بمب هیدروژنی چیست؟ – از نحوه ساخت تا طرز کار و قدرت تخریب

در جنگ جهانی دوم، آمریکا برای نخستین بار از دو بمب اتمی علیه کشور ژاپن استفاده کرد و خسارات جانی و مالی فراوانی به جا گذاشت. پس از آن‌، نسل‌های مختلفی از بمب‌های هسته‌ای، مانند بمب هیدروژنی، ساخته شدند و در کشورهای مختلف مورد آزمایش قرار گرفتند. به عنوان مثال، کره شمالی در حدود ۵ سال قبل ششمین و قدرتمندترین آزمایش هسته‌ای خود را با استفاده از بمب پیشرفته هیدروژنی یا H-bomb، با موفقیت انجام داد. بمب هیدروژنی نوعی بمب هسته‌ای است و انرژی انفجاری آن از واکنش هسته‌ای ناشی می‌شود. تفاوت دو بمب در چگونگی ایجاد انرژی نهفته است. در این مطلب، در مورد بمب هیدروژنی، نحوه ساخت، طرز کار، قدرت تخریب و تفاوت آن با بمب اتم صحبت خواهیم کرد.

بمب هیدروژنی چیست ؟

پس از آزمایش موفقیت‌آمیز بمب اتم توسط شوروی سابق، ایده ساخت بمب هیدروژنی انگیزه جدیدی در ایالات متحده برانگیخت. در این نوع بمب، دوترویم و تریتیوم (ایزوتوپ‌های هیدروژن) با یکدیگر ترکیب و اتم هلیوم را می‌سازند. این واکنش با آزادسازی انرژی همراه است. توجه به این نکته مهم است که هیچ محدودیتی در عملکرد این بمب وجود ندارد. بمب هیدروژنی یکی از مخرب‌ترین سلاح‌هایی است که به دست بشر ساخته شده است.

این بمب، یکی از انواع سلاح‌های هسته‌ای قدرتمند است. بیشتر مردم نام بمب اتم را شنیده‌اند و برخی با چگونگی عملکرد آن آشنا هستند، اما نام بمب هیدروژنی کمتر شنیده شده است. بمب اتم عنصری به نام اورانیوم را می‌گیرد و آن را تقسیم می‌کند (شکافت هسته‌ای). این فرایند با آزاد کردن مقدار زیادی انرژی همراه است. بمب هیدروژنی شبهت بسیاری به بمب اتم دارد، با این تفاوت که از عنصر ثانویه‌ای در آن استفاده می‌شود.

قدرت انفجاری عظیم بمب هیدروژنی یا «H-bomb» به علت واکنش‌های زنجیره‌ای کنترل نشده خودپایداری است که در آن‌ها، ایزوتوپ‌های هیدروژن در دمای بسیار بالا با یکدیگر ترکیب می‌شوند و هلیوم را تشکیل می‌دهند. به این واکنش، همجوشی هسته‌ای گفته می‌شود. دمای بالای موردنیاز برای انجام این واکنش‌ در اثر انفجاری شبیه انفجار انجام شده در بمب اتم، تولید می‌شود.

برای آشنایی با بمب هیدروژنی، ابتدا کمی در مورد واکنش‌های رخ داده در بمب‌های هسته‌ای و چگونگی عملکرد این بمب‌ها صحبت می‌کنیم. واکنش‌های همجوشی و شکافت هسته‌ای، دو واکنشی هستند که در تمام بمب‌های هسته‌ای استفاده می‌شوند. در ادامه، در مورد تفاوت این بمب با بمب اتم و تاریخچه آن، صحبت خواهیم کرد.

همجوشی هسته ای چیست ؟

هسته اتم هلیوم یا ذره آلفا از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است. جرم اتمی این هسته برابر ۴/۰۰۱۵۳ واحد اتمی است. اگر جرم دو پروتون و دو نوترون را با یکدیگر جمع کنیم، عدد ۴/۰۳۱۸۸ به‌دست می‌آید. تفاوت این دو عدد بسیار کوچک است، اما سوالی که مطرح می‌شود آن است که چرا این دو عدد با یکدیگر برابر نیستند. این اختلاف جرم به هنگام پیوستن نوترون‌ها و پروتون‌ها به یکدیگر به شکل انرژی به نام انرژی پیوندی اتم درآمده است. مقدار این انرژی در عناصر مختلف، متفاوت است.

