Termonükleer Silah

Termonükleer silah, nükleer fisyon ile nükleer füzyonu birleştirerek son derece güçlü bir patlama oluşturan gelişmiş bir nükleer patlayıcıdır. Tek bir patlayıcı reaksiyona dayanmak yerine, Teller-Ulam tasarımı olarak bilinen iki aşamalı bir süreç kullanmaktadır. Bu düzenekte, ilk atom bombası patlaması (birincil aşama), genellikle lityum-6 deuterit içeren ayrı bir füzyon yakıt kapsülünü (ikincil aşama) sıkıştıran ve ısıtan yüksek enerjili X ışınları üretmektedir. Bu, geleneksel atom bombalarından yüzlerce veya binlerce kat daha fazla enerji açığa çıkaran ve on kiloton ile çok megaton ölçeği arasında değişen patlayıcı verim sağlayan, kendi kendini sürdüren bir termonükleer reaksiyonu tetiklemektedir. Tarihte ilk hidrojen bombası denemesi ABD tarafından Ivy Mike ismiyle Marshall Adaları'nda yapmıştır.

Termonükleer silahlar, radyasyon implozyonu yoluyla çalışmaktadır; bu süreçte, birincil fisyon patlaması, fiziksel şok dalgasından mikrosaniyenin kesirleri kadar bir süre önce ışık hızında yayılan yoğun yumuşak X-ışınları salar. Bu X-ışınları, hohlraum adı verilen iç boşluğu doldurur ve düşük yoğunluklu dolgu malzemelerini anında iyonize ederek, ikincil aşamayı her yönden eşit bir şekilde çevreleyen yüksek sıcaklıklı bir termal X-ışını plazmasına dönüştürür.

Yoğun termal X-ışını enerjisi, itici/sıkıştırıcı olarak bilinen ikincil düzeneğin dış kabuğu tarafından emilir. Dış katman hızla buharlaşır ve dışa doğru aşınır; bu da, iç füzyon yakıtını katı yoğunluğunun yüzlerce katına kadar içe doğru çökertecek güçlü bir reaktif içe doğru basınç oluşturur.

Füzyon yakıtının eksenel olarak veya merkezinde, “buji” olarak adlandırılan, fisyon yapabilen malzemeden yapılmış bir altkritik çubuk veya çekirdek bulunur. Radyasyonla oluşan içe doğru patlama, ikincil yakıtı maksimum yoğunluğa kadar sıkıştırdığında, buji süperkritik hale gelir ve birincil yakıttan gelen yoğun nötron akısı altında fisyona uğrar. Bu, sıkıştırılmış füzyon yakıtını ateşlemek için gereken kritik iç ısı, basınç ve nötron akısını sağlar.

Aşırı ısı ve basınç altında, döteryum ve trityum füzyona girerek yüksek enerjili (14 MeV) nötronlar salar. Katı yakıtta bu nötronlar, lityum-6 ile reaksiyona girerek yerinde trityum üretir ve Jetter döngüsü olarak adlandırılan sürekli bir reaksiyon döngüsünü sürdürür. Kaçan 14 MeV’lik nötronlar daha sonra çevredeki ağır metal tampon malzemesinde (örneğin, tükenmiş uranyum) hızlı fisyonu tetikler ve silahın toplam patlayıcı veriminin %50’sine veya daha fazlasını sağlar.

Modern birincil aşamalar, plütonyum-239 veya yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum-235’ten oluşan içi boş bir kabuk içeren sızdırmaz bir çekirdeğe sahiptir. Patlamadan hemen önce, deuteryum ve trityumdan (DT) oluşan gazlı bir karışım çekirdeğin içine enjekte edilir. Güçlendirme olarak adlandırılan bu işlem, içe patlama sırasında küçük bir füzyon reaksiyonunu tetikler; bu reaksiyon, çekirdeği nötronlarla doldurarak fisyon verimliliğini artırırken, savaş başlığının ağırlığını, boyutunu ve yüksek patlayıcı gereksinimlerini önemli ölçüde azaltır.

İkincil aşama, merkezi bir bujiyi çevreleyen, uranyum-238, zenginleştirilmiş uranyum-235 veya kurşundan yapılmış ağır bir itici/sıkıştırıcı içinde bulunan katı lityum-6 deuterid yakıtından oluşur. Modern savaş başlıklarında, maksimum hidrodinamik içe patlama simetrisi ve termonükleer yanma verimliliği elde etmek için sıklıkla küresel ikincil şekiller kullanılır.

Sert bir dış kabuk, hem birincil hem de ikincil aşamaları barındırır. Kalan iç hohlraum boşluğu, iyonize olduklarında X-ışınlarına karşı şeffaf hale gelen ve ikincil aşamaya düzgün enerji aktarımını sağlayan hafif, düşük Z değerli malzemelerle (sert poliüretan köpük veya berilyum gibi) doldurulur.

İtici/tamper malzemesinin seçimi, savaş başlığının verimini ve radyoaktif serpinti seviyelerini doğrudan belirler. Tükenmiş uranyum-238 tamper, hızlı fisyon yoluyla düşük maliyetle yüksek patlayıcı verim sağlar. Yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum-235 ile değiştirilmesi, hızlı fisyon kesit alanını iki katına çıkararak kompakt füze savaş başlıklarının verim-ağırlık oranını önemli ölçüde artırır. “Daha temiz” patlamalar gerektiğinde, radyoaktif serpintiyi sınırlamak için fisyon yapamayan tamponlar (kurşun veya bizmut gibi) kullanılabilir.

