Broń jądrowa Kamil Oleszek Szymon Miazga Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej 04.11.2015

Broń jądrowa Rodzaj broni masowego rażenia wykorzystującej wewnątrzjądrową energię wydzielaną podczas niekontrolowanej łańcuchowej reakcji rozszczepienia jąder ciężkich pierwiastków (uranu i plutonu) lub reakcji termojądrowej syntezy lekkich pierwiastków z wodoru. Wikipedia.org

Broń jądrowa Historia Podłoże techniczne Rodzaje Wykorzystanie w świecie i skutki

Historia Początek XX wieku – Pierwsze badania nuklearne prowadzone w Wielkiej Brytanii i w Niemczech. 1938 – Niemieccy naukowcy dokonali rozszczepienia jądra atomu. 1942-1943 - Budowa amerykańskiego ośrodka naukowo-badawczego. Projekt Manhattan.

Historia 1942 - Uruchomienie Chicago Pile-1. 1943 – Pierwsze prace nad skonstruowaniem radzieckiej bomby atomowej. 1943 – Tajne porozumienie USA i Wielkiej Brytanii o współpracy przy budowie bomby atomowej. 1943 - Uruchomienie amerykańskiej operacji Alsos.

Historia 1944 – Prace nad modyfikacją niemieckiego pocisku rakietowego V2. 1944 – Skopiowanie amerykańskich bombowców strategicznych B-29 przez radzieckich konstruktorów. 1945 – Pierwszy cel – Berlin. 1945 – Eksplozja próbna w stanie Nowy Meksyk (USA). Eksperyment Trinity.

Użycie bojowe: bombardowanie japońskich wysp: Historia Użycie bojowe: bombardowanie japońskich wysp: - 6 sierpnia 1945 – Hiroszima (bomba Little Boy), - 9 sierpnia 1945 – Nagasaki (bomba Fat Man). 2 września 1945 - Kapitulacja Japonii i zakończenie II wojny światowej. 1947 – Stany Zjedznoczone posiadały 13 bomb atomowych.

Historia 1949 – Eksplozja pierwszej radzieckiej bomby atomowej. 1952 – Wielka Brytania przeprowadza pierwszą próbę swojej bomby atomowej. 1952 – USA przeprowadza próbę swojej pierwszej bomby wodorowej. 1953 - ZSRR przeprowadza próbę swojej pierwszej bomby wodorowej.

Historia 1960 – Pierwszy francuski wybuch atomowy. (Sahara) 1963 – Układ o zakazie prób broni jądrowej w atmosferze, przestrzeni kosmicznej i pod wodą. 1964 – Pierwszy chiński wybuch atomowy. 1968 – Układ o nierozprzestrzenianiu broni jądrowej

Historia 1996 – Traktat o całkowitym zakazie prób z bronią jądrową. 2013 – Udana (podziemna) próba detonacji bomby atomowej na terenie Korei Północnej.

Podłoże techniczne Masa krytyczna - minimalna masa, w której reakcja rozszczepienia przebiega w sposób łańcuchowy W wyniku umieszczenia w jednym miejscu masy większej niż masa krytyczna reakcja będzie przebiegać w sposób lawinowy, co pociągnie za sobą wydzielenie olbrzymich ilości energii U-233 16 kg U-235 52 kg Pu-239 10 kg

Rozszczepianie ciężkich jąder Podłoże techniczne Energia jądrowa jest produktem reakcji zachodzących w jądrach atomów 2 sposoby wytworzenia Synteza termojądrowa Rozszczepianie ciężkich jąder

Bomba atomowa – zasady projektowania Przed detonacją materiał rozszczepialny musi być przechowywany w postaci podkrytycznej Podczas łączenia materiału rozszczepialnego w masę krytyczną należy chronić go przed promieniowaniem neutronowym

Bomba atomowa – zasady projektowania Należy zbombardować masę (nad)krytyczną neutronami w najbardziej optymalnym momencie Nie wolno dopuścić do wybuchu materiału rozszczepialnego dopóki rozszczepienie się nie zakończy

