Výroba plutonia

Základem pro výrobu jaderné bomby je štěpný materiál. Zpravidla se používají liché izotopy těžkých prvků jako plutonium-239 a uran-235, výjimečně uran-233 [6]. Uran-235 se běžně vyskytuje v uranových rudách. Oproti uranu-238 má kratší poločas rozpadu, a proto je ho v přírodě výrazně méně 0.72 % (oproti uranu-238 99.28 %) [7]. Vzhledem k tomu, že se jedná o izotopy jednoho a téhož prvku, jejich separace je velmi obtížná a vyžaduje nemalé investice do infrastruktury.

Plutonium-239 se vyrábí v jaderných reaktorech. Srážkou neutronu s jádrem uranu-238 vzniká uran-239, ten se beta rozpadem přeměňuje na neptunium-239, a to dalším beta rozpadem na plutonium-239 [8] (viz obr. 1.).

Obr. 1.: Výroba plutonia-239 Zdroj: [9].

K výrobě plutonia dochází při provozu běžných jaderných elektráren. Pro potřebu jaderných elektráren se uranové palivo obohacuje, zvyšuje se procento uranu-235 na úkor uranu-238. Například pro jadernou elektrárnu Temelín se uvádí obohacení U-235 3.5 %, kde zbytek připadá na U-238 96.5 % [10]. Přeměnou nepalivového uranu-238 na využitelné plutonium-239 se vytváří sekundární palivo, a díky tomu může být stupeň vyhoření jaderného paliva vyšší jak 1 (100 %) [11], viz obr. 2.

Obr. 2.: Štěpné produkty. Zdroj: [12].

Izotopy plutonia

Zahájením štěpné reakce v reaktoru vlivem srážek neutronů s uranem-238 narůstá podíl plutonia-239. V případě další srážky neutronu s plutoniem-239 mohou nastat dvě situace. V 62-73 % procentech případů [13] se excitované jádro plutonia-240 rozpadne na štěpné produkty a uvolní neutrony pokračující v řetězové reakci. Ve zbylých případech jádro deexcituje vyzářením vysoko energetického fotonu. Zpočátku vzniká zanedbatelné množství plutonia-240. S rostoucím podílem plutonia-239 v palivu však produkce plutonia-240 narůstá (viz obr. 3.). Postupem času se přírůstek a úbytek plutonia-239 vyrovná a množství plutonia-239 se v palivu ustálí. Na rozdíl od plutonia-239, podíl plutonia-240 v palivu roste po celou dobu provozu reaktoru.

Obr. 3.: Vývoj množství různých izotopů plutonia v závislosti na vyhoření jaderného paliva. Zdroj: [14].

Proces s pohlcováním neutronu může pokračovat za vzniku dalšího izotopu, plutonia 241. Pokračujícími reakcemi v reaktoru následně vzniká celá plejáda transuranových izotopů (viz obr. 4.).

Obr. 4.: Vznik transuranů během jaderných reakcí. Zdroj: [15].

Přítomnost izotopu plutonia-240 je v jaderných zbraních nežádoucí. U plutonia-240 dochází v malé ale nezanedbatelné míře ke spontánnímu štěpení (samovolnému, bez nutnosti excitace) a uvolňuje neutrony [13]. To způsobuje nadměrné zahřívání, předčasné zahájení řetězové štěpné reakce před dosažením ideální konfigurace a snížení účinnosti jaderné zbraně. Samotné plutonium-240 se po pohlcení neutronu ve většině případů neštěpí, s 4500krát větší pravděpodobností vzniká plutonium-241.

Jaderná struktura

Ke štěpným reakcím jsou vhodnější liché izotopy. Nukleony, podobně jako elektrony v obalu, tvoří slupky (viz obr. 5.). Pouze neutrony s rozdílným spinem mohou obývat tutéž energetickou hladinu [16].

Obr. 5.: Energetické hladiny nukleonů v atomovém jádře. Zdroj: [16].

Navíc u neutronů v jádře vznikají silné párové vazby podobné Cooperovým párům v supravodičích, ale s výrazně silnější energií okolo 1 MeV [17]. Právě tato vlastnost umožňuje štěpení lichých izotopů (myšleno s lichým počtem neutronů) po zachycení sudého neutronu. Při srážce tepelného neutronu (pomalého neutronu s energií mezi 0.002-0.5 eV [18]) s lichým izotopem je zachycený neutron navázán ke svému partnerovi s opačným spinem. Zachycený neutron padá do výrazně hlubší potenciálové jámy, než by tomu bylo u sudého izotopu. Uvolněná vazebná energie slouží k excitaci vibračních a rotačních stavů jádra, jeho deformaci a následnému rozštěpení [17,19] (viz obr. 6.).

