بمب کبالت مرگبارترین سلاحی که میتواند به حیات درروی زمین پایان دهد

 

فن آوری سلاح های هسته ای

حالت عمل

در حالی که مواد منفجره معمولی انرژی خود را از تبدیل شیمیایی ماده منفجره به دست می آورند، سلاح های هسته ای مقادیر زیادی انرژی را در مدت زمان کوتاه تری از فرآیندهای هسته ای آزاد می کنند که به دمایی در محدوده میلیون کلوین می رسد . این باعث می شود هر جامد در مجاورت آن به گاز داغ تبخیر شود. گرم شدن هوای اطراف و ذرات جامد در حال تبخیر منجر به انبساط حجمی ناگهانی می شود که علاوه بر تابش گرمایی ساطع شده، منجر به موج فشار قوی می شود.

هم شکافت هسته ای و هم همجوشی هسته ای به گردش انرژی خود از تفاوت در انرژی اتصال نوکلئون های هسته اتمی درگیر قبل و بعد از واکنش هسته ای دست می یابند. در حالی که انرژی‌های حداکثر 14  مگا ولت در هر همجوشی هسته‌ای آزاد می‌شوند (رجوع کنید به راکتور همجوشی ) و حتی حدود 200 مگا ولت ( به گرمای شکافت هسته‌ای) آزاد می‌شود، در این مورد، واکنش‌های شیمیایی فقط در محدوده چند ولت ولت تولید می‌کنند. TNT تقریباً 38.6 eV (به پارامترهای انفجار مراجعه کنید ) در هر مولکول.

بمب شکافت

یک بمب شکافت هسته ای کلاسیک (بمب اتمی) به گونه ای طراحی شده است که در زمان مورد نظر، چندین قسمت از مواد شکافت پذیر ، هر یک به صورت جداگانه زیر جرم بحرانی ، در کنار هم قرار می گیرند و در نتیجه از جرم بحرانی فراتر می روند. همزمان با رسیدن به جرم بحرانی، یک منبع نوترونی شروع به انتشار نوترون می کند که باعث واکنش زنجیره ای شکافت می شود. در نتیجه، تعداد نوترون‌های جدید تولید شده توسط شکافت هسته‌ای (شکافت هسته‌ای) در هر نسل از شکافت بیشتر از تعداد نوترون‌های خارج شده از ماده و جذب در ماده بدون شکافت است، به طوری که سرعت واکنش هسته‌ای به سرعت افزایش می‌یابد. جرم بحرانی را می توان با استفاده از بازتابنده نوترونی کاهش داد .

انرژی آزاد شده به شکل گرمایش بسیار سریع ماده منفجره هسته ای را از هم جدا می کند. بنابراین، واکنش زنجیره ای زیربنایی باید تمام مواد شکافت پذیر را در سریع ترین زمان ممکن جذب کند، در غیر این صورت تنها بخش کوچکی از انرژی ممکن آزاد می شود. بنابراین، برای سلاح‌های شکافت هسته‌ای – بر خلاف راکتورهای هسته‌ای برای تولید انرژی غیرنظامی – از خالص‌ترین هسته‌های به راحتی شکافت‌پذیر مانند اورانیوم بسیار غنی شده یا پلوتونیوم تقریباً خالص 239 استفاده می‌شود و شروع سریع فوق بحرانی در طراحی جستجو می‌شود.

پولونیوم – بریلیم اغلب به عنوان منبع نوترون استفاده می شود که باید در زمان مناسب مخلوط شود. در این مخلوط ، ذرات آلفای ساطع شده از پلونیوم با بریلیم واکنش می دهند.

یکی از مواد منفجره شیمیایی که برای ادغام سریع قطعات زیر بحرانی استفاده می شود، اکتول است . این شامل HMX و TNT است که به نسبت 7 به 3 مخلوط می شوند.

اصل توپ

یک سیلندر اورانیوم توخالی زیر بحرانی را می توان به سمت سنبه اورانیوم زیر بحرانی که در داخل این سیلندر وجود ندارد شلیک کرد (طراحی تفنگ؛ اصل توپ). سیلندر تکمیل شده از جرم بحرانی لازم فراتر رفته و واکنش زنجیره ای هسته ای را آغاز می کند. با توجه به طراحی، مقدار کل اورانیوم در این آرایش به چند مضرب جرم بحرانی محدود می شود. به دلیل طراحی نسبتاً کشیده، اصل توپ برای سلاح‌های هسته‌ای دراز مانند «ساختارهای پناهگاه» (به پایین نگاه کنید) و پرتابه‌های هسته‌ای که از سلاح‌های بشکه شلیک می‌شوند، مناسب است. به عنوان مثال، پیشران های گلوله های توپخانه، مانند کوردیت ، به عنوان مواد منفجره شیمیایی استفاده می شود .

بمب اورانیومی Little Boy که در هیروشیما انداخته شد با این روش ساخته شد. آنقدر قابل اعتماد در نظر گرفته شد که از احتراق آزمایشی اولیه صرف نظر شد. این بمب حاوی 64 کیلوگرم اورانیوم غنی شده تا 80 درصد 235 U بود. جرم بحرانی کلاهک هسته ای قبل از نفوذ کامل سنبله اورانیوم به سیلندر اورانیوم با سرعت نهایی 300 متر بر ثانیه به 25 سانتی متر یا 1.35 میلی ثانیه رسید.

در طرح های دیگر، مجموعه شکافت واقعی شکل تقریباً کروی دارد. گلوله شکاف پذیر به یک هدف شکافت پذیر صلب شلیک می شود یا دو گلوله به سمت یکدیگر شلیک می شود. یک بخش اضافی، سفت و سخت و در مرکز قرار داده شده سوم مواد شکافت یا کمک واکنش انفجار تا حدی بحث شده است.

اصل توپ برای پلوتونیومی که در راکتور یک نیروگاه هسته ای معمولی انکوبه شده است مناسب نیست. محتوای آن از 240 Pu (شکافت کمتر و در عین حال شکافت خود به خودی نسبتاً قوی) منجر به پیش اشتعال ( fizzle ) در اصل توپ و در نتیجه به یک گاز می شود. در مقابل، پلوتونیوم تسلیحاتی نامیده می‌شود که به‌ویژه در راکتورهایی با عملکرد مناسب تولید می‌شود، حاوی مقدار بسیار کمی 240 پلوتونیم است.

بمب انفجاری

طراحی پایه

بمب انفجاری طراحی متفاوتی را نشان می دهد. بمب مرد چربی که در ناکازاکی انداخته شد بر اساس این اصل ساخته شد. در وسط مواد شکافت پذیر (مانند پلوتونیوم، 235 U یا آلیاژی از هر دو فلز) به عنوان یک جرم غیر بحرانی، یا به صورت جامد (جرم زیربحرانی) یا به صورت یک کره توخالی (از نظر هندسه زیر بحرانی) وجود دارد. این یک کره جامد نیست). در اطراف مواد شکافت پذیر چندین لایه مواد منفجره قوی مانند TNT وجود دارد. هنگامی که مشتعل می شود، انرژی انفجار به مرکز کره هدایت می شود و مواد شکافت پذیر را به حدی فشرده می کند که جرم بحرانی می شود. بمب انفجاری مؤثرتر است زیرا سریعتر از بمب توپ منفجر می شود و می توان از مقدار بسیار زیادی مواد شکافت پذیر استفاده کرد. علاوه بر این، بهره برداری از مواد منفجره هسته ای بیشتر است، زیرا مواد شکافت پذیر برای مدت زمان طولانی تر و به شکل مطلوب تری در طول انفجار با هم باقی می مانند.

با توجه به نرخ شکافت خود به خودی بالاتر ایزوتوپ های مختلف Pu و اشتعال زودرس ناشی از آن، سلاح های پلوتونیومی فقط به عنوان سلاح های انفجاری قابل تصور هستند. خود ساخت و ساز از نظر مواد منفجره و فن آوری احتراق بسیار پیچیده تر است. از آنجایی که دانشمندان درگیر در توسعه کاملاً مطمئن نبودند، برخلاف بمب اورانیوم “پسر کوچک”، ترتیب انفجار از قبل به عنوان بخشی از “تست ترینیتی ” (نیومکزیکو) آزمایش شد.

ساختن مواد منفجره در اطراف هسته

ساختن یک پوسته از مواد منفجره در اطراف هسته نتیجه مطلوب را به همراه نداشت، زیرا مواد منفجره به صورت کروی در اطراف چاشنی منفجر می شود . سپس برای رسیدن به فشردگی قابل قبول و نه فشار دادن کره توخالی به هلال ماه یا ستاره، به تعداد بسیار زیادی چاشنی نیاز دارید.

