50 let vodíkové bomby A. Toman, L. Osička, M. Tománek Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT
[email protected] Abstrakt Cílem příspěvku je popsat vznik vodíkové bomby jak ve Spojených státech Amerických, tak v Sovětském svazu. Dále je uveden krátký popis konstrukce vodíkové bomby včetně obrázků.
1 Historie vodíkové bomby Před padesáti lety, 20. srpna 1953, Sovětský svaz oficiálně oznámil světu, že úspěšně provedl pokusný výbuch vodíkové bomby. SSSR díky tomu získal ve vývoji jaderných zbraní před Spojenými státy náskok. Že komunistická velmoc zřejmě disponuje jadernou zbraní nebývalého ničivého rozsahu, o tom se v amerických zpravodajských službách šeptalo již na prahu onoho horkého léta roku 1953. Začátkem srpna zástupce SSSR prohlásil, že Spojené státy už nemají monopol na výrobu vodíkové zbraně. V americké administrativě vyvolala tato slova paniku. Jsou to jen plané hrozby, anebo krutá skutečnost? Pár dnů nato totiž jedna z amerických hlídek pro odhalování radioaktivity zachytila ve velkých výškách nad Asií stopy, jež svědčily o výbuchu takzvané „suché vodíkové bomby“. Přes úsilí vědců a techniků Spojené státy tímto druhem jaderné bomby dosud nedisponovaly. Zděšení, které v Bílém domě nastalo, bylo snad srovnatelné jen se zprávou o úspěšné zkoušce první sovětské atomové bombě, o níž se americká politická garnitura dozvěděla koncem září roku 1949. Komunistické Rusko se poprvé dostalo ve vývoji zbraní hromadného ničení o krok před Američany. Jak je možné, že k tomu došlo? .Již v roce 1945 existovaly plány, které připouštěly možnost sestrojit vodíkovou bombu. Ale vztahy mezi špičkovými fyziky, kteří se v podíleli na konstrukci prvních atomových bomb, nebyly po Hirošimě a Nagasaki bez problémů. Laureát Nobelovy ceny Hans Bethe, vzpomíná, že tehdy velmi váhal, když jej zástupci armádních složek vyzvali, aby se zapojil do práce na vývoji vodíkové bomby. Obdobné pocity cítil i Enrico Fermi. Byl to právě Fermi, kdo svým kolegům vnukl ideu takzvané „H-bomby“. Ale italský vědec, stejně jako Hans Bethe, se v té době k vývoji ničivých zbraní stavěl odmítavě. V ještě složitější situaci se ocitl Jacob R. Oppenheimer , muž, jenž za války řídil vědeckou práci v rámci přísně střeženého Projektu Manhattan. Ačkoli se po válce těšil velké úctě , jeho sláva začátkem 50. let opadla. Edgar Hoover, šéf FBI, ho dokonce obvinil ze zrady. Za této situace nepřipadalo v úvahu, aby se zúčastnil vývoje superbomby. Atmosféra ve společnosti i protiválečné nálada mezi vědci vývoji dalších atomových zbraní nepřály. Záhy ale došlo k nečekané změně. Vyhrocení vztahů mezi velmocemi na začátku 50. let byly pro americkou vládu silným argumentem. Pomyšlení, že by komunistický stát mohl jako první vyrobit vodíkovou bombu a získat tak náskok ve zbrojních závodech, bylo pro Bílý dům nesnesitelné. Z tohoto důvodu se v lednu roku 1950 sešla zvláštní komise Národní bezpečností
rady, aby projednala otázku superbomby. Tato komise rozhodla, že doporučí prezidentu, aby vyhlásil mobilizační program pro vývoj vodíkové bomby. Možnost konstrukce nepředstavitelně ničivé zbraně však vyvolala u americké veřejnosti strach a pobouření. Situace se změnila, když ještě téhož roku vypukla korejská válka. Geniální Hans Bethe, který se tolik stavěl proti vývoji termonukleární zbraně, se tak v důsledku tohoto nebezpečného politického vývoje paradoxně stal osobností, která měla rozhodující podíl na tom, že americké laboratoře nakonec vodíkovou superbombu přece jen vyrobily. Další hlavní roli sehrál kontroverzní americký fyzik maďarského původu Edward Teller , jenž nastoupil na místo zavrženého Oppenheimera a stal se šéfem vědeckého vývoje. Další klíčovou osobností programu vývoje superbomby se stal fenomenální matematik John von Neumann. Ten si jako první uvědomil, že nesmírně