بمب اتم چیست؟ — از نحوه ساخت تا طرز کار و قدرت تخریب

بمب اتم و بمب‌های هسته‌ای، سلاح‌های کشتار جمعی بسیار قدرت‌مندی هستند. منبع انرژی انفجاری این بمب‌ها ناشی از واکنش‌های هسته‌ای است. دانشمندان برای نخستین بار در طی جنگ جهانی دوم تکنولوژی سلاح‌های هسته‌ای را گسترش دادند. از بمب اتم تنها دوبار در جنگ جهانی دوم و هر بار توسط آمریکا علیه کشور ژاپن استفاده شد. اما، خسارت‌های جبران‌ناپذیر آن پس از سال‌ها هنوز جبران نشده است. در این مطلب از مجله فرادرس، در مورد بمب اتم، ترکیب، نحوه عملکرد و مراحل ساخت و انواع آن صحبت خواهیم کرد.

بمب اتم چیست ؟

به سلاح‌های هسته‌ای که از انرژی خروجی شکافت هسته‌ای برای انفجار‌های مهیب استفاده می‌کنند، بمب اتم گفته می‌شود. این بمب‌ها با بمب‌های هیدروژنی متفاوت هستند. در بمب هیدروژنی از شکافت و همجوشی هسته‌ای به طور هم‌زمان برای انفجار استفاده شده است. اما برای آن‌که در مورد نحوه ساخت و عملکرد بمب اتم بدانیم، ابتدا بهتر است با دو مفهوم شکافت و همجوشی هسته‌ای به زبان ساده آشنا شویم.

شکافت هسته ای چیست ؟

به تقسیم شدن هسته اتم بزرگ به هسته‌های کوچک‌تر، شکافت هسته‌ای گفته می‌شود. جرم هسته‌های کوچک‌تر به طور تقریب در حدود نصف جرم هسته اولیه است. در طی شکافت هسته‌ای، دو یا سه نوترون نیز تولید خواهند شد. ذکر این نکته مهم است که مجموع جرم‌های هسته‌های ایجاد شده از جرم هسته اصلی کمتر است. این جرم گم شده (در حدود ۰/۱ جرم هسته اولیه) بر طبق معادله اینشتین به انرژی تبدیل شده است.

اما فرآیند شکافت در رآکتور هسته‌ای چگونه است؟ داخل رآکتور هسته‌ای، نوترونی جذب هسته‌ اتمی مانند اورانیوم ۲۳۵ می‌شود. این هسته پس از جذب نوترون به اورانیوم ۲۳۶ ناپایدار تبدیل خواهد شد. کل هسته به دو قطعه به نام هسته‌های دختر تقسیم می‌شود. همان‌گونه که گفته شد علاوه بر هسته‌های دختر، دو یا سه نوترون در طی فرآیند شکافت تولید خواهند شد. این نوترون‌ها با دیگر هسته‌های اورانیوم برخورد می‌کنند و واکنش‌های شکافت بیشتری رخ می‌دهند. به این پدیده واکنش زنجیره‌ای گفته می‌شود.

نوترون‌های سریع بیشتر انرژی تولید شده از واکنش‌ها (در حدود ۹۹٪) را با خود حمل می‌کنند. اما، سرعت نوترون‌ها قبل از برخورد با هسته اورانیوم جدید باید کاهش یابد.

بدین ترتیب، انرژی به دیگر قسمت‌های رآکتور هسته‌ای منتقل و از آن برای گرم کردن آب و به راه انداختن توربین‌ها استفاده می‌شود. در ادامه، توربین‌ها ژنراتورها را به راه‌اندازی می‌کنند.

اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که رآکتور شکافت چیست؟ در ادامه، در مورد این نوع رآکتور به زبان ساده توضیح می‌دهیم.

رآکتور شکافت چیست‌ ؟

رآکتور شکافت از قسمت‌های مختلفی تشکیل شده است:

• سوخت هسته‌ای (ایزوتوپ اورانیوم که پس از برخورد با نوترون ورودی تقسیم خواهد شد): سوخت داخل میله‌ها نگهداری می‌شود. بنابراین، نوترون‌های تولید شده پس از شکافت با دیگر هسته‌های اورانیوم در میله‌های دیگر برخورد می‌کنند و سبب تولید واکنش‌های شکافت در میله‌های دیگر می‌شوند.
• هسته گرافیت: گفتیم سرعت نوترون‌ها قبل از برخورد به هسته اورانیوم باید کم شود. گرافیت این کار را انجام می‌دهد. با کاهش سرعت حرکت نوترون‌ها،‌ احتمال جذب آن‌ها توسط میله سوختِ نزدیک افزایش می‌یابد.
• میله‌های کنترل: این میله‌ها با حرکت به سمت بالا و پایین از حرکت نوترون‌ها بین میله‌های سوخت جلوگیری می‌کنند. بنابراین، سرعت واکنش زنجیره‌ای تغییر خواهد کرد.
• خنک‌کننده: این قسمت توسط انرژی آزاد شده از واکنش‌های شکافت گرم می‌شود. در نتیجه، برای به جوش آوردن آب و به حرکت درآوردن توربین‌ها در نیروگاه‌ها استفاده خواهد شد.
• حفاظ بتنی: گفتیم در طی واکنش‌های شکافت، هسته‌های دختر تولید می‌شوند. این هسته‌ها رادیواکتیو و سمی هستند. برای جلوگیری از برخورد پرتوهای رادیواکتیو با بدن افراد، اطراف رآکتور حفاظ بتنی نصب شده است.

به طور معمول، طراحی‌های رآکتور به گونه‌ای انجام شده است که سرعت واکنش و دمای داخل حفاظ بتنی کنترل شوند. واکنش کنتدل نشده شکافت هسته‌ای پایه بمب اتم است.

همجوشی هسته ای چیست ؟

همجوشی هسته‌ای هنگامی اتفاق می‌افتد که دو هسته سبک و کوچک به یکدیگر متصل می‌شوند و هسته سنگینی را تولید می‌کنند. واکنش‌های همجوشی در ستاره‌ها رخ می‌دهند. در آنجا، دو هسته هیدروژن تحت دما و فشار بالا به یکدیگر جوش می‌خورند و هسته ایزوتوپ هلیوم را تشکیل می‌دهند.

واکنش‌های همجوشی هسته‌ای مختلفی در خورشید رخ می‌دهند. ساده‌ترین واکنش هنگامی است که چهار هسته هیدروژن به یک هسته هلیوم تبدیل می‌شوند:

$$4 _1 ^ 1H \rightarrow _2 ^ 4He $$

جرم چهار هسته هیدروژن ترکیب شده برابر $$6.693 \times 10^{-27}$$ کیلوگرم خواهد بود. جرم یک هسته هلیوم برابر $$6.645 \times 10^{-27}$$ کیلوگرم است. این دو جرم با یکدیگر برابر نیستند. یعنی جرمی برابر $$0.048 \times 10^{-27}$$ گم شده است. این جرم گم شده به انرژی تبدیل شده که توسط خورشید تابش می‌شود.

در تمام واکنش‌های هسته‌ای، مقدار کمی جرم به انرژی تبدیل می‌شود. شاید مقدار انرژی به دست آمده خیلی زیاد نباشد، اما نباید فراموش کنیم که این انرژی، تنها حاصل همجوشی چهار هسته هیدروژن است.

۲۵۰ میلی‌لیتر آب در حدود $$1.6 \times 10^{25}$$ اتم هیدروژن دارد. همجوشی کامل تمام این هسته‌های هیدروژن انرژی در حدود ۱۷۲۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰ ژول آزاد خواهند کرد. انرژی آزاد شده توسط خورشید در حدود $$3.8 \times 10^{26}$$ در هر ثانیه تخمین زده شده است.

مساله مهمی در همجوشی هسته‌ای وجود دارد که باید به آن توجه شود. در طی این فرآیند، هسته‌ها باید به یکدیگر بسیار نزدیک شوند. اما، بار این‌ هسته‌ها هم‌نام و مثبت است. بنابراین، هنگامی که دو هسته به یکدیگر نزدیک می‌شوند به دلیل داشتن بار هم‌نام یکدیگر را دفع می‌کنند. فرآیند همجوشی باید به‌قدری سریع رخ دهد که دافعه بین بارهای مثبت زمان کافی برای توقف آن نداشته باشند. اما این اتفاق چگونه رخ خواهد داد؟ ذرات باردار باید بسیار سریع حرکت کنند.

ذرات باردار در محیطی به نام پلاسما (مانند محیط خورشید) بسیار سریع حرکت می‌کنند. در حقیقت، برای آن‌که فرآیند همجوشی رخ دهد، دمای گاز داغ یا پلاسما باید حداقل ۱۵۰۰۰۰۰۰ درجه سلسیوس باشد.

پس از آشنایی با دو فرآیند شکافت و همجوشی هسته‌ای، در مورد عملکرد بمب اتم توضیح می‌دهیم.

بمب اتم چگونه کار می کند ؟

اوج کار چندین ساله درخشان‌ترین ذهن‌ها بر روی زمین در ۶ آگوست سال ۱۹۴۵ میلادی پس از بمباران اتمی شهر هیروشیما در ژاپن نشان داده شد.

در آن زمان، بمب یکی از قدرتمند‌ترین سلاح‌های نظامی بود که اختراع شده بود. تخریب ایجاد شده در شهر هیروشیما به گونه‌ای بود که تا آن زمان هرگز دیده نشده بود. اما سوالی که مطرح است آن است که بمب اتم چگونه کار می‌کند؟

شاید فکر کنید که با تهیه کمی مواد و امکانات اولیه بتوان بمبی کوچک در خانه ساخت، اما سخت در اشتباهید. مواد مورد نیاز برای ساخت بمب اتم موادی با بالاترین سطح کنترل بر روی زمین هستند. اساس ساخت بمب اتم رابطه معروف آلبرت اینشتین است:

$$E=mc^2$$

اما معنای رابطه فوق چیست؟ در اصطلاح عامیانه، ماده برابر انرژی است و بنابراین، هر کدام می‌توانند به دیگری تبدیل شوند، ماده به انرژی و انرژی به ماده تبدیل خواهند شد. به عنوان مثال، آب گرم (ماده) به بخار (انرژی) و برعکس تبدیل می‌شود. اما، به هنگام صحبت در مورد بمب اتم، ماده چیست؟ در اینجا، اورانیوم ماده است. تبدیل آن به انرژی چیزی است که به هنگام انفجار بمب مشاهده می‌شود.

