اولین بمب اتمی برای کشتن انسانها در ۶ اوت ۱۹۴۵ بر فراز شهر هیروشیما (Hiroshima)، ژاپن منفجر شد. سه روز بعد، بمب دوم بر فراز شهر ناکازاکی (Nagasaki) منفجر شد. تعداد تلفات دو انفجار بمب – حدود ۲۱۴۰۰۰ نفر – و تخریبهای ناشی از این سلاحها در تاریخ جنگ بیسابقه بود (منبع:Icanw.org ).
در پایان جنگ جهانی دوم، ایالات متحده تنها ابرقدرت جهان بود که دارای قابلیتهای هستهای بود. اما این موضوع خیلی طول نکشید. اتحاد جماهیر شوروی نیز با کمک شبکهای از جاسوسان که اسرار هستهای آمریکا را به سرقت بردند، بمب اتمی خود را در سال ۱۹۴۹ با موفقیت آزمایش کرد (منابع:Icanw.org, Holmes ).
زمانی که ایالات متحده و شوروی وارد یک دوره خصومت چند دههای شدند که به جنگ سرد معروف شد، هر دو کشور سلاح هستهای قویتری – بمب هیدروژنی (Hydrogen bomb) – ساختند و زرادخانههایی از کلاهکهای هستهای ساختند (به محل ساخت، تعمیر، ذخیره و نگهداری اسلحه و مهمات نظامی، زرادخانه گفته میشود – مترجم). هر دو کشور ناوگان بمب افکنهای استراتژیک خود را با موشکهای بالستیک قارهپیمای مستقر در زمین که قادر به رسیدن به شهرهای یکدیگر از هزاران مایل دورتر بودند، افزایش دادند. زیردریاییها نیز به موشکهای هستهای مجهز بودند که این امر انجام یک حمله ویرانگر را آسانتر میکرد (منابع:Locker, Dillin.).
کشورهای دیگر – بریتانیا، فرانسه، چین و اسرائیل – همگی تا اواخر دهه ۶۰ سلاح هستهای ساختند (منبع:Icanw.org).
بمب هستهای بر همهکس و همه چیز خودنمایی کرد. مدارس، مانورهای حمله هوایی هستهای را برگزار کردند. دولتها پناهگاههایی ساختند. صاحبان خانه در حیاط خانه خود سنگرهایی حفر کردند. در نهایت، قدرتهای هستهای در یک تقابل مساوی قرار گرفتند. همه طرفهای این مجادله، یک استراتژی تخریب متقابل داشتند – به این صورت که حتی اگر یک کشور حمله پنهانی موفقیتآمیزی را انجام دهد که میلیونها نفر را کشته و ویرانی گسترده به بار آورد، کشور دیگر همچنان سلاحهای کافی برای ضدحمله و تحمیل تلافی، به همان اندازه وحشیانه، در اختیار خواهد داشت.
این تهدید وحشتناک آنها را از استفاده از سلاحهای هستهای علیه یکدیگر منصرف کرد، اما با این وجود، ترس از یک جنگ هستهای فاجعهبار همچنان پابرجا بود. در طول دهه ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ تنشها ادامه یافت. در زمان ریاست رونالد ریگان (Ronald Reagan)، ایالات متحده استراتژی توسعه فناوری دفاع ضد موشکی را دنبال کرد – که توسط مخالفین “جنگ ستارگان (Star Wars)” نامیده شد – که هدف آن محافظت از ایالات متحده در برابر حمله بود، اما همچنین ممکن بود ایالات متحده را قادر سازد در ابتدا بدون ترس از پیامدها حمله کند. در اواخر آن دهه، زمانی که اتحاد جماهیر شوروی از نظر اقتصادی دچار رکود شد، ریگان و رهبر شوروی، میخائیل گورباچف (Mikhail Gorbachev)، به طور جدی برای محدود کردن تسلیحات هستهای تلاش میکردند.
