USA pracují na nové jaderné zbrani W93 pro ponorky typu Columbia

Foto: Joe McNally/National Ignition Facility (NIF)/Volný zdroj

Třicet centimetrů silné betonové dveře vedou do centrální cílové komory National Ignition Facility (NIF), výzkumného centra v hodnotě 3,5 miliardy dolarů věnované studiu jaderných zbraní. Zařízení připomínající bludiště je hlučné díky zvuku vrčících ventilátorů, výbuchy a příležitostně i pípáním.

Každé z gigantických dveří bylo pokryto betonem injektovaným borem, prvkem známým pro svou schopnost absorbovat vysokoenergetické neutrony, které vycházejí z komory v důsledku výbušných experimentů, které se tam odehrávají.

Přesné mechanismy, které bude W93 používat, jsou státním tajemstvím a v této fázi neznámé, protože o detailech návrhu se teprve musí rozhodnout.

„Pokud se vám tato zdá povědomé,“ říká teoretická chemička Heather Whitley, přidružená programová ředitelka NIF pro vědu o vysoké energetické hustotě, „může to být proto, že jste viděli Star Trek do temnoty .“ Filmaři použili komoru, která je obklopena hadovitými trubkami a složitými elektronickými senzory, jako záskok pro jádro warpu hvězdné lodi Enterprise.

NIF je mnohem víc než jen nejdražší filmová rekvizita na světě. Centrální cílová komora se nachází mezi dvěma budovami o velikosti fotbalového hřiště v areálu Lawrence Livermore National Lab v severní Kalifornii. Obrovská modrá koule obsahuje největší a nejvýkonnější laser na světě. Vědci mohou zaměřit 192 jednotlivých ultrafialových laserových paprsků na cíle, které nejsou větší než zrnka pepře. Cíle implodují silou miniaturního jaderného výbuchu. Když k tomu dojde, na zlomek sekundy se terč stane nejteplejším místem ve sluneční soustavě s teplotami přesahujícími 100 milionů stupňů Fahrenheita a tlaky 100krát hustšími než olovo.

Foto: David Butow/National Ignition Facility v laboratoři Lawrence Livermore/Volný zdroj

Cílová komora v National Ignition Facility v laboratoři Lawrence Livermore má vstupy pro téměř 200 laserových paprsků a je klíčovou testovací oblastí pro jaderný vývoj.

Jediné zařízení schopné provádět takové experimenty, NIF, umožnilo vědcům propagovat fúzní energii, zkoumat podmínky v útrobách hvězd a odpovídat na otázky o složitých fyzikálních procesech, ke kterým dochází, když vybuchne jaderná hlavice. Tato data se nyní stala o to důležitější, že námořnictvo, ministerstvo obrany a Národní správa jaderné bezpečnosti Ministerstva energetiky (NNSA) plánují postavit novou hlavici nazvanou W93. 

(Jaderné zbraně jsou pojmenovány podle pořadí, ve kterém jsou koncipovány, což z nich dělá 93. návrh zvažovaný Spojenými státy.) Bude to první nová jaderná zbraň za více než třicet let a bude první, kterou vědci kdy dokázali postavit bez možnosti jeho testování. To proto, že od roku 1996 se Spojené státy účastní téměř celosvětové smlouvy o úplném zákazu zkoušek, která zakazuje odpalování jaderné hlavice kdekoli na světě pro vojenské nebo vědecké účely.

Očekává se, že vývoj W93 bude stát zhruba 15 miliard dolarů a hlavice by měla být připravena k nasazení někdy v příštím desetiletí. Program byl poprvé oznámen v roce 2020 během Trumpovy administrativy a jeho předběžné designové studie mají být dokončeny letos v říjnu. Což znamená, že Spojené státy nyní zahájily svůj první nový projekt jaderných zbraní od konce studené války.

