بمب اتم چگونه کار می کند؟ – بخش دوم (آخر)

در بخش اول این مقاله با برخی از جزئیات در مورد نحوه کارکرد بمب اتم آشنا شدید. در ادامه مطلب و در بخش دوم و آخر آن، جزئیات بیشتر را در این رابطه بخوانید.

بمب های شکافتی ماشه ای

ساده ترین راه گردآوری توده های زیر حد بحرانی، ساخت اسلحه ای است که یک توده را به سمت بقیه شلیک نماید. کره ای از اورانیوم ۲۳۵ اطراف مولد نوترون ساخته می شود و گلوله ی کوچکی از آن در یک سوی لوله ای طویل قرار می گیرد، در حالیکه مواد منفجره در پشت آن و گوی در انتهای دیگر لوله قرار گرفته اند. یک حسگر حساس به فشار، ارتفاع مناسب برای انفجار و شروع اتفاقهای بعدی را تعیین می کند: 

۱. مواد منفجره مشتعل شده و گلوله را در لوله به جلو می رانند.

۲. گلوله به گوی و مولد اصابت کرده و واکنش شکافت را آغاز می کند.

۳. واکنش شکافت آغاز می گردد.

۴. بمب منفجر می شود.

بمب پسر کوچک (Little Boy)، که در هیروشیما سقوط کرد، از این نوع بمب بود و از  ۱۴/۵ کیلوتن (معادل ۱۴۵۰۰ تن TNT) و بازدهی ۱/۵ درصدی بهره می برد؛ و این یعنی تنها ۱/۵ درصد از مواد تشکیل دهنده، پیش از انفجار شکافت می یافتند. 

راه دوم برای ایجاد توده فوق بحرانی، فشردن توده های زیر حد بحرانی در یک گوی است. مرد چاق (Fat Man)، بمبی که در ناکازاکی منفجر شد، یکی از این بمب های ماشه ای بود. ساخت این نوع بمب ها به هیچ وجه ساده نبود. طراحان بمب با مشکلات فراوانی، از جمله چگونگی کنترل و هدایت امواج ضربه به طور یکنواخت از عرض گوی، رو به رو شدند. راه حل آنها برای رفع مشکل، ساخت وسیله ای انفجاری شامل یک گوی از اورانیوم ۲۳۵ و هسته ای از پلوتونیوم ۲۳۹ که با مواد منفجره قوی احاطه شده است بود. هنگامی که این بمب منفجر شد، ۲۴ کیلوتن بار و ۱۷ درصد بازده داشت. فرایند انفجار این بمب، اینگونه بود:

۱. مواد منفجره مشتعل و یک موج ضربه ای ایجاد کرد.

۲. موج ضربه، هسته را فشرد.

۳. واکنش شکافت آغاز شد.

۴. بمب منفجر شد. 

طراحان توانستند طرح اولیه انفجار ماشه ای را ارتقا دهند. در سال ۱۹۴۳ ادوارد تلر، فیزیکدان آمریکایی، مفهوم تقویت را ابداع کرد. تقویت به معنی فرایندی است که واکنش های شکافت برای تولید نوترون طی می کنند، که سپس منجر به انجام این واکنش ها با سرعتی بالاتر می شود. 

تایید اعتبار تقویت به وسیله آزمایش، ۸ سال دیگر زمان برد. اما به محض تایید آن، به یکی مشهورترین طرح ها تبدیل شد. در سال های بعد، حدود ۹۰ درصد از بمب های هسته ای در آمریکا از این طرح استفاده می کردند. البته واکنش های شکافتی هم می توانند به عنوان منبع اولیه انرژی در سلاح های هسته ای استفاده شوند.

در ادامه، نگاهی به عملکرد داخلی بمب های هسته ای خواهیم داشت. 