بنابراین وظیفه تبدیل چندین جبهه انفجار کروی واگرا به یک جبهه کروی همگرا بود. برای این منظور از دو ماده منفجره با سرعت انفجار متفاوت استفاده شد . در محل اتصال مواد منفجره، جبهه انفجار مانند نور روی عدسی شکسته می شود، به همین دلیل است که ما در انگلیسی از ” عدسی انفجاری ” صحبت می کنیم. برای دستیابی به اثر مطلوب برای یک بمب انفجاری، چنین عدسی باید دارای یک پارابولوئید از چرخش مواد منفجره آهسته در مرکز باشد، که توسط یک ماده منفجره سریع احاطه شده است. مشابه با اپتیک، ضریب شکست عدسی بیشتر است هر چه سرعت انفجار مواد منفجره مورد استفاده بیشتر متفاوت باشد. لنزهای انفجاری چند ضلعی هستند به طوری که می توان آنها را به شکل کروی مونتاژ کرد.

آرایه موجود در “Trinity Gadget” از 32 لنز انفجاری تشکیل شده است. بعدها از لنزهای 40، 60، 72 و در نهایت 92 استفاده شد. در اصل، متراکم کردن یک هسته فقط با یک عدسی به شکل پیچیده امکان پذیر است. با این حال، این لنز بزرگتر و سنگین تر از لنز ذکر شده در بالا خواهد بود. تنظیمات، حتی اگر احتراق آسان تر باشد.

بازتابنده

سلاح‌های هسته‌ای مدرن دارای یک لایه اضافی بین سوخت هسته‌ای معمولی با قابلیت انفجار شدید و سوخت هسته‌ای واقعی هستند که معمولاً از بریلیم یا اورانیوم خالص ۲۳۸ U (اورانیوم ضعیف‌شده) ساخته می‌شود . این لایه نوترون‌ها را منعکس می‌کند ( 9 بریلیم حتی به عنوان ساطع کننده نوترون عمل می‌کند). قبلاً از کاربید تنگستن به عنوان بازتابنده استفاده می شد. این اجازه می دهد تا جرم بحرانی مطابق جدول زیر کاهش یابد: [1]

235 U را به اشتراک بگذارید	بدون رفلکتور	اورانیوم طبیعی (10 سانتی متر)	بریلیم (10 سانتی متر)
93.5٪	48.0 کیلوگرم	18.4 کیلوگرم	14.1 کیلوگرم
90.0٪	53.8 کیلوگرم	20.8 کیلوگرم	15.5 کیلوگرم
80.0٪	68.0 کیلوگرم	26.5 کیلوگرم	19.3 کیلوگرم
70.0٪	86.0 کیلوگرم	33.0 کیلوگرم	24.1 کیلوگرم

از سوی دیگر، به ویژه در هنگام استفاده از اورانیوم، این لایه به دلیل اینرسی پس از شروع واکنش زنجیره ای، انبساط مواد شکافت را به تاخیر می اندازد. بنابراین مواد شکافت پذیر بیشتر در کنار هم می مانند، واکنش زنجیره ای خود به دلیل چگالی نوترون داغ تر می شود و بازده انرژی بمب افزایش می یابد.

استفاده از 238 U به عنوان یک ژاکت می تواند قدرت انفجار را 10 تا 20 درصد افزایش دهد.

تنظیم تراکم

لایه دیگری از آلومینیوم بین ماده منفجره و بازتابنده برای انتقال بهتر شوک از مواد منفجره معمولی به فلز سنگین عمل می کند. از آنجایی که ماده منفجره چگالی بسیار کمتری نسبت به بازتابنده و مواد شکافت پذیر دارد، بخشی از موج ضربه انفجار مواد منفجره معمولی در سطح مشترک منعکس می شود. این بخش از انرژی برای فشرده سازی مواد شکافت پذیر استفاده نمی شود. اگر لایه ای با چگالی متوسط ​​مانند آلومینیوم بین ماده منفجره معمولی و بازتابنده قرار گیرد، انتقال انرژی به ماده شکافت پذیر و در نتیجه فشرده سازی آن بهبود می یابد.

هسته شناور

در طرح های انفجاری مدرن از ترتیباتی استفاده می شود که در آن مواد شکافت پذیر به یک پوسته و یک کره توخالی تقسیم می شود. فضا پر از گاز است. برای نگه داشتن کره توخالی در مرکز پوسته، معمولاً شش پیچ آلومینیومی به عنوان فاصله‌دهنده نصب می‌شوند. این طرح این مزیت را دارد که لازم نیست کل کره توخالی به یکباره فشرده شود. در عوض، فقط جرم کوچک پوسته در ابتدا شتاب می گیرد. انرژی جنبشی بالایی دریافت می کند و با سرعت بالا به کره توخالی ضربه می زند. سپس جرم بحرانی در مدت زمان بسیار کوتاهی تکمیل می شود. تنها چیزی که لازم است این است که کره توخالی تحت فشار پوسته شتاب دار منفجر شود. این طرح دارای انواع مختلفی است. شکاف هوا نیز می تواند بین بازتابنده و مواد شکاف مرتب شود. توپ داخلی را می توان به عنوان یک توپ توخالی یا از مواد جامد طراحی کرد. ممکن است طرح هایی با دو فضا وجود داشته باشد. پیچ های آلومینیومی را می توان با فوم (فوم پلی اورتان، پلی استایرن منبسط شده یا مواد مشابه) جایگزین کرد.

تصویر مقابل ویژگی های اساسی یک طراحی مدرن را نشان می دهد که دارای تنظیم تراکم، یک بازتابنده و یک هسته شناور است. برای تعیین دقیق پارامترهای بهینه، چنین ساختارهایی نیاز به محاسبات پیچیده ریاضی دارند که فقط با برنامه های کامپیوتری خاص قابل انجام است. روش‌ها و نتایج محاسبه و همچنین برنامه‌های مورد استفاده توسط مقامات تسلیحاتی به عنوان محرمانه طبقه‌بندی می‌شوند و جزئیات فقط در موارد بسیار کمی منتشر می‌شوند – بنابراین مقادیر عددی که مشخص شده‌اند قابل تردید هستند. همچنین این دلیلی است که رایانه‌های با کارایی بالا در گذشته تحت محدودیت‌های صادراتی (مثلاً توسط ایالات متحده آمریکا) قرار گرفته‌اند. با این حال، طراحی اولیه سلاح های هسته ای مدرن با ویژگی های نشان داده شده قابل قبول است و توسط منابع مختلف تایید شده است.

این طرح به جاسوس هسته ای آلمانی کلاوس فوکس نسبت داده شده است . علاوه بر مزایای ذکر شده در بالا در طول انفجار بعدی، برای حذف و افزودن مواد شکافت پذیر واقعی استفاده شد. در برخی از طرح‌های بمب‌های بریتانیایی و آمریکایی، مواد شکافت‌پذیر واقعی در خارج از بمب به‌گونه‌ای ذخیره می‌شد که در صورت وقوع یک حادثه زیربحرانی، هیچ‌یک از آن‌ها به فضای باز فرار نمی‌کرد. بنابراین، ایمنی سلاح و حمل و نقل این سلاح ها بیشتر بهبود یافت.

مثال ها

بزرگترین بمب شکافت خالص (سلاح شکافت) که تا به حال منفجر شده است توسط انگلستان با بازده 720  کیلو تن ( اورنج هرالد ) ساخته شد، دومین بمب بزرگ ایالات متحده (500  کیلو تن ، به آیوی کینگ مراجعه کنید ). آنها بر اساس طرح انفجار کار می کردند و اورانیوم را به عنوان ماده منفجره هسته ای داشتند.

از سال 1966 تا 1980، فرانسه بزرگترین بمب پلوتونیومی را که تا به حال ساخته شده بود، یعنی کلاهک MR-31 ، با قدرت انفجاری حدود 120 کیلو تن ساخت و به کار برد.

معروف‌ترین سلاح هسته‌ای که بر اساس طرح انفجاری ساخته شده است، مطمئناً بمب مرد چربی است که بر روی ناکازاکی انداخته شد، در حالی که بمب اورانیومی Little Boy بر اساس اصل توپ (طراحی تفنگ) کار می‌کرد .

آتش گرفتن

مبانی

آنچه برای همه اصول طراحی حیاتی است این است که واکنش زنجیره ای تنها تا زمانی رخ می دهد که آرایش فوق بحرانی باشد. برای اینکه تا حد امکان شکافت هسته ای رخ دهد، باید تا زمانی که ممکن است فوق بحرانی نگه داشته شود. به محض اینکه انرژی کافی در نتیجه تعداد زیادی شکافت هسته ای تولید شد، مواد شکافت تبخیر می شوند، منبسط می شوند و واکنش زنجیره ای قطع می شود. بنابراین زمان اشتعال به منظور استفاده بهینه از مواد شکافت مهم است.