Úředníci cítí jistotu, že desítky let výzkumu a simulací jim umožní vyrobit hlavici bez přílišných problémů. „Díky těmto počítačovým modelům a experimentům jsme se naučili tolik o tom, jak skutečné zbraně fungují,“ říká Frank Rose, hlavní zástupce administrátora NNSA. „Máme vysoký stupeň důvěry, že dokážeme navrhnout, postavit a udržovat tuto novou hlavici W93, aniž bychom se uchylovali k novým výbušným jaderným testům.“

Ale ne každý je přesvědčen, zvláště když vezmeme v úvahu, že ve skutečnosti věci téměř vždy fungují jinak než v modelech. „Považuji to za nesmírně znepokojivé,“ říká Geoff Wilson, politický analytik z Centra pro kontrolu a nešíření zbraní. „Jsem si jistý, že lidé z národních laboratoří řeknou: „Ach, tyhle věci neustále testujeme. A jsem si jistý, že jsou to neuvěřitelné simulace.“ Přesto se vojenské programy pro věci, jako jsou nové stíhačky, často zpožďují a překračují rozpočet, protože inženýři zjistí, že jejich součásti nefungovaly tak, jak byly původně navrženy. Wilson tedy říká, že „otázka testování je skutečná“.

V závislosti na své konstrukci je jaderná hlavice dlouhá 150 až 365 cm a má obvykle kuželovitý tvar. Většina výbuchů je způsobena chemickými reakcemi, při kterých nějaký druh aktivační energie, řekněme zapálení pojistky na tyči dynamitu, přeruší existující chemické vazby mezi atomy a způsobí, že se elektrony na vnější straně atomů přeskupí. Jak se tyto atomy rozpadají a vytvářejí nové chemické vazby, proces uvolňuje energii ve formě tepla a plynu, které se rychle rozpínají v tom, co známe jako exploze.

V jaderných zbraních však nerušíte vazby pouze mezi atomy, ale uvnitř nich. Při štěpení se protony a neutrony v jádře atomu rozpadají (odtud výraz „rozdělení atomu“). Síla přitažlivosti mezi protony a neutrony je o mnoho řádů větší než mezi elektrony a jádrem, a proto štěpení vytváří tak silnou explozi.

Tato zlatá součástka, velká asi jako guma na tužku, je jedním z cílů používaných uvnitř National Ignition Facility. Během testování může být bombardován 192 laserovými paprsky. Některé cíle v komoře mohou dosáhnout 100 milionů stupňů Fahrenheita.

První jaderná bomba, Little Boy, svržená na Hirošimu, použila proces štěpení k vytvoření exploze. Abyste přerušili silné přirozené vazby mezi protony a neutrony, musíte začít s tím, co je známé jako štěpný materiál, izotopy, které mohou být bombardovány neutrony, absorbovat je, stát se nestabilními a štěpit se. To spustí řetězovou reakci a masivní explozi.

Během sedmi let po Hirošimě výzkumníci aktualizovali jaderné hlavice tak, aby zahrnovaly fúzi i štěpení, což mělo za následek potenciálně ještě ničivější výbuch. Novější zbraň exploduje ve dvou fázích: Za prvé, konvenční výbušnina rozdrtí dutou kouli plutonia na kritickou hustotu, což způsobí štěpení. Energetické rentgenové paprsky emitované během prvního stupně prostřednictvím série kroků umožňují izotopům vodíku nazývaným deuterium a tritium ve druhém stupni překonat jejich přirozené elektrostatické odpuzování a spojit se, uvolňovat kolosální množství energie a další neutrony, které podporují štěpení. exploze. Z tohoto důvodu byly tyto zbraně nazvány vodíkové bomby.

První test vodíkové bomby odpálené na atolu Eniwetok na Marshallových ostrovech v roce 1952 vyvolal explozi odpovídající sedmi stovkám výbuchů v Hirošimě. Bojové hlavice W76 a W88, které jsou v současnosti rozmístěny na amerických ponorkách, jsou o něco menší. Mají sílu „jen“ šesti, respektive dvaceti osmi hirošimských výbuchů.

První živé testy jaderných zbraní sloužily několika účelům. Test Trinity z roku 1945, vůbec první provedený, byl nezbytný pro vědce, aby věděli, že jejich nové zařízení bude skutečně fungovat podle plánu, a také jim poskytl první pohled na účinky jaderného výbuchu. Když se výbuch uvolnil, uvolnil sílu odpovídající 18 600 tunám dynamitu, spojil písek v poušti Nového Mexika do skla a podle pozorovatelů rozsvítil oblohu „jako slunce“.

