Dokázalo by Slovensko vyrobiť jadrovú bombu?

V prvom rade treba pripomenúť, že Slovenská republika je, ako nástupnícky štát Československa, signatárom Zmluvy o nešírení jadrových zbraní. Tento medzinárodný záväzok nám bráni jadrové zbrane vyvíjať aj vyrábať. Na druhej strane tak získavame prístup k jadrovým znalostiam a technológiám využiteľným na mierové účely.

Zmluva sa síce dá vypovedať, urobila tak Severná Kórea, v tom okamihu by sme sa pravdepodobne stali cieľom embarga. Pre ekonomiku, kde vyrábajú dve tretiny elektriny jadrové elektrárne závislé od dodávok paliva zo zahraničia, by to bola katastrofa.

V titulku článku však nie je napísaná "mohlo" ale "dokázalo". Pozrime sa teda na túto otázku z čisto technického hľadiska. Je jasné, že teória a prax výroby jadrových zbraní nie je až tak celkom verejnou záležitosťou. Okrem autorových znalostí z fyziky získaných (nielen) na FEI využijeme otvorené zdroje a aj jeden veľmi zaujímavý prameň – "šlabikár" popisujúci princípy jadrových zbraní, určený pre vedcov z projektu Manhattan, ktorý bol odtajnený v roku 1965.

Drobný úvod do jadrovej fyziky

V strede každého atómu sa nachádza extrémne hustá oblasť – jadro. Je naozaj malá, ak by sme zväčšili priemer atómu uránu na kilometer, jeho jadro by malo len necelé štyri centimetre. Jadro sa skladá z protónov a neutrónov. Protóny majú kladný elektrický náboj a preto sa vzájomne odpudzujú. Nukleóny, tak sa spoločne nazývajú častice tvoriace jadro, preto používajú oveľa kvalitnejšie "lepidlo". Ide o najsilnejšiu silu známu vo fyzike – silnú interakciu. Z vysokých energií pôsobiacich v jadre vyplýva aj extrémna sila jadrových zbraní.

Okolo jadra "krúžia", vzhľadom k podivnostiam kvantovej fyziky sú tu úvodzovky relevantné, elektróny. Tieto častice majú záporný náboj, sú teda protónmi priťahované. Ich počet je rovnaký ako počet protónov v jadre, celkový elektrický náboj atómu je tak neutrálny. Elektróny určujú chemické vlastnosti daného prvku, všetky štandardné výbušniny od pušného prachu až po trinitrotoluén, operujú len v rámci elektrónového obalu.

Pre ďalšie pochopenie textu je dôležitý aj pojem izotop. Ide o prvky, ktoré majú rovnaký počet protónov, ale počet neutrónov sa líši. V technológii jadrových zbraní hrajú dôležitú úlohu izotopy uránu. U-235 a U-238 majú v jadre rovnakých 92 protónov, ten druhý má ale o tri neutróny viac. Vodíkové izotopy sú podobne významné. Obyčajný vodík ma v jadre len protón, deutérium má k protónu pridaný jeden a trícium dva neutróny. Vzhľadom k tomu, že počet elektrónov pri izotopoch je rovnaký, chemicky sa izotopy správajú prakticky nerozlíšiteľne. S tým súvisí aj komplikovanosť ich oddeľovania.

Nemecký chemici Otto Hahn a Fritz Strassmann spolu s fyzičkou Lisou Meitnerovou a fyzikom Ottom Robertom Frischom objavili v predvečer druhej svetovej vojny jadrové štiepenie, ktoré umožnilo nielen spektakulárne ukončiť tento konflikt, ale zabezpečilo aj základnú geopolitickú líniu na nasledovné desaťročia.

Ak do určitého druhu atómu narazí neutrón, dokáže ho rozbiť na menšie atómy a pritom uvoľniť nové neutróny. Pri vhodnom geometrickom usporiadaní štiepeného materiálu novovzniknuté neutróny narážajú do ostatných atómov, vytvárajú ďalšie neutróny a štiepna reakcia sa začne exponenciálne šíriť. Jadrová bomba vybuchne.

Výkonné jadrové zbrane využívajú aj opačný proces – jadrovú fúziu. V tomto prípade sa atómy zlučujú, ide konkrétne o fúziu vodíkových izotopov – deutéria a trícia z ktorých vzniká hélium. Aj v takýchto bombách, nazývaných termonukleárne či vodíkové, sa však nachádza štiepna zbraň, dodáva energiu na počiatočný štart fúznej reakcie.

Ako na to?

Skončime teda teoretické úvahy a povedzme si o praktických krokoch, ktoré treba urobiť. Prvým je voľba štiepneho materiálu.

Jediným materiálom nachádzajúcim sa v prírode, ktorý pri štiepení dokáže uvoľniť energiu je U-235. V prírodnom uráne je ho približne 0,7 percenta. Základnú surovinu by sme mohli ťažiť napríklad na Jahodnej. Odhadom by tam malo byť asi 5600 ton. Čo zodpovedá necelým 40 tonám U-235.

U-235 však treba od väčšinového U-238 oddeliť. Ako už bolo povedané, chemické spôsoby nefungujú, musíme použiť fyzikálne. Už projekt Manhattan ukázal, ktoré cesty sú správne a ktoré nie. Napríklad na prvý pohľad vhodná elektromagnetická separácia s využitím tzv. "calutrónov" sa v praxi ukázala ako nie veľmi účinná. Nakoniec sa väčšina U-235 do "Malého chlapca", bomby zhodenej na Hirošimu, vyrobila plynovou difúziou, pri ktorej sa využíva fakt, že U-235 má o trochu ľahšie atómy a preto ľahšie preniká polopriepustnými membránami.

