مثير للإعجاب

القنابل الذرية وكيف تعمل

القنابل الذرية وكيف تعمل

هناك نوعان من الانفجارات الذرية التي يمكن تسهيلها بواسطة اليورانيوم 235: الانشطار والانصهار. إن الانشطار ، ببساطة ، هو تفاعل نووي تنقسم فيه نواة ذرية إلى شظايا (عادة شظايا من كتلة قابلة للمقارنة) في حين تنبعث منها ما بين 100 مليون إلى عدة مئات ملايين فولت من الطاقة. يتم طرد هذه الطاقة بشكل متفجر وعنيف في القنبلة الذرية. تفاعل الانصهار ، من ناحية أخرى ، عادة ما يبدأ بتفاعل الانشطار. ولكن على عكس القنبلة الانشطارية (الذرية) ، تستمد قنبلة الانصهار (الهيدروجين) قوتها من دمج نوى نظائر الهيدروجين المختلفة في نوى الهيليوم.

قنابل ذرية

حول الذرات

تتألف الذرات من أعداد ومجموعات مختلفة من الجسيمات دون الذرية الثلاثة: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. تتجمع البروتونات والنيوترونات معًا لتشكل النواة (الكتلة المركزية) للذرة بينما تدور الإلكترونات حول النواة ، تمامًا مثل الكواكب المحيطة بالشمس. إن توازن وترتيب هذه الجزيئات هي التي تحدد ثبات الذرة.

Splitability

تحتوي معظم العناصر على ذرات مستقرة جدًا يتعذر فصلها عن طريق القصف في مسرعات الجسيمات. لجميع الأغراض العملية ، فإن العنصر الطبيعي الوحيد الذي يمكن تقسيم ذراته بسهولة هو اليورانيوم ، وهو معدن ثقيل به أكبر ذرة من جميع العناصر الطبيعية ونسبة نيوترون إلى بروتون مرتفعة بشكل غير عادي. هذه النسبة الأعلى لا تعزز "قابلية الانقسام" ، لكن لها تأثير مهم على قدرتها على تسهيل حدوث انفجار ، مما يجعل اليورانيوم 235 مرشحًا استثنائيًا للانشطار النووي.

نظائر اليورانيوم

هناك نظيران طبيعيان لليورانيوم. يتكون اليورانيوم الطبيعي في الغالب من النظير U-238 ، مع 92 بروتون و 146 نيوترون (92 + 146 = 238) الموجودة في كل ذرة. ويخلط هذا مع تراكم بنسبة 0.6 ٪ من U-235 ، مع 143 نيوترون فقط لكل ذرة. يمكن تقسيم ذرات هذا النظير الأخف ، وبالتالي "قابلة للانشطار" ومفيدة في صنع القنابل الذرية.

يلعب U-238 الثقيل للنيوترونات دورًا يلعبه في القنبلة الذرية ، نظرًا لأن ذراته الثقيلة النيوترونية يمكنها أن تنحرف النيوترونات الضالة ، وتمنع تفاعل سلسلة متسلسل في قنبلة يورانيوم وتحفظ النيوترونات الموجودة في قنبلة بلوتونيوم. يمكن أيضًا أن تكون "U-238" مشبعة "لإنتاج البلوتونيوم (Pu-239) ، وهو عنصر مشع من صنع الإنسان يستخدم أيضًا في القنابل الذرية.

كلا نظيري اليورانيوم مشعان بشكل طبيعي. ذراتهم الضخمة تتفكك بمرور الوقت. بالنظر إلى ما يكفي من الوقت (مئات الآلاف من السنين) ، سوف يخسر اليورانيوم في النهاية العديد من الجزيئات بحيث يتحول إلى رصاص. يمكن تسريع عملية التحلل هذه بشكل كبير فيما يعرف برد الفعل المتسلسل. بدلاً من التفكك بشكل طبيعي وبطيء ، يتم تقسيم الذرات بالقوة بالقصف بالنيوترونات.

سلسلة ردود الفعل

ضربة من نيوترون واحد تكفي لتقسيم ذرة U-235 الأقل ثباتًا ، مما يخلق ذرات العناصر الأصغر (غالبًا الباريوم والكريبتون) وإطلاق الحرارة وإشعاع جاما (أقوى أشكال النشاط الإشعاعي والفتك). يحدث تفاعل السلسلة هذا عندما تطير النيوترونات "المنبعثة" من هذه الذرة بقوة كافية لتقسيم ذرات U-235 الأخرى التي تتلامس معها. من الناحية النظرية ، من الضروري تقسيم ذرة واحدة من طراز U-235 واحدة ، والتي ستطلق النيوترونات التي ستقسم الذرات الأخرى ، والتي ستطلق النيوترونات ... وهكذا. هذا التقدم ليس حسابيا. إنه هندسي ويحدث خلال مليون من الثانية.

يُعرف الحد الأدنى لبدء التفاعل المتسلسل كما هو موضح أعلاه بالكتلة فوق الحرجة. بالنسبة للـ U-235 الخالص ، تبلغ 110 رطل (50 كيلوجرام). لا يوجد أي يورانيوم نقي تمامًا ، ولكن في الواقع ستكون هناك حاجة إلى المزيد ، مثل U-235 و U-238 والبلوتونيوم.

حول البلوتونيوم

اليورانيوم ليس المادة الوحيدة المستخدمة لصنع القنابل الذرية. مادة أخرى هي نظير Pu-239 لعنصر البلوتونيوم من صنع الإنسان. لا يوجد البلوتونيوم إلا بشكل طبيعي في آثار دقيقة ، لذلك يجب إنتاج كميات صالحة للاستخدام من اليورانيوم. في المفاعل النووي ، يمكن إجبار نظير اليورانيوم الثقيل U-238 على الحصول على جزيئات إضافية ، ليصبح في النهاية بلوتونيوم.

لن يبدأ البلوتونيوم في تفاعل سلسلة سريعة من تلقاء نفسه ، ولكن يتم التغلب على هذه المشكلة عن طريق الحصول على مصدر نيوتروني أو مادة مشعة للغاية تنطلق من النيوترونات أسرع من البلوتونيوم نفسه. في أنواع معينة من القنابل ، يتم استخدام مزيج من العناصر Beryllium و Polonium لإحداث هذا التفاعل. هناك حاجة فقط إلى قطعة صغيرة (الكتلة فوق الحرجة تبلغ حوالي 32 رطلاً ، على الرغم من أنه يمكن استخدام أقل من 22). المادة ليست قابلة للانشطار في حد ذاته ولكنها تعمل فقط كمحفز لرد الفعل الأكبر.