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”.
Az atombombát az Egyesült Államokban a Manhattan-terv keretein belül fejlesztette ki egy kutatócsoport az új-mexikói Los Alamosban.
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 atombombát az Egyesült Államokban a Manhattan-terv keretein belül fejlesztette ki egy kutatócsoport az új-mexikói Los Alamosban.
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.
A nukleáris bombák alapvető müködési elvei:
1.a maghasadás:A maghasadás (fisszió) során egy atommag két vagy több, kisebb magra szakad. A maghasadás során jelentkezhet gamma-, valamint neutronsugárzás is. A nehéz elemek maghasadása exoterm folyamat, melynek során nagy mennyiségű energia szabadul fel elektromágneses sugárzás és a hasadványok mozgási energiájának formájában. Ahhoz, hogy a maghasadás során energia szabaduljon fel, a termékmagok kötési energiájának nagyobbnak kell lennie, mint a kiindulási mag kötési energiája. A maghasadás az elemátalakulás (transzmutáció) egyik lehetséges módja, mivel a folyamat végén kapott hasadványmagok nem azonosak az eredeti kémiai elemmel.A maghasadás révén atomenergia termelhető, vagy nukleáris fegyverekben robbantás céljára is felhasználható. Mindkét alkalmazás alapja az, hogy bizonyos anyagok (hasadóanyagoknak) szabad neutronnal való ütközés hatására maghasadást szenvednek, ugyanakkor a hasadás során belőlük szabad neutronok keletkeznek. Ez önfenntartó láncreakciót hoz létre, melynek segítségével atomreaktorban szabályozott energiafelszabadulás, atomfegyverben viszont nagyon gyors, ellenőrizetlen reakció megy végbe.
2.a magfúzió: A magfúzió olyan magreakció, ami során két kisebb atommag egyesül egy nagyobbat eredményezve. Ez a folyamat lehet exoterm vagy endoterm, a kiinduló magok atomtömegétől függően. Az elemek közül a vas és a nikkel a legstabilabbak (ők rendelkeznek a legnagyobb fajlagos kötési energiával). Ha a fúzióban résztvevő elemek könnyebbek a vasnál, akkor a folyamat energiafölszabadulással jár, ellenkező esetben energiát kell befektetni.
Ez a folyamat játszódik le a csillagokban és a hidrogénbomba robbanásakor. A vasnál nehezebb elemek fúziója (endoterm voltukból kifolyólag) szélsőséges feltételeket követel, mint például a szupernóva robbanás. A természetben található elemek mind csillagokban és szupernóva robbanás közben jöttek létre.
Ez a folyamat játszódik le a csillagokban és a hidrogénbomba robbanásakor. A vasnál nehezebb elemek fúziója (endoterm voltukból kifolyólag) szélsőséges feltételeket követel, mint például a szupernóva robbanás. A természetben található elemek mind csillagokban és szupernóva robbanás közben jöttek létre.
A nukleáris robbanás hatásai:
A maghasadásból származó energia több formában nyilvánul meg:
1.Lökéshullám (40–60%)- 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.
1.Lökéshullám (40–60%)- 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.
2.Elektromágneses impulzus (40–60%), hősugárzástól kezdve a látható fényen keresztül egészen a röntgensugarakig minden frekvencia megtalálható a spektrumában.-a robbanás során jelentkező széles spektrumú elektromágneses sugárzás hősugárzás formájában fejti ki romboló hatását. A hősugárzás okozhat tüzet, égési sérüléseket, a keletkező ultraibolya sugárzás pedig ideiglenes vagy végleges vakságot. Hatótávolsága nagyobb bombáknál sokkal nagyobb, mint a légnyomásé, és jelentősen növekszik a bomba erejével. Így az egy megatonnán fölüli bombák nagyrészt gyújtóbombák.
