تسلیحات هسته ای چگونه عمل می کنند؟

در مرکز هر اتم هسته ای قرار دارد. شکستن آن هسته یا ترکیب دو هسته با هم می تواند مقادیر بزرگی انرژی آزاد کند. تسلیحات هسته ای از این انرژی برای ایجاد یک انفجار استفاده می کنند.

تسلیحات هسته ای با ترکیب مواد انفجاری شیمیایی، شکافت هسته ای و همجوشی هسته ای عمل می کنند. مواد انفجاری باعث متراکم شدن ماده هسته ای شده و شکافت هسته ای را موجب می شوند؛ شکافت هسته ای مقادیر عظیمی انرژی به شکل اشعه ایکس آزاد می کند که دما و فشار بالای مورد نیاز برای همجوشی را فراهم می سازد.

شکافت و همجوشی

تمامی مواد از اتمها ساخته شده اند: ساختارهایی بطور باورنکردنی خرد که ترکیبی از سه نوع ذره هستند: پروتونها، نوترونها و الکترونها.

در مرکز هر اتم یک هسته قرار دارد که در آن نوترونها و پروتونها به تنگی به هم پیوسته اند. بیشتر هسته ها نسبتا پایدار هستند به طوری که تعداد پروتونها و نوترونهای هسته آنها در گذر زمان ثابت باقی می ماند.

در طی شکافت هسته ای، هسته اتمهای سنگین خاصی به هسته های کوچکتر و سبکتر شکسته و در این فرایند انرژی زیادی آزاد می شود. این امر می تواند بطور خود به خود انجام شود اما در هسته های معینی می تواند از بیرون القا شود. اگر یک نوترون بسوی هسته ای شلیک شده و توسط آن جذب شود باعث ناپایداری و شکافت هسته ای می شود. در برخی عناصر مانند ایزوتوپهای معینی از اورانیوم و پلوتونیوم، فرایند شکافت هسته ای نوترونهای اضافی آزاد می کند که در صورت جذب توسط هسته های دیگر می توانند واکنش زنجیره ای و پیش رونده را موجب شوند

همجوشی هسته ای عکس این مسیر را طی می کند: برخی هسته های سبک وقتی تحت دما و فشار بسیار  بالا قرار می گیرند، با یکدیگر همجوشی حاصل کرده و هسته های سنگین تر می سازند. در این فرایند مقداری ماده به مقادیر عظیمی انرژی تبدیل می شود.

در تسلیحات مدرن هسته ای که هم از شکافت و هم از همجوشی استفاده می کنند، یک سرجنگی منفرد می‌تواند در کسری از ثانیه انرژی بسیار بیشتری از هر دو بمب اتمی استفاده شده در هیروشیما و ناگازاکی آزاد کند.

تمامی تسلیحات هسته ای از شکافت برای تولید یک انفجار استفاده می کنند. "پسر کوچک" – نخستین سلاح هسته ای که در طی جنگ مورد استفاده قرار گرفت، با شلیک یک استوانه توخالی اورانیوم 235 بسوی یک توپی از همان ماده کار می کرد.

هیچکدام از این دو تکه برای تشکیل جرم بحرانی (حداقل ماده هسته یا مورد نیاز برای تثبیت شکافت هسته ای) کافی نیست لیکن با برخورد دو تکه، هر دو به جرم بحرانی می رسند و یک واکنش شکافت زنجیره ای روی می‌دهد.

سوخت هسته ای تنها ایزوتوپهای خاصی از عناصری معین می توانند دچار شکافت هسته ای شوند (یک ایزوتوپ نسخه ای از یک عنصر با تعداد متفاوت نوترون در هسته است). پلوتونیوم 239 و اورانیوم 235 متداولترین ایزوتوپهای مورد استفاده در تسلیحات هسته ای هستند.

تسلیحات هسته ای مدرن کمی متفاوت عمل می کنند. جرم بحرانی به چگالی ماده بستگی دارد: با افزایش چگالی، جرم بحرانی کاهش می یابد. بجای برخورد دادن دو تکه سوخت هسته ای با جرم زیر مقدار بحرانی، تسلیحات مدرن ماده انفجاری شیمیایی را پیرامون یک کره از سوخت اورانیوم 235 یا پلوتونیم 239 با جرم زیربحرانی منفجر می کنند. نیروی ناشی از انفجار به سمت داخل جهت گرفته و کره مزبور را فشرده ساخته و اتمهای آن را به یکدیگر نزدیکتر می کند. به محض اینکه کره به نزدیکی جرم بحرانی متراکم شد، نوترونها به بیرون پرتاب می‌شوند و یک واکنش زنجیره ای شکافت را آغاز کرده و موجب انفجار هسته‌ای می‌شوند.

در سلاحهای همجوشی هسته‌ای که سلاحهای گرما-هسته ای (thermonuclear) یا هیدروژنی نیز نامیده می‌شوند، انرژی ناشی از انفجار شکافت هسته ای برای گداختن و جوش خوردن ایزوتوپهای هیدروژن استفاده می‌شود. انرژی آزاد شده توسط این سلاح یک قارچ آتشین ایجاد می کند که دمای آن به میلیونها درجه سلسیوس، در حد مرکز خورشید، می رسد.

انفجارهای صورت گرفته در تسلیحات هیدروژنی اغلب به عنوان اولیه (انفجار شیمیایی و شکافت هسته ای) و ثانویه (انفجار همجوشی متعاقب آن) توصیف می شوند. لیکن سازوکارهای عملی بسیار پیچیده تر از اینها هستند.

برای مثال یک مرحله اولیه صرفا شکافت هسته ای ناکافی است زیرا تکه پلوتونیومی پیش از اینکه بیشتر پلوتونیوم 239 بتواند شکافت هسته ای یابد، از هم گسیخته خواهد شد. در عوض واکنش می تواند با داخل کردن ایزوتوپهای دوتریم و تریتیوم در مرکز یک کره توخالی تقویت شود. با شکافت یافتن پوسته پلوتونیومی پیرامونی، گاز هیدروژن دچار همجوشی شده و نوترونهای بیشتری آزاد می کند در نتیجه شکافت هسته ای سرعت می یابد.

بطور مشابه مرحله ثانویه تنها از همجوشی خالص تشکیل نمی شود. داخل سوخت هیدروژنی چند لایه سوخت اورانیوم یا پلوتونیومی قرار دارد. انفجار اولیه سوخت لایه ای را از بیرون متراکم می کند و آن را به زیر جرم بحرانی می رساند. در نتیجه شکافت هسته ای آغاز شده و هیدروژن از درون گرم شده و واکنش های همجوشی بیشتری را موجب می شود.

منبع اصلی:

https://www.ucsusa.org/resources/how-nuclear-weapons-work