بمب های همجوشی

بمب های شکافتی به اندازه کافی کارامد نبودند. طولی نکشید که دانشمندان به فکر بهبود فرایند هسته ای افتادند. وقتی هسته ی دو اتم، برای تشکیل اتمی سنگین تر با هم ترکیب می شوند، همجوشی روی می دهد. در دماهای بسیار بالا هسته های ایزوتوپ های هیدروژن، دوتریوم و تریتیوم، می توانند به آسانی ترکیب شده و مقادیر زیادی انرژی آزاد کنند. سلاح هایی که از این فرایند بهره می برند به عنوان بمب های همجوشی، ترمونوکلئار و هیدروژنی شناخته می شوند. بمب های همجوشی بار و راندمان بیشتری از بمب های شکافتی دارند، اما دارای مشکلاتی هستند که باید حل شوند:

۱. دوتریوم و تریتیوم، سوخت های همجوشی، هر دو گازند که ذخیره کردنشان دشوار است. 

۲. تریتیوم کمیاب است و نیمه عمر کوتاهی دارد. 

۳. سوخت این بمب ها باید به صورت مداوم تکمیل و پر شود.

۴. دوتریوم و تریتیوم، برای آغاز همجوشی، باید در دمای بالا به شدت فشرده شوند.

دانشمندان با استفاده از لیتیوم-دوتروات، ترکیب جامدی که در دمای معمولی تحت تخریب امواج رادیواکتیو قرار نمی گیرد، به عنوان ماده اصلی ترمو نوکلئار بر اولین مشکل فائق آمدند. برای حل مشکل تریتیوم، طراحان بمب به یک فرایند شکافتی برای تولید تریتیوم از لیتیوم تکیه کردند. این واکنش شکافت، مشکل نهایی را نیز مرتفع ساخت. بخش اعظم تشعشعات حاصل از این واکنش، اشعه X است. این اشعه ها دما و فشار بالای مورد نیاز برای اغاز همجوشی را فراهم می کند. بنابراین، یک بمب همجوشی دارای دو مرحله طراحی است: یک جزء شکافتی یا شکافت تقویت شده؛ و یک جزء همجوشی ثانویه.

برای فهم این موضوع، تصور کنید در یک محفظه بمب، بمبی شکافتی و غلاف سیلندری از اورانیوم ۲۳۸ دارید. در این غلاف، سوخت و یک میله تو خالی از پلوتونیوم ۲۳۹ در مرکز سیلندر قرار دارد. صفحه ای از اورانیوم ۲۳۸ سیلندر را از مواد منفجره جدا می کند و فوم پلاستیکی مابقی فضای درون بمب را پر می کند. انفجار موجب رخداد های زیر می شود:

۱. بمب شکافتی با انفجار درونی، اشعه X ساطع می کند.

۲. این اشعه ها فضای درون را بمب را گرم، و صفحه از انفجار سوخت جلوگیری می کند.

۳. گرما باعث اتساع و احتراق سیلندر و افزایش فشار درون لیتیوم دوتروات می شود.

۴. لیتیوم دوتروات ۳۰ بار فشرده می شود.

۵. امواج ضربه ای، واکنش شکافتی را درون میله پلوتونیوم آغاز می کنند.

۶. شکافت میله، امواج، گرما و نوترون ها را رها می کند.

۷. نوترون ها به سمت لیتیوم دوتروات رفته، با لیتیوم ترکیب شده و تریتیوم می سازند.

۸. ترکیب فشار و دمای کافی برای واکنش همجوشی تریتیوم دوتروات و دوتریوم دوتروات باعث تولید گرما، اشعه و نوترون های بیشتر می شود.

۹. نوترون های تولید شده از واکنش های همجوشی، موجب القای شکافت اورانیوم ۲۳۸ درون سیلندر و صفحه می شوند.

۱۰. شکافت قطعات صفحه و سیلندر، گرما و اشعه بیشتری تولید می کند.

۱۱. بمب منفجر می شود.

همه این رویداد ها در حدود ۶۰۰ میلیاردم ثانیه (۵۵۰ میلیاردم ثانیه برای انفجار بمب شکافتی، ۵۰  میلیاردم ثانیه برای وقایع همجوشی) اتفاق می افتد. نتیجه انفجار عظیمی با بار ۱۰۰۰۰ کیلوتن -۷۰۰ بار قوی تر از بمب پسر کوچک که بر سر هیروشیما افتاد- است. 

