Atombombák

Tamás Ferenc: Atombombák

Atombomba 1
Az emberiség történetének évezredei alatt számtalan fegyvert fejlesztettek ki, de kegyetlenségével, brutalitásával és hatékonyságával mind közül kiemelkednek az atombombák. Pontosabb megfogalmazás szerint az atombombák több fajtáját egybefoglalóan nukleáris bombáknak hívjuk. Jelen cikk ezt a tömegpusztító fegyverfajtát mutatja be. (Kép eredetije: https://www.flickr.com/photos/sdasmarchives/)
Minden nukleáris bomba működésének alapja például egyfajta láncreakció, melyben nehezebb atomok hasadnak több részre. A természetben megtalálható nehezebb atomok egy része képes spontán bomlásra, melynek következtében alfa, béta vagy gamma-részecskék keletkeznek. Ezt hívjuk természetes radioaktivitásnak. (Lásd: https://tferi.hu/termeszetes-radioaktivitas) Ám az atombombák egy teljesen más műfajt alkotnak, mivel itt a nehéz atomok kisebb részekre hasadnak, mialatt igen sok energia szabadul fel. A maghasadás egyik lehetséges példája az, hogy egy "kósza" neutron megfelelő (nem túl lassú és nem túl gyors) sebességgel beleütközik egy stabil 235-ös urán atommagba, amely ideiglenesen ezt felveszi (így 236-os uránná válik), de mivel ez a mag instabil, ezért gyorsan két részre hasad: 92-es kriptonra és 141-es báriumra, valamint 3 db neutronra.

Maghasadás

A fenti képen ez a reakció látható. Kis kék karikák jelzik a neutronokat. (A képet Geogebra programmal készítettem.)
Ha a három újabb neutron közül csak az egyik fog újabb magot hasítani, akkor beszélhetünk atomreaktorról. Ha egynél több neutron fog tartósan hasítani, akkor atombombáról beszélünk. A dolog lényege viszont a felszabaduló energia, ami a pár századmásodperc alatt végbemenő reakció közben felszabadul. Ha elegendő mennyiségű reakcióképes anyagot rakunk egymáshoz elég közel – igen nagy precizitással, akkor beindul a fékevesztett reakció és a bomba felrobban.

Kicsit pontosabban megfogalmazva: Az új generáció hasító-képes neutronjainak számát elosztjuk a régi generáció hasonló neutronjaival, akkor megkapjuk az ún. hasadási arányt (Legyen: n.) Ha n>>1 tartósan, akkor atombombáról beszélünk. Ha n=1 (sokáig), akkor atomreaktorról beszélünk.

Atombomba szerkezete

(Kép forrása: http://tudasbazis.sulinet.hu/hu/termeszettudomanyok/fizika/fizika-11-evfolyam/a-hasadasos-bomba/az-atombomba-lancreakciojanak-feltetele)
A fenti példában szereplő 235-ös uránból készült bombához kb. 17 cm átmérőjű, 52 kg-nyi tiszta urán szükséges. De a 236-os neptúnium-bombához elegendő 8,7 cm átmérőjű, kb. 7 kg tömegű (tiszta) anyag is. Amúgy az urán mellett számos anyagot (és mindegyiknek több izotópját) lehet fékevesztett láncreakcióra késztetni, pl.: neptúnium, plutónium, amerícium, kűrium, illetve kalifornium.
Ha ilyen egyszerű az atombomba összeállítása, akkor miért nincs még mindenkinek? Nos, ez a szerencsénk, mivel akkor az emberiség már régen kiirtotta volna magát! Szóval, a hasadó anyag beszerzése tulajdonképpen IAEA logolehetetlen – a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség (International Atomic Energy Agency = IAEA) igen keményen korlátozza és ellenőrzi a hozzáférést. (Képen: a szervezet logója. Kép forrása: https://www.iaea.org/)
Ezen felül nem elegendő a "sima" anyag, hanem csak a finomított, teljesen tiszta anyag megfelelő. Ráadásul, ha valakinek valahogyan összegyűlne az elegendő anyagmennyisége, akkor is a tárolása igen nehezen megoldható, mivel egyrészt sugárzó anyagról van szó, másrészt ha a hasadó anyagot igen közel rakjuk, akkor a láncreakció beindul és a robbanás bekövetkezik.
Tehát az atombomba csak úgy tárolható, ha a 4-8 (esetleg több) részre osztott gömbrészletet egy megadott jelre századmilliméter pontosan összeillesztjük. Innen típustól függően 2-5 másodpercen belül történik a robbanás. A nagyobb hatóerő eléréséhez minél több magot kell hasítani, de ez csak úgy lehetséges, ha a robbanás ereje nem viszi szét a bombát túl gyorsan. Ehhez célszerű egy nehéz anyaggal (ólom, titán, vagy hasonlóan nehéz anyag) bevonni a bomba köpenyét, ami további reakciókat tesz lehetővé. Ilyen lehet sima acél, vagy ólom.

