Jak działa bomba atomowa? Zasada działania i skutki wybuchu

Bomba atomowa uwalnia energię dzięki niekontrolowanej reakcji łańcuchowej rozszczepienia jąder atomowych. Neutron rozbija jądro uranu-235 albo plutonu-239, a powstałe w ten sposób neutrony wywołują kolejne rozszczepienia. Gdy materiał osiągnie masę krytyczną, reakcja narasta w ułamku sekundy i prowadzi do gwałtownego wyzwolenia energii.

Czym różni się reakcja jądrowa od chemicznej?

W zwykłej reakcji chemicznej zmienia się sposób łączenia elektronów znajdujących się wokół jąder atomowych. Przykładem jest spalanie, podczas którego energia pochodzi z przekształcenia wiązań chemicznych. W bombie atomowej zmiany zachodzą natomiast wewnątrz jądra atomowego, złożonego z protonów i neutronów.

Podczas rozszczepienia ciężkie jądro rozpada się na mniejsze fragmenty. Część energii związanej z budową jądra zamienia się w energię kinetyczną odłamków, ciepło i promieniowanie. Wydajność takiego procesu jest znacznie większa niż w reakcji chemicznej, ponieważ dotyczy sił wiążących składniki jądra, a nie elektronów.

Jak przebiega reakcja łańcuchowa?

W broni wykorzystującej rozszczepienie stosuje się materiały, których jądra mogą podtrzymywać szybką reakcję łańcuchową. Najważniejsze są uran-235 i pluton-239. Uran-235 jest izotopem uranu, czyli odmianą tego samego pierwiastka mającą inną liczbę neutronów niż uran-238.

Uran-238 stanowi większość naturalnego uranu, ale w typowych warunkach nie podtrzymuje takiej reakcji rozszczepienia jak uran-235. Uran-235 występuje naturalnie w niewielkiej ilości, dlatego uzyskanie materiału o właściwościach potrzebnych do zastosowania w broni wymaga jego wzbogacenia. Izotopy różnią się liczbą neutronów, lecz mają tę samą liczbę protonów, charakterystyczną dla uranu.

Uproszczony przebieg reakcji można przedstawić w kilku etapach:

1. Neutron uderza w jądro uranu-235 lub plutonu-239.
2. Jądro staje się niestabilne i rozpada się na dwa mniejsze fragmenty.
3. W rozszczepieniu uwalniają się energia oraz kolejne neutrony.
4. Nowe neutrony trafiają w następne jądra, powodując ich rozpad.
5. Liczba rozszczepień gwałtownie rośnie, ponieważ każdy etap może uruchamiać wiele kolejnych.

To właśnie jest reakcja łańcuchowa. Można porównać ją do domina, ale w tym przypadku każdy przewrócony element może uruchomić kilka następnych. W materiale o zbyt małej objętości wiele neutronów ucieka poza jego obszar, zanim trafi w kolejne jądro. Reakcja wygasa. Gdy materiał zostanie zebrany w warunkach sprzyjających zatrzymywaniu neutronów, rozszczepienia mogą się samoczynnie podtrzymywać.

Masa krytyczna to najmniejsza ilość materiału rozszczepialnego w określonych warunkach, przy której reakcja łańcuchowa może się podtrzymywać. Nie jest to jedna uniwersalna wartość. Zależy między innymi od kształtu, gęstości, czystości materiału i obecności elementów odbijających neutrony. W bombie materiał musi zostać połączony lub zagęszczony na tyle szybko, aby reakcja rozpoczęła się, zanim rdzeń rozpadnie się wskutek rosnącej energii.

Jak technicznie osiąga się masę krytyczną?

Najprościej mówiąc, konstrukcja musi bardzo szybko przeprowadzić materiał ze stanu podkrytycznego do konfiguracji, w której neutrony wywołują lawinę kolejnych rozszczepień. Historycznie stosowano dwie główne koncepcje: metodę pistoletową i metodę implozyjną.

Metoda pistoletowa

W metodzie pistoletowej dwie podkrytyczne części uranu-235 są ustawione osobno. Jedna z nich zostaje gwałtownie przesunięta w stronę drugiej, dzięki czemu tworzą wspólny rdzeń o masie i geometrii sprzyjających reakcji łańcuchowej. Tak działał mechanizm zastosowany w bombie Little Boy.

Rozwiązanie było konstrukcyjnie prostsze niż implozja, ale wymagało materiału o odpowiednich właściwościach i wystarczającej ilości uranu-235. Jego ograniczeniem była także mniejsza efektywność wykorzystania materiału. Szczegółowe parametry konstrukcyjne historycznych ładunków nie są potrzebne do zrozumienia samej zasady: chodzi o bardzo szybkie połączenie rozdzielonych wcześniej części.

Metoda implozyjna

W metodzie implozyjnej rdzeń z materiału rozszczepialnego otacza się układem konwencjonalnych ładunków wybuchowych. Ich jednoczesne zadziałanie powoduje gwałtowne ściśnięcie rdzenia. Zwiększenie gęstości ogranicza ucieczkę neutronów i ułatwia osiągnięcie warunków, w których reakcja rozwija się bardzo szybko.

Implozja jest trudniejsza technicznie, ponieważ fala ściskająca musi mieć właściwy kształt i zadziałać możliwie równomiernie. Nawet niewielkie odchylenia mogą zmniejszyć skuteczność całego procesu. Zaletą tej metody jest możliwość efektywniejszego wykorzystania materiału oraz zastosowania plutonu-239, którego właściwości wykluczają prostą konstrukcję pistoletową.

Jakie są skutki wybuchu?

W czasie reakcji energia uwalnia się w bardzo krótkim czasie. Powstaje kula ognia o ogromnej temperaturze, a rozgrzane powietrze gwałtownie się rozszerza. Zjawiska towarzyszące eksplozji obejmują:

• Falę uderzeniową – gwałtowny skok ciśnienia niszczy budynki i odrzuca przedmioty na dużą odległość.
• Promieniowanie termiczne – intensywne światło i ciepło powodują oparzenia oraz pożary na obszarze zależnym od mocy wybuchu.
• Promieniowanie jonizujące – neutrony i promieniowanie gamma mogą uszkadzać tkanki oraz materiał biologiczny.
• Opad promieniotwórczy – pył, fragmenty materiału i produkty rozszczepienia mogą zostać uniesione przez atmosferę, a następnie opaść na ziemię.

Charakterystyczny „grzyb atomowy” powstaje wskutek silnych prądów konwekcyjnych. Rozgrzane powietrze unosi ku górze pył, ziemię i inne cząstki, a chłodniejsze powietrze napływa od dołu. W efekcie tworzy się wysoka kolumna oraz rozszerzająca się chmura. Sam kształt chmury nie jest jednak źródłem energii, lecz widocznym skutkiem gwałtownego ogrzania i ruchu powietrza.

Najważniejszy mechanizm można więc streścić w jednym ciągu: neutron wywołuje rozszczepienie, rozszczepienie uwalnia kolejne neutrony, a szybkie osiągnięcie warunków krytycznych pozwala reakcji narastać lawinowo. Energia tej reakcji zamienia się następnie w ciepło, promieniowanie i falę uderzeniową.