Spojené státy provedly 1053 následných jaderných testů s různým stupněm zničení. Bylo to hlavně proto, abychom lépe porozuměli různým konstrukcím zbraní, tomu, jak mocný každý bude, a zda by bylo možné použít jaderné zbraně ve spojení s vojáky na bojišti.

Američtí vojáci přihlížejí během živého testu atomové bomby v poušti u Las Vegas v roce 1951. Bylo to poprvé, kdy byli vojáci zaměstnáni při manévrech, kde byla použita atomová zbraň.

Ačkoli většina hlavic byla odpálena v odlehlých oblastech, jako jsou ostrovy a pouště, živé testování bylo stále neuvěřitelně škodlivé pro lidi a životní prostředí. Test Bravo z roku 1954 na atolu Bikini na Marshallových ostrovech byl nakonec téměř třikrát větší, než fyzici předpovídali a důsledky byly dalekosáhlé. Radiační otrava zasáhla nejen posádku japonské rybářské lodi poblíž radioaktivní zóny, ale také obyvatele Rongelap a Utirik, dvojice atolů 160 a 480 km na východ. Silné testy zanechaly mnoho ostrovů neobyvatelných a vytvořily radioaktivní spad, který setrvával v atmosféře po dlouhou dobu.

V 60. letech 20. století studie ukázaly, že v celých USA a ve světě dětské mléčné zuby obsahovaly 50násobek normální hladiny radioaktivního stroncia-90, vedlejšího produktu hlavic, čímž se u nich zvýšilo riziko rakoviny kostí. Z těchto důvodů Spojené státy v roce 1963 přešly na podzemní testování, kde bylo možné výbuchy zadržet v hlubokých dírách a sledovat je vědeckými přístroji. Již tehdy podzemní testy vedly ke kontaminaci půdy a podzemních vod a vypouštěly radiaci do atmosféry, kam ji často odnášel vítr.

Poslední americký jaderný test, známý pod kódovým označením Divider, proběhl 23. září 1992, ačkoli v té době nikdo nevěděl, že to bude poslední živý test národa. Poháněn lobbingem od odzbrojovacích skupin schválil Kongres v červnu 1993 dočasné moratorium na testy jaderných zbraní. O několik let později USA trvale zastavily živé testování, když se připojily k většině jaderných zemí a podepsaly Smlouvu o úplném zákazu zkoušek.

Navzdory skutečnosti, že USA nevyhodily do povětří žádnou jadernou hlavici za více než tři desetiletí, vojenští experti jsou přesvědčeni, že W93 bude fungovat podle plánu. Data shromážděná z více než tisíce živých atomových testů, ke kterým došlo před zavedením zákazu, jsou uložena na klasifikovaných magnetických páskách v laboratořích Lawrence Livermore Labs. Slouží jako základ komplexních superpočítačových simulací, které dokáží podrobně prozkoumat procesy jaderného výbuchu. Ty jsou prováděny v rámci Stockpile Stewardship Program, iniciativy vycházející z Livermore a dalších zbrojních laboratoří po celých Spojených státech, jejímž úkolem je určit, jak náš stávající arzenál stárne v průběhu času.

Předpovídání toho, jak bude jaderná hlavice fungovat při výbuchu, vyžaduje pochopení materiálových vlastností plutonia, jednoho z nejpodivnějších a nejzáhadnějších prvků v periodické tabulce. Plutonium je to, co je známé jako štěpný materiál, prvek, který je schopen podstoupit reakce, při kterých se atomy štěpí, a používá se v jádru jaderných hlavic. Je to také prvek v přírodě tak vzácný, že množství potřebné pro atomovou bombu se musí vyrobit. Nedostatek plutonia je také důvodem, proč toho moc nevíme o tom, jak se v průběhu času mění nebo degraduje – informace, která je životně důležitá pro zajištění toho, aby náš současný atomový arzenál nebyl plný šmejdů.

Existuje určitá debata o tom, zda dutá plutoniová jádra hlavic, která pohánějí explozi, známá jako jámy, musí být pravidelně vyměňována za novější jámy. Nezávislé hodnocení v roce 2007 od vědecké poradenské skupiny JASON dospělo k závěru, že plutoniová jádra W76 a W88 by měla být dobrá nejméně jedno století. Studie z Livermore z roku 2012 podpořila tato zjištění a neidentifikovala žádné neočekávané problémy se stárnutím po dobu 150 let, i když obhajovala další výzkum, který by porozuměl procesu stárnutí důlků.