در سال ۱۹۹۱، جانشین ریگان، جورج اچ. دبلیو. بوش (George H.W. Bush) و گورباچف معاهده مهمتری به نام شروع اول (START I) امضا کردند و با کاهش عمده زرادخانه خود موافقت کردند. پس از فروپاشی اتحاد جماهیر شوروی در سال ۱۹۹۱، بوش و بوریس یلتسین (Boris Yeltsin)، رئیسجمهور فدراسیون جدید روسیه، معاهده دیگری به نام شروع دوم (START II) را در سال ۱۹۹۲ امضا کردند که تعداد کلاهکها و موشکها را بیش از پیش، کاهش داد (منبع: وزارت خارجه ایالات متحده).
اما هراس از بمب هستهای واقعاً از بین نرفت. در اوایل دهه ۲۰۰۰، ایالات متحده به عراق حمله کرد و دیکتاتور آن، صدام حسین (Saddam Hussein) را تا حدی به دلیل ترس از تلاش او برای ساخت سلاح هستهای، سرنگون کرد. ولی معلوم شد که او آن تلاشهای پنهانی برای ساخت بمب را رها کرده است (منبع: Zoroya). در آن زمان پاکستان، اولین سلاح هستهای خود را در سال ۱۹۹۸ آزمایش کرده بود (منبع: armscontrolcenter.org).
اما یک کشور دیکتاتوری دیگر، کره شمالی، در همان جایی که صدام شکست خورد موفق شد (و بمب هستهای ساخت). در سال ۲۰۰۹، کره شمالی با موفقیت یک سلاح هستهای به قدرت بمب اتمی که هیروشیما را نابود کرد، آزمایش کرد. آن انفجار زیرزمینی آنقدر مهم بود که زلزلهای به بزرگی ۴.۵ ریشتر را ایجاد کرد (منبع: McCurry) و در دهه ۲۰۲۰، افزایش تنش بین روسیه و کشورهای غربی، همراه با چشمانداز نسل جدیدی از موشکهای مافوق صوت که قادر به فرار از سیستمهای هشدار اولیه برای حمل کلاهکهای هستهای هستند، چشمانداز یک رقابت تسلیحات هستهای جدید ترسناک را افزایش داد (منبع: Bluth).
در حالی که چشمانداز سیاسی جنگ هستهای در طول سالها بهطور قابلتوجهی تغییر کرده است، همه میدانیم که دانش نسبت به خود سلاح هستهای – فرآیندهای اتمی که همه آن خشم را به راه میاندازد – از زمان انیشتین شناخته شده است. این مقاله نحوه عملکرد بمبهای هستهای، از جمله نحوه ساخت و استقرار آنها را بررسی میکند. در ابتدا بررسی اجمالی ساختار اتمی و رادیواکتیویته را خواهیم داشت.
ساختار اتمی و پرتوزایی (Radioactivity)
قبل از اینکه بتوانیم به بمبها برسیم، باید از کوچکترین مقیاس یعنی اتم شروع کنیم. به یاد داشته باشید که یک اتم از سه ذره زیراتمی – پروتون، نوترون و الکترون – تشکیل شده است. مرکز یک اتم که هسته نام دارد از پروتون و نوترون تشکیل شده است. پروتونها دارای بار مثبت هستند. نوترونها اصلاً باری ندارند. و الکترونها نیز دارای بار منفی هستند. نسبت بار پروتون به الکترون همیشه یک به یک است، بنابراین اتم دارای بار خنثی است. به عنوان مثال، یک اتم کربن دارای شش پروتون و شش الکترون است.
البته در عمل موضوع به این سادگی نیست. خواص یک اتم میتواند به طور قابل توجهی بر اساس تعداد ذرات آن تغییر کند. اگر تعداد پروتونها را تغییر دهید، به طور کلی با یک عنصر متفاوت مواجه میشوید. اگر تعداد نوترونهای یک اتم را تغییر دهید، با یک ایزوتوپ مواجه میشوید. به عنوان مثال، کربن (Carbon) دارای سه ایزوتوپ است:
۱. کربن-۱۲ (Carbon-12) (شش پروتون + شش نوترون)، شکل پایدار و رایج عنصر است.