Egy kis történelem

Nagyban folyt a II. világháború, ahol a szembenálló országok igyekeztek minél hatásosabban elpusztítani a másikat. A hagyományos kézifegyverek helyett sokkal hatékonyabbak voltak a tankok, a repülők, illetve a tengeralattjárók és a csatahajók. De nem volt igazán nagy fegyver. Ezt kereste egy maroknyi tudós az USÁ-ban. A Chicagói Egyetemen jött össze az agytröszt, ami a II. világháborút eldöntő nagy fegyvert kereste – az ötlet az esetleges láncreakció volt. Időszak: 1939-1942.
A Chicago Pile Number One (röviden: CP-1) 40 ezer grafit blokkból állt, amelyek 19 ezer urán-fém és urán-oxid üzemanyagot tartalmaztak. Az egészet egy 24 lábnyi (kb. 7,3 méter) oldalú négyzetes fakeretbe foglalták a Fémipari Laboratóriumban. A szigorúan titkos kísérletet jól elzárták a hallgatók kíváncsi szemei elől a labor mélyébe. A tudósok között volt (az olasz) Enrico Fermi, (a magyar) Szilárd Leó, (a kanadai) Walter Zinn és (az amerikai) Herbert L. Anderson.

Chicago Pile Number One

(Képen: az első atommáglya illusztrációja – kép eredetije: https://www.uchicago.edu/features/how_the_first_chain_reaction_changed_science/)
A kísérlet előszörre sikeres lett, mivel 1942.dec.2-án, 15.25-kor vezetett eredményre és az óriási befektetéssel megépített atommáglya egyetlen égőnek tudott energiát szolgáltatni. Ezzel beindult az emberiség atomkorszaka.
Manhattan Project logoKövetkezett a Manhattan Project, ami már sokkal merészebb célt tűzött maga elé: egy valóban pusztító bomba létrehozását. (Kép eredetije: https://www.atomicheritage.org/history/manhattan-project) Időszak: 1942-1946. Részvevő országok: Egyesült Állomok, Nagy-Britannia és Kanada. A kísérlet megindításáról Franklin D. Roosevelt elnök döntött a magyar Szilárd Leó kezdeményezésére (akit maga Albert Einstein is támogatott). Szilárd Leó a német atombomba-kutatások veszélyére hívta fel az elnök figyelmét – az ott esetleg elkészülő fegyvert mindenképpen meg kell előznie az USÁ-nak. A project vezetője (a német) Robert Oppenheimer lett, aki az amerikaiak mellett számos más származású tudóst is bevont a kutatásba. A projekt katonai vezetője Leslie L. Groves mérnök-tábornok lett. Legfőbb helyszín: Los Alamos, Új-Mexikó – azonban további tucatnyi helyen folytak a kutatások. A titkos terven 130 ezer ember dolgozott és a költségek 2 milliárd (akkori) amerikai dollárra rúgtak (ez 2019-ben kb. 23 milliárd $-t jelentett = 7184 milliárd Ft). A költségek több, mint 90%-a a gyárépületek és a hasadóanyag előállítására ment el, míg a maradékot használták a fegyverek fejlesztésére és gyártására. Összesen három bombát állítottak elő: az elsőt 1945.július 16-án hajnalban robbantották az új-mexikói Alamogordo mellett; a másodikat Hirosimára, míg a harmadikat Nagaszakira dobták le.

