Jak działa bomba atomowa? To prostsze niż się wydaje

Od tamtej pory w posiadanie broni atomowej weszło osiem krajów, a liczba głowic sięgnęła tysięcy. Przeprowadzonych zostało w sumie kilkaset testów broni atomowej na powierzchni ziemi, pod nią jak również pod wodą i wysokich warstwach atmosfery. Broń nuklearna to dziś element świata, w którym żyjemy i nieodłączna część geopolitycznych kalkulacji w grze wielkich mocarstw.

Przeczytaj także:
- Oto najlepsze miejsce w mieszkaniu na przeżycie wybuchu bomby atomowej. Naukowcy to obliczyli
- Zrzucili przez przypadek bomby atomowe. Trudno uwierzyć, ale to wydarzyło się naprawdę
- Te działa strzelały pociskami atomowymi. Można było zniszczyć całe miasto jednym strzałem

Jak jednak działa owa broń? Przyjrzyjmy się temu na przykładzie pierwszej bomby atomowej użytej w działaniach wojennych, czyli wspomnianemu „Little Boy”.

Bomba zrzucona na Hiroszimę z zewnątrz wyglądała bardzo klasycznie, miała 3 metry długości, 71 cm średnicy i ważyła około 4,4 tony. Tym, co stanowiło o jej wyjątkowości, było oczywiście jej wnętrzne. „Little Boy” był oparty na mechanizmie rozszczepienia jądra atomowego. Proces ten polega na rozbiciu jądra atomu przez neutron, co prowadzi do uwolnienia kolejnych neutronów znajdujących się w jądrze. Te, rozbijają kolejne jądra atomowe, co w konsekwencji uwalnia następne neutrony itd. Stąd właśnie nazwa - reakcja łańcuchowa.

Gdy do niej dojdzie, następuje uwolnienie ogromnej energii, co daje bombie atomowej jej niszczycielską moc. Cała sztuka w zbudowaniu bomby atomowej polega w pierwszej kolejności na wytworzeniu odpowiedniej ilości rozszczepialnego materiału oraz na doprowadzeniu do zaistnienia reakcji łańcuchowej wewnątrz bomby. Produkcja materiału, którym w typ przypadku był Uran-235, to złożony temat, który zasługuje na osobne omówienie.

Załóżmy, że posiadamy już odpowiednią ilość wzbogaconego surowca, który posłuży jako rdzeń bomby. Co oznacza „wzbogacony”? To taki materiał, w tym wypadku pierwiastek chemiczny, jakim jest Uran, który został doprowadzony do stanu, w którym jego jądra atomowe są rozszczepialne. Większość najczęściej występującego Uranu-238 (238 to suma protonów i neutronów w jądrze atomowym) nie jest rozszczepialna. W związku z tym, na stosuje się skomplikowany proces określany jako „wzbogacanie”, dzięki któremu uzyskuje się materiał rozszczepialny jakim jest Uran-235. Taka substancja jest już rozszczepialna, co oznacza, że jest ona w stanie podtrzymać reakcję łańcuchową.

Jak sprawić, by rdzeń wykonany z Uranu-235 eksplodował? Na to pytanie musieli znaleźć odpowiedź naukowcy pracujący przy programie Manhattan w tajnym laboratorium w Los Alamos w Nowym Meksyku w USA.

Ustalono, że najlepszym sposobem jest podzielenie ilości materiału rozszczepialnego na dwie części. Zastosowany w „Little Boy” mechanizm określany jest mianem „pistoletowego” (od ang. „gun”, bowiem zakładał wystrzelenie jednego ładunku uranowego - „naboju”, tak by zderzył się z drugim - „celem”. Skutkiem jest ściśnięcie pod wpływem ogromnej siły dwóch elementów, które doprowadza do złączenia się ich w jeden. To powoduje, że masa nowopowstałego rdzenia przekracza tzw. masę krytyczną, co prowadzi do zapoczątkowania reakcji łańcuchowej.

Wewnętrzną budowę bomby, jaka eksplodowała nad Hiroszimą, można sobie w uproszczeniu wyobrazić jako zaślepioną lufę strzelby, w której na jej zamkniętym końcu jest kula wykonana z Uranu-235. Nabój strzelby również jest wykonany z takiego samego Uranu-235. Gdy naciskamy na spust, proch - a w bombie konwencjonalny ładunek wybuchowy, popycha z ogromną siłą nabój, który zderza się z czekającym na niego na końcu lufy drugim ładunkiem. Tak naprawdę to bardzo prosta konstrukcja. Sztuką, jak wspomniałem, jest wyprodukowanie odpowiedniego materiału rozszczepialnego oraz dobranie odpowiednich proporcji dwóch, mających się zderzyć elementów.