složité výpočty, které jsou při konstrukci bomby nezbytné, mohou za člověka učinit počítače. Tento matematik totiž z vlastní zkušenosti věděl, jakou horu výpočtů si vyžádalo sestrojení atomové bomby. Na základě jeho plánů byl zkonstruován první velký elektronický počítač ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), první počítač moderního typu, na němž byly demonstrovány základní principy elektronického počítače využívané dodnes. První zkouška superbomby, známá dnes pod krycím názvem „Lednička“, proběhla ve Spojených státech již v roce 1951, ale nebyla úspěšná. Vodíková zbraň, při jejíž explozi mělo dojít k pochodům probíhajícím uvnitř hvězd, nevypadala jako klasická bomba. Bylo to obrovské neforemné zařízení, které se před výbuchem muselo intenzivně chladit (odtud název Lednička). Tyto první zkoušky byly později vyhodnoceny jako zbytečné. Vědcům, především Edwardu Tellerovi, jenž byl za výzkum zodpovědný, přibývaly vrásky na čele. Navíc nikdo nevěděl, v jaké fázi se nacházejí jejich protivníci, sovětští fyzikové, kteří pracovaly na stejném „vynálezu zkázy“. A především nikdo netušil, že v jejich řadách existují zrádci, kteří sovětským agentům předávají cenné, přísně tajné informace. Americká strana byla ještě v roce 1950, kdy se vývoj vodíkové bomby rozbíhal, skálopevně přesvědčena, že s ní Sověti nemohou udržet krok. Dosud se zdálo, že se zmohou na pouhou imitaci toho, co bylo v Los Alamos již vymyšleno. Že komunisté provedli v roce 1949 pokusný výbuch atomové bomby, bylo přičítáno spíše zákulisním špionážním hrám a zradě ze strany některého z losalamoských vědců než úsilí ruských fyziků. Je obtížné říci, jak tomu skutečně bylo. Co však můžeme s jistotou prohlásit, je skutečnost, že sovětská fyzika rozhodně nepatřila k zaostalým. Největší hvězdou sovětské teoretické fyziky byl L. D. Landau, ale o vybudování poválečného jaderného programu se zasloužil především I. V. Kurčatov. Výbuchy atomových bomb v japonských městech Hirošima a Nagasaki už Sověti nechápali jako válečný akt 2. světové války, ale spíše jako předznamenání války studené, namířené proti jejich režimu. Na příkaz nejvyšší politické moci se v SSSR okamžitě upřela zvýšená pozornost na vlastní jaderný program. Základy k němu již byly položeny, ale byly vratké. Už v roce 1942 totiž mladý sovětský fyzik Georgij Flerov, sloužící v letectvu, napsal osobně Stalinovi, že mlčení o jaderném štěpení v zahraničním odborném fyzikálním tisku svědčí o pokračování amerického vývoje atomové zbraně. Flerov apeloval na vytvoření nukleární laboratoře za účelem sestrojení uranové bomby. Na konci roku 1942 Státní výbor pro obranu takovou laboratoř vskutku zřídil. Dozor i výběr pracovníků byl samozřejmě zcela v režii Ústředního výboru komunistické strany. Vědeckým ředitelem programu byl zvolen fyzik Igor V. Kurčatov, dosavadní šéf jaderného oddělení Fyzikálně technického ústavu. Tento vědec byl nejen výtečným fyzikem, ale proslul i organizačními schopnostmi. Léta Velké vlastenecké války jadernému výzkumu příliš nepřála a schopnosti fyziků byly vesměs využity k vývoji a zdokonalování konvenčních zbraní. Stalin ale vývoj atomové zbraně neztratil ze zřetele. Byl dobře informován o přísně utajovaném dění v Los Alamos. Tajné zprávy dostával jednak od fyzika Klause Fuchse, který pracoval přímo v centu dění v pouštním městě, jednak od britského diplomata Donalda Macleana, jenž se zabýval