A Trinity (Szentháromság) hely környéke sivatag volt, ahol könnyedén meg lehetett figyelni a robbanás hatását. Magára a robbanásra reggel 5:29-kor került sor a McDonald Ranch nevű helyen. A robbanás helye azóta amerikai nemzeti emlékhely. Az első robbanásról készült a lenti fénykép.

Trinity Site, Alamogordo

(Kép eredetije: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8d/Trinity_shot_color.jpg)

A plutóniumbombát óriásira építették, mivel akkor még nem ismerték a romboló mechanizmusát. A „Jumbo”-nak becézett bombát egy 64-kerekű szállító vontatta a végső robbantás helyére. A méretek jól megfigyelhetők a lenti fényképen:

Trinity Site bomb

(Kép eredetije: http://www.atomicarchive.com/History/trinity/g3_p1.shtml)

A robbanásra építettek egy 30 méter magas fémtornyot, melyre felhúzták a végső robbanó szerkezetet. A robbanás után a torony teljes egészében elpárolgott! A robbanásról készült egy hang nélküli felvétel is:

A robbanás pusztító ereje mindenkit meglepett, mivel ekkora rombolásra senki sem számított. Az előrejelzések 5 és 15 kilotonna közötti TNT robbanóerejével számoltak, ám az összegyűjtött radioaktív talajminták analízise végül 18,8 kilotonna TNT-t mutatott. A robbanás után pár héttel a vezető tudósok és katonák megnézték a régi torony helyét. Ez a kép akkor készült:

Trinity tower

(Kép eredetije: http://thedabbler.co.uk/2015/07/now-it-can-be-told-management-secrets-of-the-manhattan-project/)

A második bomba: Hirosima

A II. világháború Európában 1945. májusában befejeződött, de a Csendes-óceánon teljes erővel folyt tovább. A japán hadsereg bár fogyott, de kegyetlenül kitartott és minden egyes szigetért sokat küzdött. Ráadásul az írott történelemben még soha nem lépett hódító hadsereg japán földre, így még nehezebb volt a szövetségesek dolga. Az esetleges partraszállás és az azt követő lassú hadjárat több százezer életet követelt volna mindkét részről. Ezt meg akarták akadályozni! Másrészt már világosan láthatóvá vált a háborút követő világrend, melyben az USA nagy ellenfele a Szovjetunió lett és az erődemonstráció a kommunistáknak is szólt.
Tehát 1945. nyarára a japán légierőt lényegében megsemmisítették. Júliusban az amerikai bombázók többször is végeztek felderítő repülést a japán városok felett, de mivel nem támadtak, ezért a japán légierő már nem foglalkozott velük. Augusztus 6-án reggel Hirosima felett szép, tiszta volt az ég, ezért délelőtt 8.15-kor az Enola Gay nevű B-29-es bombázó Paul W. Tibbets ezredes parancsnoksága alatt ledobta a "Little Boy" (kisfiú) nevű atombombát. Maga a bomba U-235-ös izotópon alapuló, maghasadásos elvű, kb. 15 kiloTonna TNT robbanóerejű volt.

Enola Gay

(Kép eredetije: http://www.businessinsider.com/heres-how-the-crew-of-the-enola-gay-crew-recalled-the-first-atomic-weapons-attack-in-history-2015-8)

A gép műszaki tisztje így emlékezett a robbanásra évekkel később: "Félelmetes látvány volt. Egy növekvő gombafelhőt láttam. Nos, kívül fehér volt és valami lilás fekete volt a belseje felé a tüzes piros magja volt és csak egyre felfelé tört." A következő képen egy másik gépből felvett kép látható a robbanásról.

