بمب اتمی چگونه ساخته می شود؟

بمب اتمی سلاحی است که نیروی آن از انرژی اتمی و بر اثر شکاف هسته (فیسیون) اتم‌های پلوتونیوم یا اورانیوم ایجاد می‌شود.در فرآیند شکافت هسته‌ای، اتم‌های ناپایدار شکافته و به اتم‌های سبکتر تبدیل می‌شوند.

نخستین بمب از این نوع، در سال 1945 م در ایالات نیو مکزیکو در ایالات متحده آمریکا آزمایش شد. این بمب، انفجاری با قدرت 19 کیلو تن ایجاد کرد. (یک کیلو تن برابر است با انرژی اتمی آزاد شده 190 تن ماده منفجره تی. ان. تی)

انفجار بمب اتمی موج بسیار نیرومند پرتوهای شدید نورانی، تشعشعات نفوذ کننده اشعه گاما و نوترون‌ها و پخش شدن مواد رادیواکتیو را همراه دارد. انفجار بمب اتمی چندین هزار میلیارد کالری حرارت را در چند میلیونیوم ثانیه ایجاد می‌کند.

این دمای چند میلیون درجه‌ای با فشار بسیار زیاد تا فاصله 1200 متری از مرکز انفجار به افراد بدون پوشش حفاظتی صدمه می‌زند و سبب مرگ و بیماری انسان و جانوران می‌شود. همچنین زمین، هوا، آب و همه چیز را به مواد رادیو اکتیو آلوده می‌کند.

بمب‌های اتمی شامل نیروهای قوی و ضعیفی‌اند که این نیروها هسته یک اتم را به ویژه اتم‌هایی که هسته‌های ناپایداری دارند، در جای خود نگه می‌دارند. اساسا دو شیوه بنیادی برای آزادسازی انرژی از یک اتم وجود دارد:

• شکافت هسته‌ای: در شکافت هسته‌ای، هسته یک اتم سنگین مانند اورانیوم یا پلوتونیوم به دو یا چند هسته سبک‌تر تقسیم می‌شود. این فرآیند معمولاً با بمباران هسته با یک نوترون آغاز می‌شود و در طی آن مقداری جرم به انرژی تبدیل می‌شود و مقدار زیادی انرژی آزاد می‌گردد. این انرژی می‌تواند به صورت گرما، نور و تشعشعات دیگر آزاد شود.
• همجوشی هسته‌ای: در همجوشی هسته‌ای، دو یا چند هسته اتم سبک مانند هیدروژن با یکدیگر ترکیب می‌شوند و یک هسته سنگین‌تر را تشکیل می‌دهند. این فرآیند نیز مقدار زیادی انرژی آزاد می‌کند. همجوشی هسته‌ای در خورشید و سایر ستارگان اتفاق می‌افتد و منبع انرژی اصلی آنهاست. تلاش‌های زیادی برای ایجاد همجوشی هسته‌ای کنترل‌شده در زمین در حال انجام است، اما هنوز به طور گسترده‌ای در دسترس نیست

موارد مورد نیاز برای تولید

یک منبع سوخت که قابلیت شکافت یا همجوشی را داشته باشد. دستگاهی که همچون ماشه آغازگر حوادث باشد. راهی که به کمک آن بتوان بیشتر سوخت را پیش از آنکه انفجار رخ دهد دچار شکافت یا همجوشی کرد.

در اولین بمب‌های اتمی از روش شکافت استفاده می‌شد. اما امروزه بمب‌های همجوشی از فرآیند همجوشی به عنوان ماشه آغازگر استفاده می‌کنند. یک بمب شکافتی از ماده‌ای مانند اورانیوم 235 برای خلق یک انفجار هسته‌ای استفاده می‌کند. اورانیوم 235 ویژگی منحصر به فردی دارد که آن را برای تولید هم انرژی هسته‌ای و هم بمب هسته‌ای مناسب می‌کند. 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 بی‌درنگ نوترون را جذب کرده و بی‌ثبات شده در یک چشم به هم زدن شکسته می‌شود. این باعث پدید آمدن دو اتم سبک‌تر و آزادسازی دو یا سه عدد نوترون می‌شود که تعداد این نوترون‌ها 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 می‌کنند. درباره این نحوه شکافت القایی سه نکته وجود دارد که موضوع را جالب می‌کند.

