Broń jądrowa
Broń nuklearna, zwana też bronią masowego rażenia lub masowej zagłady, jest najbardziej destruktywną technologią jaką kiedykolwiek rozwinięto. Od dnia, kiedy w 1938 roku odkryto istotę rozszczepienia, problem kontrolowania tej śmiercionośnej technologii był istotą w wyścigu zbrojeń. Świat w którym dokonano tego odkrycia - wstrząśnięty wojną, otaczającą paranoją i okrucieństwami totalitaryzmu - przekształcił czysto teoretyczną możliwość w nieuchronną rzeczywistość. Naukowcy byli pewni, że tworzą tylko bardziej udoskonaloną broń, nie mieli pojęcia, że szybkimi krokami zbliżają się do otwarcia najstraszniejszego rozdziału w historii wojny.
Zrodzony w wojnie, projekt Manhattan był wysoko klasyfikowany od samego początku i jeszcze bardziej ukrywany. Nie zapobiegło to jednak w tworzeniu tych śmiercionośnych ładunków przez państwa, których zaawansowanie techniczne na to pozwalało. Przeszkody na drodze do "klubu nuklearnego" były skrzętnie usuwane - broń ta miała najwyższy priorytet.
Podczas zimnej wojny wiodące imperia poświęcały rozwój gospodarczy i ekonomiczny, aby tylko stworzyć jak najdoskonalszą broń. Chociaż motywację posiadania jej często określano jako niezbędną do obrony, prawdziwe cele były często mniej szlachetne. Względy polityczne, osobiste ambicje oraz czyste szaleństwo było wystarczającym powodem do trawienia olbrzymich funduszy publicznych, wystawiania milionów ludzi na zgubny wpływ efektów tej broni i obciążania następnych pokoleń brzemieniem przeszłości.
Wielka energia broni jądrowej pochodzi z rozszczepienia ciężkich lub syntezy lekkich pierwiastków. Rozszczepienie jądrowe zachodzi, gdy jądra pewnych izotopów bardzo ciężkich pierwiastków, na przykład uranu czy plutonu, pochłaniają neutrony. Jądra tych izotopów są mało stabilne i dodanie małej ilości energii kinetycznej pochodzącej z neutronu ( stąd w bombie jądrowej niezbędne jest źródło neutronów, rozpoczynające reakcję) spowoduje nagłe rozszczepienie na dwa jądra, czemu towarzyszy uwolnienie ogromnej ilości energii i kilku nowych neutronów. Jeżeli średnio jeden neutron z każdego rozszczepienia jest pochłaniany i powoduje reakcję rozszczepienia kolejnego jądra dochodzi do samo podtrzymywania, zwanego reakcją łańcuchową. Gdy natomiast średnio więcej niż jeden neutron z każdego rozpadu wywołuje rozszczepienie kolejnego jądra liczba neutronów i ilość wydzielonej energii rośnie wykładniczo do czasu. Reakcja fuzji, zwana często reakcją termojądrową, jest reakcją zachodzącą pomiędzy jądrami pewnych izotopów lekkich pierwiastków. Jeżeli do jąder tych dostarczy się dostatecznie dużo energii (np. na skutek wybuchu, lub dzięki akceleratorowi cząstek w laboratorium) istnieje wtedy znacząca szansa, że połączą się one tworząc jedno lub więcej nowych jąder, czemu towarzyszy wydzielenie się energii.