otázkami atomového výzkumu na britském velvyslanectví ve Washingtonu. Vedle těchto dvou osob měl k dispozici širokou síť tajných vyzvědačů, takže byl o vývoji atomových zbraní výtečně informován. Špionážní činnost Klause Fuchse, fyzika německého původu, po jejím odhalení šokovala všechny jeho spolupracovníky, jenž ho vnímali jako tichého, velmi pracovitého vědce. Od roku 1943 pracoval Fuchs v teoretickém oddělení Hanse Betheho, kde jeho rukama prošla řada přísně tajných dokumentů a plánů. Od začátku svého amerického pobytu byl však tento fyzik v kontaktu se sovětskými špiony, jimž předával informace o vývoji atomových zbraní. V roce 1946 se dokonce zúčastnil přísně tajné konference konané v Los Alamos, kde se dostal k von Neumannovým výpočtům týkajících se možnosti sestrojení superbomby. Tyto materiály předal za svého Londýnského pobytu o rok později sovětským agentům. Koncem 40. let byl však britskou kontrarozvědkou MI-5 odhalen. Za zradu byl odsouzen ke čtrnácti rokům vězení, z nichž si odseděl devět. Po propuštění uprchl do NDR, kde pokračoval se své vědecké kariéře. Po roce 1945 si Stalin nechal Kurčatovova zavolat k osobnímu pohovoru a svěřil mu nadlidský úkol. Chtěl atomovou bombu, a to co nejdříve. Kurčatov, to se rozumí, nemohl nesouhlasit. Kde ale bombu vzít, když neexistovalo téměř nic, ani technické postupy, ani moderní fyzikální přístroje? Komunisty ale nezajímaly vize a obtíže jaderného programu, chtěli výsledek. Atomová bomba se tak stala ostře sledovaným úkolem nejvyšší priority. Že to sovětský vůdce myslí vážně, o tom svědčí i fakt, že předsedou komise pro atomový výzkum se stal Lavrentij Berija, lidový komisař vnitra, jenž plnil Stalinovy příkazy ke krvavým čistkám a teroristickým činům nebývalých rozsahů. Kurčatovi bylo jasné, že je nutno vytvořit nová vědecká centra, konstrukční kanceláře, přebudovat mnohé výzkumné organizace, to vše bez ohledu na cenu, a jak bylo v Rusku tradičně zvykem, i bez ohledu na lidské oběti. První úspěšný test atomové bomby se uskutečnil v roce 1949 na kazachstánské pláni nedaleko Semipalatinska. Hned po úspěšném výbuchu atomové bomby následoval v sovětském Rusku vývoj termojaderné vodíkové bomby. Kurčatov a jeho spolupracovníci si nedopřáli odpočinek. Naopak, hned si začali lámat hlavu nad otázkou, jak „zamontovat“ těžký vodík do atomové bomby, aby proběhla termojaderná fúze. K dispozici měli Fuchsovy materiály s von Neumannovými výpočty i detailními nákresy vodíkové bomby vypracované Edwardem Tellerem. Rychlé vyřešení základních problémů s vodíkovou bombou v komunistické zemi šokovalo nejen všechny jaderné vědce, ale i řadu zodpovědných politiků na Západě. Zásadní roli v novém programu sehrál mladý fyzik Andrej D. Sacharov. Byl to právě on, kdo přišel s myšlenkou, na jejímž základě se sovětským vědcům podařilo sestrojit termonukleární zbraň. Sacharov, který vystudoval u laureáta Nobelovy ceny I. J. Tamma, odhalil chyby původního řešení a navrhl odlišné schéma, označené pod krycím názvem „Slojka“. Vývoj vodíkové bomby probíhal za nejpřísnějšího utajení v městečku Sarov, v oblasti střední Volhy, a to ve dvou vědeckých skupinách; jednu vedl J. Zeldovič, druhou I. J. Tamm. Již v létě roku 1953 disponoval Sovětský svaz funkční vodíkovou bombou. Test proběhl opět na kazachstánské stepi a nový druh jaderné zbraně si ukázal třicetkrát silnější než bomba atomová. Kvůli experimentu bylo evakuováno několik blízkých měst a vesnic. A Američané? Zdá se to neuvěřitelné, ale jejich vývoj termonukleární zbraně měl vskutku přes využití obrovského potenciálu po již zmíněné nezdařené akci „Lednice“ zpoždění. Krize, která zachvátila americký program vývoje H-bomby, byla nepříjemná. O zažehnání krize se v první fázi postaral Stanislaw Ulam, von Neumannův spolupracovník, jemuž se zdařilo provést na ENIACu nové výpočty, které vývoj vodíkové bomby vyvedl ze slepé uličky. Matematik John von Neumann, vedl práce na vývoji nového počítače, který by nahradil poruchový ENIAC. Tento nový stoj byl nazván zkratkou MANIAC (Mathematical Analyzer Numerical Integrator and Computer) a vzbudil zasloužený obdiv. V porovnání se starším ENIACem měl daleko větší paměť, vyznačoval se výpočetní přesností a nadto sám dokázal opravit nepřesné instrukce. Koncem srpna roku 1953, kdy Sovětský svaz