آرایش لوله تفنگ زمانی حیاتی می شود که دو نیمه اورانیوم زیربحرانی به فاصله معینی، یعنی زمان بحرانی اول (انتقال به حالت فوق بحرانی) نزدیک شوند. در آرایش انفجاری، مواد نیز فشرده می شود. با نزدیک‌تر شدن نیمه‌ها در مورد آرایش لوله توپ، یا فشرده‌سازی در مورد آرایش انفجاری، آرایش فوق بحرانی می‌شود. حتی بدون یک واکنش زنجیره‌ای، آرایش در نهایت تنها به دلیل اینرسی خود توده‌های شتاب‌دار معمولی دوباره گسترش می‌یابد. واکنش زنجیره ای زمانی متوقف می شود که آرایش زیربحرانی شود (زمان بحرانی دوم). با تبخیر شدن مواد شکافت پذیر، انبساط تسریع می یابد. این مورد زمانی است که انرژی اضافی از شکافت هسته ای آزاد می شود، اما فقط زمانی که از مقدار معینی فراتر رود که انرژی Bethe-Tait نامیده می شود . هنگامی که این حداقل انرژی به دست می آید، انبساط سوخت هسته ای شتاب می گیرد و ترتیب دوباره با سرعت بیشتری زیر بحرانی می شود. در این مرحله، بسیاری از نسل‌های واکنش زنجیره‌ای قبلاً اتفاق افتاده است. حتی در طول انبساط، واکنش زنجیره ای تا رسیدن به نقطه بحرانی دوم (انتقال به حالت زیربحرانی) ادامه می یابد. بیشتر انرژی در طول چند نسل اخیر نوترون ها آزاد می شود.

هرچه فوق بحرانی بیشتر باشد، فاز بین رسیدن به انرژی بته تایت و رسیدن به نقطه بحرانی دوم بیشتر طول می‌کشد و شکافت‌های هسته‌ای بیشتری هنوز می‌توانند انجام شوند.

برای دستیابی به استفاده بهینه از سوخت، شروع واکنش زنجیره ای باید به گونه ای تنظیم شود که انرژی Bethe-Tait و حداکثر فوق بحرانی همزمان حاصل شود. با این حال، اگر انرژی Bethe-Tait زودتر به دست آید، نوترون های کمتری تشکیل می شود و تنها مقادیر کمتری از سوخت هسته ای تبدیل می شود.

بدترین سناریو این است که واکنش زنجیره ای در زمان بحرانی اول آغاز شود، زیرا زمان انرژی بته-تیت قبل از حداکثر فوق بحرانی به دست می آید و آرایش پیش از موعد گسترش می یابد. اگر آرایش در این نقطه فقط کمی فوق بحرانی باشد، انرژی انفجاری چنین بمبی به سختی از انرژی انفجاری شیمیایی استفاده شده بیشتر خواهد شد. اگر خیلی هایپر بحرانی باشد، هنوز مدتی طول می کشد تا دوباره زیر بحرانی شود. در طول این مدت، شکافت های هسته ای زیادی ممکن است اتفاق بیفتد که انرژی آزاد شده چندین برابر بیشتر از انرژی مواد منفجره شیمیایی باشد. اول، افزایش فوق بحرانی تا رسیدن به انرژی Bethe-Tait ادامه می یابد. در انبساط شتابان بعدی، شکافت هسته ای بیشتر صورت می گیرد.

به گفته رابرت اوپنهایمر، اولین انفجار یک بمب انفجاری مبتنی بر پلوتونیوم (16 ژوئیه 1945، آزمایش در نیومکزیکو)، حتی در بدترین حالت ممکن، انرژی انفجاری داشت که به زحمت کمتر از 1000 تن بود. TNT.

احتراق قبل از زمان بهینه را پیش اشتعال و احتراق بعد از زمان بهینه را احتراق عقب افتاده می گویند . برای به دست آوردن نقطه اشتعال بهینه، به نوترون های حاصل از شکافت خود به خود تکیه نمی کنیم، بلکه یک مولد نوترون ویژه را در لحظه مناسب راه اندازی می کنیم .

پیش اشتعال

پس از رسیدن به جرم بحرانی، بمب باید توسط نوترون های اولیه منفجر شود. اینها می توانند از خود مواد شکافت از طریق فروپاشی هسته ای خود به خود حاصل شوند یا توسط یک منبع نوترونی اضافی تامین شوند. در 235 U بسیار غنی شده، حدود 80 میلیون هسته اتمی در هر ثانیه و کیلوگرم تجزیه می شوند و ذرات آلفا ساطع می کنند، اما از نظر آماری تنها حدود دو نوترون در هر ثانیه و کیلوگرم تولید می شود. از نظر آماری، 0.17 نوترون در 64 کیلوگرم بمب هیروشیما بین نقطه بحرانی و مونتاژ کامل (1.38 میلی ثانیه) آزاد شد.

در سال 1945، بمب هیروشیما با احتمال 12 درصد پیش اشتعال، مطابق با احتمال یک نوترون اولیه در 1.38 میلی ثانیه داده شده در بالا، داده شد. به منظور جلوگیری از پیش اشتعال بمب ها بر اساس طرح تفنگ، طراحی بمب هسته ای باید عاری از سایر ساطع کننده های نوترون باشد. بنابراین 238 U (با 20 نوترون در هر کیلوگرم در ثانیه) باید در پاکت اجتناب شود. سلاح‌های هسته‌ای که قبلاً در همان منطقه هدف منفجر شده‌اند و تشعشعات نوترونی باقی‌مانده آنها نیز می‌توانند استفاده از چنین بمب هسته‌ای را خنثی کنند.

اصل لوله توپ دیگر در زرادخانه های امروزی استفاده نمی شود. کلاهک ها برای سیستم های حمل و نقل مدرن بسیار سنگین هستند. آفریقای جنوبی 6 اسلحه را بر اساس اصل لوله توپ ساخته بود، اما پس از تغییر سیاست خود در اوایل دهه 1990، آنها را کنار گذاشت. این اولین کشوری است که سلاح های هسته ای را به طور کامل خلع سلاح می کند.

بر خلاف اورانیوم، تولید نوترون پلوتونیوم به دلیل نسبت غیرقابل اجتناب 240 Pub زیاد است. مونتاژ اجزای منفرد مواد شکافت پذیر در آرایش لوله تفنگ به قدری آهسته (در حدود میلی ثانیه) اتفاق می افتد که واکنش زنجیره ای درست در اولین بحران آغاز می شود. وقتی به نقطه Bethe-Tait می رسید، به سختی فوق بحرانی بود و فقط از بین می رفت. بنابراین آرایش لوله تفنگ فقط با اورانیوم بسیار غنی شده که دارای زمینه نوترونی کم است کار می کند، اما با پلوتونیوم نه.

با این حال، با آرایش انفجاری، تراکم بسیار سریعتر، در حد میکروثانیه اتفاق می افتد. بنابراین برای پلوتونیوم نیز مناسب است. بسته به خلوص پلوتونیوم، بین 50000 (پلوتونیوم با درجه سلاح) تا 500000 (پلوتونیوم درجه رآکتور) نوترون در هر ثانیه در نتیجه فروپاشی خود به خود ایجاد می شود.

از آنجایی که 240 Pu با جذب نوترون از 239 Pu تشکیل می شود ، که به نوبه خود با جذب نوترون از 238 U تشکیل می شود، هرچه سوخت هسته ای بیشتر باشد، نسبت 240 Pu بیشتر است. بنابراین رآکتورهایی که برای تولید پلوتونیوم با درجه تسلیحات در نظر گرفته شده اند، با سطوح پایین سوختن کار می کنند. نیروگاه های هسته ای به دلایل اقتصادی از میزان بالایی از سوختن استفاده می کنند. با این وجود، پلوتونیوم تولید شده در نیروگاه های هسته ای نیز مناسبت محدودی برای ساخت سلاح های هسته ای دارد. احتمال پیش اشتعال بیشتر است، اما انرژی انفجاری کمتر نیز بسیار بیشتر از سلاح های معمولی است. با این حال، افزایش رادیواکتیویته و گرم شدن در نتیجه تجزیه رادیواکتیو باعث مشکلات فنی می شود.

اشتعال دیررس و منبع نوترونی

علاوه بر احتراق زودهنگام، یک سلاح هسته‌ای بر اساس طرح تفنگ نیز می‌تواند نسبتاً دیر مشتعل شود اگر – از نظر آماری کاملاً – نوترون اولیه واکنش زنجیره‌ای را دیر آغاز کند. به هر حال، احتمال انفجار بمب هیروشیما تنها پس از 200 میلی ثانیه 0.15 درصد بود. هنگامی که یک بمب هسته ای با سرعت بالا به سمت هدف خود شلیک می شود، این تاخیر می تواند به طور قابل توجهی محل انفجار مورد نظر و انرژی پیش بینی شده آزاد شده را تغییر دهد. به همین دلیل سلاح های هسته ای به منابع نوترونی مجهز شدند که به محض تشکیل جرم بحرانی، واکنش زنجیره ای را با مقدار بیشتری نوترون آغاز می کنند.

بمب اورانیوم هیروشیما نیز با منبع نوترونی مانند چاشنی بمب طراحی شده بود. نمی توان تعیین کرد که آیا در نهایت نصب شده است یا خیر؛ رادیواکتیویته طبیعی مواد شکافت پذیر احتمالا برای ایجاد یک انفجار کافی بوده است.