Broń jądrową dzielimy ze względu na rodzaj wykorzystywanej w niej reakcji jądrowej, na jedno -, dwu- i trójfazową. W broni jądrowej jednofazowej, nietrafnie zwanej również atomową, jedynym źródłem energii jest reakcja rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich, takich jak uran czy pluton. Broń jądrowa dwufazowa wykorzystuje energię powstałą w wynikureakcji syntezy (fuzji) jąder pierwiastków lekkich. Powszechnie nazywa się ją również bronią termojądrową ze względu na olbrzymie temperatury, w jakich zachodzi reakcja syntezy, lub wodorową, ponieważ podstawowymi składnikami reakcji są izotopy wodoru – deuter i tryt. Pierwsza faza, rozszczepienie, dostarcza potrzebnej energii do zapoczątkowania drugiej fazy, czyli łączeniu się deuteru i trytu w wodór. Broń jądrowa trójfazowa, typu: rozszczepienie – synteza – rozszczepienie – wytwarza znaczną moc. Jest również nazywana bombą płaszczową lub przekładańcem, ze względu na swoją budowę. Jej działanie polega na rozszczepieniu neutronami, wytworzonymi w reakcji termojądrowej, plutonu, który powstaje dzięki energii z I i II fazy z nierozszczepialnego, tworzącego płaszcz bomby, uranu.
Istnieje jeszcze typ broni jądrowej, który jest odmianą broni dwufazowej. Jest to broń neutronowa. Bomby należące do tej grupy nie absorbują neutronów powstających w czasie syntezy. Uwolnione w ten sposób intensywne promieniowanie wysokoenergetycznych neutronów stanowi jej główny mechanizm destrukcyjny. Promieniowanie neutronowe nie niszczy materii, lecz przez nią przenika, jednak zabija organizmy żywe.
Do broni jądrowej, należy również dodać tzw. bomby zasolające lub bomby kobaltowe. Ich działanie podobne jest do broni jądrowej trójfazowej, jednak zamiast rozszczepialnych pierwiastków z III fazy, stosuje się nierozszczepialne, specjalne dobrane izotopy radioaktywne, głównie kobalt (stąd nazwa bomb – kobaltowe). Warstwa pierwiastka, pochłania neutrony, powstające w fazie fuzyjnej, co powoduje przejście izotopu do stanu wysokiej radioaktywności. Użycie takiej bomby powoduje skażenie promieniotwórcze terenu. Zmienny efekt skażenia można uzyskać dzięki zastosowaniu odpowiednich izotopów. Złoto jest przeznaczane dla krótkoterminowego skażenia (trwającego dni), tantal i cynk dla skażenia pośredniego (trwającego miesiące), kobalt zaś stosuje się do skażania długoterminowego (lata).
Eksplozje jądrowe wytwarzają zarówno bezpośrednie jak i opóźnione w czasie skutki destrukcyjne. Efekty bezpośrednie (fala uderzeniowa, promieniowanie cieplne czy jonizujące) powodują poważne zniszczenia w ciągu sekund lub minut po wybuchu nuklearnym. Efekty opóźnione (opad radioaktywny oraz inne efekty środowiskowe) działają przez dłuższy okres - począwszy od godzin, aż do wieków - oraz mogą spowodować straty nawet na obszarach bardzo oddalonych od miejsca detonacji.
Istnieją trzy kategorie efektów bezpośrednich: fala uderzeniowa, radiacja cieplna (termiczna) oraz promieniowanie jonizujące. Ich relatywne znaczenie zmienia się w zależności od siły eksplozji bomby. Przy małych ładunkach wszystkie trzy mogą być znaczącym źródłem zniszczeń. Przy dość dużej sile te trzy efekty są sobie równe - są zdolne do dokonywania znaczących zniszczeń na odległość 1 km.
Poniższe równania pozwalają oszacować w zależności od ładunku promień zniszczeń dokonany przez każdy z tych efektów.
Część siły wybuchu bomby wyemitowanej jako promieniowanie cieplne, fala uderzeniowa czy promieniowanie jonizujące jest stała, niezależnie od mocy eksplozji, jednak zmienia się dramatycznie w zależności od otoczenia (różne formy energii odmiennie oddziałują z powietrzem oraz innymi obiektami).
Powietrze jest dobrym ośrodkiem dla radiacji termicznej, której niszczycielska moc związana jest z gwałtownym wzrostem temperatury. Powierzchnia kuli, której środek znajduje się w miejscu eksplozji, rośnie proporcjonalnie do kwadratu promienia. Destruktywny promień wzrasta zaś proporcjonalnie z kwadratem siły eksplozji. W rzeczywistości ów wskaźnik proporcjonalności jest trochę mniejszy, częściowo z powodu, iż duże bomby emitują ciepło wolniej co redukuje destrukcję wywołaną przez każdą kalorię ciepła. Trzeba zaznaczyć, że obszar eksponowany na działanie radiacji termicznej wzrasta niemal liniowo z siłą wybuchu.
