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.

به گزارش خبرگزاری فارس، تراژدی دردناک حمله به هیروشیما و ناکازاکی که منجر به کشته شدن بیش از 240 هزار انسان بی گناه در یک لحظه شد قلب مردم آزاده جهان را به درد آورده است. در ادامه کلیپی از شبیه سازی حمله هسته ای جنایتکارانه آمریکا به هیروشیما و ناکازاکی را مشاهده میکنید:

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 می شود. 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.

اساس کار بمب اتمی بر پدیده ای به نام شکافت هسته ای استوار است. این فرآیند زمانی رخ می دهد که هسته ی یک اتم سنگین و ناپایدار، مانند ایزوتوپ اورانیوم-235 یا پلوتونیوم-239 توسط یک ذره نوترون بمباران شود. این برخورد باعث می شود که هسته به دو هسته ی سبک تر 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 هسته ای، استفاده از این نوترون های ثانویه برای ایجاد یک واکنش زنجیره ای است. در صورتی که هر یک از نوترون های آزاد شده به هسته های شکافت پذیر دیگر برخورد کنند، آن ها نیز شکافته شده و نوترون های بیشتری آزاد می کنند. این فرآیند به صورت تصاعدی گسترش می یابد. اگر این واکنش به صورت کنترل شده (مانند راکتورهای هسته ای) انجام شود، می توان از انرژی آن برای تولید برق استفاده کرد. اما در یک بمب اتمی، هدف ایجاد یک واکنش زنجیره ای کنترل نشده و بسیار سریع است تا تمام انرژی ممکن در کوتاه ترین زمان ممکن (کمتر از یک میکروثانیه) آزاد شود و منجر به انفجار گردد.

تنها مواد خاصی قابلیت ایجاد واکنش زنجیره ای را دارند که به آن ها مواد شکافت پذیر(Fissile) گفته می شود. دو ماده اصلی مورد استفاده در سلاح های هسته ای عبارتند از:1. اورانیوم-235 : این ایزوتوپ به طور طبیعی در سنگ اورانیوم یافت می شود، اما غلظت آن بسیار کم است (حدود 0.7٪). برای استفاده در بمب، اورانیوم باید طی فرآیند پیچیده ای به نام غنی سازی ، به خلوص بالای 90٪ برسد. این فرآیند از نظر فنی بسیار دشوار و پرهزینه است.2. پلوتونیوم-239 : این ایزوتوپ به طور طبیعی وجود ندارد و محصول جانبی راکتورهای هسته ای است. پلوتونیوم از طریق بمباران نوترونی اورانیوم-238 تولید و سپس با روش های شیمیایی پیچیده جدا می شود.برای اینکه واکنش زنجیره ای پایدار بماند، باید مقدار کافی از ماده شکافت پذیر در یک حجم مشخص وجود داشته باشد تا احتمال فرار نوترون ها از سطح آن کمتر از احتمال برخوردشان با هسته های دیگر باشد. این حداقل مقدار ماده، جرم بحرانی (Critical Mass) نامیده می شود. جرم بحرانی یک مقدار ثابت نیست و به عواملی چون چگالی، شکل هندسی (کره بهینه ترین شکل است)، خلوص ماده و وجود پوشش بازتابنده نوترونی بستگی دارد. هدف اصلی در طراحی بمب، رساندن سریع ماده شکافت پذیر از حالت زیر بحرانی به حالت فوق بحرانی است.

دو روش اصلی برای رساندن ماده شکافت پذیر به حالت فوق بحرانی و آغاز انفجار وجود دارد.روش ماشه ای ( Gun-Type Mechanism )