برای به‌دست آوردن انفجاری در حد انفجار اتمی هیروشیما، تنها مقدار ۶۰۰ میلی‌گرم اورانیوم کافی بود. این مقدار برابر جرم سه سیب متوسط است. از این مقدار کم ماده، انرژی کافی برای کشتن بیش از ۱۴۰۰۰۰ مردم بی‌گناه تولید شد. همان‌گونه که در مطالب قبل توضیح داده شد آزاد کردن این مقدار انرژی وابسته به تقسیم شدن هسته اتم دارد، که به این فرآیند، شکافت می‌گوییم.

در مورد شکافت و رآکتور هسته‌ای توضیح دادیم. گفتیم که در طی فرآیند شکافت، واکنش‌ها به صورت زنجیره‌ای رخ می‌دهند. هسته‌های اورانیوم به صورت پیوسته توسط آبشاری از نوترون‌ها تقسیم می‌شوند. هنگامی که این واکنش‌ها در محیطی کنترل شده رخ دهند، انرژی تولید شده بسیار مفید خواهد بود. از این انرژی می‌توان برای تولید برق و دیگر کارهای ضروری استفاده کرد.

اما در محیط غیرقابل‌کنترل، انرژی رها شده می‌تواند بسیار مخرب باشد. آیا اورانیوم تنها ماده‌ای است که از آن در ساختن بمب اتم استفاده می‌شود؟ خیر. مواد دیگری نیز این قابلیت را دارند. باید بدانیم که تمامی این مواد به شدت پرتوزا یا رادیواکتیو هستند.

برای ساخت بمب اتم انجام واکنش‌های زنجیره‌ای بسیار مهم است، اما چه عاملی سبب ایجاد این واکنش‌ها می‌شود؟

واکنش‌ های زنجیره ای

انجام واکنش‌های زنجیره‌ای یکی از قسمت‌های اصلی در ساخت بمب اتم است. برای این کار باید مقداری اورانیوم در تماس شدید با مقدار بیشتری اورانیوم قرار بگیرد. برای انجام این کار در بمب اتم، اورانیوم به سمت قطعه‌ای اورانیوم با سرعت بسیار زیادی شلیک می‌شود. این حالت شبیه شلیک گلوله از تفنگ است.

برخورد انجام شده منجر به واکنش‌های زنجیره‌ای موردنیاز خواهد شد و بمب اتم به دست می‌آید.

به زبان ساده، برای داشتن بمب اتم به دو مورد زیر نیاز داریم:

• ماده‌ای پرتوزا مانند اورانیوم یا پلوتونیوم
• انجام واکنش‌های زنجیره‌ای در فرآیند شکافت هسته‌ای

برای آشنایی با نحوه ساخت و عملکرد بمب اتم و انفجار آن، آشنایی نسبی با فیزیک یا شیمی هسته‌ای بسیار مفید خواهد بود.

ساختار بمب اتم چیست ؟

به طور معمول، برای ساخت بمب اتم از دو عنصر اورانیوم و پلوتونیوم استفاده می‌شود. واکنش شکافت هسته‌ای در بسیاری از ایزوتوپ‌های اورانیوم انجام می‌شود. اما این واکنش در اورانیوم ۲۳۵ به راحتی انجام انجام خواهد شد و نسبت به دیگر ایزوتوپ‌های اورانیوم، نوترون‌های بیشتری در روند هر واکنش شکافت ساطع می‌کند. پلوتونیوم ۲۳۹ نیز از این نظر مشابه اورانیوم ۲۳۵ است. این مواد شکافت‌پذیر اولین مواد مورد استفاده در بمب‌های اتمی هستند.

واکنش‌های زنجیره‌ای در مقدار بسیار کمی از اورانیوم ۲۳۵ (به عنوان مثال ۰/۴۵ کیلوگرم) رخ نمی‌دهند. بنابراین، برای آن‌که واکنش‌های زنجیره‌ای رخ دهند به حداقل جرم (جرم بحرانی) از اورانیوم یا پلوتونیوم نیاز است. دلیل این موضوع آن است که نوترون‌های آزاد شده در طی فرآیند شکافت ممکن است با احتمال زیادی بدون برخورد با هسته‌های دیگر از مجموعه خارج شوند. با اضافه کردن تعداد بیشتری اورانیوم ۲۳۵، احتمال برخورد نوترون‌های آزاد شده به هسته‌های دیگر اورانیوم و انجام واکنش شکافت هسته‌ای افزایش خواهد یافت.

برای توضیح مطلب فوق، به تصویر زیر دقت کنید. اگر هسته‌های اورانیوم کم باشند (تصویر سمت چپ)، احتمال برخورد نوترون تولیدی به هنگام عبور از میان آن‌ها کم خواهد بود. در مقابل، اگر تعداد هسته‌های اورانیوم (جرم بیشتر) افزایش یابد (تصویر سمت راست)، احتمال این‌که نوترون‌ها به هنگام عبور از میان آن‌ها با یکی از هسته‌ها برخورد کنند افزایش می‌یابد. در نقطه‌ای که در آن نوترون با هسته دیگر اورانیوم برخورد و شکافت دیگری را ایجاد کند، جرم بحرانی یا آستانه به دست می‌آید و در نتیجه، انفجار اتمی به وقوع خواهد پیوست.

در عمل، ماده شکافت‌پذیر باید بسیار سریع از حالت زیربحرانی به حالت بحرانی آورده شود. یکی از راه‌های انجام این کار قرار دادن دو جرم زیربحرانی در کنار یکدیگر است. در واقع، با قرار دادن این دو جرم باید به جرم بحرانی رسید. به طور معمول برای انجام این کار از لوله‌ای توخالی استفاده می‌شود. مواد شکافت‌پذیر با استفاده از مواد با قابلیت انفجار بالا به سمت یکدیگر شلیک می‌شوند.

در روش دوم، مرکز ماده شکافت‌‌پذیر به طور ناگهانی به اندازه کوچک‌تر با چگالی بزرگ‌تر فشرده می‌شود. از آنجایی که ماده در این حالت چگال‌تر است، هسته‌ها در فاصله نزدیک‌تری نسبت به یکدیگر قرار گرفته‌اند. بنابراین، احتمال برخورد نوترون ساطع شده به هسته افزایش خواهد یافت.

مرکز بمب اتمی انفجاری از کره یا تعدادی پوسته‌های دایر‌ه‌ای هم‌مرکز از مواد شکافت‌پذیر تشکیل شده است. این دایره‌ها با مواد منفجره احاطه شده‌اند. این مواد منفجره به صورت هم‌زمان منفجر می‌شوند. در اثر این انفجار، ماده شکافت‌پذیر تحت فشار بسیار زیاد به جرم چگال‌تری تبدیل خواهد شد. پس از آن، به حالت بحرانی و انجام واکنش‌های زنجیره‌ای می‌رسیم. برای رسیدن به حالت بحرانی می‌توان وسیله را دست‌کاری کرد. برای این کار از برلیوم اکسید یا مواد دیگری برای احاطه کردن ماده شکافت‌پذیر استفاده می‌شود. با انجام این کار، برخی از نوترون‌های فراری به سمت ماده شکافت‌پذیر برمی‌گردند و واکنش‌های شکافت بیشتری انجام می‌شوند.

علاوه بر دو مورد فوق، ممکن است از وسایل تقویت شکافت استفاده شود. در اینجا از مواد هم‌جوش‌پذیری مانند دوتریوم یا تریتیوم در مرکز شکافت استفاده شده است. ماده هم‌جوش‌پذیر با تامین تعداد کافی نوترون، انفجار شکافت را بهبود می‌بخشد.

در ادامه، در مورد این دو نوع بمب و فیزیک هسته‌ای حاکم بر آن‌ها با جزییات بیشتری صحبت خواهیم کرد.

فیزیک هسته ای حاکم بر انفجار بمب اتم

بمب‌های اتم از عنصر شکافت‌پذیر، مانند اورانیوم، ساخته شده‌اند. این عنصر به ایزوتوپ مناسبی برای انجام واکنش‌های زنجیره‌ای شکافت هسته‌ای غنی خواهد شد. هنگامی که نوترونی به هسته اتم شکافت‌پذیری مانند اورانیوم ۲۳۵ برخورد می‌کند، اورانیوم به دو اتم کوچک‌تر تقسیم می‌شود. در این واکنش تعدادی نوترون نیز تشکیل خواهند شد. با برخورد این نوترون‌های با هسته‌های دیگر اورانیوم، واکنش‌های زنجیره‌ای رخ می‌دهند.

در ساخت اولین بمب اتم ساخته شده به نام پسر کوچک از ۶۴ کیلوگرم اورانیوم غنی‌شده استفاده شد.

در سلاح‌های هسته‌ای که براساس شکافت کار می‌کنند، جرم ماده شکافت‌پذیر (اورانیوم غنی‌شده یا پلوتونیم) با جرم فوق‌بحرانی در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. همان‌گونه که در قسمت قبل گفته شد، این کار به دو صورت انجام می‌گیرد:

1. روش تفنگ: در این روش قطعه‌ای از ماده زیربحرانی به سمت جرم دیگر شلیک می‌شود.
2. روش انفجاری: در این حالت، عنصر مورداستفاده به شکل کره درآورده می‌شود. سپس، این ماده با استفاده از انفجارهای شیمیایی به حدی فشرده می‌شود که چگالی آن چندین برابر چگالی اولیه شود.

روش انفجاری در مقایسه با روش تفنگ بسیار پیچیده‌تر است. از این روش تنها هنگامی می‌توان استفاده کرد که ماده شکافت‌پذیر پلوتونیوم باشد. پرتوزایی ذاتی اورانیوم سبب آزاد شدن نوترون خواهد شد. این نوترون اتم دیگری از اورانیوم ۲۳۵ را بمباران می‌کند. در نتیجه این بمباران اورانیوم ۲۳۶ ناپایدار تشکیل می‌شود. شکافت هسته‌ای در این اتم ناپایدار رخ می‌دهد و نوترون‌های بیشتری آزاد خواهند شد. بدین‌ترتیب، فرآیند با انجام واکنش‌های زنجیره‌ای ادامه می‌یابد.

معادله زیر یکی از تقسیم‌های اورانیوم را نشان می‌دهد. در این واکنش اورانیوم به استرونیوم و زنون ۱۳۹ تقسیم شده است. همچنین، دو نوترون همراه با انرژی به مقدار ۱۸۰ مگا الکترون‌ولت آزاد شده‌اند.

$$^{235} U + _0^1 n \rightarrow ^{95}Sr + ^{139} Xe + 2 _0^1 n + 180 MeV$$

در روش تفنگی از مواد منفجره معمول برای فشرده‌سازی از یک طرف استفاده شده است. در حالی‌که، در روش انفجاری، فشرده‌سازی در تمام جهت‌ها و به صورت هم‌زمان انجام می‌شود.

