Bomby walizkowe - charakterystyka i zasady budowy [29]

Najmniejszą możliwą bombę atomową stanowić będzie masa krytyczna plutonu (lub uranu U-233) o maksymalnej gęstości w normalnych warunkach. Bez reflektora, kula plutonu Pu-239 w odmianie alotropowej alfa waży 10.5 kg i ma średnicę 10.1 cm.
Jednak kula taka nie spowoduje wybuchu, ponieważ nie dojdzie do niekontrolowanej reakcji rozszczepienia. Potrzebna jest masa większa od krytycznej - wystarczy już 1.1 masy krytycznej aby spowodować eksplozję o sile wybuchu 10-20 ton. Ładunek taki wydaje się niewielki w porównaniu z kilo- czy megatonami osiąganymi przez "normalne" głowice jądrowe, jednak jest wyraźnie większy od siły wybuchu jaki można uzyskać w wybuchach materiałów konwencjonalnych. Ponadto nawet niewielka eksplozja atomowa emituje poważną dawkę promieniowania przenikliwego. Dla przykładu, wybuch nuklearny o sile zaledwie 20 ton wytwarza niebezpieczne promieniowanie 500 rem 400 metrów od miejsca eksplozji, natomiast 300 m to promień 100% śmiertelności (ekspozycja na 1350 rem).
Kula o masie 1.2 masy krytycznej może wytworzyć 100 tonową eksplozję, a przy 1.35 masy krytycznej osiągnąć można siłę wybuchu 250 ton. W tym momencie, jeżeli dostępna jest odpowiednio zaawansowana technika, można skonstruować urządzenie o wzmożonej sile wybuchu (materiał fuzyjny w centrum rozszczepialnej kuli), dzięki czemu bez konieczności zwiększania ilości materiału rozszczepialnego wytworzyć można 1 kt eksplozję.
Nie należy zapominać, że ilość materiału wystarczająca do osiągnięcia masy krytycznej zależy od jego gęstości oraz typu użytego reflektora. System implozji może znacznie zwiększyć gęstość materiału rozszczepialnego, w ten sposób zmniejszając ilość materiału potrzebnego do osiągnięcia masy krytycznej (zmniejsza się długość tzn. średniej swobodnej ścieżki). Także zastosowanie efektywnego reflektora w znaczny sposób zmniejsza liczbę straconych neutronów, równocześnie redukując masę konieczną do wywołania niekontrolowanej reakcji rozszczepienia. Należy przy tym pamiętać, że zastosowanie systemu implozyjnego (składającego się m.in. z grubej sfery materiału wybuchowego otaczającej rozszczepialny rdzeń) lub reflektora znacznie zwiększa masę i rozmiary głowicy.
Wyjątkiem jest możliwość zastosowania jako reflektora cienkiej warstwy berylu (o grubości nie większej niż promień rdzenia). Rozwiązanie takie pozwala na zredukowanie całkowitej masy bomby, chociaż nieuniknione staje się zwiększenie średnicy urządzenia. Warstwa berylu o grubości kilku centymetrów pozwala na zmniejszenie niezbędnej ilości plutonu o 40-60% grubości reflektora, a ponieważ stosunek gęstości tych materiałów wynosi 10:1, stosując reflektor berylowy można zmniejszyć masę bomby o kilka kilogramów. W pewnym momencie dalsze zwiększanie grubości reflektora zaczyna zwiększać masę całkowitą (objętość, a co za tym idzie masa, zwiększa się z sześcianem promienia) - jest to punkt minimalnej masy całkowitej dla danego systemu rdzeń/reflektor.
Można więc przyjąć, że najlżejsze rozwiązanie o małej sile wybuchu będzie się składało z dobrej klasy materiału rozszczepialnego (Pu-239 lub U-233), ograniczonego systemu implozyjnego (wystarczającego jedynie do zainicjowania reakcji) oraz cienkiej warstwy reflektora berylowego.