مقدار انرژی پیوندی برای هیدروژن برابر صفر است. مقدار این انرژی در دوتریوم، یکی از ایزوتوپ‌های هیدروژن، بسیار کوچک است. از پیوستن دو هسته دوتریوم به یکدیگر، هلیوم تشکیل می‌شود و مقدار زیادی انرژی آزاد خواهد شد. هرچه عناصر بزرگ‌تر می‌شوند، تفاوت انرژی پیوندی میان آن‌ها کوچک‌تر خواهد شد. عناصری که بعد از آهن قرار گرفته‌اند، به اندازه‌ای سنگین می‌شوند که به هنگام شکسته شدن به عنصرهای کوچک‌تر، انرژی آزاد می‌کنند.

هنگامی‌ که اورانیوم در اثر شکافت هسته‌ای به باریوم و کریپتون تبدیل می‌شود، مقدار کمی انرژی آزاد می‌کند. مقدار این انرژی بسیار کمتر از انرژی آزاد شده از پیوند دو هیدروژن با یکدیگر و تشکیل اتم هلیوم است. از این‌رو، انرژی آزاد شده از همجوشی عناصر کوچک‌تر، بسیار چشم‌گیرتر از انرژی آزاد شده پس از شکافت عناصر بزرگ‌تر است.

به جای ترکیب دو دوتریوم با یکدیگر، ترکیب یک دوتریوم و یک تریتیوم با یکدیگر را در نظر بگیرید. تریتیوم نیز یکی دیگر از ایزوتوپ‌های هیدروژن با دو نوترون و یک پروتون است. محصول واکنش، یک هسته هلیوم به همراه یک نوترون خواهد بود.

$$^{2}_{1}H + ^{3}_{1}H \rightarrow ^{4}_{2}He + ^{1}_{0}n$$

جرم دوتریوم و تریتیوم به ترتیب برابر $$3.345 \times 10 ^ {-27}$$ و $$5.010 \times 10^{-27}$$ کیلوگرم است. جمع جرم آن‌ها با یکدیگر برابر $$8.355 \times 10 ^ {-27}$$ کیلوگرم خواهد بود. اما جمع جرم‌های نوترون و هلیوم تولید شده برابر $$8.324 \times 10 ^{-27}$$ است. این تفاوت جرم بسیار کوچک، کجا رفته است؟ بار دیگر پای رابطه معروف اینشتین، $$E = mc^2$$، به وسط می‌آید.

اگر دو کیلوگرم دوتریوم را با سه کیلوگرم تریتیوم مخلوط کنیم، در حدود ۲۰ گرم جرم به شکل‌های دیگر انرژی، تبدیل می‌شود. این جرم به $$1.8 \times 10 ^{115}$$ ژول انرژی گرمایی تبدیل شده است. این مقدار انرژی برای تأمین برق ۵۰ هزار خانه در سال کافی خواهد بود. استفاده از واکنش همجوشی هسته‌ای به تکنولوژی بسیار پیشرفته‌ای نیاز دارد. در دهه ۳۰ میلادی انرژی هسته‌ای به عنوان یکی از منابع تأمین انرژی، در نظر گرفته شد.

فیلم آموزش رایگان فیزیک هسته ای پیشرفته – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

توجه به این نکته مهم است که همجوشی هسته‌ای بسیار قدرتمندتر از شکافت هسته‌ای است. همجوشی هسته‌ای منبع اصلی تأمین انرژی در بمب‌های هسته‌ای است. علاوه بر دوتریوم یا تریتیوم، اتم‌های هیدروژن نیز می‌توانند مقدار زیادی انرژی با اتصال به یکدیگر، آزاد کنند. کنار هم قرار گرفتن هسته‌های اتم هیدروژن یا ایزوتوپ‌های آن کنار یکدیگر به دلیل وجود بار مثبت آن‌ها، بسیار سخت خواهد بود. تنها در صورت غلبه بر نیروی دافعه الکترواستاتیکی بین بارهای مثبت هسته‌های هیدروژن و ایزوتوپ‌های آن، همجوشی هسته‌ای رخ می‌دهد. چگونه می‌توان بر دافعه الکترواستاتیکی غلبه کرد؟

تنها راه غلبه بر نیروی دافعه، حبس این هسته‌ها در فضای بسیار کوچکی است. احتمال برخورد این هسته‌ها در این فضای کوچک، بسیار زیاد است. سپس، هسته‌های محبوس شده را با مقدار زیادی گرما منفجر می‌کنند. در این حالت، نه‌تنها فاصله آن‌ها از یکدیگر بسیار کم است، بلکه گرمای تزریق شده سبب حرکت سریع‌تر آن‌ها خواهد شد. شاید از خود بپرسید چه مقدار گرما باید تزریق شود. گرمای تزریق شده باید به اندازه‌ای باشد که دمای هسته‌ها تا حدود ۱۸۰ میلیون درجه فارنهایت افزایش یابد. این دما بیشتر از هفت برابر دمای خورشید است.