انتقال بمب هسته ای

ساخت بمب هسته ای یک چیز است و شلیک آن به هدف مورد نظر و انفجار موفقیت انگیز آن چیزی دیگر. این موضوع به ویژه در مورد اولین بمب های ساخته شده توسط دانشمندان در پایان جنگ جهانی دوم صادق است. فیلیپ موریسون، یکی از اعضای پروژه منهتن، درباره بمب های اولیه می نویسد: 

هر سه بمب ساخته شده در سال ۱۹۴۵ -بمب آزمایشی و دو بمب منفجر شده در ژاپن- بیشتر ترکیب بدون قاعده ی قطعات خاص بودند تا اسلحه هایی مطمئن. 

شلیک این بمب ها به مقصد نهایی، تقریبا مانند فرایند ساخت و طراحی آنها بدون قاعده و برنامه ریزی خاصی انجام می شد. سازمان USS در شهر ایندیاناپولیس، روز ۲۸ جولای ۱۹۴۵، اجزاء و سوخت اورانیوم غنی شده بمب پسر کوچک را به جزیره تینیان در اقیانوس آرام منتقل کرد. اجزاء بمب مرد چاق، که توسط سه B-29 اصلاح شده حمل شد، روز دوم آگوست به مقصد رسید.

تیمی متشکل از ۶۰ دانشمند به منظور همکاری در مونتاژ، از لوس آلاموس به تینیان اعزام شدند. بمب پسر کوچک، ابتدا دارای ورزنی معادل ۴۴۰۰ کیلوگرم و طول ۳ متری بود. در روز ۶ آگوست، خدمه ای این بمب را به Enola Gay و B-29 ی به هدایت پاول تیبتز بارگذاری کرد. این هواپیما، از پس سفر ۱۲۰۰ کیلومتری با موفقیت برآمد و این بمب را در ساعت ۸ و ۱۲ دقیقه صبح، در فراز آسمان هیروشیما رها کرد. در روز ۹ آگوست، بمب مرد چاق با ورزن حدودی ۵۰۰۰ کیلوگرم، همان مسیر را توسط Bockscar، دومین B-29 به هدایت چارلز سویینی طی کرد. محموله ی مرگبار این هواپیما، قبل از ظهر، بر فراز ناکازاکی منفجر شد. 

امروز، روش استفاده شده در ژاپن -حمل بمب های سنگین با هواپیما- یک راه ماندگار برای تحویل سلاح های هسته ای باقی مانده. اما در طی سالها، همچنانکه سایر کلاهک ها کاهش یافته اند، سایر گزینه ها در دسترس قرار گرفته اند. بسیاری از کشور ها، تعدادی موشک بالیستیک و کروز مسلح به همراه دستگاه های هسته ای را در انبار های خود ذخیره کرده اند. اکثر موشک های بالیستیک از سیلو های زیر زمینی یا زیر دریایی ها شلیک می شوند. آن ها جو زمین را ترک کرده، پس از طی کردن کیلومتر ها و بازگشت دوباره به جو، منفجر می شوند. موشک های کروز، کلاهک کوچک تر و برد کوتاه تری نسبت به بالیستیک ها دارند، اما شناسایی و رهگیری آن ها دشوار تر است. آن ها می توانند از هوا، پرتاب کننده های متحرک زمینی، یا کشتی ها پرتاب شوند. 

سلاح های هسته ای تاکتیکی، یا TNWS نیز در طول جنگ سرد محبوب شدند. این سلاح ها که برای هدف های کوچک تر طراحی شده است، مشمول موشک های کوتاه برد، توپ ها، مین های زمینی و عمقی می شوند. اسلحه های قابل حمل از این خانواده، مانند Davy Crockett، شلیک سلاح های هسته ای توسط تیم های کوچک یک یا دو نفره را ممکن ساخته است. 

