بمب اتمي و انرژي اتمي

بمب اتمي چگونه ساخته مي‌شود؟ اين سوالي است که امروز براي بيشتر ايراني ها پرسشي شده است. در ابتدا به اين پرسش پاسخي داده و سپس نگاهي به طرز کار رآکتور هسته‌اي مي اندازيم. تمامي اشياء و موجودات پيرامون ما از ذرات ريزي بنام اتم ويا ترکيبي از اتمها يعني مولکول ها تشکيل شده است. اتمها ساختماني شبيه به منظومه? شمسي دارند که در آنها خورشيد هسته? اتم و الکترونها سيارات آن مي باشند. هسته? اتم شامل چندين ذره است که از آن ميان دو تايش در اين بحث مهم هستند. اين دو تا پروتن ها و نوترون ها مي باشند. پروتن ها داراي بار الکتريکي مثبت و نوترون ها داراي بار الکتريکي خنثي هستند. بار الکتريکي الکترونها منفي است. از ميان تمامي اتمها تنها هيدروژن است که نوترون ندارد. هسته? هيدروژن تنها يک پروتن دارد. در اتمهاي خنثي تعداد پروتن ها و الکترونها برابر است ولي تعداد نوترون ها مي تواند متفاوت باشد. برخي از اتمها داراي تعداد پروتن و الکترون يکسان ولي داراي نوترون هاي متفاوت اند. اين نوع اتمها را ايزوتوپ همديگر ميگويند. طول عمر برخي از اين ايزوتوپ ها بسيار کوتاه است. چنانکه پس از بوجود آمدن بزودي نابود مي شوند. ولي برخي ديگر عمري طولاني دارند.
در ساختن بمب و رآکتور اتمي از دو ايزوتوپ استفاده ميکنند. يکي ايزوتوپ هيدروژن بنام دوتريم که هسته اش شامل يک پروتن و يک الکترون است و ديگري ايزوتوپ هاي اورانيم مي باشند. ايزوتوپ هاي اورانيم شامل U235 و U238 که اولي داراي 143 و دومي داراي 146 نوترون مي باشد در حالي که هردو به اندازه? يکسان يعني 92 پروتن دارند. ايزوتوپ U235 در ساختن بمب و رآکتور اتمي بسيار مهم است. در طبيعت از هر 100% اتم اورانيم تنها 0.7% آن اتم U235 است که مقدار زيادي نيست. براي بدست آوردن يک کيلو گرم اورانيم U235 چندين تن سنگ معدن اورانيم لازم است. لازم به يادآوريست که براي کاراندازي يک رآکتور اتمي براي انرژي گيري از آن نياز به اورانيم 1 تا 5 درصد غني است. منظور از غني کردن اورانيم اينست که مقدار اورانيم 235 آنرا بيشتر کنند. براي اينکار بايستي چندين عمليات انجام شود. در شروع کار سنگ معدن را در اسيد حل مي‌کنند (کيک زرد همان اکسيد اورانيم است)و سپس آنرا از صافي مي گذرانند و پس از آن با گاز فلور ترکيب مي‌کنند تا گازي به اسم هگزافلوريد اورانيم UF6 بدست آورند. اين گاز را از صفحه‌هاي فلزي متخلخل که قطر سوراخ هايش 25 ميلياردم سانتيمتر است عبور مي دهند، اين عمل را ديفوزيون ميگويند. در اثر اين عمل گازهايي که سبکترند سريع تر از گازهايي که سنگين تر هستند از روزنه ها عبور مي کنند. از اين خاصيت گاز ها جهت غني کردن، يعني بالا بردن مقدار اورانيم 235 استفاده مي کنند. پس از اين عمل با سانتريفوژهايي که ويژه? اين کار ساخته شده‌اند تصفيه? مواد شروع مي‌شود.
