U medijima se pojavio niz slika Kim Jong-Una i njegove termonuklearne (fuzijske, vodikove) bombe, koja se navodno može postaviti na interkontinentalnu balističku raketu (ICBM). Na panou iza Kima i njegovih partijskih kolega se, štoviše, nazire bomba montirana unutar vrha (bojeve glave) ICBM rakete. Sama termonuklearna bomba izgleda kao srebrna mahuna, položena vodoravno, dok je na stalku iza nje kontrolna elektronika koja se unutar bojeve glave smješta ispod bombe. Veći (širi) kuglasti dio „mahune“ je fisijska, „obična“ nuklearna bomba, točnije implozijska plutonijska nuklearna bomba. Ona služi kao „upaljač“ za termonuklearnu fuzijsku bombu koja je u manjem (užem) kuglastom dijelu „mahune“.
Kako do bombe?
Postoje, naime, dva puta prema nuklearnoj bombi:
– uranski put, gdje kritična masa iznosi 15 kg urana U235, obogaćenog preko 90 posto, te
– plutonijski put, gdje kritična masa iznosi 10 kg plutonija Pu239, preko 90 posto koncentracije.
Postrojenje s centrifugama u SAD, Piketon, savezna država Ohio, 1984. godine
Za gradnju uranske bombe nužne su nuklearne centrifuge (danas) ili nuklearne osmoze (davno tj. 1940-ih) u kojima se iz prirodnog urana (u kojem je traženi U235 zastupljen s manje od 1 posto) dobiva obogaćeni uran, u kojem je barem 90 posto U235. Za gradnju plutonijske bombe nisu potrebne sofisticirane centrifuge, nego je dovoljno prirodni uran postaviti u reaktor (bazen) ispunjen teškom vodom, dakle vodom u kojoj se u svakoj molekuli vode (H2O) umjesto vodika nalazi deuterij (dakle D2O). Unutar par tjedana nuklearnih reakcija, koje pospješuje teška voda, veći dio prirodnog urana pretvori se u plutonij 239, koji se onda kemijskim putem izdvoji i oblikuje u nuklearno gorivo za bombu. Tim putem do bombe pokušavao je ići Adolf Hitler, a tim putem ide danas sjevernokorejski komunistički režim.
Za eksploziju nuklearne bombe nužna je kritična masa nuklearnog goriva, koje opet (radi kompaktnosti same bombe) treba biti što više obogaćeno, da se ne prevozi nepotrebni balast nekorisnog dijela urana ili plutonija. Kritična masa urana ili plutonija je tolika količina obogaćenog nuklearnog goriva kod koje se svakom neutronu koji izađe iz neke jezgre u središtu te kugle goriva čini da je oko njega beskonačno puno goriva, tj. da je 100 postotna vjerojatnost da će udariti u neku drugu jezgru i nastaviti nuklearnu lančanu reakciju. Kako je gore rečeno, kritična masa ovisi o vrsti nuklearnog goriva i udarnom presjeku (vjerojatnosti) za lančanu reakciju pri udaru neutrona u atomsku jezgru unutar goriva.
Konstrukcijski modeli
Američka nuklearna bomba “Little Boy”, bačena na Hirošimu 6. kolovoza 1945. godine
Kod uranske bombe može se primijeniti konstrukcija „topovske cijevi“, kao na bombi bačenoj na Hiroshimu, u kojoj se jedan potkritični dio zabija u drugi, te tako tvore potrebnu kritičnu masu. To međutim nije moguće kod plutonijske bombe, što je primijećeno već 1944. u američkom Manhattan projektu. Naime, dvije potkritične plutonijske mase, u blizini jedna drugoj, same će početi prijevremenu i nekontroliranu lančanu reakciju, koja se dakle ne može vremenski kontrolirati, ali koja isto tako neće rezultirati jakom nuklearnom eksplozijom, nego taljenjem goriva i razaranjem uređaja bombe. Zato je za plutonijske bombe razvijen model implozijske bombe, koji je od tada postao uobičajen i za uranske bombe.
Američka implozijska nuklearna bomba “Fat Man”, bačena na Nagasaki 9. kolovoza 1945. godine
Kod implozijskog modela se oko podkritične kuglaste mase plutonija (ili urana) promjera 13 cm raspoređuje eksploziv u obliku sfere. Detonacija eksploziva mora biti sinhronizirana tako da stvori idealan kuglasti val usmjeren prema središtu kugle, koji sabija nuklearno gorivo. Budući su uran i plutonij među najčvršćim metalima, tako i količina eksploziva mora biti znatna. Sabijanje plutonija (ili urana) kuglastim valom eksplozije brzine 8 km/s ima za cilj povećanje gustoće u središtu kugle nuklearnog goriva. Time gorivo potkritične gustoće postaje superkritično i moguća je lančana reakcija. Stvaranje pravilnog, skoro idealnog kuglastog vala za sabijanje jezgre goriva nije jednostavno. Zato je nužno napraviti niz pokusa s implozijskim bombama. Nasuprot tome, konstrukciju „topovske cijevi“ ne treba testirati (to nisu učinili ni Amerikanci 1944. godine!) jer sigurno radi. No, ponavljam, ne može se primijeniti na plutonijsko gorivo.