Obr. 6.: Potenciální energie jádra v základním stavu, excitovaného jádra a rozpadlého jádra. Zdroj: [17].

U sudých izotopů je zachycený neutron vázán slaběji a uvolněná vazebná energie nestačí k excitaci a rozštěpení jádra. Aby se takové jádro rozštěpilo, je potřeba dodatečná energie, například kinetická energie rychlých neutronů (0.5-10 MeV [20]). Jádra však mají pro rychlé neutrony řádově menší účinný průřez (viz obr. 7.) a pravděpodobnost jejich záchytu je výrazně nižší (viz obr. 8.).

Obr. 7.: Srovnání geometrického průřezu a účinného průřezu jádra. Zdroj: [19].

Obr. 8.: Celkový účinný průřez pro záchyt neutronu izotopy plutonia. Zdroj: [21].

Plutoniová bomba

Obecně se uvádí, že koncentrace plutonia-240 v plutoniové jaderné bombě může být maximálně okolo 7-10 % [12,13]. Nicméně je otázkou, do jaké míry je tato informace aktuální. V roce 1962 došlo v USA k jadernému testu o síle do 20 kilotun TNT s plutoniem-239 s koncentrací okolo 85 %, přestože přesné údaje nejsou známé [12,22]. Podle jiného zdroje mohla být v tomto jaderném testu koncentrace plutonia-240 reaktorové kvality a dosahovat až 20-23 % [23]. Ten samý zdroj připouští možnost výroby atomových bomb z plutonia získaného z komerčních reaktorů s koncentrací plutonia-240 nad 30 %. To nepřímo v roce 1997 potvrdili politický analytik Matthew Bunn a technologický poradce John Holdren, podle kterých jaderné velmoci mohou vyrobit atomovou bombu z reaktorového plutonia [22] (viz tab. 1.).

Tab. 1.: Rozdělení podle kvality plutonia. Zdroj: [15].

Zdroje plutonia

Stále však platí, ze nižší koncentrace plutonia-240 je pro výrobu atomových bomb vhodnější. Pro výrobu vhodného plutonia je potřeba zpracovat palivo s nízkou mírou vyhoření, kdy je ještě koncentrace plutonia-239 vysoká. To odpovídá palivům s malou mírou obohacení, zpravidla okolo 2 % jako jsou například reaktory typu RBMK [24,25]. Reaktory RBMK byly a jsou používané v zemích bývalého sovětského svazu. Vykazují se nízkou mírou obohacení paliva, vzhledem k výkonu reaktoru velkou reaktorovou komorou a možností průběžné výměny paliva během chodu reaktoru bez nutnosti jeho odstavení [25]. Právě nízká míra obohacení a možnost vyjmutí paliva bez nutnosti vypnutí reaktoru dělá z RBMK reaktor dvojího použití, vhodný pro výrobu plutonia-239 v dostatečné kvalitě. Kapacita RBMK reaktorů je 192 tun uranového paliva (viz obr. 9.). Nutno podotknout, že jde typ Černobylského jaderného reaktoru, který v roce 1986 explodoval.

Obr. 9.: Reaktor typu RBMK. Zdroj: [25].

Ve studii [26] bylo podrobně analyzováno izotopové složení plutonia v jaderném vyhořelém palivu tří typů reaktorů WWER-440, WWER-1000 a RBMK-1000. Z výsledků studie vyplývá, že izotopové složení závisí nejen na době strávené v reaktoru a obohacení uranového paliva, ale i na poloze paliva v reaktoru. Palivo, které se nacházelo v okrajových částech reaktoru RBMK bylo méně ozářeno neutrony, vykazovalo nižší stupeň vyhoření a menší podíl plutonia-240 oproti plutoniu-239. Koncentrace plutonia-240 se u různých vzorků pohybovala mezi 17-39 %. U pěti vzorků (z celkových 41) byla koncentrace štěpitelného plutonia-239 nad 76 % (1.6-2.1 ‰ z celkového množství vyhořelého paliva), plutonia-240 pod 19 % (0.34-0.52 ‰), zbytek připadal především na plutonuim-241. Nutno podotknout, že plutonium-241 má krátký poločas rozpadu (14 let) a jeho podíl se v řádu desítek let výrazně snižuje. U čtyř ze zmíněných pěti vzorků bylo důvodem nízkého vyhoření krátká doba využívání jako paliva (0.8 let), pátý vzorek byl jako palivo využíván 3.8 let, ale nacházel se v nejvyšší části palivové tyče (6.81 ze 7 metrů). Nerovnoměrné vyhoření paliva v různých částech reaktoru RBMK popisuje i další publikace [27].

