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

بمب هیدروژنی و تفاوت آن با بمب اتمی

بمب هیدروژنی و تفاوت آن با بمب اتمی

گردآوری و تالیف: اصغر ناصری

ششم ژوئن سالجاری کره شمالی ادعا کرد که یک بمب هیدروژنی با قدرت 120 کیلوتن را آزمایش کرده است. کارشناسان نظامی هنوز در مورد ادعای این کشور تردید دارند، زیرا آزمایش بمب هیدروژنی در سطح زمین و کنترل فرایند پیچیده همجوشی هسته‌ای بسیار دشوار است. آنها احتمال می‌دهند کره شمالی نوعی بمب اتمی تقویت شده را به مورد آزمایش گذاشته باشد. در این مقاله نگاهی به نحوه عمل بمب اتمی و بمب هیدروژنی می‌اندازیم.

شکافت هسته‌ای، همجوشی هسته‌ای

شکافت هسته‌ای (fission) به معنی شکافته شدن اتمهای رادیواکتیو به اتمهایی کوچکتر است. عناصر سنگین رادیواکتیو مانند پلوتونیوم 239 و اورانیوم 235 در طی این فرایند به اتمهای کوچکتری مانند باریم و کریپتون شکافته می‌شوند. در طی این واکنش، مقدارکمی از جرم هسته‌های اولیه ناپدید و به مقادیر عظیمی انرژی گرمایی تبدیل می‌شود.

عناصر رادیواکتیو دارای ناپایداری ذاتی بوده و بخودی خود به عناصر سبکتر تجزیه می‌شوند. بطور کلی وقتی جرم اتمی یعنی مجموع جرم پروتونها و نوترونهای تشکیل دهنده هسته یک اتم از عدد معینی بیشتر شود، نیروی هسته‌ای قوی مابین این ذرات قادر به مقاومت در برابر نیروی دافعه الکترومغناطیسی میان پروتونها نبوده و هسته‌ها بتدریج متلاشی می‌شوند. در طی این واکنش، نوترونهای پرسرعت و اشعه گاما (درات فوتون پرانرژی) آزاد می‌شوند. نوترونهای آزاد شده خود قادرند به هسته‌های دست نخورده دیگر پیوسته و ناپایداری آنها را موجب شوند. در نتیجه این هسته ها نیز شکافته شده و واکنش شکافت هسته ای بصورت زنجیره‌ای ادامه می یابد.

شکافت هسته اورانیوم

در رآکتورهای هسته‌ای سرعت شکافته شدن هسته‌ها با کندکردن سرعت نوترونها و جذب و خنثی سازی تعداد زیادی از آنها، کاهش می‌یابد. لیکن در بمب اتمی این واکنش تسریع شده و مقادیر عظیمی انرژی بطورآنی آزاد می‌شود که نتیجه آن یک انفجار اتمی است.

در همجوشی هسته‌ای (fusion) دو اتم هیدروژن با یکدیگر واکنش کرده و یک اتم هلیوم، یک نوترون آزاد و مقادیر عظیمی انرژی بوجود می‌آید. همجوشی هسته‌ای واکنشی است که در هسته خورشید و سایر ستارگان رخ داده و دمای عظیم مرکز آنها را موجب می‌شود.

همجوشی هسته ای

دو نوع اصلی بمب اتمی

برای یک انفجار اتمی، باید جرمی از یک ماده رادیواکتیو مانند پلوتونیوم 239 یا اورانیوم 235 به شکل یک جرم ابربحرانی (supercritical) فشرده شود تا واکنش شکافت هسته‌ای با سرعتی دیوانه‌وار به انجام رسد. در نوع انفجاری، مانند بمب Fat Man که ناکازاکی را در 1945 ویران کرد، انفجار خرج‌های آغازگر که در پیرامون بمب قرار دارند ماده اتمی را به سمت داخ فشرده کرده و انفجار اتمی اصلی را موجب می‌شود (شکل زیرسمت چپ).

سمت راست بمب اتمی از نوع توپی را نشان می دهد که در آن یک توده هسته‌ای به سمت مکمل ان شلیک شده و با برخود، هر دو به بالای جرم ابربحرانی فشرده می‌شوند. این نوع بمب در هیروشیما آزمایش شد.

دو نوع اصلی بمب اتمی

بمب هیدروژنی

در یک بمب هیدورژنی واکنشی از نوع همجوشی هیدروژن مانند مرکز ستارگان رخ می‌دهد. برای آغاز آن واکنش، سطوح انرژی چنان بالایی نیاز است که واکنش‌های انفجاری معمولی قادر به تولید آن نیستند و در نتیجه باید از یک انفجار اتمی اولیه برای تدارک این انرژی آغازین استفاده کرد. بدین ترتیب بمبهای هیدروژنی اساسا دو مرحله‌ای هستند. در مرحله اول یک بمب اتمی معمولی منفجر شده و مقدار زیادی انرژی به شکل اشعه ایکس تولید می‌کند. این اشعه ایکس به سمت یک بمب ثانویه هدایت می‌شود که در مرکز خود ماده لازم برای همجوشی هسته‌ای دارد. بدین ترتیب انفجار دوم به شکل همجوشی سریع هسته‌ای آغاز می‌گردد.

ساختار یک بمب هیدروژنی

منبع اصلی:

http://www.businessinsider.com/how-nuclear-weapons-work-2016-1