القنابل الذرية وكيف تعمل

هناك نوعان من الانفجارات الذرية التي يمكن أن يسهلها اليورانيوم 235: الانشطار والاندماج. الانشطار ، ببساطة ، هو تفاعل نووي تنقسم فيه النواة الذرية إلى شظايا (عادة اثنان شظايا الكتلة المماثلة) في حين تنبعث من 100 مليون إلى مئات الملايين من فولت الطاقة. يتم طرد هذه الطاقة بشكل متفجر وعنيف في قنبلة ذرية. من ناحية أخرى ، يبدأ تفاعل الانصهار من خلال تفاعل انشطار. ولكن على عكس القنبلة الانشطارية (الذرية) ، فإن القنبلة الاندماجية (الهيدروجينية) تستمد قوتها من اندماج نوى نظائر الهيدروجين المختلفة إلى نوى الهيليوم.

تتناول هذه المقالة قنبلة أو قنبلة ذرية. تنبثق القوة الهائلة وراء رد الفعل في القنبلة الذرية من القوى التي تمسك الذرة ببعضها. هذه القوى شبيهة بالمغناطيسية ، لكنها لا تشبهها تمامًا.

الذرات تتكون من أعداد ومجموعات مختلفة من الجسيمات دون الذرية الثلاثة: البروتونات ، النيوتروناتوالإلكترونات. تتجمع البروتونات والنيوترونات معًا لتشكيل نواة (الكتلة المركزية) للذرة بينما تدور الإلكترونات حول النواة ، تمامًا مثل الكواكب حول الشمس. إن توازن وترتيب هذه الجسيمات هو الذي يحدد استقرار الذرة.

تحتوي معظم العناصر على ذرات مستقرة جدًا يتعذر فصلها إلا بالقصف في مسرعات الجسيمات. لجميع الأغراض العملية ، فإن العنصر الطبيعي الوحيد الذي يمكن تقسيم ذراته بسهولة هو اليورانيوم ، أ معدن ثقيل مع أكبر ذرة من جميع العناصر الطبيعية وارتفاع النيوترون إلى البروتون بشكل غير عادي نسبة. هذه النسبة الأعلى لا تعزز "قابليتها للانقسام" ، ولكن لها تأثير هام على قدرتها على تسهيل الانفجار ، مما يجعل اليورانيوم -235 مرشحًا استثنائيًا للانشطار النووي.

هناك نوعان من النظائر التي تحدث بشكل طبيعي اليورانيوم. يتكون اليورانيوم الطبيعي في الغالب من نظير U-238 ، مع 92 بروتون و 146 نيوترون (92 + 146 = 238) الموجودة في كل ذرة. يخلط هذا مع تراكم 0.6 ٪ من U-235 ، مع 143 نيوترون فقط لكل ذرة. يمكن تقسيم ذرات هذا النظير الأخف ، وبالتالي فهي "قابلة للانشطار" ومفيدة في صنع القنابل الذرية.

للنيوترون الثقيل U-238 دور يلعبه في القنبلة الذرية أيضًا لأن ذراته الثقيلة النيوترونية يمكن أن تحرف الانحراف النيوترونات ، ومنع تفاعل سلسلة عرضي في قنبلة اليورانيوم والحفاظ على النيوترونات الموجودة في البلوتونيوم قنبلة. يمكن أيضًا أن تكون U-238 "مشبعة" لإنتاج البلوتونيوم (Pu-239) ، وهو عنصر مشع من صنع الإنسان يستخدم أيضًا في القنابل الذرية.

كلا نظائر اليورانيوم مشع بشكل طبيعي. تتفكك ذراتها الضخمة بمرور الوقت. مع إعطاء الوقت الكافي (مئات الآلاف من السنين) ، سوف يفقد اليورانيوم في النهاية العديد من الجسيمات التي ستتحول إلى رصاص. يمكن تسريع عملية الاضمحلال هذه إلى حد كبير فيما يعرف باسم تفاعل السلسلة. بدلاً من التفكك الطبيعي والبطيء ، تنقسم الذرات بالقوة بالنيوترونات.

تكفي ضربة من نيوترون واحد لتقسيم ذرة U-235 الأقل ثباتًا ، مما يخلق ذرات عناصر أصغر (غالبا الباريوم والكريبتون) وإطلاق الحرارة وإشعاع جاما (أقوى وأشمل شكل قاتل النشاط الإشعاعي). يحدث هذا التفاعل المتسلسل عندما تطير النيوترونات "الاحتياطية" من هذه الذرة بقوة كافية لتقسيم ذرات U-235 الأخرى التي تتلامس معها. من الناحية النظرية ، من الضروري تقسيم ذرة U-235 واحدة فقط ، والتي ستطلق النيوترونات التي ستقسم الذرات الأخرى ، والتي ستطلق النيوترونات... وهلم جرا. هذا التقدم ليس حسابيا. إنه هندسي ويحدث في غضون مليون جزء من الثانية.

الحد الأدنى لبدء تفاعل تسلسلي كما هو موضح أعلاه يعرف بالكتلة فوق الحرجة. بالنسبة لـ U-235 النقي ، يبلغ وزنه 110 رطلاً (50 كجم). لا يوجد أي يورانيوم نقي تمامًا ، ومع ذلك ، في الواقع ستكون هناك حاجة إلى المزيد ، مثل U-235 و U-238 و Plutonium.

اليورانيوم ليس المادة الوحيدة المستخدمة لصنع قنابل ذرية. مادة أخرى هي نظير Pu-239 لعنصر البلوتونيوم من صنع الإنسان. تم العثور على البلوتونيوم بشكل طبيعي فقط في آثار دقيقة ، لذلك يجب إنتاج كميات قابلة للاستخدام من اليورانيوم. في المفاعل النووي ، يمكن أن يضطر نظير اليورانيوم U-238 الثقيل إلى اكتساب جزيئات إضافية ، ليصبح في النهاية بلوتونيوم.

لن يبدأ البلوتونيوم في رد فعل تسلسلي سريع في حد ذاته ، ولكن يتم التغلب على هذه المشكلة عن طريق الحصول على مصدر نيوتروني أو مادة مشعة للغاية تنتج نيوترونات أسرع من البلوتونيوم بحد ذاتها. في أنواع معينة من القنابل ، يتم استخدام خليط من عناصر البريليوم والبولونيوم لإحداث هذا التفاعل. هناك حاجة إلى قطعة صغيرة فقط (الكتلة فوق الحرجة حوالي 32 رطلاً ، على الرغم من أنه لا يمكن استخدام سوى 22). المادة غير قابلة للانشطار في حد ذاتها ولكنها تعمل فقط كمحفز للتفاعل الأكبر.