Výše uvedené koncentrace plutonia-239 nedosahují zbraňové kvality 7 % plutoniových bomb typu Fat man, ale již se blíží koncentraci z jaderného testu bomby vyrobené z reaktorového paliva v roce 1962.

Ukrajinské plutonium

Ukrajina využívala čtyři jaderné reaktory typu RBMK a jejich celková doba provozu byla 54 let [25]. Poslední z těchto reaktorů byl uzavřen v roce 2020. Palivo z těchto bloků je odstavené více jak 20 let, některé dokonce 50 let a jeho aktivita je nízká a vhodná k přepracování. Za celou dobu provozu černobylských elektráren bylo vyprodukováno 21 000 palivových souborů [28]. Jeden palivový soubor obsahuje okolo 115 kg vyhořelého paliva. To odpovídá celkově 2400 tunám vyhořelého paliva. V případě, že 5 % vyhořelého paliva obsahuje dostatečnou koncentraci plutonia-239 v množství 1.6 ‰ ať už z okrajových částí reaktoru, nebo z krátkodobě využitého paliva, kupříkladu z důvodu ukončení provozu reaktoru, dostáváme okolo 200 kg plutonia-239. K výrobě jaderné plutoniové bomby je potřeba okolo 10 kg plutonia [29]. Za použití beryliových zrcadel pro zpětné odrážení neutronů [30], případně dalších vylepšení, lze toto množství dále výrazně snížit [29] (viz obr.10.).

Obr. 10.: Využití zrcadel pro zpětné odražení neutronů pro dosáhnutí nadkritické hustoty neutronů. Zdroj: [30].

Nosiče

Doručení jaderné hlavice na místo určení je úkol neméně náročný jako její samotné sestavení. Vývoj nosičů jaderných hlavic odstartoval vesmírné závody v padesátých letech 20. století. Hlavními parametry pro tyto nosiče je jejich nosnost a dostřel. Teoretický minimální limit pro minimální hmotnost jaderných hlavic je 25 kg, jejich konstrukce je však velmi neefektivní a síla výbuchu je výrazně nižší, než tomu je u standardních hlavic [31]. Nejlehčí atomové bomby moderního typu váží okolo 50 kg [32] (viz obr. 11.). Hmotnosti většiny termonukleárních hlavic (vodíkových bomb využívajících atomovou bombu jako rozbušku) o síle nižších stovek kilotun TNT se pohybují mezi 100-400 kg [33].

Obr. 11.: 48 kilogramová jaderná hlavice typu Swan o síle 15 kilotun TNT. Zdroj: [32].

Ukrajina má v držení, případně vyvíjí několik nosičů s omezeným doletem a nosností.

R-360 Neptun – Jedná se původně o protilodní střelu s plochou dráhou letu, kterou Ukrajina využívá i proti pozemním cílům. Střela má raketový pohon na tuhé palivo. Nosnost střely je 150 kg a dostřel okolo 280 km. Střela je tak schopna pokrýt celé okupované území. Modernizovaná verze by měla mít nosnost 350 kg a dostřel 400 km [34].

Paljanycja – Jedná se o dron s proudovým motorem. Jeho přesné specifikace známé nejsou. Nicméně uvádí se nosnost okolo 50 kg s doletem 700 km. V jeho dosahu z ukrajinského území se tak nachází Moskva [35].

Hrim-2 – Ukrajina již delší dobu vyvíjí balistickou raketu Hrim-2 s dosahem 300-500 km a nosností 480 kg [36].