vydal prohlášení, že vlastní vodíkovou pumu, sice zavládlo v americké administrativě zděšení, ale přesto nebyly Spojené státy zcela bezmocné. Již předcházející rok se jim podařilo odzkoušet zařízení, v níž proběhla jaderná fúze. Problém byl v tom, že nešlo o zbraň, ale o mohutný kolos, který vážil přes 65 tun. Díky rychlému MANIACu zavládl v Los Alamos optimismus. Závěrečného stadia konstrukce první americké H-bomby, nazvané Mike, se v Los Alamos již neúčastnil Teller, její duchovní otec. Práce vedl Marshall Holloway. Vědci měli k dispozici špičkovou technologii, do které vláda investovala čtvrt miliardy dolarů. Američané testovali své superbomby na Marschallových ostrovech v Tichém oceánu, na Eniwetockém atolu, kde zřídili stálou zkušební střelnici pro jaderné zbraně. Kolos Mike byl umístěn na ostrůvek Elugelab, do velkého betonového bunkru. Tentokrát proběhl zkušební výbuch úspěšně. Sovětský svaz byl o krůček dále, neboť se mu v té době již podařilo sestrojit suchou vodíkovou bombu. Američtí vědci tedy stáli před úkolem, jak svou superbombu zdokonalit a jak odstranit těžké a neforemní chladící zařízení. Řešení spočívalo v náhradě nestabilního tritia izotopem lithia. Mezitím se již intenzivně pracovalo na vývoji mezikontinentálních balistických střel ICBM (Intercontinental Ballistic Missiles). Technologie výroby termojaderné pumy již byla známa a ani jedna ze supervelmocí ji nemohla ignorovat. John F. Dulles, státní tajemník USA z let 1953-59 a autora Eisenhowerovy doktríny, v roce 1956 pro časopis Life řekl: „Byli jsme přivedeni na pokraj války. Schopnost jít až na pokraj války, aniž se do války dostaneme, je užitečné umění.“ Dulles, stejně jako všichni američtí a sovětští vědci, kteří se podíleli na vývoji H-bomby, věděli, že tato válka, pokud by k ní došlo, by pro lidstvo s největší pravděpodobností byla válkou poslední.
2 Princip vodíkové bomby Atomová bomba funguje na principu štěpení těžkých jader, zatímco u bomby vodíkové k této jaderné reakci přistupuje další druh, takzvaná jaderná fúze. Jedná se o exotermickou reakci syntézy lehkých jader na jádra těžší. Tato termonukleární reakce probíhá při extrémně vysokých teplotách (10 exp 7 až 10 exp 9 K) uvolňuje se při ní obrovské množství energie, která je vyšší než energie při štěpení těžkých jader. Důvod, proč se při jaderné fúzi uvolňuje energie, tkví v tom, že částice ve větším jádru jsou vázány menší energií než je součet vazebných energií menších jader. Reakce tohoto typu probíhají ve Slunci a hvězdách a jsou zdrojem jejich vyzařování. Právě ve vodíkové bombě byly v pozemských podmínkách poprvé vytvořeny podmínky blízké těm, které probíhají v nitru Slunce. Výbušným materiálem je zde směs izotopů vodíku deuteria a tritia, přičemž, jak už bylo naznačeno, vysoká teplota, nutná pro průběh termonukleární reakce, se získává výbuchem „klasické“ atomové bomby, jež je umístěna uvnitř „superbomby“. Za normálních podmínek se dvě atomové jádra kvůli stejnému elektrickému náboji odpuzují. Energie z rozštěpení jádra je nutná z toho důvodu, aby se jádra dostala co nejblíže a aby se pohybovala co nejrychleji, k čemuž je nutno dodat jim kinetickou energii. Toho se dosahuje teplotou okolo 100 000 000 K. Když se dosáhne této kritické teploty a jaderná fúze začne probíhat, energie, která se začne uvolňovat, udržuje potřebnou teplotu pro další průběh slučování lehkých jader.
Reference [1] Scienceworld - 50 let vodíkové bomby http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/C27211FC104D43DAC1256D8A00512F8C [2] How Nuclear Bombs Work
http://people.howstuffworks.com/nuclear-bomb7.htm [3] Race for the Superbomb http://www.pbs.org/wgbh/amex/bomb/ [4] The Hydrogen Bomb http://www.aip.org/history/sakharov/hbomb.htm