۲. کربن-۱۳ (Carbon-13)(شش پروتون + هفت نوترون)، که پایدار است اما نادر است.
۳. کربن ۱۴ (Carbon-14)(شش پروتون + هشت نوترون)، که نادر و ناپایدار (یا پرتوزا) است.
همانطور که در مورد کربن میبینیم، بیشتر هستههای اتمی پایدار هستند، اما تعداد کمی از آنها اصلاً پایدار نیستند. این هستهها به طور خود به خود، ذراتی را منتشر میکنند که دانشمندان از آنها به عنوان تابش (Radiation) یاد میکنند. هستهای که تشعشع میکند البته رادیواکتیو است و عمل گسیل ذرات به عنوان واپاشی رادیواکتیو (Radioactive Decay) شناخته میشود. سه نوع واپاشی رادیواکتیو وجود دارد:
۱. واپاشی آلفا (Alpha decay): یک هسته، دو پروتون و دو نوترون متصل به هم را که به نام ذره آلفا شناخته میشود، خارج میکند.
۲. واپاشی بتا (Beta decay): یک نوترون به پروتون، الکترون و پادنوترینو (Antineutrino) تبدیل میشود. الکترون پرتاب شده یک ذره بتا است.
۳. شکافت خود به خود (Spontaneous fission): یک هسته به دو قسمت تقسیم میشود. در این فرآیند، اتم میتواند نوترونهایی به خارج بفرستند که میتوانند تبدیل به پرتوهای نوترونی شوند. هسته همچنین میتواند انفجاری از انرژی الکترومغناطیسی به نام پرتو گاما ساطع کند. پرتوهای گاما تنها نوع تابش هستهای هستند که به جای ذرات متحرک سریع، از انرژی ناشی میشوند.
به طور خاص بخش شکافت را به خاطر بسپارید. زمانی که در مورد عملکرد داخلی بمبهای هستهای بحث میکنیم، به این موضوع برمیگردیم.
شکافت هستهای
بمبهای هستهای شامل نیروهایی – قوی و ضعیف – هستند که هسته یک اتم را کنار هم نگه میدارند، به ویژه اتمهایی با هستههای ناپایدار. دو راه اساسی وجود دارد که انرژی هستهای میتواند از اتم آزاد شود.
۱. در شکافت هستهای (Nuclear Fission)، دانشمندان هسته یک اتم را با یک نوترون به دو قطعه کوچکتر تقسیم میکنند.
۲. همجوشی هستهای (Nuclear Fusion) – فرآیندی که توسط آن، خورشید، انرژی تولید میکند – شامل کنار هم قرار دادن دو اتم کوچکتر برای تشکیل اتم بزرگتر است.
در هر دو فرآیند – شکافت یا همجوشی – مقادیر زیادی انرژی گرمایی و تابش آزاد میشود.
می توان کشف شکافت هستهای را به کار انریکو فرمی (Enrico Fermi) فیزیکدان ایتالیایی نسبت داد. در دهه ۱۹۳۰، فرمی نشان داد عناصری که در معرض بمباران نوترونی قرار میگیرند میتوانند به عناصر جدید تبدیل شوند. این کار منجر به کشف نوترونهای کند و همچنین عناصر جدیدی شد که در جدول تناوبی نشان داده نمیشوند.
بلافاصله پس از کشف فرمی، دانشمندان آلمانی اتو هان (Otto Hahn) و فریتز استراسمن (Fritz Strassman)، اورانیوم (Uranium) را با نوترون بمباران کردند که باعث شد ایزوتوپ باریم (Barium) پرتوزا تولید شود. هان و استراسمن به این نتیجه رسیدند که نوترونهای کمسرعت باعث پدیده شکافت یا به عبارتی شکسته شدن هسته اورانیوم به دو قطعه کوچکتر شدند.