3.Radioaktív sugárzás (10–20%),főként neutron- és gamma-sugárzás. Ide tartozik a radioaktív kihullás is.-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, azonban ennek hatótávolsága rosszul skálázódik a bomba erejével. 50 kilotonnás fegyverektől kezdve a prompt sugárzás hatása elhanyagolható a hősugárzáshoz és a lökéshullámhoz 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.
A bomba energiájának 5%-a jelentkezik neutron- és gamma-sugárzás formájában, azonban ennek hatótávolsága rosszul skálázódik a bomba erejével. 50 kilotonnás fegyverektől kezdve a prompt sugárzás hatása elhanyagolható a hősugárzáshoz és a lökéshullámhoz 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.
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.
tüzérségi lövedékek,
tengeralattjárók elleni mélységi bombák,
gravitációs légibombák,
harcászati rakéták,
atomaknák.
A nukleáris fegyverek tipusai:
1.atombombák, vagy fissziós bombák -energiájukat a nehézatommagok hasadásából nyerik: nehéz atommagok (urán vagy plutónium) hasadnak könnyebb elemekké neutronokkal való besugárzásuk révén (ezek az elemek hasadásukkor újabb neutronokat hoznak létre, melyek újabb atommagokat bombáznak, láncreakciót eredményezve).
2.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. Az elnevezés pontatlan, mert egyrészt minden "hidrogén"-bombában a hatás egy jelentős részét egy fissziós bomba adja, másrészt az egylépcsős "atom"-bombák belső üregét is hatásfok javító hidrogén alapú töltettel töltik ki. Így a "hidrogénbomba" helyett szerencsésebb a kétfázisú atombomba kifejezés.
3.fúzióval felerősitett 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.
4.háromfázisú bombák -a fúzió során nagy mennyiségben keletkeznek neutronok, amelyek lehetővé teszik az urán 238-as izotópjának a hasadását. A három fázisú bombákban a fúziós magot urán-238 köpennyel veszik körül. A robbanás erejéhez mind a fúziós, mind a fissziós reakció jelentős részben hozzájárul.
5.egyéb tipusú bombák -
5.1-neutronbomba, hivatalos megfogalmazásban megnövelt sugárzású nukleáris fegyver. Lényegében fissziós-fúziós bomba, amelynél a fúzió során keletkezett neutronokat nem nyeli el a bomba külső rétege, hanem szándékosan hagyják hogy szabadon távozzanak a környezetbe.
5.2-kobaltbomba. (angolul gyakran „Doomsday engine”, azaz „Végítélet-gép”) Valószínűleg sohasem készült ilyen fegyver. Szilárd Leó vetette fel a lehetőséget, hogy amennyiben egy atomfegyver külső burkolata kobaltból készül, az a robbanás során neutronbefogással kobalt 60-as izotóppá alakul át, amely erős gamma sugárzó. 5,27 éves felezési idejével a robbanás helyszínét tartósan lakhatatlanná tenné. Szilárd szerint néhány ilyen bomba akár az egész élővilágot elpusztíthatná a Földön.
5.3-piszkos bomba, vagy Dirty bomb klasszikus értelemben nem nukleáris fegyver, hiszen semmilyen magreakció nem zajlik le benne. A tömegpusztító fegyver besorolása miatt viszont ide sorolják. Az alapja egy hagyományos (kémiai bomba), aminek a pusztító hatását valamilyen, a kívánt hatástól függő, sugárzó izotóp hozzáadásával növelik meg, ami a robbanást követően szétszóródik az érintett területen.
Tesztek és gyakorlati bevetés közbeni robbantások:
1.Trinity teszt
Az első atombombát 1945. július 16-án robbantották föl a szintén új-mexikói Alamogordo melletti kísérleti telepen. Az eszköz egy implóziós plutóniumbomba volt. A robbanás hatóereje kb. 20 kilotonna volt.
Ugyanezen év augusztus 6-án Hirosimára, majd augusztus 9.-én Nagaszakira dobtak atombombát. Az első Japánra dobott bombát az Enola Gay nevű B-29-es bombázó szállította, a bomba neve Little Boy volt. A Nagaszakira dobott bombát Fat Mannak nevezték. Előbbi uránt, utóbbi plutóniumot tartalmazott.