انرژی آزاد شده به ازای هر اتم در حدود ۱۸۰ میلیون الکترون‌ولت (MeV) است. در حدود ۹۳ درصد انرژی تولید شده برابر انرژی حرکتی یا انرژی جنبشی قطعه‌های شکافت باردار است.

بار الکتریکی زیاد این قطعه‌های باردار سبب برخوردهای غیرکشسان زیادی با هسته‌های نزدیک می‌شود. بنابراین، این قطعه‌های داخل بمب محبوس باقی خواهند ماند. در این زمان، ماده موجود در مرکز بمب اتم در دمایی برابر میلیون‌ها درجه سانتی‌گراد به پلاسما تبدیل شده است. انرژی پرتو اشعه ایکس منجر به انفجار و آتش‌سوزی خواهد شد.

در طی فرآیند شکافت مقدار قابل‌ملاحظه‌ای انرژی آزاد می‌شود. مقدار این انرژی به ماده‌ مورد استفاده در ساخت بمب اتم نیز بستگی خواهد داشت. هنگامی که فرآیند شکافت به طور کامل انجام شود، انرژی تولید شده توسط یک کیلوگرم اورانیوم معادل مقدار انرژی است که توسط ۱۷۰۰۰ تن TNT آزاد می‌شود. انفجار بمب اتم مقدار بسیار زیادی انرژی گرمایی تولید می‌کند. پس از انفجار، دما تا میلیون ها درجه سانتی‌گراد در داخل بمب افزایش خواهد یافت. انرژی گرمایی تولید شده پس از انفجار بمب منجر به ایجاد گلوله آتشین بزرگی می‌شود. این گلوله آتشین به تنهایی می‌تواند کل شهر کوچکی را بسوزاند و با خاکستر یکسان کند. موج ضربه‌ای تولید شده پس از انفجار را نباید نادیده گرفت. این موج تا کیلومتر‌ها از محل انتشار منتشر خواهد شد و ساختمان‌های زیادی را ویران می‌کند.

همچنین، پس از انفجار مقادیر زیادی اشعه گاما و نوترون ساطع خواهند شد. این تابش مرگ‌بار در فاصله ۱/۵ تا ۳ کیلومتری از محل انفجار به سرعت کاهش می‌یابد.

مراحل ساخت بمب اتم

تاکنون در مورد ساختار بمب اتم و نحوه عملکرد آن به زبان ساده توضیح دادیم. اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که برای ساخت این بمب چه مراحلی باید طی شود؟ و چرا برخی کشورها به این تکنولوژی دست یافته‌اند؟ برای ساخت بمب اتم چند گام اصلی وجود دارد.

گام اول: انتخاب ایزوتوپ

به عنوان نخستین گام، هر نیروگاه هسته‌ای باید دانشمندان هسته‌ای، مهندسان و تکنسین‌های مجرب را استخدام کند. این تیم حرفه‌ای نکته اصلی برای ساخت بمب اتم را می‌داند: اگر هسته‌ سنگین اتمی تقسیم شود، انرژی بسیار زیادی از مقدار کوچکی جرم تولید خواهد شد. از این انرژی می‌توان برای تولید الکتریسیته یا درمان سرطان استفاده کرد. انفجارهای هسته‌ای در اثر واکنش‌های زنجیره‌ای کنترل نشده در مقدار بسیار زیادی ماده رخ می‌دهند.

رایج‌ترین ایزوتوپ‌ها اورانیوم ۲۳۵ و پلوتونیوم ۲۳۹ هستند. کشورهای بزرگی مانند روسیه و آمریکا از پلوتونیوم ۲۳۹ استفاده می‌کنند. باید بدانید که این عنصر در طبیعت وجود ندارد. این عنصر باید داخل رآکتور هسته‌ای ساخته شود. اما، اورانیوم در طبیعت وجود دارد. بنابراین، بیشتر کشورها از آن در برنامه‌های هسته‌ای خود استفاده می‌کنند.

گام دوم: به دست آوردن اورانیوم

در بین هشت مرحله، مرحله دوم ساده‌ترین مرحله است. اورانیوم به صورت تجاری در سراسر جهان استخراج و به صورت پودری موسوم به کیک زرد فروخته می‌شود. در برخی کشورها، مانند ایران، استخراج و آماده‌سازی اورانیوم برای رسیدن به کیک زرد را به تنهایی انجام می‌دهند. کشورهای دیگر به بزرگ‌ترین تامین کننده آن یعنی قزاقستان مراجعه می‌کنند. این کشور در سال ۲۰۱۱ در حدود ۲۰۰۰۰ تن اورانیوم صادر کرد.

متاسفانه، خرید توده‌ای اورانیوم معایبی دارد. اورانیوم صادر شده از کشور قزاقستان بیشتر اورانیوم ۲۳۸ است. این ایزوتوپ که به طور طبیعی وجود دارد هیچ واکنش هسته‌ای را تحمل نمی‌کند. ساده‌ترین سلاح هسته‌ای در حدود ۵۰ کیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ با ۹۰ درصد خالصی نیاز دارد. به هنگام انتقال اورانیوم نیاز به ذخیره‌کردن آن است. این بدان معنا است که کشور موردنظر باید فکری در مورد ساختن مرکز هسته‌ای کند.

گام سوم: پردازش

به‌منظور به دست آوردن اورانیوم ۲۳۵، در ابتدا باید ایزوتوپ‌های آن جدا شوند. انجام این کار سخت‌تر از آن است که به نظر می‌رسد. از نظر شیمیایی ایزوتوپ‌های اورانیوم ۲۳۵ و ۲۳۸ یکسان هستند. تنها راه جداسازی، توجه به جرم این دو ایزوتوپ است. اورانیوم ۲۳۸ تعداد نوترون‌های بیشتری دارد و بنابراین، کمی سنگین‌تر است.

یکی از موثرترین تکنیک‌ها، چرخش اورانیوم داخل سانتریفیوژ است. اما اگر برای این کار از پودر اورانیوم استفاده کنیم، اوضاع کمی کثیف و بهم‌ریخته خواهد شد. بنابراین، کیک زرد را به شکل گاز درمی‌آورند. برای این کار مراحل زیر طی می‌شوند:

• در ابتدا به منظور سوزاندن ناخالصی‌ها، اورانیوم گرم می‌شود.
• در ادامه، اورانیوم در معرض فلورید هیدروژن قرار می‌گیرد و محصول تترافلوئورید اورانیوم به دست می‌آید.
•  سپس، تترافلوئورید اورانیوم داخل کوره‌ای پر از گاز فلور گرم می‌شود.
• در انتها، گاز هگزافلورید اورانیوم به دست خواهد آمد.

این محصول بسیار خورنده و خطرناک است. بنابراین، کار با آن دقت زیادی را می‌طلبد.

پس از انجام مراحل بالا، وقت استفاده از سانتریفیوژ است. با استفاده از این وسیله اورانیوم ۲۳۵ از اورانیوم ۲۳۸ جدا می‌شود. برای جدا کردن جرم‌های اتمی بسیار کوچک به سانتریفیوژی نیاز است که با تعداد ده‌ها هزار دور در دقیقه بچرخد. این تکنولوژی بسیار پیچیده است و نیاز به دانش بالایی دارد. در ادامه، کمی در مورد نحور عملکرد سانتریفیوژ توضیح می‌دهیم.

سانتریفیوژ چیست و چگونه کار می کند ؟

سانتریفیوژ تکینیکی است که در آن مخلوط‌های مختلف را با استفاده از نیروی گریز از مرکز جدا می‌کنند. سانتریفیوژ وسیله‌ای است که با موتور الکتریکی کار می‌کند. مخلوط موردنظر در جایگاه مخصوصی درون سانتریفیوژ قرار داده می‌شود و پس از روشن شدن دستگاه، حول محور ثابتی می‌چرخد.

اساس کار سانتریفیوژ بر پایه رسوب‌گذاری است. به این مثال توجه کنید. بطری پر از آب‌پرتقال تازه را برای مدت زمان مشخصی بر روی میز قرار دهید. اگر بعد از مدت زمان مشخصی بطری را بردارید و آن را نگاه کنید، مقداری ماده ته‌نشین شده را خواهید دید. دلیل این امر آن است که مواد ته‌نشین شده از آب‌پرتقال چگال‌تر هستند. در اینجا، مواد چگال‌تر به دلیل نیروی گرانش وارد شده از طرف زمین ته‌نشین شده‌اند. اما شاید آنقدر صبور نباشید. در اینجا می‌توانید از سانتریفیوژ استفاده کنید. این وسیله با اعمال نیرویی بسیار بیشتر از نیروی گرانش، فرآیند ته‌نشینی را تسریع می‌بخشد.

با توجه به مثال فوق، جداسازی کلوئیدها و مخلوط‌هایی که اجزا تشکیل دهنده آن‌ها مشخص هستند، براساس چگالی اجزا تشکیل دهنده آن‌ها انجام می‌شود. در حالت عادی، نیروی جاذبه وارد شده از طرف زمین نقش مهمی را ایفا خواهد کرد. انواع مختلف روش‌های جداسازی عبارتند از:

• «ایزوپیکنیک» (Isopycnic)
• «فراپالایش» (Ultrafiltration)
• اختلاف چگالی
• جداسازی براساس فاز
• به شکل گلوله درآوردن یا «پلت کردن» (Pelleting)

در بیشتر سانتریفیوژها از روش پلت کردن استفاده می‌شود. در این روش، ذرات به شکل قرص در کف لوله سانتریفیوژ قرار می‌گیرند و از محلول اصلی جدا می‌شوند.

انواع سانتریفیوژ 

دو نوع اصلی سانتریفیوژ صنعتی وجود دارند:

1. سانتریفیوژهای پالایشی
2. سانتریفیوژهای ته‌نشینی یا رسوب‌گذاری

۱. سانتریفیوژهای پالایشی: در این سانتریفیوژ از سبدی با تعدای حفره استفاده شده است. در این‌ صورت، به هنگام چرخش سانتریفیوژ، مایع از این حفره‌ها عبور می‌کند. مواد جامد توده‌ای در مخلوط‌ها برای عبور از این حفرات بسیار بزرگ هستند. برخی از ذرات مایع با استفاده از پیوند‌های هیدروژنی ضعیف به مواد جامد متصل شده‌اند. هنگامی که سانتریفیوژ به سرعت‌های بالایی می‌رسد، این پیوندهای ضعیف شکسته می‌شوند.

دور نهایی ماشین لباسشویی مثالی از سانتریفیوژ پالایشی است.

کاربردهای صنعنی این سانتریفیوژها عبارتند از:

1. جدا کردن قندهای کریستالی یا متبلور از شیره افرا
2. پردازش مواد معدنی برای جداسازی فلزهای گران‌بها
3. پردازش شیمیایی نمک

اساس کار سانتریفیوژ پالایشی در تصویر زیر نشان داده شده است.