Lančana reakcija i njeno pojačavanje
Navodna nuklearna bojna glava za projektil Hwasong-14, Institut za nuklearno naoružanje Sjeverne Koreje
Sve što je potrebno nakon sabijanja jezgre goriva je emiter neutrona kojim bi se zajamčio početak lančane reakcije. Kod ranih bombi je to bila kombinacija polonija Po210 i berilija Be9. Polonij emitira alfa-čestice (jezgre helija) koje udarom u jezgru berilija dovode do emisije neutrona. Dovoljno je ova dva metala odvojiti tankom pregradom, koja se može brzo ukloniti (recimo magnetom) pri početku procesa. Uklanjanje pregrade treba biti sinhronizirano sa sabijanjem plutonijske jezgre. Danas se u to svrhu na modernim bombama koriste mali neutronski generatori. Crni cilindrični komad na gornjoj strani Kimove bombe mogao bi biti emiter neutrona. No vjerojatnije je to pulsirani neutronski generator, koji ubrzava deuterij na malu energiju prema meti od tricija ili deuterija, proizvodeći tako potrebne neutrone. Naime, tricij i deuterij koji se koriste u njemu daleko su stabilniji
od Polonija. Uglavnom, ta je sklop električnim kablovima sinhroniziran sa bijelim kablovima za koordiniranu detonaciju eksploziva za nužnog za imploziju plutonijske jezgre.
Postupno pojačavanje seizmičkih učinaka sjevernokorejskog nuklearnog oružja
Da se poveća djelovanje neutrona na superkritičnu masu goriva i da se zajamči kako će svo gorivo biti prožeto lančanom reakcijom oko podkritične jezgre goriva stavlja se reflektor neutrona, najčešće berilij Be9. Pored toga, kako bi se osiguralo da se sve ne razleti prilikom implozije jezgre goriva ili prije nego lančana reakcija prožme svo nuklearno gorivo, se oko eksploziva za stvaranje kuglastog vala stavlja debeli sloj osiromašenog urana U238 kao usporivač ili tzv. „tamper“. Njegova uloga je dakle da svojom masom spriječi razlijetanje sustava prije nego se razvije puna lančana reakcija. Ujedno, on štiti operatere bombe od zračenja iz nuklearnog goriva.
Još se sredinom 1950-ih shvatilo kako je besmisleno povećavati „običnu“ nuklearnu bombu radi većeg ekplozijskog učinka (yield-a), odnosno da se to lakše može učiniti kroz „hibridnu“ fuzijsko-fisijsku bombu. Naime, plutonijska (ili uranska) jezgra se učini šupljom i u tu šupljinu se dodaje fuzijsko gorivo tj. izotopi vodika, deuterij i tricij. Budući su to plinovi, nužno ih je spremiti u krutom obliku u spoju sa uranom ili plutonijem, tj. u kuglicu plutonij-deuterida/plutonij-tricida (PuD/PuT). Pri nuklearnoj eksploziji doći će do fuzije deuterija i tricija i do silnog povećanja yielda. Otprilike 1.5 gram tricija (i isto toliko deuterija) daju dodatnih 10 kt eksplozijskog učinka!
Kako to radi Sjeverna Koreja?
Pretpostavljena maketa minijaturizirane fisijske bojne glave, poziranje ispred projektila KN-08, objavljeno 9. ožujka 2016. godine
Kim je u ljeto 2006. detonirao svoju prvu nuklearnu bombu, snage svega oko 0.5-1 kt. Prve procjene su govorile da može proizvesti oko 10 bombi male snage. Nakon toga je iduća dva pokusa povećavao snagu eksplozije nuklearne bombe, tj. usavršavana je implozija plutonija, stalno s relativno malim yieldovima, štedeći gorivo. Već je bomba detonirana 6. siječnja 2016. bila „hibrid“, sa yieldom od preko 10 kt. No sama činjenica da je detonirao „hibridnu“ bombu govorila je kako je blizu „prave“ termonuklearne, vodikove bombe, jer raspolaže fuzijskim gorivom! Naime, kad već ima reaktor s teškom vodom kojim dobiva plutonij, uz reaktor može staviti litij Li7 i dobiti iz litija (pod udarima neutrona iz reaktora) tricij i helij. Deuterij već ionako ima, kad ima tešku vodu.
Manji kuglasti dio srebrne mahune na nedavnim slikama čini dakle fuzijski dio bombe. On se sastoji od jezgre s većom količinom tricija i deuterija (vjerojatno unutar spojeva s uranom tj. UD/UT). Oko toga je plašt od litij-deuterida LiD, koji je pak okružen s polimerom, a oko svega je opet tamper od urana U238, koji štiti od zračenja iz tricija. Pri eksploziji prvog stupnja termonuklearne bombe, tj. njenog fisijkog dijela od plutonija, razvija se jako rengensko i infracrveno zračenje. Ono grije deuterij i tricij na temperaturu potrebnu za start fuzijske reakcije tj. na 150 milijuna 0C. Plašt od polimera pritom eksplodira i implozijom potiskuje fuzijsko gorivo, povećavajući mu temperaturu.
Dijagram pozicioniranja bombe u konus projektila
Fuzijska reakcija D-T oslobađa još veću količinu energije u vidu brzih fuzijskih neutrona, koji razlažu litij iz plašta LiD na tricij i helij. Tako stvoreni tricij reagira s deuterijem iz LiD i pojačava fuzijsku reakciju. Polimer ujedno, s velikom količinom vodika u sebi, služi i kao reflektor fuzijskih neutrona, kako bi se do kraja razložio LiD i proizveo sav mogući tricij, te tako pospješila fuzijska reakcija. I konačno, velika količina brzih fuzijskih neutrona dovodi do trenutne lančane reakcije inače stabilnog urana U238 iz tampera oko oba dijela termonuklearne bombe (i svog preostalog plutonija koji možda nije obuhvaćen lančanom reakcijom na početku). To dodatno pojačava eksploziju.
Narastanje eksplozijskog učinka u nuklearnim pokusima Sjeverne Koreje
* gost autor: Dr.Sc. Tonči Tadić, viši znanstveni suradnik Instituta Ruđer Bošković, te predsjednik Euro-Mediteranskog Foruma (EMEF)