•  احتمال اینکه اتم اورانیوم 235 نوترونی را که به سمتش است، جذب کند، بسیار بالا است. در بمبی که به خوبی کار می‌کند، بیش از یک نوترون از هر فرآیند فیزیون به دست می‌آید که خود این نوترون‌ها سبب وقوع فرآیندهای شکافت بعدی‌اند. این وضعیت اصطلاحا «ورای آستانه بحران» نامیده می‌شود.
• فرآیند جذب نوترون و شکسته شدن متعاقب آن بسیار سریع و در حد پیکو ثانیه (12-10 ثانیه) رخ می‌دهد.
• حجم عظیم و خارق‌العاده‌ای از انرژی به صورت گرما و پرتو گاما به هنگام شکسته شدن هسته آزاد می‌شود. انرژی آزاد شده از یک فرآیند شکافت به این علت است که محصولات شکافت و نوترون‌ها وزن کمتری از اتم اورانیوم 235 دارند. این تفاوت وزن نمایان‌گر تبدیل ماده به انرژی است که به واسطه فرمول معروف E=mc² محاسبه می‌شود. حدود نیم کیلوگرم اورانیوم غنی شده به کار رفته در یک بمب هسته‌ای 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 5 طبقه) است، جا می‌گیرد. حالا بهتر می‌توان انرژی آزاد شده از مقدار کمی اورانیوم 235 را متصور شد.

غنی سازی اورانیوم و مشکلات آن

برای اینکه این ویژگی‌های اروانیوم 235 به کار آید باید اورانیوم را غنی کرد. اورانیوم به کار رفته در سلاح‌های هسته‌ای حداقل باید شامل نود درصد اورانیوم 235 باشد.در یک بمب شکافتی، سوخت به کار رفته را باید در توده‌هایی که وضعیت «زیر آستانه بحران» دارند، نگه داشت. این کار برای جلوگیری از انفجار نارس و زودهنگام ضروری است. تعریف توده‌ای که در وضعیت «آستانه بحران» قرار داد چنین است: حداقل توده از یک ماده با قابلیت شکافت که برای رسیدن به واکنش شکافت هسته‌ای 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 آغاز شود.
برای جلوگیری از ناکامی بمب باید هر مقدار ماده که ممکن است پیش از انفجار وارد مرحله شکافت شود برای تبدیل توده‌های «زیر آستانه بحران» به توده‌هایی «ورای آستانه بحران» از دو تکنیک «چکاندن ماشه» و «انفجار از درون» استفاده می‌شود. تکنیک «چکاندن ماشه» ساده‌ترین راه برای آوردن توده‌های «زیر بحران» به همدیگر است. بدین صورت که یک تفنگ توده‌ای را به توده دیگر شلیک می‌کند. یک کره تشکیل شده از اورانیوم 235 به دور یک مولد نوترون ساخته می‌شود. گلوله‌ای از اورانیوم 235 در یک انتهای تیوپ درازی که پشت آن مواد منفجره جاسازی شده، قرار داده می‌شود. کره یاد شده در انتهای دیگر تیوپ قرار می‌گیرد.

