Článek
Milióntina sekundy, která navždy změnila svět. Před osmdesáti lety američtí vědci pod vedením fyzika Roberta Oppenheimera odpálili první atomovou bombu v historii lidstva.
Elektrickým spínačem aktivovali nálože pečlivě rozmístěné kolem plutoniové koule o rozměrech pomeranče a hmotnosti šesti kilogramů.
Výbuch ji stlačil na velikost menšího citronu. A kovová koule, která do té chvíle vyzařovala jen mírné sálavé teplo, prakticky okamžitě vydala vše, co měla. Atomy plutonia se dostaly tak blízko, že se spustila řetězová reakce.
Výbuch plutoniové bomby Trinity v rámci testu v Novém Mexiku, 16. července 1945.
Vědci explozi sledovali ze vzdálenosti devíti kilometrů, o které se domnívali, že je bezpečná. Některým z nich ale do poslední chvíle běžely hlavou pochybnosti: Není tohle náhodou poslední věc, kterou lidé na planetě Zemi udělají?
Někteří fyzikové se totiž vážně zabývali hypotézou, že by se řetězová reakce taky nemusela zastavit u „plutoniového citrónu“. Že by mohla pokračovat v jádrech dusíku a dalších atomů v atmosféře, a nezastavila by se, dokud by celá atmosféra během několika sekund nezvratně nevzplála a neukončila historii života na naší planetě.
„Sedl jsem si tehdy a začal jsem počítat, jestli by skutečně dvě dusíková jádra mohla pokračovat v té řetězové reakci. A celkem rychle jsem zjistil, že je to nesmírně nepravděpodobné,“ popsal později Hans Bethe, jeden z fyziků, kteří se na projektu Manhattan podíleli. Později to spočítali i další fyzikové.
Ne všichni v publiku byli zcela přesvědčeni, že k takové fatální situaci nemůže dojít. „Asi neviděli moje nebo kolegovy výpočty,“ spekuluje Bethe. „Už před testem mi ale bylo jasné, že se nic takového nestane.“
Kde to vázne?
Plutoniová puma sice nezničila veškerou atmosféru na planetě, ale přesto odstartovala celoplanetární řetězovou reakci. Výrazně pomalejší, ale podobně nebezpečnou. Američané ukázali světu, že atomová bomba funguje. A odstartovali tím závody v jaderném zbrojení a období studené – a místy ne až tak studené – války.
Celkem devět států v současné době disponuje atomovými zbraněmi. A řada dalších se o to pokoušela, nebo ještě pokouší, což světu v posledních týdnech připomněly především události v izraelsko-íránském konfliktu, do něhož se razantně vložily i USA. Ale k Íránu se ještě dostaneme.
„Celé to začalo už v roce 1939 objevem štěpení uranu neutrony. Když se zjistilo, že při štěpení uranu se uvolní ještě sekundární neutrony, tak bylo každému jadernému fyzikovi jasné, že je to cesta k uvolnění jaderné energie řetězovou reakcí,“ vysvětluje pro Seznam Zprávy Vladimír Hnatowicz, emeritní vědecký pracovník Ústavu jaderné fyziky Akademie věd ČR. „Otázka byla, jak k tomu dospět. Bylo jasné, že to půjde, ale ne už, jak se k tomu dopracovat.“
Vědci pracující na vývoji atomové pumy od začátku věděli, do jakého bodu se musejí dostat: cílem bylo dát dohromady tzv. nadkritické množství jaderného materiálu. Tedy takové množství, kdy v daném materiálu každý rozštěpený neutron spustí průměrně více než jednu další reakci.
Záleží na hmotnosti, izotopech i tvaru
Jednou z možností, jak zahájit jadernou řetězovou reakci, je hmotnost radioaktivního materiálu. Čím více jej máte pohromadě, tím neutrony více působí další štěpení a tak vznikají další neutrony. S rostoucí hmotností také klesá pravděpodobnost, že konkrétní neutron z materiálu unikne dříve, než způsobí další reakci.
Ne všechny atomy se ale k tomuto štěpení hodí. U uranu je k němu vhodný pouze izotop U-235. Čím vyšší koncentraci tohoto izotopu máte, tím méně uranu budete potřebovat k dosažení nadkritického množství. V přírodě se izotop U-235 vyskytuje jen v koncentraci asi 0,7 %. Vědci ale přišli na způsoby, jak koncentraci zvýšit. Materiál s vyšší koncentrací nestabilního U-235 izotopu se nazývá obohaceným uranem.