2.RDSZ–1
A világháború után leghamarabb a Szovjetunió tett szert nukleáris fegyverre. Első kísérleti robbantásukat 1949. augusztus 29-én hajtották végre egy kazahsztáni kísérleti telepen. Az RDSZ–1 (amerikai kódneve: Joe–1) bomba a Fat Man másolata volt, a terveket szovjet, illetve velük együttműködő amerikai kémek juttatták el a Szovjetuniónak. Ezzel megindult a hidegháborús fegyverkezési verseny[5] .
A szovjet atomprogramra válaszként az Egyesült Államok beindította a hidrogénbomba-programot, Teller Ede és Stanislaw Ulam tervei alapján.
3.Ivy Mike
Az első hidrogénbomba-robbantás 1952. november 1-jén a Marshall atollon történt. Az Ivy Mike nevű eszköz egy 82 tonnás szerkezet volt, hatalmas súlya miatt nem volt bevethető. Hagyományos fissziós bomba felrobbanása cseppfolyós deutérium fúzióját indította be. A robbanás 10,4 megatonnás volt. Megjegyzendő, hogy ennek 77%-a a röntgensugár-reflektorként használt, a deutériumtartályt körülvevő, mintegy 4,5 tonna urán hasadásából származott.
A Szovjetunió ekkor már évek óta folytatta a saját hidrogénbombájának a kifejlesztését.
4.Joe 4
Ez volt az amerikai kódneve a hivatalosan RDSz–6 (Reaktivnyi Dvigatel Sztalina) nevű első szovjet hidrogénbombának, amelyet 1953. augusztus 12-én robbantottak fel. Felépítése: a fissziós és a fúziós komponensek egymásra rétegezve helyezkedtek el. Hatóereje 400 kt volt.
5.Castle Bravo
Az első bevethető méretű amerikai hidrogénbomba tesztje 1954. február 28-án történt a Bikini Atollon (Marshall-szigetek). A fúziós fokozat lítium-deuteridből készült (l. Teller-Ulam terv). A 15 megatonnás hatóerő két és félszerese volt a számított értéknek. Ennek súlyos következményei voltak. A hasadványtermékek (az elsődleges fokozatból illetve a bomba urán köpenyéből) a vártnál jóval nagyobb területen szóródtak szét. A teszt résztvevői jelentős sugárdózist kaptak.
6.Cár-bomba (RDSz-220)
A Szovjetunió 1961. október 30-án robbantotta fel a valaha is készült legnagyobb hatóerejű nukleáris fegyvert Novaja Zemlján. A bomba 27 tonnát nyomott, 8 m hosszú és 2 m átmérőjű volt. Az eredetileg 100 megatonnás eszköz hatóerejét – a radioaktív kihullás korlátozása érdekében – 50 megatonnában limitálták. Az eszköz elsősorban propaganda, erődemonstráció céljából készült. Ekkora hatóerőnek katonailag nem volt értelme, a bomba nem volt hatékony abban az értelemben, hogy a robbanás energiájának nagyobbik része kisugárzódott a világűrbe. Mérete korlátozta a bevetésére átalakított speciális bombázógép sebességét és hatótávolságát. Interkontinentális ballisztikus rakétára szerelése szóba sem jöhetett. A Cár-bomba volt a nukleáris fegyverek hatóerejének növeléséért folyó verseny csúcspontja. Létrehozása és felrobbantása után időszakban a hangsúly a bombák méretének csökkentésére és célba juttatásuk pontosságának növelésére helyeződött át.
1.Trinity teszt
Az első atombombát 1945. július 16-án robbantották föl a szintén új-mexikói Alamogordo melletti kísérleti telepen. Az eszköz egy implóziós plutóniumbomba volt. A robbanás hatóereje kb. 20 kilotonna volt.
