A X. A osztály munkái az iskola másképp hét alatt
Hidrogénbomba
A cikkket készítették: Incze Ádám, Kisgyörgy Lukács, Szabó Zsolt, Téglás Botond

A hidrogénbombák, vagy fúziós bombák az atommagok egyesülésén, fúzióján alapulnak, amikor könnyebb atommagok, mint például hidrogén vagy hélium állnak össze nehezebb elemekké nagy energia felszabadulása mellett. Az elnevezés pontatlan, mert egyrészt minden "hidrogén"-bombában a hatás egy jelentős részét egy fissziós bomba adja, másrészt az egylépcsős "atom"-bombák belső üregét is hatásfokjavító hidrogén alapú töltettel töltik ki. Így a "hidrogénbomba" helyett szerencsésebb a kétfázisú atombomba kifejezés. A hidrogénbomba elnevezést az alapanyaga miatt kapta, hívják még termonukleáris fegyvernek is, mivel a fúziós reakcióknál a láncreakció beindulásához rendkívül magas hőmérséklet kell. A hidrogénbombák tömegének nincsen felső korlátja, mivel a beindításához rendkívül nagy hőmérséklet és nyomás szükséges. Spontán módon, földi körülmények között semmiképpen sem indul meg a fúziós reakció.

A hidrogénbombáról sok vázlatos ismertetés jelent meg, így számos lexikon és kézikönyv is - állítása szerint - összefoglalja a H-bomba működési elvét. Ezekből az ismertetésekből általá¬ban igen lényeges elemek hiányoznak.

Ennek az elrendezésnek a működésképtelensége egyszerű számítás alapján is belátható. Az atommagfúziós reakció f sebességét (az idő- és térfogategységenként végbemenő fúziós reakciók számát) a következő összefüggés adja meg: , ahol CD, illetve CT jelöli a reakcióban részt vevő atommagok – esetünkben deutérium és trícium – atommagok darabszám-sűrűségét, atom/m³ egységben mérve (magyarosan: db/m³), a σv mennyiség pedig a reakció valószínűsége (σ az ún. hatáskeresztmetszet) és a részecskék sebességéből képezett szorzat átlagértéke. Az atommagok darabszám-sűrűségét az irodalom nD, illetve ND betűkkel is jelöli, ahol indexbe a reakcióban résztvevő atommag (nuklid) vegyjelét írják (például D deuterium). A < > jelek jelölik, hogy a sebesség Maxwell-eloszlásból származik. A σv mennyiség erősen függ a hőmérséklettől, ezért, bár a magfúzió már 10-20 millió °C hőmérsékleten is végbemegy, a jelentős energiatermeléshez ennél nagyobb, 50 millió °C körüli hőmérséklet szükséges.

Az összefüggés alapján kiszámítható, hogy normál sűrűségen nem indul meg fúzió, hanem csak akkor, ha előzőleg a fúziós anyagot erősen összepréseljük. Ebből nyilvánvaló, hogy a hasadási bombát burkoló fúziós köpeny a robbanás hatására egyszerűen szétrepülne, mielőtt a fúzió megindulhatna. A következő táblázat a hőmérsékletet kiloelektronvoltban tartalmazza.

A hidrogénbomba megvalósításának kulcsa az a megoldás, amit a szakirodalom Teller–Ulam-tükör, vagy Teller–Ulam¬elrendezés néven ismer.

Ha a gyutacsként szolgáló hasadási bombát egy nehézfém (volfrám, urán stb.) anyagú, forgási ellipszoid alakú tükör egyik fókuszpontjába helyezzük, akkor a robbanás pillanatában keletkező hőmérsékleti sugárzást a tükör a másik fókuszba gyűjti össze, ebben a fókuszpontban foglal helyet a fúziós mag. Mivel 10000 °C hőmérséklet megfelel kb. 1 eV energiának, a robbanás néhányszor tízmillió fokos hőmérsékle¬tén néhányszor tíz keV energiájú sugárzás, azaz röntgensugár¬zás keletkezik. Ezt a röntgensugárzást a tükör addig kon¬centrálja, amíg anyaga a sugárnyomás hatására szét nem repül. (A sugárzás nyomása több millió atmoszféra is lehet.) Valamivel a sugárzás után érik el a tükröt a robbanás neutronjai, majd a lökéshullám, ezek befejezik a rombolást. A tükör atomjai azon¬ban - tehetetlenségüknél fogva - képesek ellenállni a sugár¬nyomásnak annyi ideig, amennyi elég a fúziós reakció megindu¬lásához, illetve lefolyásához.

A H-bomba tervezésénél nyilvánvaló cél, hogy minél na¬gyobb hányad elhasználódjon a fúziós töltetből, azaz a H-¬bomba kiégési szintje nagy legyen. Ehhez szükséges, hogy a tükör "összetartási ideje" elég nagy legyen, valamint a fúziós töltetre is érvényes egy összetartási idő. Ez - mint a hasadási bombáról szóló cikkben már szerepelt, ahol vs a közegre érvényes hangsebesség, r pedig egy jellemző méret, például gömbnél a gömb sugara, hengernél pedig a henger sugara.

A H-bomba működésének a feltételét lényegében az és összefüggés alapján lehet meghatározni. Ezektől függ, hogy a fúzió létrejön-e, illetve az anyag jelentős hányadára ki fog-e terjedni.

Az a tény közismert, hogy a "hidrogén" mindig nehézhidrogént (deutériumot vagy tríciumot) jelent a bomba esetében, azon¬ban deutérium-trícium keverékből nem lehetne gyakorlatilag használható (harctéren bevethető) bombát készíteni. A D- és T-gáz csak akkor érheti el a megkívánt sűrűséget, ha csepp¬folyós halmazállapotban van. A folyékony nitrogénnel és folyé¬kony héliummal működő cseppfolyósító berendezések eleve lehetetlenné tennék a szállítható bomba megalkotását.

A trícium radioaktivitása is rendkívüli módon megnehezítené a bomba kezelését. Kb. 0,1 mg trícium aktivitása 1 Ci (3,7•1010 Bq): így egy bombában több millió curie trícium lenne.

A megoldás: a "száraz hidrogénbomba" megalkotása, ugyan¬úgy, mint a robbanás fókuszálásának a megoldása, Teller Ede, továbbá - tőle függetlenül - Dmitrij Szaharov nevéhez fűződik. Ha a fúziós töltetet litium-deuteridből (LiD) készítik, akkor a hasadási gyutacs neutronsugárzása hatására a lítium tríciummá alakul. A keletkező trícium a deutériummal reakcióba lépve neutront termel, így a lítium-trícium átalakulás igen gyorsan és jó hatásfokkal végbemehet a következő egyenlet szerint.