حال چگونه از اين ماده انرژي مي گيرند؟ براي انرژي گيري باز سلسله مراتبي فيزيکي صورت ميگيرد. در ابتدا يک نوترون که باري خنثي دارد وارد هسته? اورانيم 235 مي‌شود. اين عمل به اين سادگي صورت نمي‌پذيرد بلکه براي اينکه نوترون وارد هسته شود بايستي بر خلاف تصور سرعت آن کم باشد. براي کم کردن سرعت نوترونها آنها را از آب سنگين عبور مي دهند. چنانکه پيشتر اشاره شد. آب سنگين يا دوتريم از ايزوتوپ هاي آب سبک و يا به قول متعارف آب معمولي است. آب معمولي نمي‌تواند بدان مقداري که لازم است جلو سرعت نوترون را بگيرد. گير آوردن اين آب بود که آلماني ها را به سوي نروژ کشاند و همين نيز باعث لو رفتن آلماني ها به وسيله? انگليسي ها شد. انگليسي ها در يافتند که آلماني ها از نروژ آب سنگين مي برند. بنابراين فهميدند که آلماني ها در صدد توليد بمب اتمي هستند. لذا با عملياتي متهورانه مرکز توليد آب سنگين را در نروژ ويران کردند. در برخورد نوترون به هسته? اورانيم 235، هسته برانگيخته شده و سپس به دو و يا چند هسته? سبکتر تجزيه ميشود. به اين عمل شکافت هسته‌اي مي گويند. در يکي از اين پروسه ها پس از برخورد نوترون به هسته? اورانيم 235 دو عنصر باريم 138 و کريپون 95 و 3 تا نوترون ( در حقيقت براي هر 100 اتم اورانيم 235، تعداد 247 نوترون بوجود ميآيد) و حدود 200 ميليون الکترون ولت انرژي انتشار مي يابد.
هر نوترون جديد توليد شده به اورانيم 235 برخورد کرده سه نوترون بهمراه انرژي و همچنين موجب سه شکافت جديد مي‌شود. انرژيي که از اين شکافت ها براي يک کيلو گرم اورانيم انتشار مييابد برابر صد ها ميليون مگاوات است. اين مقدار انرژي نبايستي بيک باره آزاد شود. چرا که موجب انفجاري شديد مي‌شود. در انفجار بمب اتمي آمريکا روي هيروشيما بمبي از همين جنس اورانيم 235 استفاده شد که قدرت تخريبي 13 کيلوتن داشت. با در نظر گرفتن اينکه هر کيلوتن برابر 1000،000 کيلو انفجار ديناميت (TNT) است. در حقيقت انفجاري معادل 13 ميليون کيلو ديناميت رخ داد. فاجعه بزرگي است، نه؟ اگر بخواهيد از اين فاجعه و ننگ بشريت تصويري بهتر بدست آوريد. جريان بدين شرح است: زمانيکه بمب اتمي آمريکا به هيروشيما افتاد، جمعيت آنجا 350000 نفر بود. 200000 نفر از اين جمعيت بطور مستقيم و يا غير مستقيم جان باختند. 90% هيروشيما به ويرانه مبدل شد. ترومن رئيس جمهور وقت آمريکا خواسته بود که عکسي از اين انفجار تهيه شود تا نتيجه? اين آزمايش را که تلي از آتش و کباب انسان است به چشم ببينند. هيروشيما تنها جائي بود که آنجا باران کم مي بارد. صخره‌اي بودن ژاپن نيز مهم بود که بمب سريع به آب ننشيند. پس قرعه به اسم هيروشيماي فلک زده افتاد. عکس يادگاري اين جنايت لابد يکي از اسناد افتخارآميز آمريکاست!