Fala uderzeniowa jest potężnym efektem wybuchów jądrowych. Energia fali uderzeniowej skupiona jest w ośrodku przez który się przemieszcza (włączając w to powietrze). Gdy fala uderzeniowa przechodzi przez lity materiał, utracona energia powoduje zniszczenia. Gdy zaś przemieszcza się w powietrzu stopniowo traci swój impet. Im więcej materii, przez którą przechodzi energia, tym słabszy efekt. Wielkość obszaru, przez który przechodzi fala uderzeniowa, rośnie wraz ze wzrostem objętości kuli wycentrowanej w miejscu eksplozji. Z tego powodu moc fali uderzeniowej maleje wraz ze wzrostem promienia kuli.
Intensywność promieniowania jonizującego rządzi się tymi samymi zasadami co radiacja cieplna. Jednak promieniowanie jonizujące jest także silnie absorbowane przez powietrze, co powoduje o wiele gwałtowniejszy spadek intensywności.
Zasadniczym opóźnionym efektem eksplozji jądrowych jest wyprodukowanie dużych ilości materiałów promieniotwórczych o dużym okresie półrozpadu (od dni do tysiącleci). Głównym źródłem tych produktów są resztki pozostałe po reakcji rozszczepienia. Znaczącym drugorzędnym źródłem jest absorpcja neutronów przez nie-radioaktywne izotopy zarówno z bomby jak i środowiska zewnętrznego
Izotopy o krótkim okresie półrozpadu uwalniają swoją energię gwałtownie, tworząc obszary o wysokim stopniu skażenia promieniotwórczego, które szybko ulegają neutralizacji. Izotopy o długim czasie półrozpadu uwalniają energię w czasie większych okresów czasu, tworząc tym samym obszary o mniejszym poziomie napromieniowania jednak będące bardziej trwałe. Z tego powodu produkty rozszczepienia mają początkowo bardzo wysoki stopień promieniotwórczości który jednak gwałtownie maleje - wraz ze zmniejszeniem intensywności radiacji zmniejsza się również szybkość procesów rozpadu.
Wysoka temperatura nuklearnej kuli ognia połączona z gwałtowną ekspansją oraz ochładzaniem powoduje wytworzenie dużych ilości tlenków azotu z atmosferycznego tlenu i azotu (podobnie, jak dzieje się w silnikach spalinowych). Wznosząca się kula ognia silnego ładunku przeniesie tlenki azotu w głąb stratosfery, skąd będą mogły osiągnąć warstwę ozonową.
Znana propozycja grupy TTAPS (Turco, Toon, Ackerman, Pollack i Sagan) dotycząca potencjalnej "zimy jądrowej" jest kolejnym możliwym następstwem użycia broni nuklearnej. Efekt ten jest spowodowany przez absorpcję światła słonecznego przez duże ilości sadzy znajdujące się w atmosferze, a pochodzące z licznych pożarów miast i odwiertów naftowych zniszczonych podczas ataku nuklearnego. Późniejsze zaawansowane prace prowadzone przez naukowców na całym świecie potwierdziły je we wszystkich detalach. Wyniki te wskazywały, że ilość sadzy wytworzona podczas pożarów większości głównych miast Stanów Zjednoczonych i ZSRR zniszczy podstawy globalnego klimatu. Głównym efektem byłoby gwałtowny i drastyczny spadek temperatury, zwłaszcza na kontynentach. Ostatnie badania wykazały, że atak nuklearny na dużą skalę przeciwko celom miejskim i rafineriom spowodowałby średni spadek temperatury o przynajmniej 10 stopni C przez wiele miesięcy. Taki poziom ochłodzenia przekracza wielokrotnie to, co zostało zaobserwowane w poznanej historii i można go porównać do ery lodowcowej.