Jaderné zbraně a jejich použití ve válce proti Japonsku
Část 2.
Jaderný výzkum probíhal odděleně na několika univerzitních pracovištích. Poté, co exekutiva přijala rozhodnutí o programu jaderných zbraní, byl založen Poradní uranový výbor (Committee on Uranium), který měl tyto činnosti koordinovat a sjednocovat. Později se struktura řízení jaderného výzkumu ještě několikrát měnila. V dubnu 1942 proběhla zásadní porada na které bylo konstatováno, že jadernou zbraň je možné vyrobit ještě do konce války. Současně bylo zřejmé, že organizaci její výroby nemohou zajišťovat univerzity, ale musí jí převzít armáda. Ta si pro to vytvořila zvláštní složku s názvem Laboratory Development of Substitute Materials a její štáb se usídlil v New Yorku s krycím názvem Manhattan Engineer District, podle tohoto označení byl nakonec pojmenován celý projekt výroby jaderné zbraně jako „projekt Mahattan“. V září 1942 byl do jeho čela jmenován plukovník Leslie Groves. Byl to špičkový ženijní důstojník, absolvent elitní vojenské akademie West Point, kterou absolvoval jako čtvrtý v ročníku. Byl to skvělý manažer, který mimo jiné řídil i výstavbu budovy Ministerstva války, dodnes známou jako Pentagon. Než se dostal na West Point, studoval nějaký čas na špičkové univerzitě Massachusetts Technology Institute, takže přírodní vědy a vědecké zkoumání mu nebyly úplně cizí. Jeho skvělé organizační schopnosti, důslednost a smysl pro detaily z něj činily velmi vhodnou osobnost pro splnění tak náročného úkolu, jako byl vývoj a výroba jaderné zbraně. Přestože měl občas dosti svérázné vystupování, udržoval si velký respekt jak v armádním prostředí, tak i ve vědecké obci.
Ve věci dalšího vývoje jaderné zbraně padlo rozhodnutí, že budou sledovány obě cesty k získání štěpného materiálu, tedy jak izotopů uranu 235U, tak i plutonia 239Pu. V případě uranu to znamenalo postavit továrnu na obohacení přírodního uranu, pro získání plutonia 239Pu bylo nutné vyvinout, postavit a zprovoznit jaderný reaktor. Výběr místa pro tato zařízení podléhal řadě kritérií. Muselo se jednat o odlehlé místo dostatečně vzdálené od státních hranic, kde byly dostupné zdroje vody a elektrické energie. Pro továrnu na obohacování uranu bylo vybráno místo nazývané Oak Ridge ve státě Tennessee, zařízení pro výrobu plutonia bylo umístěno v Hanfordu, stát Washington. Dále byla vybudována řada dalších pracovišť po celých USA, kde byly vyvíjeny a později vyráběny různé další komponenty nutné k sestavení jaderné zbraně. Projekt Manhattan nakonec zaměstnával několik desítek tisíc lidí.
Obohacením uranu se rozumí postup, kdy je zvýšen podíl štěpitelného izotopu 235U v přírodním uranu. Pro energetické účely v nejběžnějších tlakovodních elektrárnách (u nás Temelín a Dukovany) se míra obohacení zpravidla pohybuje mezi 3 až 5%, pro konstrukci jaderné zbraně je nutné obohacení nad 80%. Separace jednotlivých izotopů uranu je možná pouze s využitím nepatrných rozdílů v jejich hmotnosti. Pro separaci byly vyvinuty následující metody: plynná difuze, tepelná difuze a metoda elektromagnetická. Pro tyto metody bylo nutné převést uran do plynné podoby - hexafluoridu UF6. Jedná se o silně jedovatou a agresivní látku, se kterou je velmi obtížné manipulovat. Plynná difuze je založená na průniku plynu přes vhodně uspořádanou membránu. Je zde využita skutečnost, že rychlost průchodu přes membránu je závislá na hmotnosti molekul plynu. Tepelná difuze je založená na tom, že v uzavřené nádobě, naplněné plynem, která je z jedné strany ohřívaná a druhé strany ochlazovaná se lehčí molekuly hromadí na teplejší straně nádoby. Obě metody dávají jen nepatrné obohacení při jednom průchodu a je zapotřebí řadit jednotlivé stupně za sebou v počtu několika tisíc do kaskády, aby se dosáhlo potřebného obohacení u požadovaného množství uranu. Elektromagnetická metoda funguje na principu kruhového pohybu iontů v magnetickém poli, kde se těžší ionty pohybují na drahách o větším poloměru. I zde je zapotřebí mnohonásobný průchod obohacovaného materiálu. Přírodní uran byl postupně zpracováván všemi výše uvedenými metodami na požadovaný stupeň obohacení, tj. na 80% zastoupení izotopu 235U. Výrobní zařízení na produkci uranu 235U bylo v plném rozsahu zprovozněno na začátku roku 1945. Za zmínku stojí, že už tehdy byla známa metoda separace pomocí odstředivek, která se používá dnes. Jejich konstrukce však představoval technologický problém, který se povedlo vyřešit až po válce.
