بمب اتمی و انرژی اتمی

بمب اتمی چگونه ساخته می‌شود؟ این سوالی است که امروز برای بیشتر ایرانی ها پرسشی شده است. در ابتدا به این پرسش پاسخی داده و سپس نگاهی به طرز کار رآکتور هسته‌ای می اندازیم. تمامی اشیاء و موجودات پیرامون ما از ذرات ریزی بنام اتم ویا ترکیبی از اتمها یعنی مولکول ها تشکیل شده است. اتمها ساختمانی شبیه به منظومه? شمسی دارند که در آنها خورشید هسته? اتم و الکترونها سیارات آن می باشند. هسته? اتم شامل چندین ذره است که از آن میان دو تایش در این بحث مهم هستند. این دو تا پروتن ها و نوترون ها می باشند. پروتن ها دارای بار الکتریکی مثبت و نوترون ها دارای بار الکتریکی خنثی هستند. بار الکتریکی الکترونها منفی است. از میان تمامی اتمها تنها هیدروژن است که نوترون ندارد. هسته? هیدروژن تنها یک پروتن دارد. در اتمهای خنثی تعداد پروتن ها و الکترونها برابر است ولی تعداد نوترون ها می تواند متفاوت باشد. برخی از اتمها دارای تعداد پروتن و الکترون یکسان ولی دارای نوترون های متفاوت اند. این نوع اتمها را ایزوتوپ همدیگر میگویند. طول عمر برخی از این ایزوتوپ ها بسیار کوتاه است. چنانکه پس از بوجود آمدن بزودی نابود می شوند. ولی برخی دیگر عمری طولانی دارند.
در ساختن بمب و رآکتور اتمی از دو ایزوتوپ استفاده میکنند. یکی ایزوتوپ هیدروژن بنام دوتریم که هسته اش شامل یک پروتن و یک الکترون است و دیگری ایزوتوپ های اورانیم می باشند. ایزوتوپ های اورانیم شامل U235 و U238 که اولی دارای 143 و دومی دارای 146 نوترون می باشد در حالی که هردو به اندازه? یکسان یعنی 92 پروتن دارند. ایزوتوپ U235 در ساختن بمب و رآکتور اتمی بسیار مهم است. در طبیعت از هر 100% اتم اورانیم تنها 0.7% آن اتم U235 است که مقدار زیادی نیست. برای بدست آوردن یک کیلو گرم اورانیم U235 چندین تن سنگ معدن اورانیم لازم است. لازم به یادآوریست که برای کاراندازی یک رآکتور اتمی برای انرژی گیری از آن نیاز به اورانیم 1 تا 5 درصد غنی است. منظور از غنی کردن اورانیم اینست که مقدار اورانیم 235 آنرا بیشتر کنند. برای اینکار بایستی چندین عملیات انجام شود. در شروع کار سنگ معدن را در اسید حل می‌کنند (کیک زرد همان اکسید اورانیم است)و سپس آنرا از صافی می گذرانند و پس از آن با گاز فلور ترکیب می‌کنند تا گازی به اسم هگزافلورید اورانیم UF6 بدست آورند. این گاز را از صفحه‌های فلزی متخلخل که قطر سوراخ هایش 25 میلیاردم سانتیمتر است عبور می دهند، این عمل را دیفوزیون میگویند. در اثر این عمل گازهایی که سبکترند سریع تر از گازهایی که سنگین تر هستند از روزنه ها عبور می کنند. از این خاصیت گاز ها جهت غنی کردن، یعنی بالا بردن مقدار اورانیم 235 استفاده می کنند. پس از این عمل با سانتریفوژهایی که ویژه? این کار ساخته شده‌اند تصفیه? مواد شروع می‌شود.