Bomba atomowa – warianty konstrukcyjne Zestaw implozyjny: Proces szybki i skuteczny Wymagana duża dokładność Działo artyleryjskie: Wielokrotnie wolniejszy proces Mniejsze skomplikowanie

Działo artyleryjskie Scalanie materiału rozszczepialnego w celu uzyskania masy krytycznej poprzez wstrzeliwanie jednego materiału rozszczepialnego w drugi Podstawowy sposób konstrukcji bomb atomowych w pierwszej fazie ich rozwoju

4 – konwencjonalny ładunek wybuchowy Działo artyleryjskie 3 – detonator 4 – konwencjonalny ładunek wybuchowy 5 – „pocisk” z materiału rozszczepialnego 9 – lufa 12 – materiał rozszczepialny Wikipedia.org

Działo artyleryjskie Prostota konstrukcji Brak kompresji – wymagana jest duża ilość materiału rozszczepialnego Niska wydajność Z powodu długiego czasu załączania do budowy można użyć jedynie izotopu uranu U 235 Konstrukcja działa wymusza duży rozmiar i masę bomby

Działo artyleryjskie „Little Boy” Wikipedia.org

Implozja Kompresja podkrytycznej masy materiału rozszczepialnego w postaci kulistej/cylindrycznej za pomocą wybuchowych materiałów chemicznych Najpierw detonowane są materiały wybuchowe z zewnętrznej strony Fala uderzeniowa przesuwa się do wewnątrz powodując kompresję materiału rozszczepialnego i zwiększając gęstość do stanu nadkrytycznego

7 - Bloki materiału wybuchowego 9 - Powłoka głowicy Implozja 7 - Bloki materiału wybuchowego 9 - Powłoka głowicy 11 - Materiał wybuchowy 12 - Materiał rozszczepialny Wikipedia.org

Implozja Szybkie łączenie ładunków podkrytycznych – możliwość stosowania materiałów o dużej liczbie samoistnych rozszczepień Dzięki wysokiemu ciśnieniu zwiększa się efektywność bomby – możliwe jest tworzenie głowic z mniejszą ilością materiału rozszczepialnego Zmniejszenie masy bomby

Implozja Wikipedia.org „Fat Man”

Inicjowanie reakcji rozszczepiania Metody rozpoczęcia reakcji w najbardziej odpowiednim momencie: utrzymywanie masy w stanie nadkrytycznym do czasu, gdy powstałe z samorzutnego rozpadu neutrony ją zapoczątkują zastosowanie źródła neutronów, którego działanie zostaje dokładnie zsynchronizowane z procesem łączenia mas

Inicjowanie reakcji rozszczepiania Źródła neutronów: Uwalnianie neutronów z izotopu berylu B 9 - wykorzystywany w początkowej fazie rozwoju broni jądrowej Implozja – wysoka temperatura stwarza warunki do zachodzenia syntezy DT generującej neutrony Elektronicznie kontrolowany akcelerator cząstek – stosowany w nowoczesnych technologiach konstrukcji broni jądrowej

Zapobieganie przedwczesnej dekompozycji zestawu Wskutek rozszczepienia znacznej części masy, jej temperatura wzrasta na tyle, że układ rozszerza się w stopniu powodującym wygaśnięcie reakcji w ciągu zaledwie kilku pokoleń neutronów. Zmniejsza to znacznie wydajność broni z ładunkiem rozszczepialnym. Praktyczna efektywność ograniczona jest do 25%

Zapobieganie przedwczesnej dekompozycji zestawu Sposoby zwiększania wydajności: Technika implozji Mechanizm wydłużenia czasu utrzymywania masy krytycznej w stanie złączonym W tym celu ładunek otacza się warstwą materiału o wysokiej gęstości. W czasie kompresji spełnia ona funkcję tłoka Tłok spełnia rolę reflektora, dzięki czemu zmniejsza się ilość materiału, zużywana do wytworzenia masy krytycznej.