Závěr

Ukrajina jako postsovětský stát má dostatečné znalosti k výrobě atomové bomby. Výběrem z vhodného vyhořelého jaderného paliva lze získat plutonium palivové kvality, tedy paliva s menším obsahem plutonia-240 jak 19 %. Zásoba plutonia ve vyhořelém palivu je dostatečná k výrobě minimálně desítek jaderných bomb s vyšším obsahem plutonia-240, takových jako bomby testované v roce 1962. Plutonium z jaderného odpadu může být získáno na základě čistě chemických postupů [37]. Byť je tento postup náročný a vyžadoval by značné investice do infrastruktury, je technicky proveditelný. Ukrajina vlastní řadu nosičů s dostatečnou nosností s dosahem přesahující celé své mezinárodně uznávané území.

Je otázka, zdali by za současné situace válečného konfliktu, mezinárodního dozoru jaderné energetiky především v oblasti Černobylu, možnosti úniku citlivých informací a technologické náročnosti dokázala Ukrajina takový projekt zvládnout, natož utajit. Na druhou stranu vlastnictví jaderné zbraně, případně zbraní, se může stát v případě budoucích mírových vyjednáváních divokou kartou.

Video: Štěpení jádra

Zdroje

[1]https://www.lidovky.cz/nazory/ukrajina-jaderne-zbrane-volodymyr-zelenskyj-clenstvi-v-nato.A241018_130645_ln_nazory_lgs

[2]https://www.idnes.cz/zpravy/zahranicni/ukrajina.A241017_171948_zahranicni_remy

[3]https://www.novinky.cz/clanek/valka-na-ukrajine-bud-budeme-mit-atomovky-nebo-budeme-v-nato-rekl-zelenskyj-trumpovi-40493518

[4]https://cs.wikipedia.org/wiki/Jadern%C3%A9_zbran%C4%9B_na_Ukrajin%C4%9B

[5]https://en.wikipedia.org/wiki/Treaty_on_the_Non-Proliferation_of_Nuclear_Weapons

[6]https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapon

[7]https://www.difference.minaprem.com/npp/difference-between-uranium-235-and-uranium-238-isotopes/

[8]https://cs.wikipedia.org/wiki/Plutonium-239

[9]https://laradioactivite.com/articles/energie_nucleaire/laformationduplutonium239

[10]https://www.svetenergie.cz/cz/energetika-zblizka/jaderne-elektrarny/jaderne-elektrarny-cez/jaderna-elektrarna-temelin

[11]https://cs.wikipedia.org/wiki/Stupe%C5%88_vyho%C5%99en%C3%AD

[12]https://world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/fuel-recycling/plutonium

[13]https://cs.wikipedia.org/wiki/Plutonium-240

[14]https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0306454924003864

[15]https://en.wikipedia.org/wiki/Reactor-grade_plutonium

[16]https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-80116-8_4

[17]https://www.aldebaran.cz/bulletin/2023_18_def.php

[18]https://www.cmi.gov.cz/node/1712

[19]https://astronuklfyzika.cz/JadRadFyzika3.htm

[20]https://cs.wikipedia.org/wiki/Neutron

[21]https://www.researchgate.net/figure/Total-Cross-Section-of-Pu239-Pu240-and-Pu241_fig7_303297212

[22]https://en.wikipedia.org/wiki/Reactor-grade_plutonium

[23]https://npolicy.org/books/Reactor-Grade_Plutonium_and_Nuclear_Weapons/Chapter_8.pdf

[24]https://world-nuclear.org/information-library/appendices/rbmk-reactors

[25]https://en.wikipedia.org/wiki/RBMK

[26]https://link.springer.com/article/10.1134/S1066362208040152

[27]https://link.springer.com/article/10.1007/s10512-016-0144-5

[28]https://www.osel.cz/11471-prvni-kontejner-zavezen-do-sucheho-uloziste-isf-2-v-cernobylu.html

[29]https://www.britannica.com/technology/nuclear-weapon/Principles-of-atomic-fission-weapons

[30]https://en.wikipedia.org/wiki/Critical_mass

[31]https://www.quora.com/How-much-does-a-nuclear-warhead-weigh-How-heavy-of-a-warhead-can-be-carried-by-an-ICBM

[32]https://en.wikipedia.org/wiki/Swan_(nuclear_primary)

[33]https://nuclearweaponarchive.org/Usa/Weapons/Allbombs.html

[34]https://cs.wikipedia.org/wiki/Neptun_(st%C5%99ela)

[35]https://en.wikipedia.org/wiki/Palianytsia_(missile)

[36]https://armadnizpravodaj.cz/vyzbroj/balisticka-raketa-grim-2-moskva/

[37]https://en.wikipedia.org/wiki/PUREX