منبع نوترون از دو جزء بریلیم و 210 پلونیوم تشکیل شده است که از نظر مکانی از یکدیگر جدا شده اند. هنگامی که پرتابه اورانیوم برخورد کرد، این دو ماده به هم نزدیک شدند و تولید نوترون آغاز شد. منابع دو جزئی مشابهی بعداً در هسته بمب‌های انفجاری اولیه یافت شد که توسط یک غشای نازک از هم جدا شدند که پس از انفجار پاره شد. سلاح های مدرن به جای آن از یک منبع خارجی استفاده می کنند.

کارایی، اندازه، ایمنی و وزن سلاح

نسبت مواد منفجره هسته ای تقسیم شده به کل مواد منفجره هسته ای را بازده می گویند.

شکافت 50 گرم از 235 U قدرت انفجار 1 kT را آزاد می کند. در بمب هیروشیما، حدود 650 گرم 235 U تقسیم شد که تنها بخش کوچکی از مجموع 64 کیلوگرم اورانیوم است. مواد منفجره هسته‌ای باقی‌مانده در جو منتشر می‌شود و همراه با محصولات شکافت و رادیواکتیویته «ثانویه» تولید شده توسط نوترون‌ها، ریزش را تشکیل می‌دهد .

بنابراین بمب های شکافتی حاوی بیش از جرم بحرانی هستند که باید برای تولید انرژی انفجاری کافی و مطلوب شکافت شوند. با جرمی بلافاصله بالاتر از جرم بحرانی، قدرت انفجار حاشیه ای وجود خواهد داشت؛ با جرمی 1.05 برابر آن، می توان نیروی انفجاری حدود 100 تن را انتظار داشت.

با اصل لوله توپ ساده، حداکثر جرم ممکن کمی کمتر از جرم بحرانی است که برای دو قسمت دو برابر (سه بار برای سه قسمت) است. هر دو نیمه جرم بحرانی باید قبل از انفجار زیر بحرانی باقی بمانند تا از حوادث تشعشعات و انفجارهای زیربحرانی زودرس، به اصطلاح deflagration جلوگیری شود. بنابراین حداکثر اندازه بمب های شکافت خالص بر اساس اصل توپ ساده (بمب های اورانیومی) با حداکثر جرم زیر بحرانی دو یا سه قطعه مواد شکافت پذیر محدود می شود.

همچنین می توان بیش از سه لوله توپ را با هم ترکیب کرد تا قطعات بیشتری را به سمت یکدیگر شلیک کند. با این حال، این مستلزم افزایش قابل ملاحظه تلاش برای احتراق همزمان پیشرانه ها و سایر مشکلات هماهنگ سازی است، زیرا ترکیب تمام قطعات شارژ باید بسیار دقیق انجام شود تا در واقع به افزایش قدرت انفجار کمک کند.

با اصل انفجار، مواد شکافت اضافی فشرده می شوند. این امر جرم بحرانی را کاهش می دهد و بنابراین ابر بحرانی بالاتر و بازده بهتری امکان پذیر است. علاوه بر این، آرایش کروی از نظر هندسی بهینه شده است. اما در اینجا نیز محدودیت‌هایی وجود دارد، زیرا مواد منفجره شیمیایی را نمی‌توان برای چگالش به میزان دلخواه استفاده کرد و جرم باید از قبل زیر بحرانی باشد. علاوه بر این، انجام تراکم تا حد ممکن به صورت کروی از نظر انفجار یک کار چالش برانگیز است. علاوه بر شکل کروی، استوانه های توخالی و سایر اشکال از نظر فنی شناخته شده اند.

در نهایت، این یک مزیت ایمنی قابل توجه از اصل انفجار است. برای ایجاد یک انفجار هسته ای، ماده منفجره شیمیایی روی پوسته بیرونی آن باید در تعداد زیادی از نقاط به صورت زمان بندی شده مشتعل شود تا جبهه انفجار از بیرون به سمت داخل به سمت بار هسته ای حرکت کند تا آن را فشرده کند. اگر ماده منفجره فقط در یک مکان به دلیل حادثه منفجر شود، تنها انفجار شیمیایی و آلودگی محیط از مواد شکافت پذیر و سپس رها شدن آن رخ می دهد.

از آنجایی که جبهه انفجار معمولاً از نقطه اشتعال محدب است، جبهه انفجار اغلب توسط لایه‌هایی از مواد منفجره مختلف با سرعت‌های انفجار متفاوت به‌گونه‌ای شکل می‌گیرد که تراکم مطلوب مواد شکافت‌پذیر حاصل شود. در حالی که سیستم‌های قبلی بر پایه اشتعال همزمان در تمام نقاط مورد نظر بودند، سیستم‌های مدرن دارای انحرافات خاصی هستند که باید با زمان‌های کمی متفاوت که در آن چاشنی‌های منفرد مشتعل می‌شوند جبران شوند. این تفاوت‌های زمانی تنها با استفاده از کدهای مناسب در زمانی که استفاده مجاز باشد به الکترونیک اسلحه وارد می‌شود (به اصطلاح ” پیوند اقدام مجاز “). این به طور قابل توجهی خطر سرقت یا از دست دادن یک کلاهک یا استفاده از سلاح های مغایر با دستورات را کاهش می دهد، زیرا تلاش برای انفجار نادرست آن ناموفق است.

حداکثر اندازه یک سلاح بیشتر با استفاده عملی و ایمنی دست زدن تعیین می شود. در عمل، سلاح های شکافت و چاشنی های بمب هیدروژنی از تقویت کننده ها، مقادیر کمی از مواد همجوشی در توده شکافت بحرانی استفاده می کنند. نوترون‌هایی که در طول همجوشی آزاد می‌شوند باعث انفجار «داغ‌تر» می‌شوند، به این معنی که کارایی سلاح از طریق استفاده بهتر از مواد شکافت‌پذیر افزایش می‌یابد. حتی انرژی های انفجار بالاتری را می توان با سلاح های چند مرحله ای مانند بمب های هیدروژنی بدست آورد.

در بیشتر سلاح‌های هسته‌ای مدرن، قدرت انفجار را می‌توان متناسب با کاربرد مربوطه تنظیم کرد.

شکافت 238 U از طریق یک بازتابنده یا ژاکت 238 U

علاوه بر مواد شکافت واقعی، می توان از یک بازتابنده ساخته شده از اورانیوم طبیعی ارزان قیمت یا اورانیوم ضعیف شده ( 238 U) نیز استفاده کرد. این ماده نیز توسط نوترون های حاصل از فرآیند هسته ای شکافته شده و انرژی آزاد می کند. نوترون‌های آزاد شده نیز فرآیند شکافت اولیه را بیشتر گرم می‌کنند، شبیه به یک تقویت‌کننده. کارایی 238 U در بازتابنده یا ژاکت بمب کمتر از جرم بحرانی مورد استفاده در بمب است.

در یکی از قوی‌ترین بمب‌های شکافت خالص آمریکایی‌ها ( Ivy King ) ، حدود 425 کیلو تن انرژی با انفجار 235 U و 75 کیلو تن اضافی توسط 238 U از بدنه جدا شد. افزایش عملکرد از طریق 238 U در بازتابنده تنها با بمب‌های مبتنی بر طرح انفجار امکان‌پذیر است، زیرا 238 U تعداد زیادی نوترون را از طریق شکافت خود به خود آزاد می‌کند و بنابراین به احتمال زیاد منجر به پیش‌اشتعال در طراحی تفنگ می‌شود.

اگر یک بمب اتمی کوچک با 235 U به عنوان ماده شکافت‌پذیر طراحی شده باشد (به عنوان مثال یک “بنکر شکن” بر اساس طراحی تفنگ)، این مشکل تئوری پیش می‌آید که 235 U به طور کامل در هنگام انفجار در قلمرو دشمن اجرا نمی‌شود و بنابراین برای ساخت بمب اتمی دیگری در دسترس است. برای جلوگیری از این امر، می توان به چنین سلاح هسته ای یک ژاکت یا بالاست ساخته شده از 238 U داد. در طی یک انفجار هسته ای، هر دو اورانیوم با هم مخلوط می شوند و خلوص آن کاهش می یابد . برای جلوگیری از اشتعال زودرس، 238 U باید به صورت مکانی جدا از وسیله انفجاری نصب شود.

بمب‌های دارای ژاکت ساخته شده از 238 U (هنگامی که از تقویت‌کننده یا بمب هیدروژنی استفاده می‌شود) سلاح‌های سه مرحله‌ای هستند و بنابراین به دلیل مقدار زیادی مواد شکافت‌پذیر آزاد شده، بمب‌های «کثیف» نامیده می‌شوند.

بمب هیدروژنی

در سلاح‌های همجوشی هسته‌ای (بمب‌های هیدروژنی)، از یک وسیله انفجاری معمولی هسته‌ای ( دستگاه انفجاری شکافت ) برای ایجاد همجوشی هسته‌ای ایزوتوپ‌های هیدروژن دوتریوم و تریتیوم استفاده می‌شود .