Bomba termojądrowa – zasady projektowania Ładunek 2-fazowy Jan Pięta – „Broń masowego rażenia”

Konfiguracja Tellera-Ulama Potrzeba znalezienia tańszego i bardziej stabilnego paliwa niż tryt Pozwala na taką kompresję deuteru by mogła zajść reakcja D-D W wysokich temperaturach w bombach atomowych 80% lub więcej energii występuje jako promieniowanie X, a nie jako energia kinetyczna.

Bomba termojądrowa – zasady projektowania Ładunek 3-fazowy Jan Pięta – „Broń masowego rażenia”

Bomba lotnicza Bomba jądrowa Rodzaje Broń nuklearna jest oparta na wykorzystaniu reakcji jądrowej materiałów rozszczepialnych lub reakcji kombinowanej: rozszczepienie-synteza. Pod względem budowy zewnętrznej, rozmiarów i ciężaru bomba jądrowa zbliżona jest do konwencjonalnej bomby lotniczej. Bomba lotnicza Bomba jądrowa Wikipedia.org Wikipedia.org

Zasadniczymi elementami są: Rodzaje Zasadniczymi elementami są: Ładunek jądrowy, Urządzenie zapłonowe, Powłoka metalowa. Ze względu na sposób działania wyróżnia się: Bombę rozszczepieniową (F od fission), Bombę termojądrową (FF od fission-fusion), Bombę płaszczową (FFF od fission-fusion-fission).

Bomba rozszczepieniowa Bomba atomowa – czerpie swoją energię z reakcji rozszczepienia ciężkich jąder atomowych (np. uranu lub plutonu) na lżejsze pod wpływem bombardowania neutronami. Rozpadające się jądra emitują kolejne neutrony, które bombardują inne jądra, wywołując reakcję łańcuchową. Reakcja łańcuchowa wydziela ogromną ilość energii. Wysoka temperatura i energia produktów rozpadu powodują błyskawiczne rozproszenie materiału rozszczepialnego i przerwanie reakcji łańcuchowej.

Bomba termojądrowa Zasada działania bomby wodorowej opiera się na wykorzystaniu reakcji termojądrowej, czyli łączenia się lekkich jąder atomowych (np. wodoru lub helu) w cięższe, czemu towarzyszy wydzielanie ogromnej ilości energii. Wikipedia.org

Bomba wodorowa Reakcje termojądrowe zachodzą w ładunku jądrowym. Schemat głównych reakcji jądrowych 6Li + n → 4He + T + 4,8 MeV T + D → 4He + n + 17,6 MeV D + D → T + p + 4 MeV D + D → 3He + n + 3,3 MeV

Zasada działania, budowa bomby wodorowej. Bomba wodorowa Zasada działania, budowa bomby wodorowej. Wikipedia.org

Bomba neutronowa Bomba neutronowa to specjalny rodzaj bomby termojądrowej, pozbawionej ekranu odbijającego neutrony, w której energia powstaje w wyniku reakcji syntezy deuteru z trytem. Siła jej wybuchu jest relatywnie niewielka. Jest określana jako „bomba czysta”, ponieważ nie powoduje dużego skażenia terenu.

Bomba neutronowa Czynnikiem rażącym jest promieniowanie przenikliwe – neutronowe, przenikające przez materię i zabójcze dla organizmów żywych. Unosi ono nawet 80% energii wyzwolonej w trakcie detonacji.

Bomba płaszczowa Brudna bomba – bomba, której celem jest rozsianie materiału radioaktywnego, a przez to doprowadzenie do promieniotwórczego skażenia terenu, na możliwie dużym terenie przy wykorzystaniu wybuchu klasycznego materiału wybuchowego. Broń ta nie jest rodzajem broni nuklearnej.

Bomba kobaltowa Bomba kobaltowa zawiera w osłonie kobalt, który pod wpływem wytwarzanych przez ładunek neutronów przekształca się w izotop Co-60, silne i trwałe źródło promieniowania gamma. Jedna bomba kobaltowa została zdetonowana przez Brytyjczyków, lecz test jednokilotonowej bomby zakończył się niepowodzeniem.