نیروی گرانشی در مرکز خورشید به اندازه‌ای زیاد است که اتم‌ها به راحتی در فاصله بسیار کوچکی از یکدیگر قرار گرفته‌اند. بنابراین، به دمای بسیار بالایی برای همجوشی اتم‌ها با یکدیگر، نیاز نیست. اما در زمین، شرایط متفاوت و همجوشی هسته‌ای نیازمند دمای بسیار بالایی است. اما این مقدار گرما از کجا تأمین می‌شود؟ بله، همان‌طور که حدس زده‌اید این مقدار گرما از شکافت هسته‌ای به‌دست می‌آید. از این‌رو، بمب هیدروژنی با استفاده از گرمای شکافت هسته‌ای منفجر می‌شود. این بمب با دریافت گرما از واکنش شکافت، واکنش هسته‌ای بسیار قدرتمندی را آغاز می‌کند. به بیان دیگر، هنگامی که بمب هیدروژنی منفجر می‌شود، با دمایی در حدود هفت برابر دمای خورشید می‌سوزد.

شکافت هسته ای چیست ؟

گاهی تشعشع هسته‌های پرتوزای ناپایدار، مانند ایزوتوپ‌های اورانیوم، بسیار زیاد است. اورانیوم ناپایدار در فرایند تجزیه، به سرب پایدار تبدیل می‌شود. به هنگام تجزیه اورانیوم، انرژی در حدود یک تا ۵ مگا الکترون‌ولت آزاد خواهد شد. هنگامی که هسته اورانیوم ۲۳۵ با تعداد زیادی نوترون بمباران شود، یکی از نوترون‌ها توسط هسته اورانیوم جذب خواهد شد. در این حالت، هسته ناپایدار و به دو قسمت مساوی تقسیم می‌شود. به این فرایند، شکافت هسته‌ای می‌گوییم. بنابرایم، شکافت هسته‌ای از مرحله‌های زیر تشکیل شده است:

• هسته سنگینی مانند اورانیوم توسط تعداد زیادی نوترون بمباران می‌شود.
• هسته، ناپایدار و به دو جرم مساوی تقسیم می‌شود.
• مقدار زیادی انرژی آزاد می‌شود.

در این فرایند، ابتدا نوترونی که با سرعت کم حرکت می‌کند توسط هسته اورانیوم ۲۳۵، جذب می‌شود. بنابراین، هسته ناپایدار اورانیوم-۲۳۶ تشکیل و به باریوم-۱۴۱ با ۵۶ پروتون و کریپتون-۹۲ با ۳۶ پروتون تبدیل خواهد شد. جمع پروتون‌های این دو عنصر برابر تعداد پروتون‌های اورانیوم، یعنی ۹۲، است. همچنین، در این فرایند، سه نوترون توسط هسته اورانیوم-۲۳۶ ناپایدار آزاد می‌شود. چرا سه نوترون در این فرایند آزاد می‌شود؟ زیرا تعداد نوترون‌های باریوم و کریپتون برابر ۲۳۳ و تعداد نوترون‌های اورانیوم-۲۳۶ برابر ۲۳۶ است. برای آن‌که تعداد نوترون‌ها در دو سمت واکنش یا یکدیگر برابر باشند، سه نوترون باید آزاد شود.

$$^{1}_{0}n + ^{235}_{92}U \rightarrow [ ^{236}_{92}U ] \rightarrow ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36} Kr + 3 ^{1}_{0}n + Q ( 200 MeV)$$

نوترون‌های آزاد شده در واکنش فوق می‌توانند توسط هسته‌های اورانیوم-۲۳۵ دیگر جذب شوند و این فرایند به صورت واکنش‌های زنجیره‌ای به طور پیوسته، ادامه یابد.

