Technologický základ proliferace jaderných zbraní Adam Strauch Agenda ● Schéma procesu výroby jaderné zbraně ● Uranová ruda → UF6 ● Obohacování uranu – přehled a definice ● Plynová difúze ● Plynová centrifuga ● Elektromagnetická metoda ● Další metody ● Plutonium ● Dostatečné množství štěpného materiálu ● Konstrukce jaderné nálože ● Jaderná zbraň dělového typu ● Jaderná zbraň implozního typu ● Generace jaderných zbraní ● Tritium ● Termonukleární zbraň ● Testování jaderných zbraní – účel ● Testování jaderných zbraní – aktéři a lokality ● Integrace s nosičem Schéma procesu výroby JZ Těžba a zpracování uranu Konverze na UF6 Obohacování uranu Metalurgické zpracování Konstrukce nálože Výroba paliva pro jaderný reaktor Výroba plutonia zpracováním vyhořelého paliva Integrace munice s nosičem Spotřeba paliva v jaderném reaktoru Výroba paliva pro jaderný reaktor ● Uran je relativně běžným kovem, 500x častější výskyt než zlato, je nejtěžším prvkem vyskytujícím se v přírodě ● Výskyt ve formě mnoha minerálů, nejběžnější ekonomicky využitelné jsou směsi oxidů (smolinec, uraninit, carnotit, monazit) ● Těžba → extrakce uranu z rudy → tzv. yellowcake (prášek s >80 % podílem uranu) → chemický proces konverze na UF6 Od uranové rudy po hexafluorid uranu Od uranové rudy po hexafluorid uranu Zdroj: Robert S. Eby (USEC) Od uranové rudy po hexafluorid uranu Od uranové rudy po hexafluorid uranu Zdroj: Robert S. Eby (USEC) ● Přírodní uran: 99,3 % 238 U + 0,7 % 235 U ● Pro konstrukci JZ je klíčový izotop 235 U ● Obohacování je zvyšování poměru izotopu 235 U v rámci celkového objemu obohacované látky ● Cílem pro JZ je obohacení na úroveň 90 % a výše ● V průmyslovém měřítku využívána metoda plynové difúze a plynových centrifug ● Vzhledem ke specifickým chemickým a fyzikálním vlastnostem je pro plynovou difúzi i plynové centrifugy vstupem plynný UF6 ● Mezi další metody obohacování patří separace izotopů laserem, plazmová separace, elektromagnetická metoda a aerodynamická metoda Obohacování uranu ● Je založena na odlišné průměrné rychlosti pohybu molekul plynného skupenství UF6 - molekuly obsahující izotop 235 U jsou rychlejší ● K obohacování dochází pohybem plynu skrze jemnou membránu v rámci jednotlivých úseků seřazených do kaskády ● Proces je extrémně náročný na spotřebu energie, velmi náročný na chlazení a spotřebu lubrikantů. Technická náročnost je na střední úrovni Plynová difůze Plynová difůze ● Obohacování je založeno na odlišné váze molekul plynného skupenství UF6 - molekuly obsahující izotop 235 U jsou lehčí ● K obohacování dochází postupným oddělováním lehčích molekul od těžších pomocí odstředivé síly vyvolané pohybem rotoru v cetrifuze, centrifugy sestaveny do kaskády ● Metoda výrazně méně náročná na energii i chlazení, technická náročnost ovšem na vysoké úrovni ● Míra obohacování závislá na délce a rychlosti rotoru centrifugy ● Momentálně nejtypičtější metoda obohacování Plynové centrifugy Plynové centrifugy Zdroj: Robert S. Eby (USEC) Plynové centrifugy ● Metoda je založena na odlišné hmotnosti izotopů uranu ● Obohacování probíhá na základě odlišných trajektorií pohybu ionizovaných molekul UF6 (obsahujících jeden ze dvou izotopů) vystavených silnému magnetickému poli v tzv. calutronu ● Neefektivní metoda, nízká úroveň technické náročnosti ● Štěpný materiál pro Little Boy vyprodukován v calutronu, metoda aplikována v rámci programu Iráku Elektromagnetická metoda Elektromagnetická metoda ● Metoda separace izotopů laserem – tři různé způsoby, prozatím ve vývojové fázi, potenciálně vysoce efektivní ● Aerodynamická metoda – využívá principy shodné s plynovými centrifugami („nerotující centrifugy“), aplikovala JAR ● Termální difúze, Plasmová metoda, Chemická metoda Další metody ● Pro účely JZ klíčový izotop 239 Pu ● Tzv. „weapon-grade“ plutonium s poměrem izotopu 239 Pu přes 92 % produkují specifické k tomu určené jaderné reaktory, Plutonium reaktorů určených k výrobě el. energie je pro JZ výrazně méně vhodné ● 239 Pu se z vyhořelého paliva získává chemickým zpracováním Plutonium Dostatečné množství štěpného materiálu ● Štěpný materiál dále metalurgicky zpracováván do požadovaného tvaru ● Zásadní význam konvenčních výbušnin – směrových náloží ● Tamper & reflector Konstrukce jaderné nálože Jaderná zbraň implozního typu Jaderná zbraň dělového typu ● První generace – čistě „štěpné“ JZ (do 50 kT) ● Druhá generace – „štěpné“ JZ se zvýšeným účinkem (do 500 kt) ● Třetí generace – termonukleární JZ (Mt) Generace jaderných zbraní ● Supertěžký izotop vodíku – 3 H ● Minimální výskyt v přírodě, výroba v jaderných reaktorech ● Uvolňuje neutron při reakci s deuteriem ● Nezbytné pro zvýšení účinku štěpné JZ ● Funkce tritia v JZ: – 1. Generátor neutronů – 2. Zvýšení účinku „štěpných“ JZ (směs vysoce čistého tritia a deuteria vstříknuta pod tlakem do dutého středu jaderné nálože) a součást termonukleárních zbraní – 3. Umožňuje operační nastavení ničivosti JZ – 4. Klíčová součást tzv. neutronových zbraní Tritium Termonukleární zbraň ● Dvou a více stupňový design ● První stupeň „štěpná“ nálož se zvýšeným účinkem ● Druhý stupeň založen na fúzi izotopů vodíku (tritium a deuterium) za vysoké teploty (sto milionů °C) zajištěné prvním stupněm ● Fúzním palivem druhého stupně sloučenina lithia a deuteria – produkuje tritium, jež se následně slučuje s deuteriem ● Zásadní význam rentgenového záření uvolněného prvním stupněm ● Polovina a více z celkové uvolněné energie je produktem fúze (na rozdíl od „štěpných“ zbraní, i se zvýšenou účinností) ● Teoreticky neomezená ničivost Termonukleární zbraň ● Jaderné testy prováděny za účelem: – 1. Vývoje nových jaderných zbraní – 2. Pochopení efektů jaderných výbuchů – 3. Verifikace spolehlivosti jaderných zbraní ve výzbroji – 4. Vývoje mírového užití jaderných výbuchů ● Subkritické testy Jaderné testy Jaderné testy ● Weaponizované jaderné zařízení = jaderná munice ● Jaderná munice + nosič = jaderná zbraň ● Různé nosiče vyžadují různé fyzické parametry jaderné munice Integrace munice s nosičem