بمب اتم چگونه کار می‌کند؟ سازوکاری که جهان را منفجر کرد

از لحظه انفجار اولین سلاح هسته ای در مقابل چشمان اوپنهامیر، دانشمند اتمی آمریکا تا به الان، بمب اتم، این اختراع سیاه آمریکایی ها در قلب تاریخ جنگ های جهان جای گرفت و عملا تبدیل به بازوی ابرقدرتی آمریکا در دوران پساجنگ جهانی دوم شد.

تراژدی دردناک حمله به هیروشیما و ناکازاکی که منجر به کشته شدن بیش از ۲۴۰ هزار انسان بی گناه در یک لحظه شد قلب مردم آزاده جهان را به درد آورده است. 

طولی نکشید تا رقابت هسته ای ابرقدرت ها شکل گرفت و بار دیگر سایه جنگ اتمی در دنیا افکنده شد.ورای مسائل نظامی و سیاسی پشت بمب اتم، مجموعه فعل و انفعالات شیمیایی و فیزیکی، شکاف هسته اورانیوم را رقم زدند که از بزرگ ترین وقایع علمی دنیا محسوب می‌شود.

علمی که نامش با توسعه انسانیت و تمدن همراه بود در مدت زمان کوتاه تبدیل به ابزار جنگی جنایتکاران شد. علمی که دیگر شریف نبود‌.فرایند ساخت و استفاده از بمب اتم همواره یکی از چالشی ترین مباحث فناوری بوده که در ادامه به معرفی چگونگی کارکرد بمب اتم از نظر فنی و همچنین مثال های ساده و شبیه سازی از فرمول های پیچیده میپردازیم.

مبانی علمی شکافت هسته‌ای و واکنش زنجیره‌ای

اساس کار بمب اتمی بر پدیده‌ای به نام شکافت هسته‌ای استوار است. این فرآیند زمانی رخ می‌دهد که هسته‌ی یک اتم سنگین و ناپایدار، مانند ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۵ یا پلوتونیوم-۲۳۹ توسط یک ذره نوترون بمباران شود. این برخورد باعث می‌شود که هسته به دو هسته‌ی سبک‌تر تقسیم شده و در این فرآیند، علاوه بر آزادسازی مقدار بسیار زیادی انرژی( مطابق معادله انیشتین) ، دو تا سه نوترون جدید نیز آزاد گردد.

نکته کلیدی در طراحی یک سلاح هسته‌ای، استفاده از این نوترون‌های ثانویه برای ایجاد یک واکنش زنجیره‌ای است. در صورتی که هر یک از نوترون‌های آزاد شده به هسته‌های شکافت‌پذیر دیگر برخورد کنند، آن‌ها نیز شکافته شده و نوترون‌های بیشتری آزاد می‌کنند. این فرآیند به صورت تصاعدی گسترش می‌یابد. اگر این واکنش به صورت کنترل‌شده (مانند راکتورهای هسته‌ای) انجام شود، می‌توان از انرژی آن برای تولید برق استفاده کرد. اما در یک بمب اتمی، هدف ایجاد یک واکنش زنجیره‌ای کنترل‌نشده و بسیار سریع است تا تمام انرژی ممکن در کوتاه‌ترین زمان ممکن (کمتر از یک میکروثانیه) آزاد شود و منجر به انفجار گردد.

مواد شکافت‌پذیر و مفهوم جرم بحرانی

تنها مواد خاصی قابلیت ایجاد واکنش زنجیره‌ای را دارند که به آن‌ها مواد شکافت‌پذیر(Fissile) گفته می‌شود. دو ماده اصلی مورد استفاده در سلاح‌های هسته‌ای عبارتند از:1. اورانیوم-۲۳۵ : این ایزوتوپ به طور طبیعی در سنگ اورانیوم یافت می‌شود، اما غلظت آن بسیار کم است (حدود ۰.۷٪). برای استفاده در بمب، اورانیوم باید طی فرآیند پیچیده‌ای به نام غنی‌سازی ، به خلوص بالای ۹۰٪ برسد. این فرآیند از نظر فنی بسیار دشوار و پرهزینه است.2. پلوتونیوم-۲۳۹ : این ایزوتوپ به طور طبیعی وجود ندارد و محصول جانبی راکتورهای هسته‌ای است.