اولین، طراحی غیر قابل تحقق

در ایده اولیه بمب هیدروژنی که در اصطلاح آمریکایی به عنوان Super و بعداً به عنوان کلاسیک سوپر شناخته می شود، مقدار زیادی از ایزوتوپ های هیدروژن تریتیوم یا دوتریوم در کنار یا اطراف یک وسیله انفجاری شکافتی قرار گرفته است که به عنوان یک چاشنی عمل می کند. انفجار ماده منفجره شکافتی برای گرم کردن هیدروژن تا دمای اشتعال در نظر گرفته شده است تا ماده منفجره همجوشی مشتعل شود. پیکربندی ساختگی به دلیل ظاهر هندسی آن “طراحی ساعت زنگ دار” نامیده شد.

این آرایش با دوتریوم خالص کار نمی کند، زیرا بیشتر انرژی بمب شکافت به صورت اشعه ایکس حرارتی ایجاد می شود که به دوتریوم نفوذ می کند. دما برای واکنش دوتریوم-تریتیوم کافی است، اما تریتیوم نسبتاً گران است – به جای یک بمب هیدروژنی از این نوع، یک بمب شکافت بسیار بزرگ می‌توانست با هزینه کمتر ساخته شود.

یکی دیگر از مشکلات کلاسیک سوپر چگالی کم سوخت است، زیرا ایزوتوپ های هیدروژن در شرایط عادی گازی هستند. قبل از اینکه سوخت کافی تبدیل شود، انفجار بار شکافت اولیه همه چیز را پراکنده می کرد.

بنابراین، طراحی یک “توده همجوشی” از دوتریوم و تریتیوم در کنار یا اطراف یک هسته شکافت نامناسب است؛ بمبی از این نوع هرگز ساخته نشد. با این وجود، طرح مشابهی برای بمب نوترونی استفاده می‌شود ، زیرا تنها مقدار بسیار کمی تریتیوم-دوتریوم مورد نیاز است و بنابراین هزینه‌ها پایین می‌ماند.

طرح اولم بشقاب

طرح Teller-Ulam که به نام ادوارد تلر و استانیسلاو اولام نامگذاری شده است ، مشکلات کلاسیک سوپر را حل می کند . راه حلی که در طرف شوروی توسط آندری دیمیتریویچ ساخاروف یافت شد ، همچنین به عنوان “ایده سوم ساخاروف” شناخته شد. برای توسعه مستقل در فرانسه، میشل کارایول با این ایده اعتبار دارد، اما برای بریتانیای کبیر مسئله مبتکران کمتر روشن است ( به جان کلایو وارد مراجعه کنید ).

دستگاه منفجره شکافت اولیه و دستگاه انفجاری همجوشی ثانویه در محفظه ای پر از فوم (معمولاً پلی استایرن فوم ) قرار دارند. تشعشعات حاصل از دستگاه انفجاری شکافت توسط دیواره محفظه جذب می شود و یک لایه نازک از پلاسمای بسیار یونیزه ایجاد می کند که نه تنها تشعشع اولیه را حتی موثرتر جذب می کند، بلکه به نوبه خود تابش را در محدوده اشعه ایکس ساطع می کند. همین امر در مورد سطح خارجی وسیله انفجاری ثانویه نیز اتفاق می افتد. تبادل تابش بین سه سطح – پلاسمای نازک تشکیل شده از فوم به سختی جذب می شود – متناسب با T 4 است و بنابراین به سرعت تفاوت های دما را جبران می کند. گفته می شود که ” حفره ” (به انگلیسی نیز نامیده می شود) گرما می شود .

اکنون نه تنها پلاسمای مرحله شکافت، بلکه لایه های پلاسمای سطحی نیز گسترش می یابد. فشار زیاد آنها باعث ایجاد یک جبهه شوک به سمت داخل می شود که در پشت آن مواد نیز به حالت پلاسما تغییر می کند و به سمت داخل حرکت می کند. این به عنوان انفجار تشعشعی نیز شناخته می شود .

هندسه قسمت ثانویه کروی یا استوانه ای است به طوری که موج ضربه ای به صورت متحدالمرکز به یک نقطه یا یک خط مستقیم همگرا می شود. سپس شرایط شدید (فشار و دما) در آنجا ایجاد می شود که مرحله دوم بمب یعنی همجوشی را مشتعل می کند. ذرات آلفای پرانرژی که در طی همجوشی دوتریوم ایجاد می‌شوند، دما را بیشتر افزایش می‌دهند، به طوری که واکنش هسته‌ای مانند یک جبهه شعله به سمت بیرون منتشر می‌شود.

در مرکز بخش ثانویه معمولاً یک استوانه توخالی یا هسته کروی ساخته شده از پلوتونیوم یا اورانیوم غنی شده به نام “شمع جرقه” وجود دارد که همچنین و به طور همزمان با فشرده سازی به حالت فوق بحرانی تبدیل می شود. شکافت به عنوان منبع احتراق اضافی و تنظیم کننده مرحله دوم عمل می کند و کارایی و یکنواختی انفجار را افزایش می دهد. با ادغام مواد تقویت کننده تشعشع بر روی سطوح حفره، پیکربندی را می توان بیشتر کاهش داد.

همجوشی اینرسی (ICF – Inertial Confinement Fusion) نیز از یک اصل همجوشی – انفجار مشابه پیروی می کند . [2]

مواد منفجره همجوشی

دوتریوم مایع منجمد به عنوان وسیله انفجاری همجوشی در اولین و تنها بمب برای استفاده از دوتریوم خالص ( Ivy Mike ) استفاده شد . این برای بمب های اتمی نظامی نامناسب است زیرا تلاش خنک کننده بسیار زیاد است و بنابراین بسیار گران است. علاوه بر این، ذخیره سازی فشار بالا گاز دوتریوم در دمای معمولی سنگین و حجیم است و بنابراین برای سلاح های هسته ای نیز نامناسب است. همین ملاحظات در مورد مخلوط دوتریوم و تریتیوم اعمال می شود. علاوه بر این، تریتیوم با نیمه عمر 12.3 سال ناپایدار است و بنابراین باید به طور منظم جایگزین شود. تولید تریتیوم در راکتورهای هسته‌ای نیز به نوترون نیاز دارد که می‌تواند برای تولید پلوتونیوم از اورانیوم که بازده انرژی بالاتری دارد نیز استفاده شود.

به این دلایل، دوتریوم در حال حاضر به شکل شیمیایی به صورت جامد استفاده می شود که تریتیوم لازم را تحت تابش نوترون نیز تولید می کند. از بین تمام ترکیبات هیدروژن جامد، لیتیوم دوترید (LiD) که در دمای معمولی جامد است، بهترین راه حل است. این ماده حاوی دوتریوم بیشتری در واحد حجم نسبت به دوتریوم مایع و در عین حال بیش از 20 درصد جرمی دوتریوم است. لیتیوم همچنین در واکنش های هسته ای شرکت می کند و انرژی اضافی تولید می کند. اولین تلاش ایالات متحده آمریکا با چنین بمب “خشک” آزمایش Castle Bravo در 28 فوریه 1954 با قدرت انفجاری کل 15 تن بود. اتحاد جماهیر شوروی در اولین آزمایش خود در 12 آگوست 1953 یک ساختار درب قابل حمل را مشتعل کرد. واکنش های دوتریوم مورد بحث عبارتند از:

• D+D→3اچه(0.8192مهv)+n(2,4497مهv)
• D+D→تی+پ+40327مهv

تریتیوم به دست آمده می تواند نوترون های سریعی را در واکنش های بعدی تولید کند:

• D+تی→4اچه(3,518مهv)+n(14،07مهv)

در نهایت، 3 هلیوم حاصل می تواند به واکنش ادامه دهد:

• 3اچه+D→4اچه+پ+18,353مهv

نوترون های تولید شده در واکنش های فوق می توانند با لیتیوم واکنش دهند:

• 6Lمن+n→تی+4اچه+47829مهv
• 7Lمن+n→تی+4اچه+n-2,4670مهv

علاوه بر این، واکنش‌های هسته‌ای دیگری نیز اتفاق می‌افتد، اما سهم نسبتا کمی در واکنش کلی دارند. هر دو ایزوتوپ لیتیوم، 6 لی و 7 لی، می توانند برای سلاح های هسته ای استفاده شوند . کل واکنش ها با دوتریوم عبارتند از:

• 6Lمن+D→24اچه+22،4مهv
• 7Lمن+D→24اچه+n+15،1مهv

اگر تعداد زیادی نوترون (آهسته تر) در یک بمب هیدروژنی سه مرحله ای برای شکافت در یک ژاکت 238 U مورد نیاز باشد، 7 Li ارزان تر است. با این حال، برای بازده انرژی بالاتر، 6 Li سودمند است. لیتیوم طبیعی از 92.5% 7 Li و 7.5% 6 Li تشکیل شده است.

در مجموع، 4 او از واکنش ها ، دوتریوم واکنش نداده و بسیاری از نوترون ها باقی می ماند. تریتیوم واکنش پذیر تقریباً به طور کامل در واکنش ها مصرف می شود. محاسبه شده – هنگام استفاده از 6 Li خالص و با فرض اینکه هر اتم واکنش نشان می دهد – 15.6 کیلوگرم لیتیوم دوترید باید به ازای هر مگاتون نیروی انفجاری واکنش نشان دهد. از آنجایی که در عمل فقط نیمی از مواد استفاده می شود، 36 کیلوگرم لازم است.