Méně známým faktem je, že kritické množství závisí i na tvaru materiálu a jeho hustotě. „Obvykle se hmotnost kritického množství udává pro kouli, což je tvar s nejmenším poměrem povrchu a objemu,“ vysvětluje Vladimír Hnatowicz z AV ČR. „Když budete mít to plutonium ve tvaru nikoli koule, ale například elipsoidu, tak to množství nebude kritické. V okamžiku, kdy z něj uděláte kouli, tak se spustí řetězová reakce.“
Podobně fungovalo i výše zmíněné stlačení (zvýšení hustoty) v případě exploze prvního jaderného testu Trinity.
Ve všech případech jde o to, s jakou pravděpodobností potká neutron jiný štěpitelný atom ještě před tím, než opustí materiál. Pokud je tato šance vyšší než jedna, dochází velmi rychle k řetězové reakci, kterou už nic nezastaví.
Otázkou bylo, jak se do tohoto bodu dostat. „Nevědělo se, jestli nebudou potřeba třeba tuny toho uranu, což by nebylo praktické,“ vysvětluje Hnatowitz. „Ale Američané v roce 1945 ukázali, že to jde, že na to stačí jen desítky kilogramů uranu.“
Musel to být ale uran obohacený, tedy s dostatečnou koncentrací izotopu U-235. Nebo plutonium s izotopem Pu-239. „Nejobtížnější část výroby jaderné zbraně je získání štěpného materiálu, který tyto zbraně pohání,“ vysvětlila Allison Macfarlaneová, geoložka se specializací na mezinárodní riziko jaderných zbraní a bývalá ředitelka americké Komise pro regulaci jádra. V roce 2001 upozorňovala především na riziko, že se do oběhu dostane špatně hlídané plutonium nebo vysoce obohacený uran ze sovětských skladů.
O tomto riziku se hovořilo zejména v souvislosti s tím, zda by se k jaderné bombě mohly dostat nějaké teroristické organizace. Na pašování jaderného materiálu se ale nelze spoléhat ve velkém, a tak státy, které se chtějí pochlubit jaderným arzenálem, si musejí materiál vyrobit na svém území. A to je náročnější, než se může zdát.
K vlastní jaderné bombě vedou jen dvě praktické cesty: uranová a plutoniová. „Záleží pak na geografii a dalších okolnostech, kterou z těch cest se stát vydá,“ popisuje Ondřej Novák z Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze. „Když si věří v oblasti chemie, tak půjdou přes plutoniové zbraně, a když jsou schopnější v oblasti fyziky, tak se vydají přes uran a odstředivky.“
„Cesta přes izotop U-235 je jednodušší,“ vysvětluje Hnatowicz z AV ČR. „Stačí vám jen přírodní uran. A s uranem, který je pouze slabě radioaktivní se snáze pracuje. K získání plutonia musíte nejdříve postavit vhodný jaderný reaktor. Navíc je plutonium silně radioaktivní a jedovaté. Již za války američané také zjsitili, že postavit jadernou bombu s plutoniem je mnohem obtížnější.“
Tisíce otáček za sekundu
Uranovou cestou tedy prozkoumáme podrobněji. Přírodní uran je směsicí především dvou izotopů: U-238 převažuje, zatímco U-235 je obsažen v množství prakticky stopovém (přibližně 0,7 %).
Štěpnou reakci ale dokáže nastartovat právě jen ten vzácnější izotop uranu, U-235. Připomeňme, že izotopy stejného prvku mají různou atomární hmotnost, ale chemicky se chovají stejně. „Takže bylo už v roce 1939 jasné, že se bude muset vyvinout nějaká metoda separace izotopů uranu,“ říká Hnatowicz. „A to je v podstatě to úzké hrdlo až dodneška.“
Během vývoje první atomové bomby vyzkoušeli američtí vědci čtyři hlavní metody pro oddělení toho „užitečného“ izotopu U-235.
Metody pro získávání U-235 v rámci projektu Manhattan.
Elektromagnetická separace využívala toho, že izotopy mají stejný elektrický náboj, ale odlišnou hmotnost, a tedy jejich ionty mají odlišnou dráhu letu v magnetickém poli. Tato technika vypadala nadějně, ale ukázala se jako příliš energeticky nákladná. O něco lepší byla plynová difúze, vyžadovala ale kilometrové haly, tisíce porézních membrán a údržba těchto zařízení byla nesmírně náročná. Tepelná difúze byla jednodušší, ale koncentraci žádoucího izotopu zvyšovala jen marginálně, a hodila se tak spíše pro „předžvýkání“ materiálu pro ostatní metody. „Ve finální fázi výroby první jaderné bomby nakonec Američané použili všechny tyto tři metody,“ připomíná Hnatowitz z AV ČR.