 

عواقب و خطرات سلامتی بمب های هسته ای

انفجار سلاح های هسته ای تخریب فوق العادی ای ایجاد می کنند، اما ویرانی ها شواهدی میکروسکوپی از منشا بمب در بر دارد. انفجار بمبی هسته ای بر فراز یک هدف، مانند یک شهر پر جمعیت، موجب آسیب وسیعی می شود. شدت این آسیب ها به فاصله از مرکز انفجار بمب، که هیپوسنتر یا صفر زمین نامیده می شود، بستگی دارد. به طوری که هر چه فاصله تا هیپوسنتر کم تر باشد، آسیب ها بیشتر خواهند بود. این آسیب ها به چند علت روی می دهد: 

۱. موجی از گرمای شدید ناشی از انفجار

۲. فشار ناشی از موج ضربه ای، ایجاد شده توسط انفجار

۳. تشعشع

۴. ذرات رادیواکتیو (ابر هایی از ریزگرد های رادیواکتیو و خرده های بمب که بر زمین می ریزند)

در هیپوسنتر، همه چیز توسط دمای بسیار بالا (۳۰۰ میلیون درجه سلسیوس)، بخار می شود. خارج از هیپوسنتر، بیشتر تلفات توسط سوختگی ناشی از گرما، صدمات ناشی از تخریب ساختمان ها در اثر شوک ضربه ای و در معرض اشعه قرار گرفتن ایجاد می شود. فرا تر از منطقه انفجار فوری، گرما، اشعه و آتش سوزی ناشی از موج حرارتی باعث ایجاد تلفات می گردد. در دراز مدت، به دلیل باد های منطقه ای، بارش رادیواکتیو در منطقه وسیع تری روی می دهد. ریز گرد های رادیواکتیو وارد ذخایر آبی شده و توسط مردم در فاصله دور تر از محل انفجار نوشیده می شوند. 

دانشمندان و پزشکان با مطالعه روی بازماندگان بمب های منفجر شده در ژاپن به نتایجی در زمینه اثرات کوتاه و بلند مدت این بمب ها روی سلامتی انسان ها رسیده اند. تشعشعات و بارش های رادیواکتیو تاثیر زیادی روی سلول هایی که به سرعت رشد می کنند دارد. برخی از عواقب سلامتی این بمب ها عبارتند از:

۱. تهوع، استفراغ و اسهال

۲. آب مروارید

۳. ریزش مو

۴. از دست دادن سلول های خونی

این موارد احتمال ابتلا به سرطان خون، ناباروری و نقص هنگام تولد را افزایش می دهند. 

دانشمندان و پزشکان هنوز در حال مطالعه روی بازماندگان هستند و انتظار دارند نتایج بیشتری در طول زمان آشکار شود. 

در سال ۱۹۸۰، دانشمندان اثرات احتمالی جنگ هسته ای را ارزیابی کردند (انفجار بمب های بسیار در سرتاسر دنیا) و تئوری زمستان هسته ای را مطرح کردند. در سناریو زمستان هسته ای، انفجار بمب های متعدد، ابر های بزرگی از ذرات و مواد رادیواکتیو ایجاد می کند که در جو بالا می روند. این ابر ها، به سدی در برابر تابش نور خورشید تبدیل می شوند. کاهش شدت تابش نور خورشید، دمای سطح زمین را کم کرده و از غذاسازی (فتوسنتز) در گیاهان و باکتری ها می کاهد. تقلیل فتوسنتز، زنجیره غذایی را مختل کرده و موجب انهدام زندگی ها (شامل زندگی انسان) می شود. این سناریو، شبیه نظریه شهاب سنگ است که برای توضیح انقراض دایناسور ها مطرح شده بود. 

موافقان این نظریه به ابر های ذرات گرد و غباری اشاره کردند که مسیری طولانی را با گذشتن از کوه هایی مانند Mount St. Helens در ایالات متحده و Mount Rinatube در فیلیپین دور زمین را طی کردند. 

سلاح های هسته ای قدرت تخریبی خارق العاده و دراز مدت دارند که فراتر از هدف اولیه عمل می کند. دلیل تلاش دولت های جهانی برای کنترل گسترش بمب های هسته ای و کاهش زرادخانه ها در طی جنگ سرد نیز همین موضوع است. به همین دلیل آزمایشات هسته ای انجام شده توسط کره شمالی و سایر کشور ها پاسخ صریح جوامع بین المللی را بر می انگیزد. 

ممکن است بمباران های هیروشیما و ناکازاکی ده ها سال پیش رویداده باشد، اما تصاویر وحشتناک آن روزهای شوم، همچنان سوزان و شفاف باقی مانده است.