Spróbujmy teraz ocenić minimalną masę takiego urządzenia. Masa krytyczna plutonu w odmianie alotropowej alfa wynosi 10.5 kg - potrzebne jest jednak dodatkowe 20-30% aby wytworzyć eksplozję o znaczącej sile wybuchu, co razem daje około 13 kg. Warstwa berylu może zredukować masę plutonu o kilka kilogramów, jednak konieczny materiał wybuchowy, system inicjujący (zapalnik), obudowa itp. podniesie minimalną masę do około 10-15 kg (bliżej 15 kg).


Ponieważ nie ma możliwości zweryfikowania informacji dotyczących radzieckich urządzeń tego typu, warto przyjrzeć się rozwiązaniom amerykańskim.
Opisane powyżej urządzenie zapewne w dużej mierze odpowiada budowie głowicy W-54. Była to najlżejsza głowica kiedykolwiek zbudowana w Stanach Zjednoczonych - jej minimalna masa wynosiła 23 kg, a siła wybuchu wahała się w zakresie od 10 ton do 1 kt (zależnie od wersji). W-54 miała owalny kształt o krótszej osi 27.3 cm a osi dłuższej 40 cm. Egzemplarze przetestowane 15 października (test Hamilton) i 29 października (Humboldt) 1958 roku ważyły zaledwie 16 kg - ich masa była zatem zbliżona do minimalnej, jaką może osiągnąć bomba atomowa. Przetestowane urządzenia miały osie o długościach 28 cm i 30 cm. Sprawia to, że W-54 była prawdopodobnie najmniejszą głowicą na świecie wykorzystującą system implozji sferycznej. W-54 wykorzystywano w przenośnych wyrzutniach piechoty David Crockett.
W-54 była wystarczająco niewielka, aby została użyta w roli bomby walizkowej. Jednak w Stanach Zjednoczonych zaprojektowano głowicę specjalnie ku temu celowi - przenoszoną przez jednego człowieka Mk-54 SADM (Small Atomic Demolition Munition). Bomba ta zawierała w sobie wersję W-54, jednak całe urządzenie było znacznie cięższe i większe. Zostało wykonane w postaci cylindra o wymiarach 40 x 60 cm oraz wadze 68 kg (waga samej głowicy wynosiła zaledwie 27 kg). Chociaż Mk-54 nazywano "bombą walizkową", nie było to urządzenie tego typu. Wniosek taki nasuwa się zwłaszcza, gdy weźmie się pod uwagę jej dużą masę.
Prawdopodobnie także w Rosji konstruowano tego typu rozwiązania. Według informacji byłych wysokich urzędników państwowych, radzieckie odpowiedniki W-54 charakteryzowały się stosunkowo niewielkimi rozmiarami - mieściły się w walizce o wymiarach 60 x 40 x 20 cm. Zmieszczenie głowicy atomowej w tak niewielką skrzynkę wymagałoby budowy urządzenia o mniejszych wymiarach niż W-54. Jest to jednak możliwe - konieczne byłoby zastosowanie mniej zaawansowanego systemu implozji liniowej. Głowice tego typu zostały zaprojektowane i były wykorzystywane w nuklearnych pociskach artyleryjskich.
Koncepcja implozji liniowej zakłada, że materiał rozszczepialny ukształtowany jest w formie owalu, który jest następnie deformowany przez falę implozyjną do postaci kuli. Materiały wybuchowe rozmieszczone są w końcach urządzenia (walizki) i są oczywiście inicjowane równocześnie. Gdy materiał zostaje formowany do postaci kuli, zwiększa się jego gęstość zmieniając tym samym masę podkrytyczną w nadkrytyczną.
Taki model prawdopodobnie wymaga zastosowania większej ilości materiałów rozszczepialnych i wybuchowych, jednak ostateczne wymiary są zredukowane w porównaniu do rozwiązania ze sferycznym systemem implozji. W Stanach Zjednoczonych wykorzystano takie podejście przy konstrukcji atomowych pocisków artyleryjskich o średnich 203 mm (8 cali) i 155 mm (6.1 cala). Istnieją także dokumenty wskazujące, że zmontowano również wersję zaledwie 105 mm (4.1 cala).