کار آنها جرقه فعالیت شدیدی را در آزمایشگاههای تحقیقاتی در سراسر جهان برانگیخت. در دانشگاه پرینستون (Princeton University)، نیلز بور (Niels Bohr) با جان ویلر (John Wheeler) برای ایجاد مدلی فرضی از فرآیند شکافت کار کرد. بور و ویلر حدس زدند که این ایزوتوپ اورانیوم، مربوط به اورانیوم-۲۳۵ (uranium-235) است و نه اورانیوم-۲۳۸ (uranium-238) که در حال شکافت است.
تقریباً در همان زمان، دانشمندان دیگر دریافتند که فرآیند شکافت، منجر به تولید نوترونهای خیلی بیشتری میشود. این امر باعث شد بور و ویلر یک سؤال مهم بپرسند: آیا نوترونهای آزاد ایجاد شده در شکافت، میتوانند یک واکنش زنجیرهای را آغاز کنند که مقدار زیادی انرژی آزاد کند؟ اگر چنین است، ممکن است بتوان سلاحی با قدرت غیرقابل تصور ساخت (یعنی آیا نوترونهای ایجادشده خودشان میتوانند اتمهای مجاور را هم بشکافند و این فرایند پشت سر هم تکرار شود و مقدار زیادی انرژی آزاد شود؟-م).
و اینگونه بود که فرایند ساخت بمب هستهای شروع شد.
سوخته هستهای
در مارس ۱۹۴۰، تیمی از دانشمندان که در دانشگاه کلمبیا (Columbia University) در شهر نیویورک (New York City) کار میکردند، فرضیه بور و ویلر را تأیید کردند: ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۵ یا U-235، مسئول شکافت هستهای بود. تیم کلمبیا در پاییز ۱۹۴۱ تلاش کرد تا یک واکنش زنجیرهای را با استفاده از U-235 آغاز کند اما شکست خورد. سپس تمام کارها به دانشگاه شیکاگو (Chicago University) منتقل شد، جایی که انریکو فرمی در زمین اسکواش در زیر میدان استاگ دانشگاه (در اینجا زمین اسکواش به معنی محل آزمایش اولین واکنش هستهای کنترلشده در دانشگاه شیکاگو است – مترجم)، سرانجام به اولین واکنش زنجیرهای هستهای کنترلشده در جهان دست یافت. توسعه یک بمب هستهای با استفاده از U-235 به عنوان سوخت، به سرعت پیش رفت.
به دلیل اهمیت آن در طراحی بمب هستهای، اجازه دهید U-235 را با دقت بیشتری بررسی کنیم. U-235 یکی از معدود موادی است که میتواند تحت شکافت القایی (Induced fission) قرار گیرد. این پدیده بدان معناست که به جای انتظار بیش از ۷۰۰ میلیون سال برای تجزیه طبیعی اورانیوم، اگر یک نوترون به هسته آن برخورد کند، این عنصر میتواند بسیار سریعتر تجزیه شود. هسته، بیدرنگ نوترون را جذب میکند، ناپایدار میشود و بلافاصله شکافته میشود.
به محض اینکه هسته، نوترون را میگیرد، به دو اتم سبکتر تقسیم میشود و دو یا سه نوترون جدید پرتاب میکند (تعداد نوترونهای شلیکشده بستگی به نحوه تقسیم اتم U-235 دارد). سپس دو اتم سبکتر در حالی که در حالت جدید خود قرار میگیرند، تابش گاما ساطع میکنند. چند نکته در مورد این فرآیند شکافت القایی وجود دارد که آن را جالب میکند:
- احتمال اینکه یک اتم U-235 یک نوترون را در حین عبور از کنارش جذب کند بسیار زیاد است. در بمبی که به درستی کار میکند، بیش از یک نوترون که از هر شکافت پرتاب میشود باعث ایجاد شکافت دیگری میشود. در نظر گرفتن پروتونها و نوترونهای یک اتم به شکل دایرههای بزرگی از تیلهها به تجسم شما کمک میکند. اگر یک تیله – یک نوترون – را به وسط دایره بزرگ پرتاب کنید، به یک تیله برخورد میکند و آن نیز بلافاصله به چند تیله دیگر برخورد میکند، و به همین ترتیب تا زمانی که واکنش زنجیرهای دوام داشته باشد ادامه مییابد.