۲. سانتریفیوژهای ته‌نشینی: در این نوع سانتریفیوزها، مواد جامد در کف لوله سانتریفیوژ جمع و به راحتی جدا می‌شوند. کاربردهای صنعتی آن عبارتند از:

1. تصفیه آب
2. حفاری نفتی یا گازی
3. فرآوری مواد لبنی

همان‌گونه که در تصویر نشان داده شده مشاهده می‌کنید، مواد چگال‌تر پس از قرار داده شدن در دستگاه سانتریفیوژ ته‌نشینی، در کف لوله جمع شده‌اند.

گام چهارم: غنی‌ سازی

همان‌گونه که در مطالب بالا گفته شد، استفاده از سانتریفیوژ یکی از بخش‌های جدایی‌ناپذیر برای ساخت بمب اتم است. هر کشوری برای این کار نیاز به چندین هزار سانتریفیوژ دارد. این سانتریفیوژها باید در کنار یکدیگر و به صورت آبشاری قرار داده شوند. در این صورت، غنی‌سازی گاز هگزافلورید اورانیوم آسان‌تر انجام خواهد شد. این گاز با عبور از آبشاری به آبشار دیگر سبب تجمع آهسته اورانیوم ۲۳۵ می‌شود. این فرآیند خسته‌کننده ممکن است ماه‌ها به طول انجامد. حتی این فرآیند ممکن است به دلیل خراب شدن دستگاه‌ها طولانی‌تر نیز شود.

گام پنجم: طراحی

مرحله پس از غنی‌سازی، طراحی بمب است. در ابتدا باید مشخص شود که از این سلاح هسته‌ای برای چه هدفی استفاده خواهد شد. با توجه به هدف انتخاب شده، نوع بمب اتم مشخص می‌شود. در مطالب بالا، در مورد n, نوع بمب اتم توضیح دادیم. در نتیجه، طراحی انجام شده براساس یکی از این سه نوع خواهد بود. اما آیا طراحی بمب کار سختی است؟ هرگز. برای طراحی، دانستن فیزیک الزامی است.

گام ششم: ساخت

در این مرحله، غنی سازی ایزوتوپی اورانیوم ۲۳۵ و طراحی بمب انجام شده است، اما تا ساخت بمب هنوز فاصله زیادی وجود دارد. در ابتدا، تیم دانشمندان هسته‌ای باید اورانیوم را از فاز گازی به فلز تبدیل کنند. یک راه ساده استفاده از آب، هیدروفلوریک اسید و منیزیم است. وقتی فلز موردنظر آماده شد، باید با استفاده از دستگاه‌های تراشکاری پیشرفته به شکل طراحی در نظر گرفته‌شده در بیاید.

1. اگر هدف ساخت «سلاح انفجاری» (Implosion weapon) باشد، فلز باید به شکل دو نیم‌کره تراش داده شود.
2. اگر هدف ساخت سلاح نوع تفنگی باشد، فلز باید به شکل دیسک تراش داده شود.

در این مرحله دقت بسیار مهم است. اگر اشتباهی رخ دهد، احتمال پیش‌ آمدن اتفاق‌های ناگوار بسیار بالا خواهد بود.

 

گام هفتم: گسترش سیستم انتقال و تحویل

سلاح هسته ای ساخته شده را باید به گونه ای منتقل کرد. مسیرهای انتقال ممکن است طولانی یا کوتاه باشند. در هر صورت، راه انتقال باید به گونه‌ای باشد که امنیت افراد به خطر انداخته نشود.

گام هشتم: آزمایش

سلاح هسته‌ای چه ساده باشد یا پیچیده، آزمایش موفقیت‌آمیز آن بسیار مهم خواهد بود. این روزها، آزمایش سلاح‌های هسته‌ای زیر زمین انجام می‌شوند. شکل انفجار با حالت واقعی انفجار بمب اتم متفاوت خواهد بود. در این‌جا، تنها نتیجه نهایی مهم است. همان‌گونه که در تصویر فوق مشاهده می‌شود، در فاصله‌ای دور آزمایش سلاح هسته‌ای در حال انجام است و سربازان به تماشای آن نشسته‌اند.

تاکنون با نحوه عملکرد و مراحل ساخت بمب اتم آشنا شدیم. آیا می‌دانید برای ساخت بمب اتم چه مقدار اورانیوم لازم است؟

بمب اتم چقدر اورانیوم نیاز دارد ؟

این‌گونه به نظر می‌رسد که در حدود بیست کیلوگرم اورانیوم به شکل UF6 که به ۹۰ درصد اورانیوم ۲۳۵ غنی شده باشد برای ساخت یک سلاح هسته‌ای کافی باشد. پس از غنی‌سازی، اورانیوم باید طی انجام یک‌سری فرآیندها به شکل فلز برای ساخت قطعه‌های مختلف بمب در بیاید. پس از انجام این کار، در حدود بیست درصد ماده از بین می‌رود.

دست‌یابی به بمب اتم از طرف جوامع بین‌المللی برای بسیاری از کشورهای جهان محدود شده است. بسیاری از کشورها اجازه استفاده صلح‌آمیز از انرژی هسته‌ای را دارند. اما آیا می‌دانید کدام‌یک از کشورها به بمب اتم دست یافته‌اند؟

کدام کشورها بمب اتم دارند ؟

می‌دانیم سلاح هسته‌ای وسیله‌ای انفجاری است که نیروی مخرب خود را مدیون شکافت هسته‌ای، همجوشی هسته‌ای یا هر دوی آن‌ها است.

به سلاح‌های هسته‌ای، بمب‌های اتمی، بمب‌های اتم، بمب، بمب‌های هسته‌ای، یا کلاهک‌های هسته‌ای گفته می‌شود. هر سلاح هسته‌ای در یکی از گروه‌های زیر قرار می‌گیرد:

1. سلاح شکافت
2. سلاح ترکیبی
3. طراحی بر پایه همجوشی که بسیار مخرب‌تر هستند. به این دسته به اصطلاح سلاح‌های گرماهسته‌ای یا بمب‌های گرماهسته‌ای گفته می‌شود.
4. سلاح‌های همجوشی
5. بمب‌های هیدروژنی

بمب‌های اتمی پس از انفجار مقدار زیادی انرژی همراه با گرما و تشعشع ساطع می‌کنند. این سلاح‌ یکی از خطرناک‌ترین سلاح‌های جنگی بر روی زمین است و در صورت انفجار افراد زیادی را بی‌خانمان، بیمار یا مجروح خواهد کرد. علاوه بر این موارد، بسیاری از افراد بی‌گناه از جمله زنان و کودکان کشته می‌شوند. تصویر زیر کشورهای دارای سلاح هسته‌ای را نشان می‌دهد.

انبارهای سلاح هسته ای

امروزه، در حدود ۱۳۰۸۰ کلاهک هسته‌ای در سراسر جهان وجود دارند. این تعداد بسیار کمتر از تعداد کلاهک‌های متعلق به کشورهای آمریکا و روسیه در اوج جنگ سرد است. ذکر این نکته مهم است که تعداد کشورهای دارای بمب اتم نسبت به ۳۰ یا ۴۰ سال قبل افزایش یافته است. در حال حاضر، بیشترین تعداد سلاح‌های هسته‌ای با تعدادی در حدود ۶۲۵۷ متعلق به کشور روسیه است. از این تعداد، ۱۴۵۸ سلاح در حالت آماده‌باش نظامی قرار گرفته‌اند. بر طبق معاهده «استارت ۲» (Strategic Arms Reduction Treaty یا START II) دو کشور آمریکا و روسیه هر دو به تعداد کل ۱۵۵۰ سلاح هسته‌ای در حالت آماده‌باش نظامی محدود شده‌اند.

۳۰۳۰ سلاح هسته‌ای در روسیه غیرفعال هستند، ولی ممکن است در آینده‌ای نزدیک فعال شوند. مابقی سلاح‌های هسته‌ای، یعنی ۱۷۶۰ سلاح باقی‌مانده، در آینده‌ای نزدیک برچیده خواهند شد. آمریکا از نظر تعداد سلاح هسته‌ای و با عدد ۵۵۵۰ در رتبه دوم قرار دارد. از این تعداد، ۱۳۸۹ سلاح در حالت آماده‌باش، ۲۳۶۱ سلاح غیرفعال ولی در دسترس و ۱۸۰۰ عدد در صف برای برچیدن هستند.

کشورهای دارای بمب اتم

جدول زیر کشورهایی که سلاح هسته‌ای یا بمب اتم دارند را نشان می‌دهد.

بمب اتم در دوران جنگ جهانی دوم

تا امروز، تنها دو بار از بمب اتم در جنگ‌ها استفاده شده است. در روزهای پایانی جنگ جهانی دوم یعنی پنجم آگوست ۱۹۴۵ میلادی معادل یکشنبه ۱۴ مرداد ۱۳۲۴ شمسی، آمریکا بمب اتمی موسوم به پسر کوچک را در شهر هیروشیمای ژاپن رها کرد. بمب دوم به نام مرد چاق در تاریخ نهم آگوست ۱۹۴۵ میلادی معادل پنجشنبه ۱۸ مرداد ۱۳۲۴ شمسی، در شهر ناکازاکی ژاپن رها شد. پسر کوچک با نیروی انفجاری در حدود ۱۵ کیلوتن منفجر شد. با اعمال این نیرو بیشتر ساختمان‌ها تا شعاع ۱/۶ کیلومتری از محل انفجار تخریب شدند. دما در محل انفجار تا حدود ۶۰۰۰ درجه سانتی‌گراد یا ۱۰۸۳۰ درجه فارنهایت بالا رفت. در نتیجه، هر چیزی که در نزدیکی محل انفجار قرار داشت شعله‌ور شد و از بین رفت.

یکی از مهم‌ترین نکته‌ها پس از انفجار بمب اتم، انتشار تشعشع یونیزه خطرناک و پرتوهای رادیواکتیو است. این پرتوها و تشعشعات به شدت برای افراد مضر هستند و اثرات آن ممکن است تا نسل‌ها بعد باقی بمانند. بنابر اخبار منتشر شده در آن سال، تعداد کشته‌های بمباران هیروشیما برابر ۶۶۰۰۰ و تعداد زخمی‌ها برابر ۶۹۰۰۰ بود. تعداد افراد کشته شده و زخمی در بمباران ناکازاکی به ترتیب برابر ۳۹۰۰۰ و ۲۵۰۰۰ تخمین زده شده است. تصویر زیر گوشه‌ای از خرابی‌های شهر ناکازاکی ژاپن پس از بمباران اتمی را نشان ‌می‌دهد. این تراژدی هرگز فراموش نخواهد شد.