برگرديم روي بخش فني جريان ، چنانکه پيشتر گفتيم اورانيم 238 با انفجار کاري ندارد ولي آنقدر ها هم بي خاصيت نيست. اورانيم 238 بر عکس اورانيم 235 در زير بمباران نوترونهاي سريع تر آنها را جذب کرده و نخست با گسيل يک ذره? بتا (الکترون) به نپتونيم Np239 (23.5 دقيقه) و سپس با گسيل يک ذره? بتاي ديگر به پلوتونيم Pu239 که به ترتيب پلوتونيم يک نوترون از نپتونيم و نپتونيم يک نوترون از اورانيم 238 بيشتر دارند. اين ايزوتوپ پلوتونيم چون هم با نوترونهاي کند و هم با نوترونهاي تند شکافت‌پذير است. نقش بسزائي در ساختن بمب اتمي دارد. از همين نوع بمب بود که سه روز پس از بمب اتمي هيروشيما به تاريخ 9 اگوست روي سر ناکازاکي فرو ريخته شد. قدرت تخريبي آن برابر 22 کيلوتن بود. قدري کمتر از دو برابر بمب اتمي هيروشيما. در اين فاجعه 122000 نفر از مردم بي گناه به زغال تبديل شده و يا پودر گشتند. تقريبا تمامي بمب هاي اتمي کنوني از پلوتونيم ساخته شده است. مقدار بمب پلوتونيمي در سال 1994 در جهان بود 250000 برابر بمب اتمي هيروشيماست. هر 19.84 کيلو گرم پلوتونيم يک ليتر حجم دارد و از هر 1 تا 8 کيلوگرم پلوتونيم ميتوان يک بمب ساخت ولي اين رقم براي اورانيم 3 تا 25 کيلوگرم است.

حال بمب اتمي چگونه منفجر مي‌شود؟

در بخشي از کپسولي که بمب تويش است لوله‌اي که «لوله توپي» نامگذاري شده وجود دارد. از اين لوله اولين نوترونها بيرون مي آيند. در بر خورد اين نوترونها به هسته ها چنانکه پيشتر رفت شکافت هسته‌اي و سه عدد نوترون و مقدار متنابهي انرژي خارج مي‌شود. اين را رآکسيون هسته‌اي نيز مي گويند. اين رآکسيون ها در داخل بمب در مدت تقريبا يک ميليونيم ثانيه رخ مي دهند. دليلش روشن است. اگر فرض کنيد که در درون حوض آبي جلبکي روئيده باشد و با فرض اينکه يک ماه طول بکشد که حوض پر شود و هر روز اين جلبک ها دو برابر خودشان را توليد کنند. يک روز پيش از اينکه حوض پر شود، يعني روز 29 ام تنها نصف حوض پر است. فرداي آن روز يعني روز 30 ام تمامي حوض پر مي‌شود. اين عمل در رآکسيونهاي هسته‌اي نيز صادق است. نوترون اول سه نوترون و سه نوترون جديد 9 نوترون و سپس 27 و 81 و ... و سرعت اين عمل آنقدر زياد است که انفجار اجتناب ناپذير مي‌شود. دما از 27 درجه? هواي هيروشيما به 100 درجه و سپس 1000، 5000، 6000 (دماي سطح خورشيد) و بالاخره به چندين ميليون درجه مي رسد که گرمائي معادل گرماي درون خورشيد است. اين انرژي گرمائي بايستي هر چه زودتر خارج شود که در ابتدا به صورت اشعه? X و پس از يک لحظه آرامش تبديل به کوهي از آتش و گرما مي‌شود. اين حالتي است که ما تازه قادر به مشاهده? انفجار مي شويم. نيم ثانيه بعد دما به بالاترين حد خود ميرسد که سه ثانيه پس از آن خاموش مي‌شود. اين حرارت باعث حرکت سريع هوا شده و يک خلاء تقريبا مطلق در مرکز انفجار بوجود ميآورد. بازگشت مجدد هوا آنقدر سريع است که از هر توفاني قوي تر است و باعث ويراني تمامي بنا ها، جاده ها، اتوموبيلها، پارکها و بويژه نابودي آدميان مي‌شود. در رآکتورهاي هسته‌اي اين راکسيونها را مهار مي کنند. بطوري که با فرو کردن صفحه هايي که بتواند نوترونها را جذب کند (مثلا کادميم) در داخل محلول اورانيم و آب قرار مي دهند تا اينکه انرژي به سرعت آزاد نشود و انفجار صورت نگيرد. در حقيقت رآکتور را کنترل مي کنند. ولي انرژي آزاد شده? لازم آب موجود در رآکتور را به جوش مي آورد و بخار حاصل از آن از طريق لوله‌اي به توربين منتقل مي‌شود و باعث چرخش توربين شده و الکتريسيته توليد مي‌شود. بخار موجود در اين پروسه و همچنين با عبور لوله‌هاي سرد از درون آن سرد شده و مجددا وارد رآکتور مي‌شود.