پلوتونیوم از طریق بمباران نوترونی اورانیوم-۲۳۸ تولید و سپس با روش‌های شیمیایی پیچیده جدا می‌شود.برای اینکه واکنش زنجیره‌ای پایدار بماند، باید مقدار کافی از ماده شکافت‌پذیر در یک حجم مشخص وجود داشته باشد تا احتمال فرار نوترون‌ها از سطح آن کمتر از احتمال برخوردشان با هسته‌های دیگر باشد.

این حداقل مقدار ماده، جرم بحرانی (Critical Mass) نامیده می‌شود. جرم بحرانی یک مقدار ثابت نیست و به عواملی چون چگالی، شکل هندسی (کره بهینه‌ترین شکل است)، خلوص ماده و وجود پوشش بازتابنده نوترونی بستگی دارد. هدف اصلی در طراحی بمب، رساندن سریع ماده شکافت‌پذیر از حالت زیر بحرانی به حالت فوق بحرانی است.

مکانیزم‌های انفجار، از تئوری تا مهندسی

دو روش اصلی برای رساندن ماده شکافت‌پذیر به حالت فوق بحرانی و آغاز انفجار وجود دارد.روش ماشه‌ای ( Gun-Type Mechanism )

این روش، طراحی ساده‌تری دارد و در بمبی که بر روی هیروشیما انداخته شد (پسر کوچک) از آن استفاده شد. ساختار : در این مکانیسم، ماده شکافت‌پذیر (معمولاً اورانیوم-۲۳۵) به دو قطعه زیر بحرانی تقسیم می‌شود. یک قطعه به عنوان گلوله و دیگری به عنوان هدف در دو سر یک لوله شبیه به لوله توپ قرار می‌گیرند. عملکرد : در لحظه انفجار، یک خرج انفجاری معمولی (مانند TNT) در پشت قطعه گلوله منفجر شده و آن را با سرعت بسیار بالا (حدود ۳۰۰ متر بر ثانیه) به سمت قطعه هدف شلیک می‌کند.

نتیجه : دو قطعه با هم ترکیب شده و یک توده واحد فوق بحرانی را تشکیل می‌دهند. در همین لحظه، یک چشمه نوترونی (Initiator) اولین نوترون‌ها را برای شروع واکنش زنجیره‌ای آزاد می‌کند و انفجار هسته‌ای رخ می‌دهد. محدودیت : این روش برای پلوتونیوم-۲۳۹ کارآمد نیست، زیرا پلوتونیوم تولیدی در راکتورها همواره حاوی مقداری ایزوتوپ پلوتونیوم-۲۴۰ است که نرخ شکافت خود به خودی بالایی دارد. این موضوع باعث می‌شود که واکنش زنجیره‌ای پیش از رسیدن دو قطعه به هم و تشکیل کامل توده فوق بحرانی، به صورت ناقص آغاز شود (پدیده‌ای به نام Predetonation) و بخش بزرگی از ماده بدون شکافته شدن پراکنده شود و در نتیجه قدرت انفجار به شدت کاهش یابد.

روش انفجار درونی

این روش از نظر مهندسی بسیار پیچیده‌تر اما کارآمدتر است و برای پلوتونیوم-۲۳۹ (و همچنین اورانیوم-۲۳۵) قابل استفاده است. بمبی که بر روی ناکازاکی انداخته شد (مرد چاق) از این نوع بود. س اختار: یک کره از ماده شکافت‌پذیر در حالت زیر بحرانی (که به آن Pit می‌گویند) در مرکز بمب قرار دارد. این کره توسط چندین لایه از مواد مختلف، از جمله یک پوسته بازتابنده نوترون و مهم‌تر از همه، لایه‌ای ضخیم از مواد منفجره معمولی با دقت بسیار بالا احاطه شده است.