تشدید تنش‌های هسته‌ ای در زمان جنگ سرد

سلاح هسته‌ای پس از بمباران اتمی دو شهر هیروشیما و نازاکی در ژاپن، به عنوان سلاح نهایی مورد استفاده در جنگ تعیین شد. پس از آن، مسابقه نظامی بین دو کشور آمریکا و شوروی سابق به راه افتاد. این مسابقه در سال ۱۹۸۶ به اوج خود رسید. در آن سال، شوروی سابق در حدود ۴۰۰۰۰ کلاهک هسته‌ای و آمریکا ۲۳۰۰۰ کلاهک هسته‌ای داشتند. پس از فروپاشی شوروی در سال ۱۹۹۱، هزاران سلاح هسته‌ای در هر دو کشور آمریکا و شوروی از بین رفتند.

اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که مسابقه نظامی بین آمریکا و شوروی سابق در سال‌های پس از جنگ جهانی دوم چگونه پیش رفت؟

آمریکا پس از ساخت اولین بمب اتم در صدد بود ساخت آن را در انحصار خود در بیاورد. اما تکنولوژی و نحوه ساخت بمب اتم به سرعت گسترش یافت.

تاریخ ششم و نهم آگوست ۱۹۴۵ معادل ۱۵ و ۱۸ مرداد سال ۱۳۲۴

در این دو روز، آمریکا دو شهر هیروشیما و ناکازاکی در ژاپن را هدف بمب اتم قرار داد. شهرهای زیادی از بین رفتند و جنگ جهانی دوم به پایان رسید.

تاریخ ۲۹ آگوست ۱۹۴۹ معادل هفتم شهریور ۱۳۲۸

شوروی سابق در این روز اولین بمب اتمی ساخته شده را آزمایش کرد. بنابراین، شوروی دومین کشوری بود که با موفقیت بمب اتم را ساخت و آزمایش کرد.

تاریخ سوم اکتبر ۱۹۵۲ معادل ۱۱ مهر ۱۳۳۱

کشور انگلیس اولین بمب اتم را در جزیره‌ای در غرب استرالیا آزمایش کرد. بعد‌ها، آزمایش‌های بیشتری در جنوب استرالیا انجام داد.

تاریخ ۱۳ فوریه ۱۹۶۰ معادل ۲۳ بهمن ۱۳۳۸

فرانسه نخستین بمب اتم را در بیابان صحرا در آفریقا منفجر کرد. نیروی انفجاری در حدود ۶۰ تا ۷۰ کیلوتن تخمین زده شد. این کشور آزمایش‌های بیشتری در اقیانوس آرام جنوبی تا سال ۱۹۹۶ انجام داد.

تاریخ شانزدهم تا بیست و نهم اکتبر ۱۹۶۲ معادل ۲۴ مهر تا ۸ آبان ۱۳۴۱

تنشی بین آمریکا و شوروی سابق معروف به بحران موشکی کوبا آغاز شد. این تنش پس از کشف موشک‌های شوروی در کوبا توسط آمریکا آغاز شد. آمریکا شروع به محاصره دریایی جزیره کرد. این تنش، دو قدرت جهان را تا مرز جنگ هسته‌ای پیش برد.

تاریخ شانزدهم اکتبر ۱۹۶۴ معادل ۲۴ مهر ۱۳۴۳

در این سال چین به عنوان پنجمین کشور، بمب اتم را آزمایش کرد. این کشور ۴۵ بمب اتم دیگر را تا سال ۱۹۹۶ مورد آزمایش قرار داد.

تاریخ اول جولای ۱۹۶۸ معادل ۱۰ تیر ۱۳۴۷

معاهده‌ای تحت عنوان «معاهده عد‌م افزایش سلاح هسته‌ای» (negotiated arms control agreements Treaty یا NPT) بین کشورهای مختلف امضا شد. بر طبق این معاهده، کشورهای بدون سلاح هسته‌ای متعهد شدند که هرگز به سمت ساخت آن نروند، و قدرت‌های هسته‌ای باید تعهدی مبتی بر خلع هسته‌ای را بپذیرند.

تاریخ ۱۸ می سال ۱۹۷۴ معادل ۲۸ اردیبهشت ۱۳۵۳

در این سال هند آزمایش هسته‌ای زیرزمینی را انجام داد. از آنجایی که این اولین آزمایش هسته‌ای هند پس از معاهده ‌NPT بود، از امضای آن و هر معاهده مشابهی خودداری کرد.

تاریخ نهم اکتبر سال ۲۰۰۶ معادل ۱۷ مهر ۱۳۸۵

کره‌شمالی در ابتدا عضو معاهده ‌NPT شد. اما در سال ۲۰۰۶ از این معاهده خارج شد و شروع به آزمایش سلاح‌های هسته‌ای کرد. گفته می‌شود که این کشور تاکنون بیست کلاهک هسته‌ای را با اثربخشی نامشخص جمع‌آوری کرده است.

معاهده های محدود کننده فعالیت های هسته ای

بمب اتم یکی از مخرب‌ترین و خطرناک‌ترین سلاح‌های نظامی استفاده شده توسط بشر تا امروز بوده است. بنابراین، حکومت کشورهای مختلف در سال ‍۱۹۷۰ در مورد استفاده کنترل‌ شده از تسلیحات نظامی به معاهده‌ای تحت عنوان NPT رسیدند. در ادامه، معاهده‌های متعدد دیگری نیز نوشته شدند. هدف NPT جلوگیری از گسترش سلاح‌های هسته‌ای است. تا سال ۲۰۲۲ بیشتر کشورها ‌NPT را پذیرفته‌اند. گرچه، کره شمالی در سال ۲۰۰۶ از این معاهده خارج شد.

بر طبق مطالب گفته شده در بالا این‌گونه به نظر می‌رسد که ساخت بمب اتم کار راحتی نیست، اما چرا؟

چرا ساخت بمب اتم سخت است ؟

تاکنون تنها ده کشور به روش ساخت بمب اتم دست یافته‌اند. بنابراین این‌گونه به نظر می‌رسد که ساخت این سلاح چندان هم راحت نیست.

بسیاری از کشورها و افراد، تئوری ساخت بمب اتم را از حفظ هستند. در سال ۱۹۶۷، از سه استاد منتخب فیزیک بدون هیچ تجربه‌ای در زمینه ساخت سلاح هسته‌ای دعوت به عمل آمد که طرحی برای ساخت بمب اتم ارائه دهند و در کمال شگفتی طراحی آن‌ها بسیار خاص و معتبر بود. با انجام این کار میزان سختی تولید بمب اتم ارزیابی شد.

در آن زمان، به دست آوردن مواد لازم برای سوخت بمب سخت بود. ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ بسیار ناپایدار است و کمتر از یک درصد سنگ‌معدن اورانیوم را تشکیل داده است. بر طبق محاسبات انجام شده، اورانیوم حداقل باید تا غلظت ۸۰ درصد اورانیوم ۲۳۵ تصفیه شود. اما، تصفیه تا غلظت ۹۰ درصد ترجیح داده می‌شود.

اما این تنها آغاز راه است. مانع‌های دیگری از غنی‌سازی ماده و ساخت موفقیت‌آمیز تا ساخت اسلحه انفجاری باقی مانده است. یکی از محبوب‌ترین راه‌های رسیدن به بمب اتم استفاده از فرآیند سانتریفیوژ گازی است. در این مرحله، هگزافلورید اورانیوم به شکل گازی داخل استوانه چرخانی آزاد می‌شود. نیروی تولید شده توسط این استوانه سبب جدا شدن ایزوتوپ‌های اورانیوم ۲۳۵ از ایزوتوپ‌های سنگین‌تر یعنی اورانیوم ۲۳۸ خواهد شد.

تفاوت اورانیوم ۲۳۵ نسبت به نوع ۲۳۸ در آن است که نوع ۲۳۵ به راحتی در واکنش‌های زنجیره‌ای شرکت می‌کنند. همان‌گونه که در مطالب بالاتر گفته شد در واکنش‌های زنجیره‌ای ذره‌ای ریزاتمی مانند نوترون، اتم پرتوزایی مانند اورانیوم را قطعه‌های کوچک‌تر تقسیم می‌کند. قدرت تخریبی بمب اتم از آنجا ناشی می‌شود که نوترون‌های تولید شده از واکنش اول با دیگر اتم‌های اورانیوم برخورد کنند و آن‌ها را تقسیم کنند. به این ترتیب واکنش زنجیره‌ای انجام خواهد شد.

قسمت چالش‌برانگیز ساخت بمب اتم

به منظور حفظ واکنش زنجیره‌ای برای انفجار بمب اتم، اتم‌ها باید در حالتی به نام جرم فوق‌بحرانی نگه داشته شوند. در این حالت، تعداد بیشتری از نوترون‌های آزاد از هر تقسیم اتمی، به دیگر اتم‌های اورانیوم برخورد می‌کنند و سبب تقسیم آن‌ها خواهند شد. شکل‌گیری جرم فوق‌بحرانی در بمب اتم در ابتدا با ذخیره‌سازی سوخت به عنوان جرم‌های فوق‌بحرانی جدا، انجام می‌شود. با انجام این کار، از انفجار زودهنگام بمب جلوگیری خواهد شد. سپس، دو جرم به یکدیگر متصل می‌شوند.

سوخت اولین بمب اتم یعنی «پسر کوچک» (Little Boy) اورانیوم بود. نیروی حاصل از انفجار این بمب در شهر هیروشمای ژاپن برابر ۱۵ کیلوتن TNT بود. اما بر طبق بحث‌های انجام شده، یکی از اصلی‌ترین مشکل‌های بمب‌های اورانیومی، وزن سنگین اورانیوم استفاده شده در آن‌ها عنوان شد. در واقع، این عنصر یکی از سنگین‌ترین عناصر در طبیعت (دو برابر سنگین‌تر از سرب) است. بر طبق آزمایشات انجام شده، بمب اتم برای کارآیی مفید به حدود ۱۵ کیلوگرم اورانیوم غنی‌شده نیاز دارد. همچنین، حجیم بودن دیگر مواد استفاده شده در بمب، استفاده از این وسیله را در سیستم‌های موشکی بسیار سخت کرده است.

چه راه‌ حلی برای حل این مشکل ارائه شده است؟ یکی از راه‌های پیشنهاد شده استفاده از عنصر سبک‌تر پلوتونیوم به عنوان سوخت است. به عنوان مثال، بر طبق تخمین موسسه انرژی آمریکا در حدود ۴ کیلوگرم پلوتونیوم غنی‌شده یا پلوتونیوم ۲۳۹ برای ساخت سلاح هسته‌ای کوچک لازم است. حتی، برخی از دانشمندان معتقدند که مقدار یک کیلوگرم پلوتونیوم ۲۳۹ کافی خواهد بود.