Druhou cestou pro získání štěpitelného materiálu použitelného ve vojenské zbrani představoval izotop plutonia 239Pu. Jak již bylo zmíněno, prvkem s nejvyšší protonovým číslem, který se nachází v přírodě je uran, který má 92 protonů, plutonium je prvek umělý s 94 protony. Průmyslová výroba umělého prvku v množství desítek kilogramů v té době zaváněla alchymií a přestavovala obrovskou technologickou výzvu.
Výroba izotopu plutonia 239Pu je založená na ozařování uranu 238U neutrony. Tento izotop uranu tvoří přes 99% obsahu přírodního uranu a jeho získání není zásadní problém. Bylo však nutné získat dostatečně silný zdroj neutronů, který mohl poskytnout pouze jaderný reaktor. Uran 238U se po ozáření neutrony mění na neptunium s protonovým číslem 93 a to dále tzv. beta rozpadem na směs izotopů plutonia s velkým zastoupením požadovaného izotopu 239Pu. Na konci ozařovacího cyklu tedy zůstává z původního uranu 238U směs prvků uran, neptunium a plutonium, kterou lze chemicky rozdělit jednodušeji než směs izotopů jednoho prvku fyzikální cestou, jak je tomu u uranu. Doba ozařování musí být stanovena tak, aby vzniklo dostatečné množství izotopu 239Pu, ale co nejmenší množství dalších izotopů Pu, které mají negativní vliv na požadovaný průběh jaderné reakce.
V rámci univerzitního výzkumu byla provedena řada pokusů s podkritickým množstvím štěpného materiálu s cílem získat co nejvíce poznatků a zkušeností, potřebných ke konstrukci reaktoru. V dubnu 1942 bylo rozhodnuto o výstavbě experimentálního reaktoru pod vedením italského fyzika Enrica Fermiho, na kterém měly být ověřeny reálné podmínky pro udržení řízené štěpné reakce. Jeho výstavba začala v listopadu téhož roku v sále pod tribunou již nepoužívaného stadionu University of Chicago, do kritického stavu byl uveden dne 2.12.1942 v dopoledních hodinách. Z dnešního pohledu se jednalo o neuvěřitelně primitivní zařízení, vyskládané z grafitových cihel umístěných do dřevěného rámu a bez jakékoliv biologické ochrany. Zkušenosti a znalosti získané jeho provozováním byly uplatněny v pilotním projektu reaktoru, který byl umístěn v areálu Oak Ridge. Tento reaktor byl spuštěn 4.11.1943 a po zhruba měsíci vyrobil první vzorek plutonia 239Pu o hmotnosti asi 0,5g. Poskytl další cenné poznatky, které umožnily výstavbu produkčních reaktorů v Hanfordu. Po najetí všech reaktorů na jaře 1945 zde bylo dosaženo produkce asi 20kg plutonia měsíčně.
Včasné zvládnutí průmyslové výroby štěpitelného materiálu bylo nutnou podmínkou pro výrobu jaderné zbraně použitelné v probíhající válce. Byl to obrovský výkon po stránce vědecké, organizační i výrobní, konstrukce letecké jaderné pumy byla další velkou výzvou.
Část 1. viewtopic.php?f=403&t=10850
Část 3. viewtopic.php?p=465066#p465066
Část 4. viewtopic.php?t=10876
Zdroje:
Kruh se uzavírá, Edwin P. Hoyt, vydalo Naše Vojsko 2022, ISBN 978-80-206-1425-4
Jaderné zbraně, Vladimír Hnatowicz, vydalo Naše Vojsko 2024, ISBN 978-80-206-2024-8
https://is.muni.cz/th/mjiyf/Cisar_BP.pdf
https://utf.mff.cuni.cz/~podolsky/Ejemc ... AEFDR.html
https://cs.wikipedia.org/wiki/Atomov%C3 ... kibomb.jpg
https://www.handelsblatt.com/technik/fo ... 14950.html
https://cs.wikipedia.org/wiki/Uran_%28prvek%29
http://www.unbekannter-bergbau.de/inhal ... chacht.htm
https://cs.wikipedia.org/wiki/Projekt_Manhattan
https://www.osti.gov/opennet/manhattan- ... _45-46.htm
https://www.elektrina.cz/enrico-fermi-v ... ajimavosti