حال چگونه از این ماده انرژی می گیرند؟ برای انرژی گیری باز سلسله مراتبی فیزیکی صورت میگیرد. در ابتدا یک نوترون که باری خنثی دارد وارد هسته? اورانیم 235 می‌شود. این عمل به این سادگی صورت نمی‌پذیرد بلکه برای اینکه نوترون وارد هسته شود بایستی بر خلاف تصور سرعت آن کم باشد. برای کم کردن سرعت نوترونها آنها را از آب سنگین عبور می دهند. چنانکه پیشتر اشاره شد. آب سنگین یا دوتریم از ایزوتوپ های آب سبک و یا به قول متعارف آب معمولی است. آب معمولی نمی‌تواند بدان مقداری که لازم است جلو سرعت نوترون را بگیرد. گیر آوردن این آب بود که آلمانی ها را به سوی نروژ کشاند و همین نیز باعث لو رفتن آلمانی ها به وسیله? انگلیسی ها شد. انگلیسی ها در یافتند که آلمانی ها از نروژ آب سنگین می برند. بنابراین فهمیدند که آلمانی ها در صدد تولید بمب اتمی هستند. لذا با عملیاتی متهورانه مرکز تولید آب سنگین را در نروژ ویران کردند. در برخورد نوترون به هسته? اورانیم 235، هسته برانگیخته شده و سپس به دو و یا چند هسته? سبکتر تجزیه میشود. به این عمل شکافت هسته‌ای می گویند. در یکی از این پروسه ها پس از برخورد نوترون به هسته? اورانیم 235 دو عنصر باریم 138 و کریپون 95 و 3 تا نوترون ( در حقیقت برای هر 100 اتم اورانیم 235، تعداد 247 نوترون بوجود میآید) و حدود 200 میلیون الکترون ولت انرژی انتشار می یابد.
هر نوترون جدید تولید شده به اورانیم 235 برخورد کرده سه نوترون بهمراه انرژی و همچنین موجب سه شکافت جدید می‌شود. انرژیی که از این شکافت ها برای یک کیلو گرم اورانیم انتشار مییابد برابر صد ها میلیون مگاوات است. این مقدار انرژی نبایستی بیک باره آزاد شود. چرا که موجب انفجاری شدید می‌شود. در انفجار بمب اتمی آمریکا روی هیروشیما بمبی از همین جنس اورانیم 235 استفاده شد که قدرت تخریبی 13 کیلوتن داشت. با در نظر گرفتن اینکه هر کیلوتن برابر 1000،000 کیلو انفجار دینامیت (TNT) است. در حقیقت انفجاری معادل 13 میلیون کیلو دینامیت رخ داد. فاجعه بزرگی است، نه؟ اگر بخواهید از این فاجعه و ننگ بشریت تصویری بهتر بدست آورید. جریان بدین شرح است: زمانیکه بمب اتمی آمریکا به هیروشیما افتاد، جمعیت آنجا 350000 نفر بود. 200000 نفر از این جمعیت بطور مستقیم و یا غیر مستقیم جان باختند. 90% هیروشیما به ویرانه مبدل شد. ترومن رئیس جمهور وقت آمریکا خواسته بود که عکسی از این انفجار تهیه شود تا نتیجه? این آزمایش را که تلی از آتش و کباب انسان است به چشم ببینند. هیروشیما تنها جائی بود که آنجا باران کم می بارد. صخره‌ای بودن ژاپن نیز مهم بود که بمب سریع به آب ننشیند. پس قرعه به اسم هیروشیمای فلک زده افتاد. عکس یادگاری این جنایت لابد یکی از اسناد افتخارآمیز آمریکاست!