Wykorzystanie w świecie Broń nuklearna jako karta przetargowa na arenie politycznej Państwa posiadające broń jądrową stawały się poważnymi graczami w rozgrywkach militarnych i politycznych Ilość posiadanych bomb atomowych jako czynnik decydujący o układzie sił na świecie

USA – pierwsza potęga atomowa Atak na Hiroszimę i Nagasaki Wikipedia.org

Zimna wojna – kryzysy atomowe Lata 1945 – 1985 - Nuklearny wyścig zbrojeń pomiędzy USA i ZSRR 16 kryzysów atomowych – realnych gróźb rozpoczęcia wojny nuklearnej Duży oddźwięk w kulturze i społeczeństwie – lęk przed zagładą ludzkości lub upadkiem cywilizacji

Zimna wojna – kryzysy atomowe   Kryzys Rok Długość trwania Zagrożenie wywołane przez Strategiczna broń jądrowa USA ZSRR 1 Iran 1946 Jeden dzień 40 2 Jugosławia 3 Berlin I 1948 15 miesięcy 120 4 Korea 1950 36 miesięcy 400 ? 5 Wietnam I 1954 3 miesięcy 1200 6 Chiny I 8 miesięcy 7 Suez 1956 7 dni USA, ZSRR 2100 60 8 Chiny II 1958 2 miesiące 3000 110 9 Berlin II 1959 4 miesiące 3200 175 10 Berlin III 1961 3600 240 11 Kuba 1962 2 tygodnie 3900 300 12 Wietnam II 1969 3 miesiące 4000 1400 13 Jordania 1970 1800 14 Izrael 1973 19 dni 6800 2200 15 Iran II 1980 6 miesięcy 10312 6846 16 Pierwsze Uderzenie 1983 24 miesiące Łącznie 107 miesięcy kryzysu jądrowego Atominfo.pl

Państwa posiadające broń jądrową Państwo Liczba wszystkich głowic jądrowych Rosja 7,5–8 tysięcy Stany Zjednoczone 7100 Wielka Brytania 215–225 Francja około 300 Chiny 250 Indie 90–110 Pakistan 100–120 Korea Północna mniej niż 10 Izrael 80 Wikipedia.org

Skutki wybuchu nuklearnego Fala uderzeniowa: Przyczyna największych zniszczeń Do obliczeń promienia działania burzącej siły fali uderzeniowej stosuje się wzór oparty na zasadzie teorii podobieństwa: 𝑅 𝑟 = 𝑅 𝑤 3 𝐸 𝑟 / 𝐸 𝑤 Promieniowanie cieplne: W ciągu milionowej części sekundy od momentu detonacji, ogromne ilości energii w postaci promieniowania X zostają pochłonięte przez otaczające powietrze

Skutki wybuchu nuklearnego Promieniowanie jonizujące: Wpływ jonizującego promieniowania na zdrowie jest dość złożony: duże dawki mogą być śmiertelne Wyjątkowe znaczenie posiada elektromagnetyczny impuls (EMI) – będący skutkiem promieniowania jonizującego Skażenia promieniotwórcze W przeciwieństwie do produktów reakcji rozszczepiania w bombie atomowej, nie ma dostatecznych podstaw, by sądzić, iż produkty reakcji termojądrowej będą promieniotwórcze

Car bomba Największa w historii zdetonowana bomba termojądrowa Moc 58 Mt – moc ok 4000 bomb zrzuconych na Hiroszimę W celach bezpieczeństwa moc ograniczona z możliwych do osiągnięcia 150 Mt Detonacja na wys. 4000 m. nad rosyjską wyspą Nowa Ziemia

Car bomba Wikipedia.org

Literatura Dziękujemy za uwagę Jerzy Kubowski – Broń jądrowa; fizyka – budowa – działanie – skutki Jan Pięta – Broń masowego rażenia; Broń jądrowa http://www.bron-jadrowa.prv.pl http://www.atominfo.pl/ https://www.wikipedia.org/ Dziękujemy za uwagę