Vládní představitelé nesouhlasí. „Nemůžete udělat paušální prohlášení jako: ‚Jámy jsou dobré na 80 až 100 let‘,“ říká Marvin Adams, jaderný inženýr a zástupce administrátora NNSA pro obranné programy. „Záleží na systému a na prostředí. Cokoli říkáme o životnosti 80 až 100 let, je extrapolační tvrzení. Nikdy jsme neviděli 100 let staré plutonium, že? Začali jsme to vyrábět ve čtyřicátých letech.“

V NIF vědci studovali, jak plutonium reaguje na různé extrémy teploty a tlaku, což jim dává lepší představu o tom, jak by mohlo stárnout uvnitř hlavice. Jiné experimenty poskytují pohled na to, jak energie proudí z jaderné detonace nebo zda hlavice vystavená radiaci, řekněme z nepřátelské hlavice, může stále fungovat, a pokud ano, jak dobře.

Ne všechny výzkumy jsou teoretické. V Dual-Axis Radiographic Hydrodynamic Test Facility (DAHRT) v Los Alamos National Laboratory v Novém Mexiku umisťují inženýři modely plutoniových jam, které mají stejnou velikost jako skutečná věc (přibližně tak velké jako bowlingová koule) a vyrobené z kovů podobnou hustotu, jako je olovo nebo tantal, uvnitř speciální komory. Někdy se používá samotné plutonium, ale vždy v dostatečně nízkém množství, aby ve skutečnosti nespustilo jadernou řetězovou reakci a nevybuchlo. Chemické výbušniny jsou odpáleny kolem modelu jámy a vytvářejí rázovou vlnu, která se pohybuje dovnitř nadzvukovou rychlostí. Testovací jámy se zahřejí a implodují. Obrovský rentgenový přístroj zároveň pořizuje vysokorychlostní snímky modelů plutoniových jam. Při pohledu na obrázky si vědci mohou položit otázku, zda se výsledná imploze chovala tak, jak očekávali, říká Adams. Porovnáním těchto snímků s klasifikovanými superpočítačovými simulacemi jaderných detonací mohou vědci určit, jak může budoucí hlavice vybuchnout.

Je zřejmé, že cílem Smlouvy o úplném zákazu zkoušek bylo zabránit šíření jaderných zbraní, a ne pouze testování nových. Plány na výrobu nové jaderné zbraně představují odchylku od ducha smlouvy, říká Lisbeth Gronlundová, expertka na kontrolu jaderných zbraní a teoretická fyzička z Massachusettského technologického institutu.

Ale americká armáda věří, že to může a mělo by být provedeno. Jaderné zbraně jsou páteří naší vojenské strategie, která spočívá na konceptu vzájemně zajištěného zničení, pokud jde o konflikt s jinými jaderně vyzbrojenými protivníky. V květnu 2023 Rusko umístilo malé jaderné zbraně (nazývané „taktické“ jaderné zbraně) v Bělorusku jako součást své invaze na Ukrajinu. Zároveň zrušila ratifikaci Smlouvy o úplném zákazu jaderných zkoušek. (USA i Čína smlouvu podepsaly, ale nikdy ji neratifikovaly.) A satelitní snímky zaznamenaly významný nárůst aktivity na bývalém sovětském jaderném testovacím místě zvaném Novaja Zemlya v Severním ledovém oceánu, což naznačuje, že by se Rusové mohli připravovat na nový jaderný test. Čína mezitím vybudovala stovky nových raketových zbraní. Zatímco některé z nich mohou být návnady, Pentagon věří, že Čína má v úmyslu během příští dekády zvýšit svůj jaderný arzenál ze 400 hlavic na 1500.

Foto: Maxar/FAS/fas.org/publication

Čína buduje stovky nových jaderných raketových zbraní a často je ukrývá pod dočasnými strukturami. Vědci a obranní analytici se domnívají, že nahromadění je známkou toho, že země rozšiřuje svůj program jaderných zbraní.