V súčasnosti sa považuje za najlepší spôsob oddeľovania uránových izotopov plynová odstredivka, kde v rýchlo sa otáčajúcich zariadeniach hmotnejšie atómy U-238 ťahá ku kraju, kým ľahšie U-235 ostávajú v strede. Pozor si pritom treba dávať na (pravdepodobne izraelský) vírus Stuxnet, ktorý dokáže odstredivky poškodiť, ako sa to stalo v iránskom jadrovom programe.

Hoci prvá jadrová bomba, použitá na Hirošimu, bola vytvorená z uránu, úplne prvá jadrová explózia bola založená na plutóniu. Rovnaká bomba potom dopadla aj na Nagasaki. Plutónium sa však v prírode nenachádza, musíme ho vyrobiť v jadrovom reaktore.

Aby došlo k exponenciálnej štiepnej reakcii, teda jadrovému výbuchu, musí množstvo štiepneho materiálu dosiahnuť tzv. kritické množstvo. V prípade U-235 ide o približne 52 kg, kým pri plutóniu je to len 10 kg. Ak použijeme vhodnú konštrukciu a štiepny materiál "utesníme" látkou odrážajúcou neutróny, môžeme minimálne kritické množstvo ešte znížiť.

Základným princípom jadrovej zbrane je rozdelenie kritického množstva štiepneho materiálu na viac častí alebo sformovanie do tvaru, ktorý nie je sám o sebe kritický. Pri odpálení sa kritické množstvo vytvorí spojením alebo zmenou formy. Pri bombe vyrobenej z uránu je možné použiť veľmi jednoduchú konštrukciu pripomínajúcu delo. Do tŕňa na konci "hlavne" sa nastrelí dutý "náboj", spoločne tak vytvoria nadkritické množstvo štiepneho materiálu.

Plutóniová bomba takýto spôsob neumožňuje, tá vyžaduje oveľa rýchlejší spôsob vytvorenia kritického množstva. Využíva sa implózna metóda, kde komplikovaný systém vytvorený z výbušnín s rôznou rýchlosťou šírenia rázovej vlny dokáže extrémne rýchlo stlačiť podkritické množstvo štiepneho materiálu a vytvoriť tak nadkritický systém.

A teraz sa dostávame k otázke otvorenej v úvode. Je možné využiť plutónium z našich jadrových reaktorov na výrobu jadrovej zbrane?

Plutónium vzniká v reaktore tak, že atóm U-238 zachytí neutrón. Po pár medzikrokoch, kde dôjde k premenám dvoch neutrónov na protóny a vyžiarení elektrónov vo forme beta žiarenia dostávame Pu-239. Ak sa však palivo ponechá v reaktore dlhšie, Pu-239 zachytí ďalší neutrón a vznikne tak Pu-240. Tento izotop však má príliš vysokú mieru samovoľného štiepenia a výrobu jadrových zbraní komplikuje.

V jadrových reaktoroch typu VVER, ktoré tvoria základ našej energetiky, zostáva palivo viac ako rok. Pri výmene článkov je potrebné urobiť odstávku. To znamená, že hoci využité palivové články obsahujú približne 1% plutónia, asi štvrtina z neho je izotop Pu-240. V takomto prípade je konštrukcia jadrovej zbrane problematická; aj keď by bomba vybuchla, jej výkon by bol len zlomkom výkonnosti plnohodnotnej jadrovej zbrane. Došlo by len k takzvanému "prsknutiu" (fizzle).

Ak chceme vyrábať plutónium vhodné pre jadrové zbrane, je nutné palivové články ponechať v reaktore iba niekoľko týždňov. Technicky treba zabezpečiť, aby sa dali články vymieňať aj za chodu. Takto skonštruovaný bol napríklad reaktor RBMK v Černobyľskej elektrárni. A aj naša prvá jadrová elektráreň A1, dnes už po niekoľkých haváriách uzavretá, výmenu článkov za chodu umožňovala.

Diabol skrytý v detailoch

Ako bolo ukázané, teória jadrových zbraní je do vysokej miery známa. Od teórie k praxi je však dlhá cesta. Sovietskemu zväzu trval vývoj prvej jadrovej zbrane štyri roky, hoci mali od špióna Klausa Fuchsa k dispozícii informácie z projektu Manhattan.

Ako príklad dôležitosti praktických znalostí možno uviesť aj záhadný materiál známy len pod kódovým menom Fogbank. Odhaduje sa, že ide o druh plastovej peny použitej v termonukleárnych zbraniach na vytvorenie plazmy, ktorá následné odštartuje jadrovú fúziu.

Keď v roku 2000 v USA prebiehal program renovácie jadrových zbraní, zistilo sa, že Fogbank už nedokážu vyrobiť, pretože ľudia, ktorí poznali výrobný proces odišli na dôchodok a výrobné závody boli uzavreté. "Znovuobjavenie" procesu výroby trvalo 7 rokov a stálo 69 miliónov dolárov.

Čo teda dodať na záver. Izrael, krajina s podobným počtom obyvateľov ako Slovensko, jadrové zbrane (hoci neoficiálne) má. Slovensko však nie je v takej rizikovej bezpečnostnej situácii ako Izrael, kde sa niekoľko štátov snaží o jeho likvidáciu. Odpovedzme si však na otázku – bol by štát, ktorý nedokáže zabezpečiť ani údržbu základnej dopravnej infraštruktúry, schopný vyrobiť jadrovú zbraň?