از آنجایی که همجوشی هیدروژن در طرح Teller-Ulam توسط فشار بالا و دمای بالا ایجاد می‌شود و در ابتدا نیازی به بمباران نوترونی از مرحله شکافت نیست، همانطور که در طرح قدیمی‌تر Sloika ، از این نوع بمب اتمی به عنوان بمب گرما هسته‌ای یاد می‌شود .

سلاح‌های هسته‌ای بر اساس طرح تلر-الام به طور مستمع به عنوان بمب هسته‌ای پاک شناخته می‌شوند ، زیرا نسبت بالایی از قدرت انفجاری خود را از همجوشی هسته‌ای به دست می‌آورند. همجوشی هسته ای، یعنی مرحله دوم، رادیواکتیویته بسیار کمتر و با عمر کوتاه تری نسبت به شکافت هسته ای تولید می کند، یعنی فقط تریتیوم (به فرمول های بالا مراجعه کنید). با این حال، آنچه باقی می‌ماند محصولات شکافت مرحله اول، بمب شکافت مورد استفاده برای مشتعل کردن همجوشی، و همچنین مواد اطراف آن است که با جذب نوترون به ایزوتوپ‌های رادیواکتیو تبدیل شده‌اند که با هم ریزش را تشکیل می‌دهند . این بمب تنها زمانی “تمیز” است که با یک بمب شکافت هسته ای خالص با همان اثر انفجاری مقایسه شود.

بمب هیدروژنی سه مرحله ای

نسبت نیروهای انفجاری مرحله اول به مرحله دوم حداکثر به حدود 1:200 محدود شده است؛ نسبت 1:20 به 1:50 معمول است. از آنجایی که بمب های شکافت در مراحل اول به چند صد کیلو تن محدود می شوند، حداکثر قدرت انفجاری مرحله دوم تا حدود 100 تن و معمولا حداکثر حدود 10 تا 25 تن است. چندین راه برای افزایش قدرت انفجاری بمب گرما هسته ای فراتر از این وجود دارد:

• افزایش جرم مرحله دوم یا سوم به قیمت کارایی و اشتعال پذیری این مرحله امکان پذیر است. این را می توان با آرایش انفجاری مخروطی شکل این مرحله و انتقال جرقه خطی شکل به دست آورد. این اصل مورد استفاده قرار نگرفت، اما می توان از راه دور در “شمع جرقه” مرحله دوم یافت.
• در تئوری، یک آرایه هندسی از بمب های چاشنی متعدد می تواند مرحله دوم و سوم بزرگ را مشتعل کند. یکی از اولین بمب های هیدروژنی احتمالاً چنین پیکربندی داشت؛ بازده مرحله دوم به دلیل “عدم تعادل” چاشنی ها نسبتاً پایین بود. مشکلات و هزینه های چنین ترتیبی بیشتر از مشکلات است.
• یکی دیگر از مراحل Teller-Ulam را می توان به مرحله موجود اضافه کرد، یعنی انرژی آزاد شده توسط اولین مرحله همجوشی برای منفجر کردن وسیله انفجاری بعدی و حتی بزرگتر (مرحله سوم) استفاده می شود. در پیکربندی توسعه یافته Teller-Ulam، مرحله سوم می تواند شامل یک مرحله همجوشی یا شکافت باشد، درست مانند مرحله دوم.
• سیلندر فلزی اطراف را می توان از اورانیوم 238 U، محصول زائد غنی سازی اورانیوم، ساخته شد . این اورانیوم توسط نوترون های سریع (14  مگا ولت ) ماده منفجره همجوشی تقسیم می شود و به دلیل کمیت آن، بخش زیادی از انرژی کل را تامین می کند. در یک بمب اتمی ساده، چند کیلوگرم اورانیوم یا پلوتونیوم برای شکافت هسته ای استفاده می شود. در یک به اصطلاح “بمب هیدروژنی سوم” می تواند چندین تن اورانیوم وجود داشته باشد. بنابراین سه مرحله وجود دارد: وسیله انفجاری شکافتی برای احتراق بار همجوشی، که به نوبه خود نوترون هایی را برای شکافت اورانیوم در مرحله سوم تولید می کند. بنابراین به این طرح به عنوان طرح شکافت- همجوشی-شکافت یا “بمب سه فاز” (بمب FFF) نیز گفته می شود. محصولات شکافت اورانیوم در مرحله سوم مسئول بسیاری از آلودگی های رادیواکتیو در چنین بمبی هستند؛ این یک بمب فوق العاده کثیف است. به عنوان مثال، بمب آزمایشی ایالات متحده ” Redwing Tewa ” بر اساس این اصل با قدرت انفجاری کلی حدود 5 تن و قدرت انفجاری 4.35 تن از مرحله اول و سوم شکافت هسته ای (تست در 20 ژوئیه 1956) ساخته شد. .

اصطلاح “بمب هیدروژنی سه مرحله ای” یا “بمب هیدروژنی سوم” برای این اصول طراحی استفاده می شود که به راحتی می تواند منجر به سردرگمی شود. بزرگترین سلاح هسته ای منفجر شده تا به امروز، بمب تزار ، دارای دو ماده منفجره همجوشی و قدرت انفجاری حدود 50 تا 60 مگاتن معادل TNT بود . یک ژاکت 238 U به منظور محدود کردن ریزش قوی ناشی از نیروی انفجار حذف شد. با پوشش اورانیوم به عنوان مرحله چهارم ، این بمب حداقل 100 مگاتن TNT تخمین زده می شد و آلودگی ویرانگر بود. مارک 41 تنها بمب هیدروژنی سه مرحله ای ایالات متحده بود. این همچنین قوی ترین سلاح هسته ای در زرادخانه ایالات متحده بود.

بمب های اتمی هیبریدی

بمب های اتمی هیبریدی بیشتر انرژی انفجار خود را از شکافت هسته ای می گیرند، اما برای تقویت شکافت هسته ای به یک جزء همجوشی نیاز دارند. روش های مختلفی برای ساخت این بخش فیوژن وجود دارد.

بمب های شکافت تقویت شده

برای افزایش تولید نوترون، مقدار کمی از ایزوتوپ های هیدروژن دوتریوم و تریتیوم را می توان به عنوان سوخت همجوشی به مرکز کره توخالی مواد منفجره هسته ای وارد کرد. برخلاف بمب نوترونی که در آن سوخت در خارج از دستگاه انفجاری شکافت قرار گرفته است. مقادیر معمول مخلوط دوتریوم-تریتیوم دو تا سه گرم است. واکنش زنجیره‌ای شکافت هسته‌ای از فشار و گرما برای مشتعل کردن همجوشی هسته‌ای این مواد استفاده می‌کند و نوترون‌های پرانرژی زیادی تولید می‌کند:

• D+تی→4اچه(3،5مهv)+n(14،1مهv)

همجوشی دوتریوم یا تریتیوم تنها سهم کمی در تولید انرژی دارد، زیرا یک گرم تریتیوم کمتر از 0.2 کیلو تن نیروی انفجاری آزاد می کند. با این حال، نوترون‌هایی که از همجوشی آزاد می‌شوند، بخش بیشتری از سوخت شکافت را تقسیم می‌کنند، بنابراین کارایی را در مقایسه با یک انفجار شکافت خالص افزایش می‌دهند. نوترون های یک گرم تریتیوم می توانند 80 گرم پلوتونیوم را تجزیه کنند. از آنجایی که نوترون های آزاد شده از همجوشی هسته ای بسیار سریع هستند، شکافت پلوتونیوم تعداد زیادی نوترون سریع آزاد می کند که به نوبه خود هسته های دیگر پلوتونیوم را شکافته می کند. در مجموع، یک گرم تریتیوم حدود 450 گرم پلوتونیوم اضافی را در مقایسه با یک بمب شکافت یکسان بدون تقویت، تقسیم می کند و حدود 7.5 کیلو تن انرژی اضافی آزاد می کند. تقویت تقریباً می تواند قدرت انفجاری بمب های شکافت را دو برابر کند.

از نظر فنی، مخلوط تریتیوم و دوتریوم می تواند به صورت گاز فشرده، مایع در دماهای پایین یا به عنوان یک ترکیب شیمیایی وجود داشته باشد. اولین سلاح هسته‌ای تقویت‌شده ایالات متحده، آیتم گلخانه‌ای (که در ۲۵ مه ۱۹۵۱، انیوتوک آتول منفجر شد)، از مخلوط منجمد و مایع تریتیوم و دوتریوم برای افزایش قدرت انفجاری یک بمب شکافت از مقدار پیش‌بینی‌شده (۲۰ کیلو تن) به ۴۵.۵ استفاده کرد. kT بیش از دو برابر. به منظور جلوگیری از خنک سازی پیچیده فنی، فشرده سازی گازها احتمالا امروزه انتخاب شده است. تقویت، ذخیره سازی سلاح های هسته ای را دشوارتر می کند، زیرا تریتیوم به صورت رادیواکتیو با نیمه عمر 12.32 سال تجزیه می شود . بنابراین، باید به طور مداوم در راکتورهای هسته ای بازتولید شود و در سلاح های هسته ای جایگزین شود. با وجود این دشواری، امروزه بیشتر بمب های شکافت تقویت شده اند. در برخی از انواع سلاح ها، قدرت انفجار را می توان با افزودن مقادیر مختلف مواد تقویت کننده تنظیم کرد.