Hirosima robbanás

(Kép eredetije: http://www.businessinsider.com/heres-how-the-crew-of-the-enola-gay-crew-recalled-the-first-atomic-weapons-attack-in-history-2015-8)

A gép segédpilótája, Robert A. Lewis kapitány is jól látta a robbanást. Ő írta a következőket: "Ha száz évig élnék, akkor sem tudnám ezt a pár percet kitörölni az elmémből. Mindenki a repülőn szomorú, habár valami igazán vadat vártak. Őszintén szólva az a benyomásom, hogy megmagyarázzuk a szavakat: Istenem, mit tettünk?"

Az atomtámadás a sűrűn lakott várost azonnal rommá tette. A becslések szerint 70000 ember halt meg azonnal, köztük 20000 japán katona. Az 1945-ös év végéig a becslések szerint a sérülések és a sugárzás kb. 90 és 160 ezer közötti halálesetet okoztak. A város lakossága a bombázás előtt kb. 340 ezer volt. Hirosima összes épületének kb. 70%-a megsemmisült és további 7%-a részben sérült. A lenti képen egy túlélő jár a romok között – háttérben a támadás közelében nagyjából megmaradt templom.

Hirosima romjai

(Kép eredetije: http://www.businessinsider.com/heres-how-the-crew-of-the-enola-gay-crew-recalled-the-first-atomic-weapons-attack-in-history-2015-8)

A gép személyzete reménykedett, hogy soha többé nem kell atombombát használni, de három nappal később, aug.9-én reggel Nagaszakit vette célba a légierő B-29-es "Bockstar" nevű gépe a "Fat Man" (kövér ember) nevű plutóniumbombával. A lenti képen a Nagaszaki feletti gombafelhő látható.

Nagaszaki gombafelhő

(Kép eredetije: http://www.businessinsider.com/heres-how-the-crew-of-the-enola-gay-crew-recalled-the-first-atomic-weapons-attack-in-history-2015-8)

A délelőtt 11.02-kor bekövetkező robbanás ereje kb. 35000 embert ölt meg azonnal – közülük csak 150 volt japán katona. Az év végére kb. 74000 volt a halottak száma. A két támadás után pár nappal Japán feltétel nélkül kapitulált. Az alábbi légi felvételen  Nagaszaki belvárosa látható a robbanás előtt és után.

Nagaszaki belváros

(Kép eredetije: http://www.nikolasschiller.com/blog/index.php/archives/2009/07/19/3310/)

A két város azóta teljesen újjáépült, kivéve a hirosimai mementó templomot, melyet szándékosan meghagytak a rombolás utáni állapotban.

Hirosima ma

(Kép eredetije: https://www.atomicheritage.org/history/survivors-hiroshima-and-nagasaki)

A lenti képen a két bomba látható:

Little Boy and Fat Man

(Kép eredetije: https://radioactivepollution.wordpress.com/2016/10/11/little-boy-and-fat-man/)

További érdekesség, hogy minden évben, a két támadás idején egész Japánban megáll az élet egy percre, így emlékeznek a hihetetlen pusztításra.

A világháború utáni korszak

Sokan azt hiszik, hogy csak eddig tartott az atombombák robbantgatása, de azóta több ezer bomba robbant – kísérleti céllal. Az atomhatalmak, akik már bizonyítottan robbantottak:

  • USA – 1030 robbantás
  • Szovjetunió (Oroszország) - 715
  • Franciaország - 210
  • Nagy-Britannia - 45
  • Kína - 45
  • India - 3
  • Pakisztán - 2
  • Észak-Korea – 6

(Adatok forrása: https://www.armscontrol.org/factsheets/nucleartesttally

A filmek is sokszor használták az atombomba-robbanást. Az egyik legjobb feldolgozás az Indiana Jones filmek 4. részében (Indiana Jones és a kristálykoponya királysága) volt. Érdemes megfigyelni a gombafelhő kialakulását!