بمب هسته ای چیست و چگونه کار می کند ؟

بمب هسته‌ای برای نخستین بار در سال ۱۹۴۵ و در اواخر جنگ جهانی دوم برای نخستین بار استفاده شد. از آن تاریخ به بعد، این سلاح به عنوان یکی از مرگبارترین سلاح‌های ساخته شده به دست بشر شناخته می‌شود. از آن سال تا به امروز، پیشرفت‌های زیادی در زمینه ساخت بمب هسته‌ای کسب و قدرت تخریب بسیار بیشتری حاصل شده است. در جنگ جهانی دوم از بمب اتم استفاده شد. ساخت بمب هیدروژنی در حدود هفت سال پس از پایان جنگ جهانی دوم در سال ۱۹۵۲ به اتمام رسید. قدرت این بمب در آن زمان در حدود ۱۰۰۰ برابر بمب اتم بود. در سال ۱۹۶۱ میلادی، شوروی سابق بمب هیدروژنی با قدرتی در حدود ۳۸۰۰ برابر بمب اتم ساخت و آن را با موفقیت آزمایش کرد.

در بمب اتم از دو عنصر پلوتونیم-۲۳۹ یا اورانیوم-۲۳۵ استفاده می‌شود. این دو عنصر فلزهای پرتوزا و هسته‌ اتم‌های آن‌ها، ناپایدار هستند. هسته ناپایدار، تعداد زیادی نوترون و پروتون دارد و برای رسیدن به حالت پایدار، آن‌ها را بیرون می‌فرستد. به این کار واپاشی پرتوزا گفته می‌شود و در آن انرژی به شکل تشعشع تولید می‌شود. همچنین، اتم‌هایی با هسته‌های ناپایدار، در فرایند شکافت هسته‌ای، راحت‌تر تقسیم خواهند شد. بنابراین، از آن‌ها در ساخت بمب‌های هسته‌ای استفاده شده است.

بمب‌ اتم یکی از انواع بمب‌های هسته‌ای است که برای نخستین بار در سال ۱۹۴۵، در اواخر جنگ جهانی دوم مورد استفاده قرار گرفت. در آن زمان دو بمب اتم به نام‌های پسر کوچک و مرد چاق ساخته شدند. ساختار پسر کوچک بسیار ساده بود و در طراحی آن، دو قسمت برای اورانیوم-۲۳۵، به نام‌های ورودی و هدف، در نظر گرفته شده بود. ورودی و هدف، توسط مسیر باریکی به یکدیگر متصل شده‌اند. هنگام انفجار، چندین هزار تن مواد انفجاری به صورت آتش، از اورانیوم ورودی، به هدف می‌روند. دو قطعه اورانیوم با شدت زیاد به یکدیگر برخورد می‌کنند و اتم‌ها را در فاصله بسیار نزدیکی نسبت به یکدیگر قرار می‌دهند و واکنش شکافت هسته‌‌ای آغاز می‌شود.

واکنش‌های زنجیره‌ای، اساس کار بمب‌های اورانیومی است. در این بمب، از ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ استفاده می‌شود. اگر نوترونی با این عنصر برخورد کند، به عنصرهای مختلفی مانند اورانیوم ۲۳۵ یا ۲۳۸، شکافته و انرژی زیادی آزاد خواهد شد. در صورتی که از شکافت اورانیوم ۲۳۵ اولیه، اورانیوم ۲۳۵ دیگر تولید شود، واکنش‌های زنجیره‌ای آغاز خواهند شد و واکنش‌های شکافت هسته‌ای بیشتری رخ می‌دهند. به‌دست آوردن اورانیوم غنی شده ۲۳۵ یکی از چالش‌های اصلی بمب‌های هسته‌ای است. قدرت بمب پسر کوچک در مقایسه با بمب‌های امروزی بسیار کوچک بود. از این‌رو، هیچ‌گاه بمبی شبیه آن، حتی قدرتمندتر، ساخته نشد.

مرد چاق یکی دیگر از دو بمب اتم استفاده شده در جنگ جهانی دوم بود. به جای اورانیوم-۲۳۵، در ساخت آن از عنصر پلوتونیم-۲۳۹ استفاده شد. اما پلوتونیم-۲۳۹ خالص نبود و از مقدار کمی پلوتونیم-۲۴۰ تشکیل شده بود. نرخ شکافت هسته‌ای پلوتونیم-۲۴۰ بیشتر از پلوتونیم-۲۳۹ است. بنابراین، اگر طراحی مرد چاق شبیه پسر کوچک بود، پلوتونیم استفاده شده در آن قبل از رسیدن به پلوتونیم هدف و برخورد با آن، در اثر واکنش شکافت به قسمت‌های کوچک‌تری تقسیم می‌شد. در نتیجه، طراحی متفاوتی برای بمب مرد چاق در نظر گرفته شد.