Ugyanezen év augusztus 6-án Hirosimára, majd augusztus 9.-én Nagaszakira dobtak atombombát. Az első Japánra dobott bombát az Enola Gay nevű B-29-es bombázó szállította, a bomba neve Little Boy volt. A Nagaszakira dobott bombát Fat Mannak nevezték. Előbbi uránt, utóbbi plutóniumot tartalmazott.
2.RDSZ–1
A világháború után leghamarabb a Szovjetunió tett szert nukleáris fegyverre. Első kísérleti robbantásukat 1949. augusztus 29-én hajtották végre egy kazahsztáni kísérleti telepen. Az RDSZ–1 (amerikai kódneve: Joe–1) bomba a Fat Man másolata volt, a terveket szovjet, illetve velük együttműködő amerikai kémek juttatták el a Szovjetuniónak. Ezzel megindult a hidegháborús fegyverkezési verseny[5] .
A szovjet atomprogramra válaszként az Egyesült Államok beindította a hidrogénbomba-programot, Teller Ede és Stanislaw Ulam tervei alapján.
3.Ivy Mike
Az első hidrogénbomba-robbantás 1952. november 1-jén a Marshall atollon történt. Az Ivy Mike nevű eszköz egy 82 tonnás szerkezet volt, hatalmas súlya miatt nem volt bevethető. Hagyományos fissziós bomba felrobbanása cseppfolyós deutérium fúzióját indította be. A robbanás 10,4 megatonnás volt. Megjegyzendő, hogy ennek 77%-a a röntgensugár-reflektorként használt, a deutériumtartályt körülvevő, mintegy 4,5 tonna urán hasadásából származott.
A Szovjetunió ekkor már évek óta folytatta a saját hidrogénbombájának a kifejlesztését.
4.Joe 4
Ez volt az amerikai kódneve a hivatalosan RDSz–6 (Reaktivnyi Dvigatel Sztalina) nevű első szovjet hidrogénbombának, amelyet 1953. augusztus 12-én robbantottak fel. Felépítése: a fissziós és a fúziós komponensek egymásra rétegezve helyezkedtek el. Hatóereje 400 kt volt.
5.Castle Bravo
Az első bevethető méretű amerikai hidrogénbomba tesztje 1954. február 28-án történt a Bikini Atollon (Marshall-szigetek). A fúziós fokozat lítium-deuteridből készült (l. Teller-Ulam terv). A 15 megatonnás hatóerő két és félszerese volt a számított értéknek. Ennek súlyos következményei voltak. A hasadványtermékek (az elsődleges fokozatból illetve a bomba urán köpenyéből) a vártnál jóval nagyobb területen szóródtak szét. A teszt résztvevői jelentős sugárdózist kaptak.
6.Cár-bomba (RDSz-220)
A Szovjetunió 1961. október 30-án robbantotta fel a valaha is készült legnagyobb hatóerejű nukleáris fegyvert Novaja Zemlján. A bomba 27 tonnát nyomott, 8 m hosszú és 2 m átmérőjű volt. Az eredetileg 100 megatonnás eszköz hatóerejét – a radioaktív kihullás korlátozása érdekében – 50 megatonnában limitálták. Az eszköz elsősorban propaganda, erődemonstráció céljából készült. Ekkora hatóerőnek katonailag nem volt értelme, a bomba nem volt hatékony abban az értelemben, hogy a robbanás energiájának nagyobbik része kisugárzódott a világűrbe. Mérete korlátozta a bevetésére átalakított speciális bombázógép sebességét és hatótávolságát. Interkontinentális ballisztikus rakétára szerelése szóba sem jöhetett. A Cár-bomba volt a nukleáris fegyverek hatóerejének növeléséért folyó verseny csúcspontja. Létrehozása és felrobbantása után időszakban a hangsúly a bombák méretének csökkentésére és célba juttatásuk pontosságának növelésére helyeződött át.