یک حسگر حساس به فشار ارتفاع مناسب را برای انفجار چاشنی و بروز حوادث زیر تشخیص می‌دهد :
1 - انفجار مواد منفجره و در نتیجه شلیک گلوله در تیوپ
2 - برخورد گلوله به کره و مولد و در نتیجه آغاز واکنش شکافت انفجار بمب

در «پسر بچه» بمبی که در سال‌های پایانی جنگ جهانی دوم بر شهر هیروشیما انداخته شد، تکنیک «چکاندن ماشه» به کار رفته بود. این بمب 5/14 کیلو تن برابر با 500/14 تن TNT بازده و 5/1 درصد کارآیی داشت. یعنی پیش از انفجار تنها 5/1 درصد ازماده مورد نظر شکافت پیدا کرد.
در همان ابتدای «پروژه منهتن»، برنامه سری آمریکا در تولید بمب اتمی، دانشمندان فهمیدند که فشردن توده‌ها به همدیگر و به یک کره با استفاده از انفجار درونی می‌تواند راه مناسبی برای رسیدن به توده «ورای آستانه بحران» باشد. البته این تفکر مشکلات زیادی به همراه داشت. به خصوص این مسئله مطرح شد که چگونه می‌توان یک موج شوک را به طور یکنواخت، مستقیما طی 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 بیفتد حوادث زیر رخ می دهند :

1. انفجار مواد منفجره موج شوک ایجاد می‌کند.
2. موج شوک بخش هسته را فشرده می‌کند.
3.  فرآیند شکافت شروع می‌شود.
4.  بمب منفجر می‌شود.

در «مرد گنده» بمبی که در سال‌های پایانی جنگ جهانی دوم بر شهر ناکازاکی انداخته شد، تکنیک «انفجار از درون» به کار رفته بود. بازده این بمب 23 کیلو تن و کارآیی آن 17درصد بود.شکافت معمولا در 560 میلیاردم ثانیه رخ می دهد. بمب‌های همجوشی: بمب‌های همجوشی کار می‌کردند ولی کارآیی بالایی نداشتند. بمب‌های همجوشی که بمب‌های «ترمونوکلئار» هم نامیده می‌شوند، بازده و کارآیی به مراتب بالاتری دارند. برای تولید بمب همجوشی باید مشکلات زیر حل شود:

• دوتریوم و تریتیوم مواد به کار رفته در سوخت همجوشی هر دو گازند و ذخیره کردنشان دشوار است. تریتیوم هم کمیاب است و هم نیمه‌عمر 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 به دست آمده از یک واکنش فیزیون، اشعه X است که این اشعه X می‌تواند با ایجاد درجه حرارت بالا و فشار زیاد مقدمات همجوشی را آماده کند. بنابراین با به کارگیری بمب شکافتی در بمب همجوشی مشکلات بسیاری حل شد.

در این رابطه : زندگی نامه رابرت اوپنهایمر (پدر بمب اتمی-پروژه منهتن)

در یک بمب همجوشی چه حوادثی زیر رخ می‌دهند؟

1 - بمب شکافتی با انفجار درونی ایجاد اشعه X می‌کند.
2 - اشعه X درون بمب و در نتیجه سپر جلوگیری کننده از انفجار نارس را گرم می‌کند.
3 - گرما باعث منبسط شدن سپر و سوختن آن می‌شود. این کار باعث ورود فشار به درون لیتیوم - دوتریوم می‌شود.
4 - لیتیوم - دوتریوم 30 برابر بیشتر از قبل تحت فشار قرار می گیرند.
5 - امواج شوک فشاری واکنش شکافتی را در میله پولوتونیومی آغاز می‌کند.
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 می‌کند.
8 - ترکیبی از دما و فشار برای وقوع واکنش همجوشی تریتیوم - دوتریوم ودوتریوم - دوتریوم و ایجاد پرتو، گرما و نوترون بیشتر، بسیار مناسب است.
9 - نوترون‌های آزاد شده از واکنش های همجوشی باعث القای شکافت در قطعات اورانیوم 238 که در سپر مورد نظر به کار رفته بود، می‌شود.
10 - شکافت قطعات اروانیومی ایجاد گرما و پرتو بیشتر می‌کند.
11 - بمب منفجر شود.

گردآورنده: دنیاها، دانشنامۀ فارسی | www.donyaha.ir