- فرآیند گرفتن نوترون و شکافتن بسیار سریع، در مقیاس پیکوثانیه (۰.۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۱ ثانیه) اتفاق میافتد.
- برای اینکه این ویژگیهای U-235 کار کند، یک نمونه اورانیوم باید غنیسازی شود. یعنی مقدار U-235 در یک نمونه باید فراتر از سطوح طبیعی افزایش یابد. اورانیوم با درجه غنیسازی بالا، یعنی حداقل از ۹۰ درصد U-235 تشکیل شده است.
در سال ۱۹۴۱، دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا در برکلی (Berkeley) عنصر دیگری – عنصر شماره ۹۴ – را کشف کردند که ممکن است پتانسیل سوخت هستهای داشته باشد. آنها این عنصر را پلوتونیوم (Plutonium) نامیدند و در طول سال بعد، برای آزمایشات به اندازه کافی از آن ساختند. در نهایت، آنها ویژگیهای شکافت پلوتونیوم را مشخص کردند و سوخت احتمالی دوم را برای سلاحهای هستهای شناسایی کردند.
طراحی بمب شکافت
در یک بمب شکافت، سوخت باید در جرمهای مجزای زیر سطح جرم بحرانی (Subcritical masses) نگهداری شود تا از شکافت پشتیبانی نکنند و از انفجار زودرس جلوگیری شود. جرم بحرانی، حداقل جرم مواد شکافتپذیر مورد نیاز برای حفظ یک واکنش شکافت هستهای است.
دوباره به مثال تیلهها فکر کنید. اگر تیلهها خیلی از هم دور باشند – یعنین زیر سطح جرم بحرانی – وقتی “تیله نوترون” به مرکز برخورد کند، یک واکنش زنجیرهای کوچکتر رخ میدهد. اگر تیلهها در دایره نزدیکتر به هم پخش شوند- یعنی جرم بحرانی -، احتمال بیشتری وجود دارد که یک واکنش زنجیرهای بزرگ رخ دهد.
نگه داشتن سوخت در زیر سطح جرم بحرانی منجر به چالشهایی در طراحی میشود که برای عملکرد صحیح یک بمب شکافت باید حل شود. بدیهی است که اولین چالش، گرد هم آوردن اجرام زیر سطح جرم بحرانی برای تشکیل یک جرم فوق بحرانی (بالاتر از سطح جرم بحرانی – مترجم) است که نوترونهای کافی برای حفظ یک واکنش شکافت در زمان انفجار را فراهم میکند. طراحان بمب دو راه حل ارائه کردند که در قسمت بعدی به آنها خواهیم پرداخت.
چالش بعدی، نوترونهای آزاد باید به جرم فوق بحرانی وارد شوند تا شکافت آغاز شود. نوترونها با ساختن یک مولد نوترون (neutron generator) به جرم وارد میشوند. این ژنراتور یک گلوله کوچک از پلونیوم (polonium) و بریلیم (beryllium) است که توسط فویل در هسته سوخت شکافتپذیر از هم جدا شده است. در این مولد:
۱. فویل، هنگامی که اجرام زیر سطح جرم بحرانی به هم میرسند و پولونیوم به طور خود به خود ذرات آلفا ساطع میکند، شکسته میشود.
۲. سپس این ذرات آلفا با بریلیوم-۹ (beryllium-9) برخورد میکنند و بریلیم-۸ (beryllium-8) و نوترونهای آزاد تولید میکنند.
۳. سپس نوترونها شکافت را آغاز میکنند.
در نهایت، طراحی باید به نحوی باشد که اجازه دهد، بیشترین مقدار ممکن مواد، قبل از انفجار بمب، شکافته شوند. این کار با محدود کردن واکنش شکافت در یک ماده متراکم به نام تَمپر (tamper) انجام میشود که معمولاً از U-238 ساخته شده است. تَمپر توسط هستهی شکافت، گرم و منبسط میشود. این انبساط تَمپر، فشار را بر روی هسته شکافت وارد کرده و انبساط هسته را کند میکند. تَمپر همچنین نوترونها را به هسته شکافت منعکس میکند و کارایی واکنش شکافت را افزایش میدهد.
