A lökéshullám sebessége is csökken, és egy idő után eléri a hang sebességét.

A jelentős károkat éppen a lökéshullám okozza: az épületek már 0,35 atmoszféra túlnyomásnál is megrongálódnak. A lökéshullámot követő szél a több száz kilométer per órás sebességet is eléri. Így egész városokat le lehet rombolni.

A lökéshullám nagysága (és hatótávolsága) nagymértékben függ a bomba nagyságától (az adatok egy tipikus légköri robbanásra vonatkoznak):
- 0,7 km 1 kilotonnás bomba
- 3,2 km 100 kilotonnás bomba
- 15 km 10 megatonnás bomba

Nagaszaki bombázása 1945. augusztus 9-én
Nagaszaki bombázása 1945. augusztus 9-én


Elektromágneses impulzus

A robbanás során jelentkező elektromágneses sugárzás hősugárzás formájában fejti ki romboló hatását. A hősugárzás okozhat tüzet, égési sérüléseket és vakságot. Hatótávolsága sokkal nagyobb, mint a légnyomásé, és jelentősen növekszik a bomba erejével. Így az egy megatonnán fölüli bombák nagyrészt gyújtóbombák.

Radioaktív sugárzás

A nukleáris fegyver robbanását kísérő radioaktív sugárzás nem csak a robbanáskor érzékelhető, hanem évtizedekkel utána is. Az azonnali (prompt) sugárzás az első egy percben jelentkezik, és a bombában lejátszódó magreakciók eredménye. A későbbi (visszamaradt) sugárzás viszont a robbanás során keletkezett radioaktív izotópok bomlásának eredménye.

A bomba energiájának 5%-a jelentkezik neutron- és gamma-sugárzás formájában. Tehát az 50 kilotonnás fegyverektől kezdve a prompt sugárzás elhanyagolható a hősugárzáshoz és a légnyomáshoz képest.

A radioaktív kihullás a visszamaradt sugárzás egyik formája. A fissziós bombák robbanása során közepesen nehéz (100-as atomtömeg) bomlási termékek keletkeznek (akár 300 különböző atommag), amik nagyrészt radioaktívak. Ezek között vannak olyan elemek, amelyek felezési ideje több hónap vagy év, tehát hosszú időre veszélyt jelentenek. Másrészt a fissziós bomba nem használja el az összes hasadóképes anyagot, ami így szétszóródik a többi bomlási termékkel együtt. Ezek az elemek azonban nagy felezési idővel rendelkeznek (U-235 és Pu-239) és alfa emitterek, így nem jelentenek nagy veszélyt.

Az erős neutronsugárzás felaktiválhatja az elemeket a bomba közvetlen közelében, amik ennek következtében radioaktívak lesznek. Egy földfelszíni robbanás esetében ezek a földben található nátrium, magnézium, alumínium és szilícium, amik béta- és gamma-sugárzással bomlanak tovább. Ez nem jelent nagy veszélyt, mert általában könnyen elhatárolható kisebb területekről van szó. A földfelszín egy része azonban el fog párologni, és idővel kis részecskékké kondenzálódik. Ezek a részecskék általában egy napon belül visszajutnak a földre, viszont a szelek által nagyobb területen szétszóródnak. Eső vagy hó fölgyorsíthatja a lecsapódási folyamatot, csökkentve az érintett terület nagyságát.

Egy légköri robbanáskor azonban a radioaktív elemek nagyon kis részecskékké alakulnak (0,1-20 mikrométer). Ezek a sztratoszférába kerülve hónapok, sőt évek után is veszélyt jelenthetnek.

Vissza a főoldalra