برگردیم روی بخش فنی جریان ، چنانکه پیشتر گفتیم اورانیم 238 با انفجار کاری ندارد ولی آنقدر ها هم بی خاصیت نیست. اورانیم 238 بر عکس اورانیم 235 در زیر بمباران نوترونهای سریع تر آنها را جذب کرده و نخست با گسیل یک ذره? بتا (الکترون) به نپتونیم Np239 (23.5 دقیقه) و سپس با گسیل یک ذره? بتای دیگر به پلوتونیم Pu239 که به ترتیب پلوتونیم یک نوترون از نپتونیم و نپتونیم یک نوترون از اورانیم 238 بیشتر دارند. این ایزوتوپ پلوتونیم چون هم با نوترونهای کند و هم با نوترونهای تند شکافت‌پذیر است. نقش بسزائی در ساختن بمب اتمی دارد. از همین نوع بمب بود که سه روز پس از بمب اتمی هیروشیما به تاریخ 9 اگوست روی سر ناکازاکی فرو ریخته شد. قدرت تخریبی آن برابر 22 کیلوتن بود. قدری کمتر از دو برابر بمب اتمی هیروشیما. در این فاجعه 122000 نفر از مردم بی گناه به زغال تبدیل شده و یا پودر گشتند. تقریبا تمامی بمب های اتمی کنونی از پلوتونیم ساخته شده است. مقدار بمب پلوتونیمی در سال 1994 در جهان بود 250000 برابر بمب اتمی هیروشیماست. هر 19.84 کیلو گرم پلوتونیم یک لیتر حجم دارد و از هر 1 تا 8 کیلوگرم پلوتونیم میتوان یک بمب ساخت ولی این رقم برای اورانیم 3 تا 25 کیلوگرم است.

حال بمب اتمی چگونه منفجر می‌شود؟

در بخشی از کپسولی که بمب تویش است لوله‌ای که «لوله توپی» نامگذاری شده وجود دارد. از این لوله اولین نوترونها بیرون می آیند. در بر خورد این نوترونها به هسته ها چنانکه پیشتر رفت شکافت هسته‌ای و سه عدد نوترون و مقدار متنابهی انرژی خارج می‌شود. این را رآکسیون هسته‌ای نیز می گویند. این رآکسیون ها در داخل بمب در مدت تقریبا یک میلیونیم ثانیه رخ می دهند. دلیلش روشن است. اگر فرض کنید که در درون حوض آبی جلبکی روئیده باشد و با فرض اینکه یک ماه طول بکشد که حوض پر شود و هر روز این جلبک ها دو برابر خودشان را تولید کنند. یک روز پیش از اینکه حوض پر شود، یعنی روز 29 ام تنها نصف حوض پر است. فردای آن روز یعنی روز 30 ام تمامی حوض پر می‌شود. این عمل در رآکسیونهای هسته‌ای نیز صادق است. نوترون اول سه نوترون و سه نوترون جدید 9 نوترون و سپس 27 و 81 و ... و سرعت این عمل آنقدر زیاد است که انفجار اجتناب ناپذیر می‌شود. دما از 27 درجه? هوای هیروشیما به 100 درجه و سپس 1000، 5000، 6000 (دمای سطح خورشید) و بالاخره به چندین میلیون درجه می رسد که گرمائی معادل گرمای درون خورشید است. این انرژی گرمائی بایستی هر چه زودتر خارج شود که در ابتدا به صورت اشعه? X و پس از یک لحظه آرامش تبدیل به کوهی از آتش و گرما می‌شود. این حالتی است که ما تازه قادر به مشاهده? انفجار می شویم. نیم ثانیه بعد دما به بالاترین حد خود میرسد که سه ثانیه پس از آن خاموش می‌شود. این حرارت باعث حرکت سریع هوا شده و یک خلاء تقریبا مطلق در مرکز انفجار بوجود میآورد. بازگشت مجدد هوا آنقدر سریع است که از هر توفانی قوی تر است و باعث ویرانی تمامی بنا ها، جاده ها، اتوموبیلها، پارکها و بویژه نابودی آدمیان می‌شود. در رآکتورهای هسته‌ای این راکسیونها را مهار می کنند. بطوری که با فرو کردن صفحه هایی که بتواند نوترونها را جذب کند (مثلا کادمیم) در داخل محلول اورانیم و آب قرار می دهند تا اینکه انرژی به سرعت آزاد نشود و انفجار صورت نگیرد. در حقیقت رآکتور را کنترل می کنند. ولی انرژی آزاد شده? لازم آب موجود در رآکتور را به جوش می آورد و بخار حاصل از آن از طریق لوله‌ای به توربین منتقل می‌شود و باعث چرخش توربین شده و الکتریسیته تولید می‌شود. بخار موجود در این پروسه و همچنین با عبور لوله‌های سرد از درون آن سرد شده و مجددا وارد رآکتور می‌شود.