این روش، طراحی ساده تری دارد و در بمبی که بر روی هیروشیما انداخته شد (پسر کوچک) از آن استفاده شد. ساختار : در این مکانیسم، ماده شکافت پذیر (معمولاً اورانیوم-235) به دو قطعه زیر بحرانی تقسیم می شود. یک قطعه به عنوان گلوله و دیگری به عنوان هدف در دو سر یک لوله شبیه به لوله توپ قرار می گیرند. عملکرد : در لحظه انفجار، یک خرج انفجاری معمولی (مانند TNT) در پشت قطعه گلوله منفجر شده و آن را با سرعت بسیار بالا (حدود 300 متر بر ثانیه) به سمت قطعه هدف شلیک می کند. نتیجه : دو قطعه با هم ترکیب شده و یک توده واحد فوق بحرانی را تشکیل می دهند. در همین لحظه، یک چشمه نوترونی (Initiator) اولین نوترون ها را برای شروع واکنش زنجیره ای آزاد می کند و انفجار هسته ای رخ می دهد. محدودیت : این روش برای پلوتونیوم-239 کارآمد نیست، زیرا پلوتونیوم تولیدی در راکتورها همواره حاوی مقداری ایزوتوپ پلوتونیوم-240 است که نرخ شکافت خود به خودی بالایی دارد. این موضوع باعث می شود که واکنش زنجیره ای پیش از رسیدن دو قطعه به هم و تشکیل کامل توده فوق بحرانی، به صورت ناقص آغاز شود (پدیده ای به نام Predetonation) و بخش بزرگی از ماده بدون شکافته شدن پراکنده شود و در نتیجه قدرت انفجار به شدت کاهش یابد.

این روش از نظر مهندسی بسیار پیچیده تر اما کارآمدتر است و برای پلوتونیوم-239 (و همچنین اورانیوم-235) قابل استفاده است. بمبی که بر روی ناکازاکی انداخته شد (مرد چاق) از این نوع بود. س اختار: یک کره از ماده شکافت پذیر در حالت زیر بحرانی (که به آن Pit می گویند) در مرکز بمب قرار دارد. این کره توسط چندین لایه از مواد مختلف، از جمله یک پوسته بازتابنده نوترون و مهم تر از همه، لایه ای ضخیم از مواد منفجره معمولی با دقت بسیار بالا احاطه شده است. این مواد منفجره به شکل عدسی های انفجاری طراحی شده اند. ع ملکرد: ده ها چاشنی الکتریکی به طور همزمان و با دقتی در حد نانوثانیه، تمام عدسی های انفجاری را منفجر می کنند. این انفجار یک موج شوک کاملاً کروی و متقارن به سمت داخل ایجاد می کند. 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 می دهد. با افزایش چگالی، فاصله بین اتم ها کم شده و جرم بحرانی کاهش می یابد. کره که در ابتدا زیر بحرانی بود، اکنون به شدت فوق بحرانی می شود. یک چشمه نوترونی در مرکز، در لحظه حداکثر فشردگی، سیلی از نوترون ها را آزاد کرده و واکنش زنجیره ای انفجاری را آغاز می کند. این روش به دلیل سرعت بسیار بالا، مشکل انفجار زودرس پلوتونیوم را حل می کند.

اگر بخواهیم این فرآیند پیچیده را به زبان ساده توضیح دهیم، می توانیم این گونه بگوییم:تصور کنید دو نوع زغال جادویی خاص داریم: اورانیوم و پلوتونیوم. این زغال ها اگر به مقدار کافی کنار هم قرار بگیرند، خود به خود در یک چشم به هم زدن با نیرویی غیرقابل تصور منفجر می شوند. آن مقدار کافی همان جرم بحرانی است. چالش ساخت بمب این است که این زغال ها را تا لحظه آخر از هم جدا نگه داریم و سپس در یک آن، آن ها 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 بی خطرند، در دو سر یک لوله تفنگ بگذاریم. با شلیک، یک تکه با سرعت به سمت دیگری پرتاب می شود و به محض برخورد، مقدار زغال از حد بحرانی عبور کرده و انفجار رخ می دهد. 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 می پوشانیم. اگر همه دینامیت ها 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 فوق العاده فشرده تبدیل می کند. این فشردگی ناگهانی باعث می شود زغال به جرم بحرانی برسد و انفجاری بسیار قوی تر رخ دهد.

ساخت یک بمب اتمی فراتر از دستیابی به مواد شکافت پذیر است و یک چالش عظیم مهندسی محسوب می شود. این فرآیند نیازمند تسلط بر فیزیک نوترون، طراحی دقیق عدسی های انفجاری، زمان بندی الکترونیکی در مقیاس نانوثانیه و متالورژی پیشرفته برای کار با مواد خطرناک و ناپایدار است. هر دو مکانیزم ماشه ای و انفجار درونی، راه حل هایی هوشمندانه برای یک مسئله فیزیکی بنیادی هستند: چگونگی مونتاژ سریع و کارآمد یک توده فوق بحرانی از ماده شکافت پذیر قبل از آنکه واکنش زنجیره ای، سلاح را پیش از موعد متلاشی کند.ساخت بمب اتم نیازمند دانش فنی بسیار بالا در حوزه هسته ای 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.