Historicky Spojené státy udržovaly až 31 255 hlavic a v současnosti jich mají jen něco málo přes 5 000. Přesto, pokud Rusko nebo Čína začnou získávat výhody ve své zbrojní technologii, musí USA vyvinout své vlastní nové zbraně jako protiopatření, říká Adams. „Udělali jsme desítky let, aniž bychom se toho moc změnili,“ říká. Nejmladší hlavice v našem stávajícím arzenálu jsou nyní staré více než tři desetiletí. Jsou uloženy na ponorkách, v raketových silech hluboko pod zemí a na leteckých základnách po celé Evropě, obvykle s vypnutými elektronickými součástkami. Bez pravidelné aktualizace existuje možnost, že takové díly mohou selhat, jakmile je bude nutné použít. Představte si, že z garáže vytáhnete notebook z 90. let. Věřili byste, že se okamžitě zapne?

Přesné mechanismy, které bude W93 používat, jsou státním tajemstvím a v této fázi neznámé, protože o detailech návrhu se teprve musí rozhodnout. Projekt však bude zahrnovat nový aeroshell, kónický hrot projektilu, ve kterém je umístěna hlavice, nazvaný Mark 7 (Mk7), který má být méně náchylný k náhodné detonaci než současné rakety námořnictva odpalované z ponorek. Chemická výbušnina, která zahajuje proces exploze hlavice, má také menší pravděpodobnost, že vybuchne náhodně.

Naštěstí žádná atomová hlavice neexplodovala neúmyslně, ale došlo k několika blízkým hovorům. V roce 1966, poté, co se dvě americká vojenská letadla srazila u pobřeží Španělska, tři jaderné zbraně vypadly a dopadly na zem, zatímco jedno spadlo do Středozemního moře. Nejaderné výbušniny uvnitř dvou ze tří, které dopadly na zem, explodovaly poblíž rybářské vesnice a rozprášily radioaktivní plutonium po farmách a polích.

Jakékoli změny provedené na W93 oproti předchozím návrhům budou pravděpodobně přírůstkové. Matt Korda, vedoucí výzkumný pracovník pro projekt Nuclear Information Project ve Federaci amerických vědců, říká, že inženýři by mohli vyměnit dva různé stupně vodíkové hlavice v raketě. „Ale chápu, že by to pravděpodobně nebyla revoluční změna.“ NNSA ve skutečnosti prohlásila, že W93 bude z velké části založen na již existujících designech, aby pomohl zajistit, že bude fungovat podle plánu. „Tady není třeba zacházet do složitého prostoru designu,“ říká Adams. „Zůstaneme přímo v naší komfortní zóně, kde máme spoustu testovacích dat.“

Mohl by vývoj W93 signalizovat návrat k živému testování? Technicky by USA mohly explodovat jaderné hlavice ve vzduchu nebo na zemi, kdykoli by chtěly. Ačkoli prezident Clinton podepsal smlouvu o zákazu zkoušek v polovině 90. let, rozhodnutí Senátu ji neratifikovat otevírá USA dveře k odstoupení od paktu.

„I když nemáme žádné plány na obnovení jaderných zkoušek, Kongres od nás požaduje, abychom zachovali schopnost obnovit jaderné zkoušky, pokud nás prezident nařídí,“ říká Rose z NNSA. „Tato administrativa se však vyjádřila velmi jasně: Z technického důvodu se nemusíme vracet k jaderným zkouškám.“

Nový jaderný test provedený Spojenými státy by se pravděpodobně dočkal širokého odsouzení. „Bylo by to neuvěřitelně kontroverzní,“ říká Korda. „Mělo by to velmi významné dopady jak v tuzemsku, tak i v mezinárodním prostoru. USA se nedávno zabývaly aktivitami na ruských a čínských testovacích místech. Pro USA by bylo velmi obtížné kritizovat tyto ostatní země za jejich nedostatečnou transparentnost ohledně jejich testovacích aktivit, pokud by USA pokračovaly a dělaly své vlastní testování.

Nikdo nemůže vrátit čas v atomovém věku. Tyto zbraně tu zůstanou a pokud udržení jejich použití na uzdě vyžaduje stavbu nových a stále lepších hlavic, tak to udělají entity, které mají na starosti naši národní bezpečnost. Převládající nadějí je, že navzdory času, nákladům a úsilí vynaloženým na vybudování něčeho jako W93, Spojené státy nikdy nebudou muset přerušit svou 30letou šňůru, kdy nic ve svém arzenálu neodpálí.