1940’larda yürütülen Manhattan Projesi sırasında fizikçi Edward Teller, bir fisyon bombasıyla ateşlenen sıvı döteryumdan oluşan bir silindir kullanan bir “Süper” bomba önermiştir. Ancak matematiksel hesaplamalar, bu sıkıştırılmamış tasarımın bir füzyon reaksiyonunu sürdüremeyeceğini ortaya koymuştur.

ABD’deki bilim adamları Edward Teller ve Stanislaw Ulam (ve Sovyetler Birliği’nde bağımsız olarak Andrei Sakharov ile Yakov Zel’dovich), silahı radyasyon iç patlamasını kullanacak şekilde kademelendirmek suretiyle füzyon yakıtını ateşlemek için gereken muazzam sıkıştırmayı sağlayabileceklerini fark etmişlerdir.

1952'de ABD tarafından gerçekleştirilen ilk termonükleer test, 10,4 megatonluk bir patlama gücü sağlamıştır. Testte sıvı deuteryum yakıtı kullanıldı ve yakıtın donmuş halde tutulması için 80 tonluk bir kriyojenik soğutma ünitesi gerekmiştir.

Castle Bravo (1954): ABD, katı lityum-6 deuterid yakıtı kullanan ilk pratik ve fırlatılabilir bombayı test etti; bu bomba 15 megatonluk bir patlama gücü sağlamıştır.

Sovyetler Birliği, 1955’te fırlatılabilir iki aşamalı bir cihazı test etmiş ve 1961’de tarihin en büyük nükleer cihazı olan, 50 ila 58 megatonluk patlama gücüne sahip Tsar Bombası’nı patlatmıştır. Termonükleer silahlar daha sonra Birleşik Krallık, Çin, Fransa, Hindistan (1998) ve Kuzey Kore (2016) tarafından geliştirildi.

Modern ordular, ağır, multi-megatonluk yerçekimi bombalarından uzaklaşarak, uzun menzilli füzeler tarafından taşınan Çoklu Bağımsız Hedeflemeli Yeniden Giriş Araçları (MIRV) üzerine konuşlandırılan hafif, kompakt savaş başlıklarını (genellikle 150–300 kilotonluk ve 200 kg’ın altında olan) tercih etmektedir. Termonükleer silah cephanelikleri, Karşılıklı Kesin Yıkım (MAD) doktrini kapsamında küresel stratejik istikrarın temelini oluşturmaktadır.

İleri düzey araştırmalar, fisyon yapmayan veya alt kritik düşük verimli patlayıcıları (1 ton ila 1 kiloton TNT gücünde) incelemektedir. Bu kavramlar, uzun ömürlü radyoaktif serpinti oluşturmadan füzyon veya mikro-fisyonu tetiklemek için süper lazerler, manyetik sıkıştırma, antimadde veya nükleer izomerler gibi alternatif tetikleyicileri araştırmaktadır.

ABD’deki Ulusal Ateşleme Tesisi (NIF) ve Fransa’daki Laser Mégajoule (LMJ) gibi yüksek güçlü lazer tesisleri, minik döteryum-trityum peletlerini içe doğru patlatmaktadır. Bu araştırma, bilim insanlarının, Bilim Temelli Stok Yönetimi (SBSS) programları kapsamında, gerçek nükleer test patlamaları gerçekleştirmeden X-ışını opaklığı, durum denklemleri ve radyasyon hidrodinamiği gibi yüksek enerji yoğunluklu fizik konularını incelemelerine olanak tanımaktadır.

1963'te Kısmi Nükleer Deneme Yasağı Antlaşması (PTBT) atmosferde, uzayda ve su altında nükleer deneme patlamalarını yasaklayarak tüm denemelerin yeraltında yapılmasını zorunlu kılmıştır.

Eşik Nükleer Deneme Yasağı Antlaşması (TTBT, 1974) yeraltı nükleer deneme güçlerini 150 kiloton ile sınırlamıştır. Kapsamlı Nükleer Test Yasağı Anlaşması (CTBT, 1996) ise tüm nükleer silah test patlamalarını veya kendi kendini sürdüren nükleer zincir reaksiyonlarını (“sıfır verim”) yasaklamıştır.

CTBT, kendiliğinden devam eden diverjan fisyon zincir reaksiyonlarını kesin olarak yasaklamaktadır; ancak diverjan olmayan subkritik deneylere, ICF tesislerindeki lazer mikro patlamalarına ve savaş başlığı güvenilirliği araştırmalarına yönelik bilgisayar modellemesine izin vermektedir.

Bu anlaşmalara uluslararası uyum, Uluslararası İzleme Sistemi (IMS) tarafından izlenmektedir. IMS, önceden bildirilmemiş nükleer patlamaları tespit etmek amacıyla sismik sensörler, infrasound dedektörleri, hidroakustik istasyonlar ve atmosferik radyonüklid örnekleyicilerden oluşan küresel ağları işletmektedir.