Čtvrtou možností byly nesmírně rychlé centrifugy (odstředivky), což je technika objevená už ve 30. letech 20. století. Vyžaduje ale pro běžného člověka nepředstavitelnou rychlost (tisíce otáček za sekundu) a také vysoké množství těchto odstředivek. Američané tuto metodu po sérii pokusů vzdali.
Po druhé světové válce se ale technologie posunuly, mimo jiné i zásluhou německých a rakouských vědců ve službách tehdejšího Sovětského svazu. Jeden z nich – Gernot Zippe – byl později propuštěn ze sovětských služeb a ve výzkumu obohacovacích centrifug pokračoval i v civilu. Právě po něm se jmenuje v současnosti nejpoužívanější metoda používaná v odstředivkách.
Obohacování uranu v odstředivkách
Klíčem pro pochopení principu je jednoduchý fyzikální fakt – na těžší atomy působí odstředivá síla silněji než na ty lehčí. Takže lehčí izotop se bude držet u středu a těžší spíše při okrajích objektu, který rotuje kolem své osy. Připomeňme, že se snažíme oddělit izotopy U-235 od U-238. Rozdíl v jejich atomové hmotnosti je přibližně jednoprocentní, což oddělování značně komplikuje.
„Pro separaci izotopů je nutné uran převést do plynné formy,“ připomíná Vladimír Hnatowicz z AV ČR. „Již za války se zjistilo, že jedinou možností je hexafluorid uranu (též fluorid uranový, pozn. red.), toxická a silně korozivní sločenina.“
„Máte tedy rotující nádobu s plynem a z ní takovým brčkem odsáváte ten plyn ze středu té rotace,“ popisuje Ondřej Novák z ČVUT. „A to děláte kontinuálně.“
Schéma pricnipu obohacování uranu, který je do odstředivky dodáván ve formě plynu (fluorid uranový).
Ale jedna centrifuga sama o sobě nic moc nezvládne. „Podstatné je, že každá odstředivka vám tu koncentraci zvýší jen maličko. U středu je mírně vyšší koncentrace těch lehčích atomů, u kraje mírně vyšší koncentrace těch těžších,“ zdůrazňuje Novák. Odstředivky jsou tedy za sebe seřazené a výstup z jedné slouží jako vstup pro tu další. Centrifugy jsou proto zapojené do řady (sériově). A zároveň je v jednu chvíli paralelně v provozu velké množství takovýchto odstředivkových řad, tzv. kaskáda.
Centrifugy v americkém závodě pro obohacování uranu (foto: 1984, NRC)
Aby se provoz vůbec vyplatil a podařilo se získat množství obohaceného uranu v řádech kilogramů, musí jich být stovky nebo tisíce a tyto přístroje musejí pracovat nepřetržitě. Každá sebemenší porucha byť jednoho přístroje znamená zastavení celé navazující kaskády a tedy výrazné zdržení.
Obohacený uran se obvykle dělí do několika kategorií. Zatímco mírně obohacený uran má celou řadu využití, čím vyšší je koncentrace U-235, tím spíše se hodí právě na nasazení vojenské.
| Koncentrace U-235 | Civilní využití | Vojenské využití |
|---|---|---|
| 0,7 % | přírodní uran, palivo pro některé reaktory, zdroj pro další obohacování | lze využít při výrobě plutonia |
| do 20 % | palivo pro reaktory, výzkum, lékařské využití | spíše ne |
| do 60 % | výzkumné reaktory | vhodný pro rychlé obohacení |
| do 90 % | spíše ne | vhodný pro rychlé obohacení, palivo pro jaderné ponorky nebo lodě |
| nad 90 % | ne | zbraňový materiál pro atomovou bombu |
„Na civilní využití v podstatě nepotřebujete obohacený uran ve větší koncentraci, než je těch 20 procent,“ vysvětluje Novák z ČVUT.
Na provoz většiny reaktorů v jaderných elektrárnách stačí materiál do pětiprocentního obsahu U-235. „Jsou nějaké konkrétní aplikace ve vědě nebo v průmyslu, které mohou vyžadovat vyšší koncentraci, ale to se bavíme o pár desítkách gramů. Pokud má někdo stovky kilogramů vysoce obohaceného uranu, tak pro to není žádné výzkumné zdůvodnění.“
Peníze nestačí
Výroba velkého množství obohaceného uranu ale patří k nesmírně obtížným disciplínám. Provoz odstředivek je náročný nejen finančně, ale také organizačně. Pro státy – zvláště ty autoritářské – není jednoduché dosáhnout dostatečné a konzistentní spolehlivosti provozu obohacovacích komplexů.