این مواد منفجره به شکل عدسی‌های انفجاری طراحی شده‌اند. ع ملکرد: ده‌ها چاشنی الکتریکی به طور همزمان و با دقتی در حد نانوثانیه، تمام عدسی‌های انفجاری را منفجر می‌کنند. این انفجار یک موج شوک کاملاً کروی و متقارن به سمت داخل ایجاد می‌کند. ن تیجه: این موج شوک عظیم، کره پلوتونیوم را به شدت فشرده کرده و چگالی آن را در کسری از میکروثانیه دو تا سه برابر افزایش می‌دهد.

با افزایش چگالی، فاصله بین اتم‌ها کم شده و جرم بحرانی کاهش می‌یابد. کره که در ابتدا زیر بحرانی بود، اکنون به شدت فوق بحرانی می‌شود. یک چشمه نوترونی در مرکز، در لحظه حداکثر فشردگی، سیلی از نوترون‌ها را آزاد کرده و واکنش زنجیره‌ای انفجاری را آغاز می‌کند. این روش به دلیل سرعت بسیار بالا، مشکل انفجار زودرس پلوتونیوم را حل می‌کند.

توضیح ساده فرآیند شکاف و مکانیسم های انفجار

اگر بخواهیم این فرآیند پیچیده را به زبان ساده توضیح دهیم، می‌توانیم این‌گونه بگوییم:تصور کنید دو نوع زغال جادویی خاص داریم: اورانیوم و پلوتونیوم. این زغال‌ها اگر به مقدار کافی کنار هم قرار بگیرند، خود به خود در یک چشم به هم زدن با نیرویی غیرقابل تصور منفجر می‌شوند. آن مقدار کافی همان جرم بحرانی است. چالش ساخت بمب این است که این زغال‌ها را تا لحظه آخر از هم جدا نگه داریم و سپس در یک آن، آن‌ها را به هم برسانیم.بمب نوع تفنگی (ماشه ای): مثل این است که دو تکه کوچک از این زغال جادویی (اورانیوم) را که به تنهایی بی‌خطرند، در دو سر یک لوله تفنگ بگذاریم.

با شلیک، یک تکه با سرعت به سمت دیگری پرتاب می‌شود و به محض برخورد، مقدار زغال از حد بحرانی عبور کرده و انفجار رخ می‌دهد. بمب نوع فشاری (انفجار درونی): حالا تصور کنید یک توپ از زغال جادویی (پلوتونیوم) داریم که به اندازه کافی فشرده نیست تا منفجر شود. ما دور تا دور این توپ را با دینامیت می‌پوشانیم. اگر همه دینامیت‌ها را دقیقاً در یک لحظه منفجر کنیم، نیروی انفجار این توپ را مثل یک پرتقال از همه طرف فشار داده و آن را به یک هسته کوچک و فوق‌العاده فشرده تبدیل می‌کند. این فشردگی ناگهانی باعث می‌شود زغال به جرم بحرانی برسد و انفجاری بسیار قوی‌تر رخ دهد.

ساخت یک بمب اتمی فراتر از دستیابی به مواد شکافت‌پذیر است و یک چالش عظیم مهندسی محسوب می‌شود. این فرآیند نیازمند تسلط بر فیزیک نوترون، طراحی دقیق عدسی‌های انفجاری، زمان‌بندی الکترونیکی در مقیاس نانوثانیه و متالورژی پیشرفته برای کار با مواد خطرناک و ناپایدار است.

هر دو مکانیزم ماشه‌ای و انفجار درونی، راه‌حل‌هایی هوشمندانه برای یک مسئله فیزیکی بنیادی هستند: چگونگی مونتاژ سریع و کارآمد یک توده فوق بحرانی از ماده شکافت‌پذیر قبل از آنکه واکنش زنجیره‌ای، سلاح را پیش از موعد متلاشی کند.ساخت بمب اتم نیازمند دانش فنی بسیار بالا در حوزه هسته‌ای و همچنین زیرساخت های پیشرفته است. هرچند اقدامات جهانی متعددی برای خلع سلاح اتمی شکل گرفته است ولی تاکنون هیچ ابرقدرتی تاسیسات هسته ای خود را رها نکرده است و توسعه تسلیحات اتمی با قدرت ادامه دارد.

منبع: فارس