W praktyce pocisk wewnątrz bomby stanowił wydrążony walec, mający 60% całkowitej masy materiału rozszczepialnego. Jego waga wynosiła 38,5 kg. Zbudowany był z dziewięciu pierścieni wykonanych z Uranu-235 o średnicy 15,9 cm z 10 cm otworem w środku. Gdy pod wpływem impulsu elektrycznego następował zapłon zapalnika, „nabój” był wystrzeliwany na odległość 110 cm wzdłuż długiej na 180 cm lufy gładkolufowej - zupełnie jak w strzelbie.

„Celem” na końcu lufy był 10 cm walec, który stanowił brakujące 40% masy substancji rozszczepialnej znajdującej się w bombie i ważył 25,6 kg. Oczywiście, to bardzo uproszczony opis, a całe działanie materiału rozszczepialnego i mechanizmu wewnątrz bomby jest o wiele bardziej skomplikowane.

Tyle, jeśli chodzi o budowę rdzenia bomby. Warto przyjrzeć się jeszcze mechanizmowi jej zapalnika. Został on zaprojektowany tak, aby zadziałał na odpowiedniej wysokości, jaką ustalono na 580 m nad powierzchnią ziemi. Dlaczego akurat tam? Wybuch na tej wysokości zapewniał najbardziej niszczycielskie działanie. Gdyby bomba miała eksplodować w momencie zetknięcia z gruntem, fala uderzeniowa zostałaby ograniczona przez okoliczne budynki. Wybuch w powietrzu zapewniał uderzenie w ziemię z góry i nabranie przez falę uderzeniową rozpędu bez przeszkód.

Jednocześnie, zegar na pokładzie bomby czuwał nad tym, by nie eksplodowała ona przez co najmniej piętnaście sekund po uwolnieniu, co stanowiło około 25% czasu jej zaplanowanego opadania nad cel. Zabieg ten miał zapewnić maksymalne bezpieczeństwo załodze bombowca B-29 i dać jej czas na maksymalne oddalenie się od epicentrum wybuchu. Zegar został uruchomiony na skutek zerwania zworników w momencie zrzucenia bomby przez bombowiec. Od tej chwili zasilany był on baterią o napięciu 24 V.

Właściwy mechanizm zapalnika był podzielony na dwie części. Pierwsza z nich była termobaryczna. Składała się z cienkiej metalowej membrany, która otaczała komorę próżniową. Na skutek wzrostu ciśnienia powietrza (im niżej, tym większe ciśnienie powietrza) stopniowo odkształcała się ona do wewnątrz komory, w której panowała próżnia. Zapalnik taki nie jest jednak zbyt dokładny, bowiem ciśnienie powietrza zależy od wielu czynników, do których należą choćby aktualne warunki pogodowe. Dlatego, gdy bomba opadła do zakładanej wysokości 2 km, odkształcająca się membrana zamknęła obwód elektryczny, co uruchomiło wysokościomierze radarowe.

To one stanowiły drugi, właściwy element zapalnika. Nie mogły być one jedynym elementem mechanizmu zapalnika, ze względu na obawy, że jakieś zewnętrzne sygnały radarowe mogłyby doprowadzić do detonacji bomby za wcześnie. Gdy wysokościomierze emitujące sygnał radarowy odbijający się od ziemi wykryły prawidłową wysokość, przełącznik zapłonu został zamknięty. Od tej chwili nic już nie mogło zatrzymać eksplozji. Ładunek zapalnika był wręcz niewiarygodnie prostej budowy. Składał się on z czterech jedwabnych woreczków z prochem, z których każdy zawierał 0,9 kg substancji. Jego zapłon spowodował wystrzelenie opisanego wcześniej pocisku uranowego w kierunku przeciwległego końca bomby z prędkością wylotową 300 metrów na sekundę. Około 10 milisekund (jedna tysięczna sekundy) doszło do zapoczątkowania reakcji łańcuchowej, trwającej mniej niż 1 mikrosekundę (jedna milionowa sekundy). Efektem była eksplozja o sile 18 kiloton, czyli 18 000 ton trotylu.