طرح اسلویکا (پوست پیاز)

علاوه بر طرح Teller-Ulam، یک بمب همجوشی تا حدود 700 کیلو تن نیز می تواند با استفاده از طرح Sloika ساخته شود . در اینجا، یک وسیله انفجاری شکافت توسط یک لایه لیتیوم دوترید احاطه شده است، که به نوبه خود توسط یک لایه اورانیوم (اصل پیاز-پوسته) احاطه شده است. برخلاف دستگاه انفجاری شکافت اولیه، لایه بیرونی اورانیوم از اورانیوم طبیعی یا اورانیوم ضعیف شده تشکیل شده است، بنابراین دارای محتوای بالای 238 U است.

اصل ساخت پوست پیاز (“Sloika” یا “پفکی”) از نظر ساخت به “کلاسیک سوپر” اصلی نزدیک است که فقط یک بمب اتمی را احاطه می کند. این در نهایت مانند یک بمب تقویت کننده عمل می کند و گوشته اورانیوم اضافی مشابه مرحله سوم کثیف عمل می کند. بسته به ضخامت لایه‌های دوم و سوم، این لایه‌ها با هم و با درجات مختلف کارایی «آنیل» می‌شوند. ساختار نسبتاً پیچیده، شبیه به “Super” آمریکایی، می تواند به عنوان یک پیشرو یا مرحله توسعه روسی برای پیکربندی Teller-Ulam دیده شود.

دو نوع مختلف از طراحی Sloika وجود دارد:

نوع I (کت نازک)

پس از احتراق وسیله انفجاری شکافت، نوترون ها در مرحله شکافت تولید می شوند که منجر به واکنش هسته ای زیر در لایه لیتیوم دوترید می شود:

• 6Lمن+n→تی+4اچه+47829مهv

تریتیوم T حاصل با دوتریوم D در واکنش بعدی واکنش می دهد:

• D+تی→4اچه(3,518مهv)+n(14،07مهv)

در نتیجه یک نوترون کند، یک اتم لیتیوم و یک دوتریوم با آزاد شدن انرژی به دو هسته هلیوم و یک نوترون سریع تبدیل می شوند. بنابراین واکنش کلی هر کدام یک نوترون مصرف و تولید می کند. از آنجایی که برخی از نوترون‌ها به بیرون فرار می‌کنند، واکنش نمی‌تواند خود را حفظ کند و پس از مدت کوتاهی از بین می‌رود. برای سایر واکنش‌هایی که در طرح Teller-Ulam توضیح داده شده است، فشار و دما در طرح Sloika بسیار پایین است. با این حال، نوترون های سریع فراری می توانند هسته های 238 U را در لایه بیرونی شکافته و در نتیجه انرژی آزاد کنند. بمب‌های هسته‌ای با این طرح به‌ویژه توسط بریتانیای کبیر توسعه و آزمایش شدند، برای مثال در انفجار آزمایشی گرپل 2 در 31 مه 1957. یک مرحله شکافت اولیه با قدرت انفجار 300 کیلوT منجر به انفجاری با قدرت کلی شد. 720 کیلو تن به دلیل لایه های اضافی.

نوع دوم (کت ضخیم)

اگر لایه های همجوشی و بیرونی اورانیوم نسبتاً ضخیم باشند، مکانیسم دیگری وارد عمل می شود. از شکافت هسته ای در لایه بیرونی اورانیوم، بسیاری از نوترون ها به لایه همجوشی شلیک می شوند و نسل دوم تریتیوم تولید می کنند. واکنش لایه 238 U به لایه همجوشی، شلیک ترکیبی هر دو لایه را ایجاد می کند. از آنجایی که در این نوع نوترون های لایه بیرونی اورانیوم نیز در بمباران لایه لیتیوم دوترید نقش دارند، اولین مرحله شکافت را می توان بسیار کوچکتر کرد. بنابراین این نوع در مرحله اول به مواد شکافت کمتری 235 U یا 239 Puu نیاز دارد و بنابراین تولید آن ارزان‌تر است. این طرح در آزمایش هسته‌ای “جو-4” شوروی در 12 اوت 1953 انتخاب شد. در این آزمایش هسته ای، مرحله شکافت داخلی 40 کیلو تن از 235 U، حدود 70 کیلو تن از همجوشی هسته ای در لایه دوم و 290 کیلو تن از شکافت هسته ای در لایه سوم تولید کرد.

این طرح مرحله دوم گرما هسته ای خالص نیست، هیچ سوخت هیدروژن مستقلی وجود ندارد. این واکنش ترکیبی شکافت و همجوشی شبیه به “شمع جرقه” مشتعل پیکربندی Teller-Ulam است: شکافت هسته ای لایه بیرونی اورانیوم برای ضرب نوترون و همجوشی برای شتاب نوترون استفاده می شود. با این حال، این یک نوترون منفرد نیست که شتاب می گیرد، بلکه در جریان فرآیند همجوشی، یک نوترون کند مصرف می شود و یک نوترون سریع ایجاد می شود. شتاب نوترون ضروری است زیرا 238 U فقط می تواند با نوترون هایی با حداقل انرژی 1.5  مگا ولت تقسیم شود .

انواع بیشتر

علاوه بر انواع اساسی که در بالا ذکر شد، انواع دیگری نیز وجود دارد که فقط تا حدی اجرا شده اند:

• در همه بمب‌های دو مرحله‌ای، مرحله اول را می‌توان به عنوان بمب شکافت تقویت‌شده طراحی کرد که امروزه معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• بمب شکافت دو مرحله ای طراحی مشابه بمب هیدروژنی Teller-Ulam دارد اما به جای وسیله انفجاری هیدروژنی از مرحله شکافت دوم بر اساس طرح انفجار استفاده شده است. بنابراین این مرحله دوم توسط مواد منفجره شیمیایی منفجر نمی شود، بلکه توسط مرحله اول منفجر می شود. این طرح بمب اتمی احتمالا هرگز به صورت نظامی اجرا نشد. این طرح توسط Ulam برای بمب های اتمی با قدرت انفجار بالا توسعه داده شد. فقط بعداً مشخص شد که می توان با آن بمب های هیدروژنی نیز ساخت. چنین بمب شکافت دو مرحله ای در آزمایش “شهد” ( عملیات قلعه ) در 13 می 1954 منفجر شد. همانند مرحله اول، شرایط مربوط به جرم بحرانی اعمال می شود.
• در تمام بمب‌های H (بعضی از بمب‌های اورانیومی یا پلوتونیومی) با لایه بیرونی اورانیوم، این را می‌توان با 235 U یا 239 Pu نیز ساخت . بمب آزمایشی ایالات متحده “Cherokee” ( عملیات Redwing ) از 20 می 1956 یک بمب گرما هسته ای بر اساس طرح Teller-Ulam بود، اما پوشش لیتیوم دوترید از اورانیوم بسیار غنی شده ساخته شده بود.
• طرح انفجار اورانیوم استوانه ای به نظر می رسد ممکن است و به طور خلاصه توسط طرف آمریکایی در طول توسعه بمب H-H آزمایش شده است.

• 

  سلاح های هسته ای تعدیل شده از یک بمب شکافت معمولی تشکیل شده است که در آن مواد شکافت پذیر از اورانیوم یا پلوتونیوم غنی شده تشکیل نمی شود، بلکه از یک هیدرید فلزی از این مواد مانند UH 3 تشکیل شده است . هیدروژن موجود در ماده به عنوان تعدیل کننده برای نوترون ها عمل می کند. سرعت آنها را کند می کند و احتمال تقسیم اتم های بیشتری از سوخت را افزایش می دهد. این باعث می شود که جرم بحرانی به طور قابل توجهی کاهش یابد و به کمتر از یک کیلوگرم برای اورانیوم برسد. با این حال، چگالی مواد شکافت پذیر به طور قابل توجهی کمتر است، به همین دلیل است که بمب بسیار سریع پس از شروع واکنش زنجیره ای، بحرانی بودن خود را از دست می دهد. چندین تلاش آمریکایی ها با این طرح شکست خوردند: در آزمایش روث ( عملیات Upshot-Knothole ) در 31 مارس 1953، یک بمب اتمی با قدرت 1.5 تا 3 کیلو تن تنها به قدرت انفجار 0.2 کیلو تن دست یافت و حتی آن را نابود نکرد. دکلی به ارتفاع 100 متر که روی آن نصب شده بود. آزمایش “ری” در 11 آوریل 1953 مشابه بود، که در آن از هیدرید اورانیوم نیز استفاده شد، اما همراه با دوتریوم.