چاشنیهای بمب شکافت
سادهترین راه برای گرد هم آوردن اجرام زیر سطح جرم بحرانی، ساختن تفنگی است که یک جرم را به جرم دیگر شلیک میکند. یک کره از U-235 در اطراف مولد نوترون ساخته شده و جرمی به شکل یک گلوله کوچک از U-235 از آن کره ساخته میشود. این گلوله در یک سر لوله بلند با مواد منفجره شیمیایی در پشت آن قرار میگیرد، در حالی که کره اورانیوم 235 در انتهای دیگر لوله قرار میگیرد، یک سنسور فشارسنج، ارتفاع مناسب برای انفجار را تعیین میکند و در ارتفاع مناسب برای انفجار، سری رویدادهای زیر را آغاز میکند:
۱. مواد منفجره شیمیایی، شلیک میشوند و گلوله را به سمت پایین محفظه یا لوله منتقل میکنند.
۲. گلوله به کره و ژنراتور برخورد میکند و واکنش شکافت را آغاز میکند.
۳. واکنش شکافت آغاز میشود.
۴. بمب منفجر میشود.
بمبی که روی هیروشیما انداخته شد، با نام Little Boy، از این نوع بمب بود و بازدهی ۲۰ کیلوتنی (معادل ۲۰۰۰۰ تنTNT)، با کارائی در حدود ۱.۵ درصد داشت. این یعنی طی این انفجار، ۱.۵ درصد از مواد قبل از انفجار، شکافته شده است.
راه دوم برای ایجاد یک جرم فوق بحرانی مستلزم فشردهسازی اجرام زیر سطح جرم بحرانی با هم در یک کره با ایجاد انفجار است. بمبی که روی ناکازاکی انداخته شد، با نام Fat Man، یکی از این بمبهای به اصطلاح چاشنی انفجاری یا با انفجار عملکننده (implosion-triggered bombs) بود که ساختن آن آسان نبود.
طراحان اولیه بمب با مشکلات متعددی مواجه بودند، به ویژه نحوه کنترل و هدایت ضربه موج به طور یکنواخت در سراسر کره. راه حل آنها ایجاد یک دستگاه انفجاری متشکل از یک کره U-235 برای عمل به عنوان تَمپر و یک هسته پلوتونیوم-۲۳۹ بود که توسط مواد منفجره قوی احاطه شده بود. زمانی که بمب منفجر شد، بازدهی ۲۳ کیلوتنی با بازدهی ۱۷ درصد داشت. این چیزی است که اتفاق افتاد:
- مواد منفجره شلیک شد و یک موج تصادمی ایجاد کرد.
- موج تصادمی، هسته را فشرده کرد.
- واکنش شکافت آغاز شد.
- بمب منفجر شد.
طراحان توانستند طراحی اولیه چاشنی انفجاری را بهبود بخشند. در سال ۱۹۴۳، فیزیکدان آمریکایی، ادوارد تلر (Edward Teller)، مفهوم تقویت (Boosting) را ابداع کرد. تقویت به فرآیندی گفته میشود که در آن واکنشهای همجوشی برای ایجاد نوترونها مورد استفاده قرار میگیرند و سپس برای القای واکنشهای شکافت با سرعت بالاتر استفاده میشوند. هشت سال دیگر طول کشید تا اولین آزمایش، اعتبار تقویت را تأیید کرد، اما به محض اینکه اثبات شد، به یک طرح محبوب تبدیل شد. در سالهای بعد، تقریباً ۹۰ درصد از بمبهای هستهای ساخته شده در آمریکا از طراحی تقویتکننده استفاده میکردند.
البته، واکنشهای همجوشی میتواند به عنوان منبع اولیه انرژی در یک سلاح هستهای نیز مورد استفاده قرار گیرد. در مطلب بعدی، عملکرد داخلی بمبهای همجوشی را بررسی خواهیم کرد.