A robbantások közül persze jópár erődemonstrációs céllal ment végbe. Ilyen volt a szovjet korban robbantott "Cár-bomba", amely a valaha felrobbantott egyik legerősebb atombomba volt:

Egy japán művész, Isao Hasimoto összeállított egy nagyon jól érthető és követhető videót az 1945 és 1998 közötti robbantásokról. (14 és fél perc)

A sokszor felesleges robbantásokat persze megpróbálták kordában tartani, így született meg az 1963-as Nemzetközi Atomcsend Egyezmény, melyben az aláíró államok vállalják, hogy nem robbantanak a földön, a levegőben, a világűrben és a víz alatt. (Innentől csak a föld alatt robbantottak, mivel az kimaradt az egyezményből.) Az eredeti aláírók: Szovjetunió, USA és Nagy-Britannia, de azóta 123 további ország is aláírta, ám Kína, Franciaország és Észak-Korea nem írta alá.

További atomfegyverek

Ha nem lenne elég elrettentő az atombomba, akkor érdemes továbbfejleszteni. Egy atombomba robbanásakor keletkező hő és a létrejövő nyomás lehetővé teszi a hidrogénatomok héliummá fuzionálását. Az alapötlet a Budapesten született, ám elég korán az USÁ-ba emigrált Teller Edétől származik.

A hidrogénbombák lényege, hogy a bombában erősen sűrített állapotban lévő hidrogén minél nagyobb része fúzióra lépjen. Ehhez nem elég a sima hidrogén-molekula (H2), hanem célszerűbb a hidrogén két izotópját, deutériumot vagy tríciumot alkalmazni. (Magyarázat: itt az egy proton mellett egy vagy kettő neutron is van az atommagban). Az általános vélekedéssel szemben a H-bombákban lévő hidrogén nem veszi körül a „gyújtásként” szolgáló atombombát, hanem máshol van erősen összepréselt állapotban. Ezt mutatja be az alábbi grafika is:

H-bomba

(Kép eredetije: https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapon)

A két típus összevetésére találtam egy jól érthető videót:

A következő típusú fegyver a neutronbomba. Ezt arra tervezték, hogy viszonylag kis területen romboljon, viszont igen nagy területen szórja szét a neutronsugárzást, ami a gyakorlatban minden élő szervezetet megöl. Sajnos a neutronsugárzás igen lassan feleződik, így egy ilyen N-bomba légköri robbantása évtizedekig tartó rombolást okozna.

A következő típus az elektromágneses, vagy E-bomba. Itt a hatásmechanizmus lényege az, hogy magas légkörben robbantsanak egy E-bombát, amelyik óriási területen szórja szét gamma sugarait. Ennek hatására az érintett (akár kontinensnyi) területen minden elektromos berendezés azonnal tönkremegy, így a célpont katonai és polgári infrastruktúrája megszűnik létezni. Ez a gyakorlatban azt eredményezné, hogy az így megtámadott terület lakossága kb. középkori szintre süllyed vissza. 

A jelenlegi legfejlettebb, de (állítólag) csak elméletben létező fegyver az antianyag-bomba. Ez minden eddiginél sokkal nagyobb hatásfokú lenne, mivel az antianyag normál anyaggal keveredve gigantikus robbanást idézne elő. A bomba megvalósításának legnagyobb kihívása a megfelelő mennyiségű antianyag előállítása és tárolása. Persze a filmesek már ezt is megálmodták, például a nagy sikerű 2009-es Angyalok és démonok c. filmben így képzelték el az antianyag-bomba robbanását Róma felett:

Reméljük, hogy soha nem kerül semmilyen atomfegyver felhasználásra! Békés, nyugodt éveket kívánok mindenkinek!

 

Felhasznált irodalom: