چگونه یک بمب هسته ای جدید بسازیم!!!

بمب های اتمی شامل نیروهای قوی و ضعیفی اند که این نیروها هسته یک اتم را به ویژه اتمهایی که هسته های ناپایداری دارند، در جای خود نگه می دارند. اساسا دو شیوه بنیادی برای آزاد سازی انرژی از یک اتم وجود دارد :

1- شکافت هسته ای : میتوان هسته یک اتم را با یک نوترون به دو جزء کوچکتر تقسیم کرد.

این همان شیوه ای است که در مورد ایزوتوپ های اورانیوم ( یعنی اورانیوم 235 و اورانیوم 233 ) به کار می رود!

 

2- همجوشی هسته ای: میتوان با استفاده از دو اتم کوچکتر که معمولا هیدروژن یا ایزوتوپ های هیدروژن مانند دوتریوم و تریتیوم هستند، یک اتم بزرگتر مثل هلیوم یا ایزوتوپ های آن را تشکیل داد. این همان شیوه ای است که در خورشید برای تولید انرژی بکار میرود. در هر دو شیوه یاد شده میزان عظیمی انرژی گرمایی و تشعشع بدست میآید.

برای تولید یک بمب اتمی موارد زیر نیاز است:

1- یک منبع سوخت که قابلیت شکافت یا همجوشی را داشته باشد.

2- دستگاهی که همچون ماشه آغازگر حوادث باشد

3- راهی که به کمک آن بتوان بیشتر سوخت را پیش از آنکه انفجار رخ دهد دچار شکافت یا همجوشی کرد.

در اولین بمب های اتمی از روش شکافت استفاده می شد. اما امروزه بمب های همجوشی از فرآیند همجوشی به عنوان ماشه آغازگر استفاده می کنند.

بمب های شکافتی یا فیزیونی: یک بمب شکافتی از ماده ای مانند اورانیوم 235 برای خلق یک انفجار هسته ای استفاده می کند. اورانیوم 235 ویژگی منحصر به فردی دارد که آن را برای تولید هم انرژی هسته ای و هم بمب هسته ای مناسب می کند. اورانیوم 235 یکی از نادر موادی است که می تواند زیر شکافت القایی قرار بگیرد. اگر یک نوترون آزاد به هسته اورانیوم 235 برود، هسته بی درنگ نوترون را جذب کرده و بی ثبات شده و در یک چشم به هم زدن شکسته می شود. این باعث پدید آمدن دو اتم سبکتر و آزادسازی دو یا سه عدد نوترون میشود که تعداد این نوترون ها  بستگی به چگونگی شکسته شدن هسته اتم اولیه اورانیوم 235 دارد. دو اتم جدید به محض اینکه در وضعیت جدید تثبیت شدند از خود پرتو گاما ساطع می کنند. درباره این نحوه شکافت القایی سه نکته وجود دارد که موضوع را جالب می کند.

- احتمال اینکه اتم اورانیوم 235 نوترونی را که به سمتش است، جذب کند، بسیار بالا است. در بمبی که به خوبی کار می کند، بیش از یک نوترون از هر فرآیند فیزیون بدست میآید که خود این نوترون ها سبب وقوع فرآیندهای شکافت بعدی اند. این وضعیت اصطلاحا « ورای آستانه بحران» نامیده می شود.

- فرآیند جذب نوترون و شکسته شدن متعاقب آن بسیار سریع و در حد پیکو ثانیه رخ می دهد.

- حجم عظیم و خارق العاده ای از انرژی به صورت گرما و پرتو گاما به هنگام شکسته شدن هسته آزاد می شود. انرژی آزاد شده از یک فرآیند شکافت به این علت است که محصولات شکافت و نوترون ها  وزن کمتری از اتم اورانیوم 235 دارند. این تفاوت وزن نمایانگر تبدیل ماده به انرژی است که به واسطه  محاسبه میشود. E=MC2 فرمول معروف

حدود نیم کیلوگرم اورانیوم غنی شده به کار رفته در یک بمب هسته ای برابر با چندین میلیون گالن بنزین است. نیم کیلوگرم اورانیوم غنی شده اندازه ای معادل یک توپ تنیس دارد. در حالی که یک میلیون گالن بنزین در مکعبی که هر ضلع آن 17 متر ( ارتفاع یک ساختمان پنج طبقه) است، جا میگیرد.

حالا بهتر می توان انرژی آزاد شده از مقدار کمی اورانیوم 235 را متصور شد. برای اینکه این ویژگی های اورانیوم 235 به کار آید باید اورانیوم را غنی کرد. اورانیوم بکار رفته در سلاح های هسته ای حداقل باید شامل نود درصد اورانیوم 235 باشد. در یک بمب شکافتی، سوخت بکار رفته را باید در توده هایی که وضعیت « زیر آستانه بحران » دارند، نگه داشت. این کار برای جلوگیری از انفجار نارس و زود هنگام ضروری است. تعریف توده ای که در وضعیت « آستانه بحران» قرار دارد چنین است: حداقل توده از یک ماده با قابلیت شکافت که برای رسیدن به واکنش شکافت هسته ای لازم است. این جداسازی مشکلات زیادی را برای طراحی یک بمب شکافتی با خود به همراه می آورد که باید حل شود.

1- دو یا بیشتر از دو توده «زیر آستانه بحران» برای تشکیل توده «ورای آستانه بحران» باید در کنار هم آورده شوند که در این صورت موقع انفجار به نوترون بیش از آنچه که هست برای رسیدن به یک واکنش شکافتی، نیاز پیدا خواهد شد.

2- نوترونهای آزاد باید در یک توده «ورای آستانه بحران» القا شوند تا شکافت اغاز شود.

3- برای جلوگیری از ناکامی بمب باید هر مقدار ماده که ممکن است پیش از انفجار وارد مرحله شکافت شود برای تبدیل توده های «زیر آستانه بحران» به توده های «ورای آستانه بحران» از دو تکنیک «چکاندن ماشه» و «انفجار از درون» استفاده می شود. تکنیک چکاندن ماشه ساده ترین راه برای آوردن توده های «زیر بحران» به همدیگر است. بدین صورت که یک تفنگ توده ای را به توده ی دیگر شلیک می کند. یک کره تشکیل شده از اورانیوم 235 به دور یک مولد نوترون ساخته می شود. گلوله ای از اورانیوم 235 در یک انتهای تیوپ درازی که پشت آن مواد منفجره جا سازی شده، قرار داده می شود. کره یاد شده در انتهای دیگر تیوپ قرار می گیرد. یک حسگر حساس به فشار ارتفاع مناسب را برای انفجار چاشنی و بروز حوادث زیر تشخیص می دهد:

1- انفجار مواد منفجره

2- برخورد گلوله به کره

3- انفجار بمب

بمبی که در سالهای پایانی جنگ جهانی دوم بر شهر هیروشیما انداخته شد، تکنیک «چکاندن ماشه» به کار رفته بود. این بمب 14.5 کیلو تن برابر 14500 تن، تی ان تی، بازده و 1.5 درصد کارایی داشت. یعنی پیش از انفجار تنها 1.5 درصد از ماده مورد نظر شکافت پیدا کرد.

در همان ابتدای «پروژه منهتن»، برنامه سری آمریکا در تولید بمب اتمی، دانشمندان فهمیدند که فشردن توده ها به همدیگر و به یک کره، با استفاده از انفجار درونی می تواند راه مناسبی برای رسیدن به توده «ورای آستانه بحران» باشد. البته این تفکر مشکلات زیادی را به همراه داشت. به خصوص این مسئله مطرح شد که چگونه می توان یک موج شوک را به طور یکنواخت، مستقیما طی یک کره مورد نظر، هدایت و کنترل کرد؟ افراد تیم پروژه «منهتن» این مشکلات را حل کردند. بدین صورت، تکنیک «انفجار از درون» خلق شد. دستگاه انفجار درونی شامل یک کره از جنس اورانیوم 235 و یک بخش به عنوان هسته است که از پولوتونیوم 239 تشکیل شده و با مواد منفجره احاطه شده است. وقتی چاشنی بمب به کار بیافتد حوادث زیر رخ می دهد

1- انفجار مواد منفجره موج شوک ایجاد می کند.

2- موج شوک بخش هسته را فشرده می کند.

3- فرایند شکافت شروع می شود.

4- بمب منفجر می شود.

 

بمبی که در سالهای پایانی جنگ جهانی دوم بر شهر ناکازاکی انداخته شد، تکنیک «انفجار از درون» به کار رفته بود. این بمب 23 کیلو تن و کارایی آن 17درصد بود. شکافت معمولا در 560 میلیاردم ثانیه رخ می دهد.

بمب های همجوشی: بمب های همجوشی کار می کردند ولی کارایی بالایی نداشتند. بمبهای همجوشی که بمب های «ترمونوکلئار» هم نامیده می شوند، بازده و کارایی به مراتب بالاتری دارند. برای تولید بمب همجوشی باید مشکلات زیر حل شود: دوتریوم و تریتیوم مواد بکار رفته در سوخت همجوشی هر دو گازند و ذخیره کردنشان دشوار است. تریتیوم هم کمیاب است و هم نیمه عمر کوتاهی دارد بنابراین سوخت بمب باید همواره تکمیل و پر شود. دوتریوم و تریتیوم باید به شدت در دمای بالا برای آغاز واکنش همجوشی فشرده شوند. در نهایت «استانسیلا اولام» دریافت که بیشتر پرتو بدست آمده از یک واکنش فیزیون، اشعه ایکس است که این اشعه می تواند با ایجاد درجه حرارت بالا و فشار زیاد مقدمات همجوشی را آماده کند.

بنابراین با بکارگیری بمب شکافتی در بمب همجوشی، مشکلات بسیاری حل شد. در یک بمب همجوشی حوادث زیر رخ می دهند:

1- بمب شکافتی با انفجار درونی ایجاد اشعه ایکس می کند.

2- اشعه ایکس، درون بمب و در نتیجه سپر جلوگیری کننده از انفجار نارس را گرم می کند.

3- گرما باعث منبسط شدن سپر و سوختن آن می شود. این کار باعث ورود فشار به درون لیتیوم- دوتریوم میشود.

4- لیتیوم- دوتریوم، 30 برابر بیشتر از قبل تحت فشار قرار می گیرد.

5- امواج شوک فشاری واکنش شکافتی را در میله پولوتونیومی آغاز می کند.

6- میله در حال شکافت از خود پرتو، گرما و نوترون می دهد.

7- نوترونها به سوی لیتیوم- دوتریوم رفته و با چسبیدن به لیتیوم ایجاد تریتیوم می کند.

8- ترکیبی از دما و فشار برای وقوع واکنش همجوشی تریتیوم- دوتریوم و دوتریوم- دوتریوم و ایجاد پرتو، گرما ونوترون بیشتر، بسیار مناسب است.

9- نوترونهای آزاد شده از واکنش های همجوشی باعث القای شکافت در قطعات اورانیوم 238 که در سپر مورد نظر بکار رفته بود، می شود.

10- شکافت قطعات اورانیومی ایجاد گرما و پرتو بیشتر می کند.

11- بمب منفجر می شود.