سلاح های هسته ای با جلوه های ویژه

سلاح نوترونی

یک سلاح نوترونی (سلاح تشعشع تقویت شده) یک بمب هیدروژنی با استفاده از سوخت دوتریوم-تریتیوم است که ساختار آن اساساً شبیه به طرح Teller-Ulam است. طراحی این سلاح برای حداکثر تابش نوترونی و ریزش نسبتا کم بهینه شده است. ساموئل تی کوهن آمریکایی در سال 1958 این سلاح را ساخت و به شدت در تولید آن مشارکت داشت. دستیابی به این هدف تنها در سال 1981 در دوران ریاست جمهوری رونالد ریگان امکان پذیر بود . در مجموع 700 کلاهک نوترونی ساخته شد. در ژوئن 1980، رئیس جمهور فرانسه ، ژیسکاردستن نیز اعلام کرد که فرانسه بمب نوترونی تولید خواهد کرد؛ در 21 ژوئن، اولین سلاح در جزیره مرجانی مورروآ آزمایش شد . در سال 1988، جمهوری خلق چین اولین سلاح نوترونی خود را با قدرت انفجار 1-5 کیلو تن آزمایش کرد . [3] بمب های نوترونی ایالات متحده از سال 1992 تا 2003 تحت دولت جورج اچ دبلیو بوش ، [4] بیل کلینتون و جورج دبلیو بوش خنثی شدند. فرانسه نیز پس از پایان جنگ سرد، بمب های نوترونی خود را خنثی کرد.

سلاح‌های نوترونی معمولاً با یک وسیله انفجاری شکافت اولیه بسیار کوچک ساخته می‌شوند. به عنوان مثال، کلاهک آمریکایی Mk79 دارای بازدهی 1 کیلو تن بود که 0.25 کیلو تن از شکافت هسته ای پلوتونیوم و 0.75 کیلو تن با همجوشی هسته ای آزاد شد. چنین بمبی نیز نسبتاً کوچک است. کلاهک فقط حاوی حدود 10 کیلوگرم مواد شکافت پذیر و چند گرم گاز دوتریوم-تریتیوم است.

برخلاف بمب اتمی تقویت شده، گاز دوتریوم-تریتیوم در داخل مجموعه شکافت هسته ای نیست، بلکه در خارج است. در نتیجه، تنها بخش کوچکی از نوترون‌های ساطع شده از همجوشی هسته‌ای به مواد شکافت برخورد می‌کنند و نسبت بزرگ‌تری می‌توانند بدون مانع فرار کنند. به منظور جذب کمترین تابش نوترونی که ممکن است، از تنگستن برای پوشش مواد منفجره همجوشی استفاده نمی شود . سایر اجزاء نیز ترجیحاً از موادی ساخته می شوند که نوترون های سریع کمی را جذب می کنند، مانند کروم یا نیکل . از منابع نوترونی ثانویه نیز می توان استفاده کرد.

از آنجایی که همجوشی هسته‌ای تعداد بسیار زیادی نوترون را در مقایسه با شکافت هسته‌ای آزاد می‌کند، این ترتیب به ساخت بمبی اجازه می‌دهد که با قدرت انفجاری معین، نوترون‌های بیشتری نسبت به یک بمب همجوشی معمولی آزاد می‌کند – از این رو به این نام می‌گویند. از نظر فنی، گاز دوتریوم-تریتیوم تحت فشار بالا در یک کپسول کوچک – به قطر چند سانتی متر – ذخیره می شود. گاز به دلیل ذخیره سازی با فشار بالا نیازی به یخ زدن ندارد.

طرح‌های مختلف برای سلاح‌های نوترونی، از جمله برخی ممکن (و برخی احتمالا غیرممکن)، در ادبیات مورد بحث قرار گرفته‌اند. طراحی بمب‌های نوترونی که واقعاً استفاده می‌شوند هنوز مخفی است.

سلاح نوترونی یک سلاح تاکتیکی در نظر گرفته می شود که برای کشتن مردم و سایر موجودات زنده از طریق تشعشعات در نظر گرفته شده است اما ساختمان ها را تا حد زیادی دست نخورده باقی می گذارد. [5] با این حال، کشندگی بالاتر با آسیب ساختاری کمتر را فقط می توان نسبت به سایر سلاح های هسته ای درک کرد. حتی با بمب نوترونی، حدود 30 درصد انرژی به صورت موج فشار و 20 درصد دیگر به عنوان تشعشعات حرارتی آزاد می شود (برای سلاح های هسته ای با طراحی متعارف، این مقادیر حدود 50 درصد و 35 درصد است). یک سلاح نوترونی با قدرت انفجار بمب هیروشیما یا ناکازاکی قابل تصور است، اما با دوزهای تشعشع بسیار بالاتر. اثرات بیولوژیکی تشعشعات نوترونی قوی هنوز در تحقیقات ضعیفی باقی مانده است.

با استفاده از سلاح‌های نوترونی تاکتیکی که معمولاً بازده پایینی دارند، می‌توان فرض کرد که اکثر ساختمان‌های غیرنظامی (تقویت‌نشده) در ناحیه تشعشعات کشنده تخریب می‌شوند. اثربخشی سلاح های نوترونی بزرگتر بحث برانگیز است زیرا تشعشعات نوترونی (به ویژه در آب و هوای مرطوب) به شدت توسط بخار آب موجود در هوا کاهش می یابد.

یکی دیگر از کاربردهای سلاح های نوترونی، دفاع ضد موشکی بالستیک بود . موشک اسپرینت مجهز به سلاح نوترونی W66 [6] بود و هدف آن نابودی کلاهک های هسته ای ورودی در جو بود. اصل پشت آن این بود که جریان نوترونی تولید شده به این ترتیب باید به نوبه خود مواد شکافت پذیر در کلاهک هدف را گرم کند و در نتیجه آن را تا حد غیرقابل استفاده شدن تغییر شکل دهد تا از اشتعال جلوگیری شود.

برای جنبه‌های تاکتیکی و سیاسی بمب‌های نوترونی، به سلاح هسته‌ای نیز مراجعه کنید . برای مکان استقرار در آلمان در دهه 1980، به انبار مهمات ویژه گیسن مراجعه کنید .

بمب کبالت

بمب کبالتی نوعی بمب نمکی است . مقادیر زیادی از یک ایزوتوپ پایدار (در این مورد 59 Co ) در بدنه یک بمب شکافت یا همجوشی تعبیه شده است. نوترون های آزاد شده در طول انفجار، 59 Co را به شرکت رادیواکتیو 60 تبدیل می کند. این نیمه عمر 5.26 سال است. بر این اساس رادیواکتیویته آن در طی 50 سال به حدود یک هزارم مقدار اولیه کاهش می یابد. 60 Co دو کوانتا گاما بسیار نافذ را در هر واپاشی هسته ای ساطع می کند . هدف این است که اطمینان حاصل شود که یک منطقه تا حد امکان به شدت و درازمدت آلوده به مواد رادیواکتیو است تا بقای انسان در خارج از پناهگاه ها منتفی شود . معلوم نیست که آیا چنین بمبی هرگز ساخته شده است یا خیر.

بمب های کثیف

اصطلاح « بمب کثیف » یا «بمب رادیولوژیک» به سلاح‌هایی اطلاق می‌شود که اثر آنها مبتنی بر توزیع مواد رادیواکتیو به هدف با استفاده از مواد منفجره معمولی به منظور آلوده کردن مناطق اطراف بدون انجام واکنش هسته‌ای است. این تسلیحات یا مواد شکافت پذیر کافی برای جرم بحرانی ندارند ، مکانیسم احتراق مناسب ندارند یا از ایزوتوپ های رادیواکتیو با سهولت در دستیابی استفاده می کنند که اساساً برای واکنش های هسته ای نامناسب هستند.

یک بمب “کثیف” پر از پلوتونیوم از نظر تئوری می تواند منطقه مورد نظر را به دلیل آلودگی برای مدت طولانی غیرقابل سکونت کند. ممکن است برای تروریست هایی که می توانند پلوتونیوم را بدست آورند، اما فقط در مقادیری کمتر از جرم بحرانی، یا کسانی که به دلایل فنی قادر به ساخت مکانیسم احتراق پیچیده نیستند، جالب باشد.

با این حال، قابل بحث است که آیا بمب های کثیف مبتنی بر پلوتونیوم واقعاً در عمل مؤثر هستند، زیرا فعالیت پلوتونیوم 239 به دلیل نیمه عمر طولانی آن (حدود 24000 سال) کم است. ایزوتوپ های کوتاه مدت مانند سزیم 137 یا ایریدیوم 192 دارای فعالیت قابل توجهی با همان مقدار هستند.

اصطلاح «بمب کثیف» قبلاً برای بمب‌های کبالت، بمب‌هایی با مراحل دوم یا سوم «کثیف» و بمب‌هایی که در سطح زمین منفجر می‌شوند استفاده می‌شد.

بمب کبالت