فیلم آموزش فیزیک هسته‎ ای 2 در فرادرس

کلیک کنید

در این بمب، کره‌ای تشکیل شده از پلوتونیم در مرکز بمب و اطراف این کره، لایه‌ای از اورانیوم قرار داده شد. کره‌ای از جنس پلوتونیم، توسط لایه اورانیومی در جای خود نگه داشته می‌شد و به عنوان بازتاب‌کننده نوترونی عمل می‌کرد. از این‌رو، بازده واکنش شکافت هسته‌ای افزایش قابل‌ملاحظه‌ای یافت. مواد منفجره در اطراف لایه اورانیوم به گونه‌ای قرار داده شدند که انفجار متقارنی را ایجاد کنند. در اثر انفجار این مواد، کره پلوتونیم فشرده و منفجر شد و تعداد زیادی نوترون را به سمت فلز پرتوزا، پرتاب کرد. در ادامه، واکنش شکافت آغاز و بمب منفجر شد. عنصر پلوتونیم با نوترون بمباران و در نتیجه، این عنصر در اثر شکافت هسته‌ای به زنون و زیرکونیوم یا عنصرهای دیگری، تبدیل می‌شود. نکته مهم، شکافت عنصر پلوتونیم پس از بمباران آن توسط نوترون است. در شکافت هسته‌ای، جرم از بین می‌رود و معادل جرم از بین رفته، انرژی آزاد خواهد شد. در اینجا باز هم رابطه معروف اینشتین خودنمایی می‌کند:

$$E = mc^2$$

واکنش انجام شده در طی بمباران پلوتونیم با نوترون و شکافت آن به دو عنصر زیرکونیوم و زنون به صورت زیر است:

$$^{239}_{94}Pu + ^{1}_{0}Pu \rightarrow ^{134}_{54}Xe + ^{103}_{40}Zr + 3 ^{1}_{0}n$$

همان‌طور که در این واکنش دیده می‌شود، یک نوترون وارد واکنش و سه نوترون خارج شده است، بنابراین در این واکنش دو نوترون تولید می‌شود. این نوترون‌ها، باز اتم‌های پلوتونیم را بمباران می‌کنند و واکنش‌های زنجیره‌ای بیشتری رخ خواهند داد. برای آن‌که بمب اتم کار کند، پلوتونیم باید به حالت بحراتی برسد. برای انجام این کار هسته این عنصر را فشرده می‌کنند. پلوتونیم پس از فشرده شدن وارد واکنش‌های زنجیره‌ای شکافت می‌شود.

پلوتونیم با استفاده از مواد منفجره رایج، فشرده می‌شود. این مواد در اطراف هسته پلوتونیم قرار می‌گیرند و چگالی آن را افزایش می‌دهند. در ادامه، واکنش‌های زنجیره‌ای شکافت آغاز می‌شوند. شکافت هسته‌ای در بمب اتم، نقش کلیدی را ایفا می‌کند. بازده این بمب در حدود ۲۰ کیلوتن TNT است. شاید از خود بپرسید این عدد به چه معنا است. فرض کنید ۲۰ هزار تن TNT را در انبار بزرگی ذخیره کرده‌اید. قرار دادن این مقدار زیاد TNT در کنار هم بسیار خطرناک و قدرت انفجار آن در حدود قدرت انفجار بمب اتم است. انفجار این انبار، خسارات جبران‌ناپذیری را به جا خواهد گذاشت.

نکته‌ای در مورد دو بمب پسر کوچک و مرد چاق وجود دارند که باید به آن توجه شود، انفجار در مرحله اول چگونه آغاز می‌شود؟ برخورد با زمین محرک انفجار بمب است. اما زمین مقدار زیادی انفجار را جذب و شعاع آن را محدود می‌کند. برای آن‌که قدرت انفجار بمب ساخته شده به حداکثر مقدار خود برسد، باید در هوا منفجر شد. بنابراین، مدار الکتریکی ویژه‌ای به منظور محاسبه ارتفاع از زمین، در هر دو بمب به کار برده شد. در نتیجه، بمب در زمان مناسبی منفجر می‌شد.