„Zpomalení šíření jaderných zbraní je do určité míry zásluhou mezinárodních snah, které mají šíření zabránit,“ popisuje Jacques Hymans z University of Southern California. „Ve skutečnosti je však především důsledkem vnitřní nefunkčnosti států, které se v posledních dekádách o získání jaderné bomby pokoušely. Nefunkční instituce v těchto zemích umožnily politickým lídrům, často nechtěně, podrývat práci vlastních odborníků. Čím víc političtí vůdci tlačili na úspěch, tím méně efektivní jejich jaderné programy ve výsledku byly.“
Dokládá to na příkladu Iráku, kde dostal jaderný program na starosti zeť Saddáma Husajna a povedlo se mu ambiciózní irácký jaderný program prakticky zašlapat.
V Libyi dostali vědci prakticky veškeré vybavení a potřebné nákresy i dostatek financí ke zprovoznění komplexu na obohacování uranu. Přesto se jim nepodařilo jaderný program vůbec odstartovat. Když v roce 2003 mezinárodní inspektoři získali přístup do laboratoří libyjského vůdce Muammara Kaddáfího, s překvapením zjistili, že značná část zakoupeného vybavení zůstala nevybalená v bednách.
Krůček od atomovky?
Obohacování uranu v odstředivkách je předmětem současných zpráv týkajících se íránského jaderného programu. Koncem května 2025 Mezinárodní agentura pro atomovou energii (IAEA) uvedla, že Irán za čtvrt roku (od února do května 2025) „vyrobil 167 kilogramů fluoridu uranu obohaceného na 60 % U-235“. Celkové zásoby vysoce obohaceného uranu se podle odhadu agentury přesáhly 400 kg.
Právě na centra jaderného programu směřoval nedávný americký úder cílený na podzemní laboratoře v komplexu Fordo a dalších.
„Krátery viditelné v oblasti Fordo, což je hlavní iránský komplex pro obohacování uranu až na 60 %, ukazují nasazení munice schopné prorazit hluboko pod zem,“ uvedla IAEA. „Vzhledem k tomu, jak jsou odstředivky náchylné na jakékoli otřesy, očekáváme, že došlo k jejich významnému poškození.“
Námi oslovení odborníci se shodli na tom, že lze pravděpodobně konstatovat, že Irán „nebyl daleko“ od produkce dostatečného množství uranu pro nasazení v atomové bombě. Ke zvýšení koncentrace z 60 % na 90 % uran lze totiž použít stejnou soustavu odstředivek, kterou už ukázal, že umí používat.
Zvyšování koncentrace vysoce obohaceného uranu na uran použitelný v jaderné bombě je navíc jednodušší. Vyšší koncentrace znamená, že pracujete s menším množstvím materiálu, což proces značně urychluje.
„Je otázka, zda by uměl Irán technologicky tento uran (ve formě plynu - pozn. red.) dále technologicky zpracovat,“ doplňuje Novák, že obohaceným uranem to nekončí. „Není jisté, zda by uměli vytvořit takové zařízení, které by bouchlo tehdy, kdy má bouchnout. A musíte to dopravit na místo, kde chcete, aby to bouchlo, tedy mít rakety, nebo bombardéry,“ vypočítává.
Ale nejtěžší problém celého procesu výroby – tedy získání sérií precizního odstřeďování vysoce obohacený uran – Irán ve svých laboratořích zjevně ovládl. A je navíc možné, že při nedávných útocích o tento namáhavě získaný drahocenný materiál ani nemusel přijít.
Aktuální íránský „jaderný problém“ znovu ukázal, že konec studené války nesmazal obavy z jaderného konfliktu. Někteří experti naopak mluví o tom, že jsme nyní katastrofě blíže než kdy dřív. „Iránský jaderný program může být bombardováním zpomalen, ale bomby nevymažou znalosti,“ domnívá se Nicholas Grossman z University of Illinois. „Iránci nepotřebují vynalézat to, co už vynalezl Oppenheimer. Ta technologie není nová a oni ukázali, že ji umí použít. Ale příště ji umístí ještě hlouběji pod zem. Problém nezmizel, jen se odsunul.“
Oppenheimerova exploze před 80 lety neodpálila veškerý dusík v atmosféře. Řetězová reakce, kterou odstartovala, ale zatím pokračuje dál.
Doplnění: Do článku jsme doplnili podrobnější vysvětlení separace izotopů a doplnili další podrobnosti.