بمب‌های پلوتونیومی با استفاده از روش انفجاری منفجر می‌شوند. در این روش، پلوتونیوم غنی‌شده در محفظه توپی‌ شکل محاصره شده توسط مواد منفجره، نگه‌داری می‌شود. اما، استفاده از پلوتونیوم به جای اورانیوم مشکلات دیگری ایجاد کرده است.

مشکلات استفاده از پلوتونیوم به عنوان سوخت

شاید عنصر پلوتونیوم به دلیل وزن کمتر جایگزین مناسب‌تری برای اورانیوم باشد، اما در کنار این مزیت، مشکلات دیگری ایجاد شده‌اند. به عنوان مثال، برای فشرده‌سازی پلوتونیوم برای ساخت کلاهک هسته‌ای نیاز به ساخت تجهیزات بزرگ و با هزینه بسیار زیاد برای انجام فرآیندهای شیمیایی خواهد بود.

مشکل دیگر طراحی کلاهک هسته‌ای است. این کار حتی برای کشورهایی با برنامه‌های هسته‌ای دقیق نیز چالش‌برانگیز خواهد بود. کلاهک‌های هسته‌ای وسایل بسیار پیچیده‌ای هستند. تمام انفجار در کسر کوچکی از ثانیه رخ می‌دهد. بنابراین، قسمت سخت ماجرا ساخت کلاهکی با قابلیت جداسازی قابل‌اعتماد در سراسر قسمت‌های مختلف است.

سازنده بمب اتم کیست ؟

رابرت اوپنهایمر پدر بمب اتم است. دانشمندان برای نخستین بار بمب اتم را در زمان جنگ جهانی دوم ساختند. این بمب تنها دو بار در زمان جنگ و توسط آمریکا برای بمباران دو شهر هیروشیما و ناکازاکی استفاده شد.

اولین بمب اتم در «لس‌آلاموس» (Los Alamos) در «نیومکزیکو» (New Mexico) در طی جنگ جهانی دوم تحت برنامه‌ای به نام «پروژه منهتن» (Manhattan Project) ساخته شد. در نوامبر سال ۱۹۴۲ «لسلی گرووز» (Leslie R. Groves) و «رابرت اوپنهایمر» (J. Robert Oppenheimer) شهر لس‌آلاموس را به عنوان مقر آزمایشگاه علمی بمب اتم تعیین کردند. بمب دیگری که از پلوتونیوم ساخته شده بود در ۱۶ جولای سال ۱۹۴۵ در ۱۹۳ کیلومتری جنوب نیومیکزیکو آزمایش شد.

در اولین بمب اتم از عنصر اورانیوم استفاده شد. این بمب در روز ششم آگوست در شهر هیروشیما فرود آمد و انفجار عظیمی رخ داد. در حدود ۱۱/۴ کیلومتر از مرکز شهر نابود و ۳۴۳ هزار نفر بی‌خانمان شدند. از این تعداد، ۷۰ هزار نفر در همان دقایق اولیه پس از انفجار بمب کشته شدند. تا انتهای سال، تعداد کشته‌ها از ۱۰۰ هزار نفر گذشت. بیش از ۶۷ درصد ساختار شهری از بین رفت. بمب اتم بعدی از نوع پلوتونیوم بود. از این بمب در روز نهم آگوست سال ۱۹۴۵ برای بمباران شهر ناکازاکی در ژاپن استفاده شد. نیروی انفجاری این بمب در حدود ۲۱۰۰۰ تن TNT بود. پس از انفجار، در حدود ۳۹ هزار نفر کشته و ۲۵ هزار نفر زخمی شدند. همچنین، در حدود ۴۰ درصد ساختار شهری با خاک یکسان شد. پس از جنگ، ایالات متحده آمریکا انفجارهای اتمی آزمایشی را در جزایر مارشال انجام داد.

اما سازنده اصلی بمب اتم کیست؟

رابرت اوپنهایمر

رابرت اوپنهایمر، فیزیک‌دان نظری اهل آمریکا، به عنوان مدیر و هدایت‌کننده آزمایشگاه لس‌آلاموس شناخته شده است. اوپنهایمر به اتهام جاسوسی علیه دولت وقت آمریکا، مقام خود را پس از جنگ جهانی دوم از دست داد.

پدر این فیزیک‌دان مهاجر آلمانی بود که به شهر نیویورک مهاجرت کرد. اوپنهایمر به هنگام تحصیل در دوران کارشناسی در دانشگاه هاروارد بر مباحثی مانند زبان‌های لاتین و یونانی، فیزیک و شیمی به طور کامل مسلط بود. او در زمان تحصیل شعر می‌سرود و فلسفه شرق را با دقت مطالعه می‌کرد. این فیزیک‌دان پس از فارغ‌التحصیلی در سال ۱۹۲۵ برای کار در آزمایشگاه کاوندیش در دانشگاه کمبریج به انگلستان رفت. سرپرست این آزمایشگاه «لرد ارنست رادرفورد» (Lord Ernest Rutherford) بود. رادرفور مطالعات عمیفی بر روی ساختار اتمی مواد انجام می‌داد.

پس از آن، اوپنهایمر به دانشگاه «گاتینگن» (Gottingen) دعوت شد. او در این دانشگاه فیزیک‌دان‌های برجسته‌ای مانند نیلز بور و دیراک را ملاقات کرد و در سال ۱۹۲۷ موفق به دریافت درجه دکترای فیزیک شد. اوپنهایمر پس از بازگشت به آمریکا، در دانشگاه کالیفرنیا در شهر «برکلی» (Berkley) و موسسه تکنولوژی کالیفرنیا مشغول به تدریس و انجام کارهای پژوهشی شد.

در دهه ۲۰ نظریه‌های جدید فیزیک کوانتوم و نسبیت توجهات زیادی را به سمت خود جلب کردند. بر طبق نظریه نسبیت اینشتین، جرم معادل انرژی است. همچنین، بر طبق فیزیک کوانتوم، نور و ذراتی مانند الکترون‌ها می‌توانند رفتار دوگانه موج-ذره داشته باشند. در ابتدا، زمینه پژوهشی اوپنهایمر در مورد انرژی ذرات ریز اتمی مانند الکترون‌ها، پوزیترون‌ها و پرتوهای کیهانی بود. همچنین، این فیزیک‌دان پژوهش‌های بسیاری در مورد ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها انجام داد.

پس از روی کار آمدن «آدولف هیتلر» (Adolf Hitler) در آلمان، اولین جرقه‌های علاقه به سیاست در اوپنهایمر زده شد. در سال ۱۹۳۶، او در جنگ داخلی در اسپانیا در کنار جمهوری‌خواهان قرار گرفت.

پس از حمله نازی‌ها به لهستان در سال ۱۹۳۹، فیزیک‌دان‌هایی مانند آلبرت اینشتین، «لئو اسزیلارد» (Leo Szilard) و «ایگن ویگنر» (Eigen Wigner) به حکومت وقت آمریکا در مورد ساخت بمب اتم به دست نازی‌ها و تهدید جان انسان‌ها هشدار دادند. در این زمان، اوپنهایمر در مورد فرآیند جداسازی اورانیوم ۲۳۵ از اورانیوم طبیعی و تعیین جرم بحرانی اورانیوم برای ساخت بمب اتم به تحقیق پرداخت. در آگوست سال ۱۹۴۲ میلادی، ارتش آمریکا فیزیک‌دان‌های برجسته انگلیسی و آمریکایی را برای مهار انرژی هسته‌ای و به‌کارگیری آن برای اهداف نظامی، دور هم جمع کرد. این فیزیک‌دان‌ها بر روی پروژه‌ای تحت عنوان پروژه منهتن مشغول به کار شدند.

این پروزه به سرپرستی اوپنهایمر آغاز به کار کرد.

پروژه منهتن

پروژه منهتن، پروژه‌ای سِری برای حکومت آمریکا در طی جنگ جهانی دوم بود. در این پروژه بر روی پیشرفت سلاح‌های هسته‌ای کار می‌شد. در اکتبر ۱۹۳۹، اینشتین نامه‌ای به «فرانکلین روزلین» (Franklin Rooselvelt)، رییس جمهور وقت آمریکا، نوشت و به او در مورد امکان دستیابی نازی‌ها به بمب اتم هشدار داد.

تا سال ۱۹۴۴، شش هزار دانشمند و مهندس از بهترین دانشگاه‌های جهان و آزمایشگاه‌های مراکز مهم صنعتی بر روی پیشرفت اولین بمب اتم کار می‌کردند. اوپنهایمر مدیر بخش تحقیقاتی مستقر در لس‌آلاموس در نیومکزیکو شد. برای ساخت بمب هسته‌ای نیاز به فرآوری مواد هسته‌ای بود. این فرآیند در رآکتورهای واقع در «اوک ریج» (Oak Ridge) انجام شد. در این پروژه در حدود ۱۳۰ هزار آمریکایی در ۳۷ مرکز تحقیقاتی و آزمایشگاهی مشغول به کار شدند.

در روز شانزدهم جولای سال ۱۹۴۵، نخستین بمب اتم در مرکز نظامی «آلاموگودرو» (Alamogodro) در نیومکزیکو آزمایش شد. شدت انفجار به حدی بود که شیشه‌ پنجره‌های خانه‌هایی در فاصله ۸۰ کیلومتری شکسته شدند. و اکنون بمب اتم آماده است. اما، چرا آمریکا دو شهر هیروشیما و ناکازاکی را بمباران هسته‌ای کرد؟

بمباران هسته ای هیروشیما و ناکازاکی

متفقین در ماه می سال ۱۹۴۵ و دو ماه قبل از اتمام بمب اتم، آلمان را شکست دادند. اما، جنگ با ژاپن ادامه داشت. در آگوست ۱۹۴۵، حمله به ژاپن به عنوان راهی ضروری برای تسلیم این کشور، بر روی میز گذاشته شد. مشاوران نظامی به رییس‌جمهور وقت «هری ترومن» (Harry Truman) در مورد تبعات جنگ زمینی با ژاپن هشدار دادند. بنابراین، پس از تسلیم نشدن ژاپن، ترومن استفاده از بمب اتم علیه ژاپن را قانونی اعلام کرد.

در روز ششم آگوست سال ۱۹۴۵، بمب‌افکن آمریکایی B-29 با نام Enola Gay اولین بمب اتم را در شهر هیروشیما رها کرد. بر طبق گفته یکی از شاهدان ماجرا شهر در یک چشم‌بر‌هم زدن ناپدید شد. در حدود ۱۴۰ هزار انسان بلافاصله کشته شدند یا پس از تحمل دردهای بسیار ناشی از مسمومیت با مواد پرتوزا، چند ماه پس از انفجار فوت کردند.

یک روز پس از بمباران هیروشیما، ترومن تقاضای خود مبنی بر تسلیم ژاپن را برای بار دوم مطرح کرد. اما، این کشور باز هم از تسلیم شدن خودداری کرد. بنابراین، در روز نهم آگوست، یعنی سه روز پس از بمباران هیروشیما، دومین بمب اتم در شهر ناکازاکی رها شد. در حدود ۸۰ هزار انسان بی‌گناه در حمله دوم آمریکا به ژاپن کشته شدند. در مجموع، ۲۱۰ هزار شهروند ژاپنی در این دو انفجار اتمی جان خود را از دست دادند.

شش روز پس از این دو حمله، شوروی سابق علیه ژاپن اعلان جنگ کرد. در نتیجه، حکومت این کشور بدون هیچ پیش‌شرطی تسلیم شد و جنگ جهانی دوم به پایان رسید.

لحظه انفجار بمب اتم

اثرات مخرب بمب اتم پس از انفجار به دو دسته تقسیم می‌شوند:

1. اثرات مخرب بلافاصله پس از انفجار
2. اثرات مخرب پس از انفجار

انفجار، تشعشع گرمایی و تشعشات یونیزاسیون سریع منجر به تخریبی گسترده در چند ثانیه یا چند دقیقه پس از انفجار خواهند شد. اثرات مخرب پس از انفجار مانند باران مواد پرتوزا و دیگر اثرات مخربِ محیط‌زیست ، به طور معمول چند ساعت تا چندین سال پس از انفجار مشاهده می‌شوند.

زمین صفر

این اصطلاح به نقطه‌ای بر روی سطح زمین در بالا یا زیر نقطه انفجار گفته می‌شود. برای انفجار روی آب یا زیر سطح آب از اصطلاح سطح صفر استفاده می‌کنیم. در برخی از مقالات، به زمین یا سطح صفر، «هایپوسنتر» (Hypocenter) می‌گویند.

اثرات انفجار

بیشتر صدمه‌های ناشی از انفجار بزرگ است. موج ضربه‌ای هوا به سمت بیرون گسترش می‌یابد. گسترش موج ضربه‌ای منجر به تغییرات ناگهانی در فشار هوا و شکستن اجسام خواهد شد. در حالت کلی، ساختمان‌های بزرگ در اثر تغییرات فشار هوا تخریب می‌شوند. علاوه بر تغییرات ناگهانی فشار هوا، وزش بادهای شدید اجسام را با شدت زیادی به اطراف پرت می‌کند. این بادها منجر به کشته شدن افراد و تخریب اجسام و درختان خواهد شد.

بزرگی اثر انفجار به ارتفاع انفجار از سطح زمین بستگی دارد. برای هر فاصله‌ای از مرکز انفجار، ارتفاع انفجار بهینه‌ای وجود دارد. در این ارتفاع بهینه، بزرگ‌ترین تغییر در فشار هوا به نام فشار بیش‌ازحد تولید خواهد می‌شود. هر چه فاصله بیشتر باشد، ارتفاع انفجار بهینه نیز بزرگ‌تر خواهد بود.

هنگامی که بمب اتم در نزدیکی سطح زمین منفجر شود، حفره بزرگی بر روی زمین ایجاد خواهد شد. برخی از مواد پرتوزای استفاده شده در بمب در لبه حفره می‌نشینند. بقیه مواد به هوا می‌روند و به صورت باران پرتوزا به زمین بازمی‌گردند. در بیشتر موارد، افراد به دلیل تاثیر غیرمستقیم انفجار هسته‌ای کشته می‌شوند.

اثرات تشعشع گرمایی

در حدود ۳۵ درصد انرژی ناشی از انفجار هسته‌ای، انرژی گرمایی است. از آنجایی که سرعت حرکت تشعشع گرمایی در حدود سرعت نور است، نور و گرمای ناشی از انفجار در حدود چند ثانیه زودتر از موج انفجار حس می‌شوند. این حالت مشابه مشاهده رعدوبرق قبل از شنیدن صدای طوفان است. ذکر این نکته مهم است که دمای انفجار هسته‌ای به دمای داخل خورشید، در حدود ۱۰۰۰۰۰۰۰۰ درجه سلسیوس، خواهد رسید.

اگر فردی به طور مستقیم به انفجار نگاه کند دچار نابینایی موقت می‌شود که پس از گذشت چند دقیقه رفع خواهد شد. اما، گاهی ممکن است نابینایی به دلیل سوختن شبکیه، دائمی باشد. در بمباران هیروشیما و ناکازاکی، تعداد زیادی از افراد دچار نابینایی موقت شدند و تنها یک مورد نابینایی دائمی در اثر سوختن شبکیه رخ داد.

سوختگی پوستی ناشی از شدت‌های بیشتر نور در نزدیکی محل انفجار رخ می‌دهد. با توجه به فاصله از محل انفجار، سه نوع سوختگی اتفاق خواهد افتاد:

1. سوختگی نوع اول در ۸ کیلومتری محل انفجار.
2. سوختگی درجه ۲ و ۳ در فاصله‌های بیشتر از ۸ کیلومتر.

در سوختگی‌های درجه ۲ و ۳ به ترتیب بیش از ۲۴ و ۳۰ درصد بدن درگیر خواهد بود. بنابراین، فرد آسیب‌دیده نیاز فوری به کمک‌های اولیه خواهد داشت. تعداد تجهیزات درمانی ویژه برای افراد آسیب دیده در اثر آتش‌سوزی در آمریکا، ۱۰۰۰ یا ۲۰۰۰ است. این در حالی است که در اثر انفجار هسته‌ای حدود ۱۰۰۰۰ فرد دچار سوختگی جدی خواهند شد.

تشعع گرمایی ناشی از انفجار به طور مستقیم می‌تواند مواد آتش‌زا را شعله‌ور کند. در حالت کلی، مواد آتش‌زا بیرون از خانه‌ها، مانند برگ درختان یا روزنامه‌ها، به اندازه کافی با مواد قابل‌احتراق احاطه نشده‌اند. آتش ایجاد شده توسط تشعشع گرمایی در خارج از خانه‌ها، با عبور از پنجره‌ها منجر به آتش گرفتن تخت‌ها و مبلمان چوبی می‌شود. همچنین، این تشعشع گرمایی سبب آتش گرفتن مغازه‌ها، پمپ‌بنزین‌ها، خطوط انتقال برق فشار قوی و خطوط انتقال گاز خواهد شد.

اثرات مستقیم تشعشع هسته‌ ای

تشعشع مستقیم در زمان انفجار اتفاق می‌افتد. این تشعشع می‌تواند بسیار قوی باشد، اما گستره آن محدود است. گستره تشعشع مستقیمِ قوی در سلاح‌های هسته‌ای بزرگ کمتر از گستره انفجار مرگ‌بار و اثرات تشعشع گرمایی خواهد بود. اما این نکته در سلاح‌های کوچک‌تر برعکس است. در این‌حالت، تشعشع مستقیم ممکن است اثر مرگ‌باری در گستره بسیار بزرگی داشته باشد. در بمباران اتمی شهرهای ناکازاکی و هیروشیما، تشعشع مستقیم خسارت قابل‌توجی را بر اهالی این دو شهر وارد آورد.

باران مواد پرتوزا

ذرات بسیاری به دلیل اثرات انفجار، پرتوزا خواهند شد. این ذرات در تمام جهت‌ها و در فاصله‌های مختلف از محل انفجار پخش می شوند. اگر این انفجار در جو زمین رخ دهد، باران مواد پرتوزا شدت زیادی نخواهد داشت. در مقابل، ‍وقوع انفجار بر روی سطح زمین منجر به افزایش چشم‌گیر شدت مواد پرتوزا می‌شود.

پس از انفجار هسته‌ای مخلوطی متشکل از ۳۰۰ نوع یا بیشتر از ایزوتو‌پ‌های مختلفِ عناصر متفاوت تولید می‌شود. نیمه عمر آن‌ها از کسری از ثانیه تا میلیون‌ها سال متغیر است. پرتوزایی محصولات شکافت هسته‌ای در ابتدا بسیار بالا خواهد بود، اما در ادامه به سرعت کاهش می‌یابد. میزان پرتوزایی این محصولات هفت ساعت پس از انفجار به ده درصد مقدار آن در ساعت اول انفجار کاهش خواهد یافت. پس از ۴۸ ساعت، مقدار پرتوزایی به یک درصد مقدار اولیه می‌رسد.

همان‌گونه که در مطالب بالا عنوان شد نقطه‌ وقوع انفجار نقش مهمی در اندازه نیروی مخرب ایجاد شده دارد. بنابراین، با توجه به محل انفجار، چند نوع انفجار هسته‌ای خواهیم داشت.

انواع انفجارهای هسته ای

اندازه نیروی مخرب و نوع انفجار هسته‌ای وابسته به مکان نقطه انفجار است. در نتیجه، با توجه به نقطه انفجار، چهار نوع انفجار هسته‌ای رخ می‌دهد.

1. انفجار در ارتفاع زیاد: در این حالت انفجار در ارتفاعی بیشتر از ۳۰۵۰۰ متری رخ خواهد داد. بنابراین، نیروی مخرب اثر چندانی بر روی زمین و افراد ساکن در نزدیکی آن منطقه نخواهد داشت.
2. انفجار هوایی: نقطه انفجار در ارتفاع کمتر از ۳۰۵۰۰ متری از سطح زمین قرار گرفته است. اما، آتش ایجاد شده پس از انفجار سطح زمین را لمس نمی‌کند.
3. انفجار سطحی: در این حالت انفجار در نزدیکی سطح زمین رخ می‌دهد. پس از انفجار، میزان مواد پرتوزا و اندازه نیروی مخرب بسیار زیاد خواهند بود.
4. انفجار زیرزمینی: انفجار در زیر زمین یا زیر آب اتفاق می‌افتد. در این حالت، اندازه نیروی مخرب به طور مستقیم به عمق انفجار بستگی دارد.

انواع بمب اتم چیست ؟

اولین بمب‌های اتم استفاده شده در جنگ جهانی دوم، پسر کوچک و «مرد چاق» (Fat Man) بودند. در این دو بمب از روش‌ها و مواد متفاوت استفاده شد. در پسر کوچک انفجار به دلیل واکنش زنجیره‌ای شکافتِ اورانیوم ۲۳۵ و در مرد چاق به دلیل پلوتونیوم ۲۳۹ است.

پسر کوچک

در این بمب از ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ استفاده شد. بیشتر اورانیومی که به طور طبیعی در جهان یافت می‌شود از نوع اورانیوم ۲۳۸ است. اورانیوم ۲۳۵ تنها در حدود ۰/۷ درصد اورانیوم طبیعی را تشکیل می دهد. هنگامی که نوترونی به اورانیوم ۲۳۸ برخورد می‌کند، اورانیوم ۲۳۹ تولید خواهد شد. شکافت هسته‌ای در اورانیوم ۲۳۹ انجام نمی‌شود و در نتیجه واکنش‌های هسته‌ای نیز رخ نمی‌دهند. در اینجا اولین چالش ساخت بمب اتم به وجود آمد. دانشمندان به دنبال روش موثری برای جداسازی و خالص‌سازی اورانیوم ۲۳۵ از اورانیوم ۲۳۸ بودند. برای جداسازی این دو ایزوتوپ از روش‌های معمول، نتیجه موثری به دست نیامد. زیرا، این دو ایزوتوپ از نظر شیمیایی بسیار شبیه هستند.

دانشمندانی که بر روی ساخت این بمب کار می‌کردند به این نتیجه رسیدند که برای جلوگیری از اتلاف وقت به طور جداگانه بر روی چهار روش جداسازی تحقیق کنند. این چهار روش عبارتند از:

1. نفوذ گازی
2. سانتریفیوژ
3. جداسازی الکترومغناطیسی
4. نفوذ حرارتی مایع

پس از به دست آوردن مقدار کافی اورانیوم ۲۳۵ برای ساخت بمب، با استفاده از روش تفنگی مقداری اورانیوم ۲۳۵ به مقدار دیگری از این ماده شلیک شد و دو جرم با یکدیگر ترکیب شدند. ترکیب این دو جرم سبب ایجاد جرم بحرانی و آغاز واکنش‌های هسته‌ای شد. ترکیب دو جرم اورانیوم ۲۳۵ باید به قدری سریع رخ دهد که از شکافت خودبخودی اتم‌ها جلوگیری شود. در صورتی که سرعت ترکیب دو جرم به اندازه کافی زیاد نباشد، عملکرد بمب با شکست مواجه خواهد شد.

مرد چاق

عنصر اصلی مورد استفاده در این بمب پلوتونیوم بود. این عنصر از رآکتورهای هسته‌ای در «هانفورد» (‌Hanford) جمع‌آوری شد. شکل پلوتونیوم جمع‌آوری شده به گونه‌ای بود که روش تفنگی برای ساخت بمب موثر نبود. در پلوتونیوم به دست آمده از رآکتورهای هانفورد ایزوتوپ ۲۴۰ این عنصر مشاهده شد. در پلوتونیوم ۲۴۰ سرعت واکنش شکافت بالا است و این واکنش به صورت خودبخودی انجام می‌شود. در نتیجه، در صورتی که از روش تفنگی برای ساخت این بمب استفاده می‌شد، دو جرم پلوتونیوم قبل از آن‌که در کنار یکدیگر قرار بگیرند در اثر واکنش‌های شکافت تقسیم می‌شدند.

در نتیجه، به طراحی جدیدی نیاز بود. در روش جدید از مواد منفجره معمول به دور جرم پلوتونیوم استفاده شد. سپس فشار و چگالی این عنصر افزایش یافت. با افزایش چگالی، پلوتونیوم به جرم بحرانی می‌رسد و نوترون شلیک می‌کند. در نتیجه، فرآیند واکنش‌های زنجیره‌ای رخ خواهد داد.

اکنون می‌توانیم به پرسش بمب اتم چیست پاسخ دهیم. همچنین، با ساختار بمب اتم، انواع آن و نحوه عملکرد این سلاح هسته‌ای آشنا شدیم. در ادامه، به چند سوال جالب در رابطه با بمب‌های اتم پاسخ می‌دهیم.

پرسش های جالب در مورد بمب اتم

امروزه کمتر کسی نام بمب اتم را نشنیده است. دانستن برخی حقایق در رابطه با این سلاح هسته‌ای خالی از لطف نیست.

تعداد افراد کشته شده در نتیجه استفاده از بمب اتم چند نفر است ؟

تعداد کشته‌های بمباران اتمی به دو دسته تقسیم می‌شوند:

1. افرادی که در همان روز بمباران یا چند روز پس از آن در اثر نیروی مخرب ایجاد شده پس از انفجار و انرژی گرمایی زیاد فوت شدند.
2. افرادی که روزها یا سال‌های بعد در اثر قرار گرفتن در معرض تابش‌های پرتوزا و به دلیل ابتلا به سرطان فوت شدند.

آمار دقیق فوتی‌ها به طور دقیق مشخص نیست. ممکن است تمام افراد یک خانواده کشته شده باشند، در نتیجه، هیچ فردی برای گزارش تعداد فوتی‌ها زنده نماده است. بر طبق تخمین‌های انجام شده در سال‌های اخیر، تعداد کل فوتی‌ها بین دو تا چهار ماه پس از بمباران اتمی حساب و در جدول زیر نشان داده شده است.

آیا هنوز در شهرهای ناکازاکی و هیروشیما مواد پرتوزا وجود دارد ؟

پاسخ به این پرسش خیر است.

دو راه برای تولید مواد پرتوزا پس از انفجار بمب اتم وجود دارند:

1. باران محصولات حاصل از شکافت هسته‌ای.
2. تشعشع نوترونی خاک و ساختمان‌ها (فعالیت نوترونی).

برای تولید بمب اتم به چه موادی نیاز است ؟

دو عنصری که در ساخت بمب اتم مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از: اورانیوم ۲۳۵ و پلوتونیوم ۲۳۹.

اگر تمام بمب های اتم منفجر شوند چه اتفاقی خواهد افتاد ؟

تعداد کل بمب های اتم به طور دقیق مشخص نیست. اما بر طبق تخمین دانشمندان آمریکایی در حدود ۱۹۰۰۰ کلاهک هسته‌ای وجود دارد. ۹۵ درصد این تعداد متعلق به آمریکا و روسیه است. قدرت تخریب این بمب‌ها با توجه به نوع بمب، عنصر مورد استفاده و روش ساخت از بمبی به بمب دیگر تغییر می‌کند. اگر فرض کنیم که قدرت تخریب هر کلاهک به طور متوسط برابر یک مگاتن باشد، انفجار هم‌زمان تمام آن‌ها منجر به تخریب زمین نخواهد شد. اما، این انفجار بزرگ، دهانه‌ای به قطر ۱۰ کیلومتر و عمق ۲ کیلومتر ایجاد می‌کند.

حجم بزرگی از گردوخاک و مواد پرتوزا که وارد جو زمین می‌شوند، اثرات سوء قابل‌توجهی خواهند داشت. وجود این حجم از ذرات در جو، از رسیدن نور و گرمای خورشید به سطح زمین جلوگیری می‌کند. در نتیجه، پدیده‌ای به نام زمستان هسته‌ای به وجود می‌آید.

برای تخریب جهان به چه تعداد بمب اتم نیاز است ؟

از زمان پروژه تاریخی منهتن در سال‌ها ۱۹۴۲ تا ۱۹۴۵، مطالعات زیادی در مورد تعداد کلاهک‌های هسته‌ای مورد نیاز برای تخریب جهان انجام شده است. بر طبق پژوهشی انجام شده در سال ۱۹۴۷ تعداد ده کلاهک هسته‌ای با قدرت بسیار زیاد برای پایان دادن به زندگی بشر بر روی زمین کافی است.

معرفی فیلم آموزش فیزیک هسته ای ۲

مجموعه فرادرس در تولید و محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش فیزیک هسته‌ای ۲ برای دانشجویان رشته فیزیک گرایش فیزیک هسته‌ای کرده که این مجموعه آموزشی از نه درس تشکیل شده است.

در درس یکم در مورد واکنش‌های هسته‌ای، انواع آن‌ها، قوانین پایستگی و انرژی واکنش‌های هسته‌ای صحبت می‌شود. در درس دوم مباحثی مانند تعاریف سطح مقطع واکنش، روش‌های تجربی تعیین سطح مقطع واکنش، پراکندگی کولنی، پراکندگی هسته‌ای و سطح مقطع‌های پراکندگی و واکنش آموزش داده می‌شوند. درس سوم در مورد واکنش‌های هسته مرکب و واکنش مستقیم است. تماشای درس چهارم این مجموعه آموزشی برای درک بهتر ساختار و عملکرد بمب اتم بسیار مفید خواهد بود. همان‌گونه که در مطالب بالا عنوان شد شکافت هسته‌ای اساس عملکرد بمب‌های اتمی است. در درس چهارم با انرژی شکافت، شکافت کنترل‌شده، رآکتورهای شکافت، فرآورده‌های شکافت و رآکتورهای شکافت طبیعی آشنا می‌شوید. پس از تماشای این درس و خواندن این مطلب به درک بسیار عمیق‌تری از ساختار بمب اتم و نحوه عملکرد آن دست خواهید یافت.

در درس پنجم مبحث گداخت هسته‌ای ، فرآیندهای بنیادی گداخت و گداخت خورشیدی تدریس شده است. در درس ششم در مورد آشکارسازهای هسته‌ای ، برهم‌کنش‌های تابش با ماده، شمارش‌گرهای گازی و اندازه‌گیری طول‌عمرهای هسته‌ای آشنا می‌شوید. در این مطلب در مورد طول‌عمر مواد پرتوزا صحبت شد. با تماشای این درس نحوه اندازه‌گیری طول‌عمر مواد پرتوزا را خواهید آموخت. درس هشتم در مورد اخترفیزیک هسته‌ای است. در این درس در مورد کیهان‌شناسی مه‌بانگ، برهم‌کنش‌های ذره‌ای و هسته‌ای در جهان اولیه، تشکیل هسته‌‌های اولیه و شبکه واکنش‌های هسته‌ای ستاره صحبت شده است. دیدن این درس به علاقه‌مندان مبحث اخترفیزیک و شکل‌گیری جهان توصیه می‌شود. در درس نهم مدل کوارکی نوکلئون‌ها تدریس شده است. اگر به ذرات بنیادی و دنیای آن‌ها علاقه‌مند باشید، دیدن این درس را از دست ندهید.

• برای دیدن فیلم آموزش فیزیک هسته‌ای ۲ + اینجا کلیک کنید.

جمع‌بندی

در این مطلباز مجله فرادرس در مورد بمب اتم، ساختار و عملکر‌د آن صحبت کردیم. در مورد تاریخچه ساخت بمب اتم و استفاده از آن در جنگ جهانی دوم علیه کشور ژاپن صحبت شد. در پایان، به پرسش‌های جالبی در رابطه با سلاح هسته‌ای پاسخ داده شد.