چرا ساختن «بمب هسته‌ای» دشوار است؟
دانشمندان بیش از ۸۰ سال است که در حال ساخت سلاح‌های هسته‌ای هستند، اما تولید این فناوری همچنان یک چالش بزرگ است.
فرادید| نخستین آزمایش سلاح هسته‌ای با نام رمز «ترینیتی» ساعت ۵:۳۰ صبح روز ۱۶ ژوئیه ۱۹۴۵ در صحرای نیومکزیکو انجام شد. این آزمایش برای دانش هسته‌ای محرمانه‌ای بود که در لُس آلاموس به عنوان بخشی از پروژه منهتن در جریان جنگ جهانی دوم انجام می‌شد و چند هفته بعد به بمباران اتمی شهرهای هیروشیما و ناگاساکی در ژاپن منجر شد.
به گزارش فرادید، از زمان آن انفجارها، توسعه سلاح‌های هسته‌ای شتاب گرفته است. کشورهای مختلف در سراسر جهان زرادخانه‌های هسته‌ای خودشان را ساخته‌اند، برای نمونه ایالات متحده بیش از ۵۰۰۰ کلاهک هسته‌ای در اختیار دارد.
با این حال، با وجود اینکه اجزای اساسی این فناوری دیگر محرمانه نیستند، توسعه سلاح‌های هسته‌ای همچنان یک چالش علمی و مهندسی بزرگ محسوب می‌شود. اما چرا تولید سلاح‌های هسته‌ای همچنان دشوار است؟
هانس کریستنسن، مدیر پروژه اطلاعات هسته‌ای در فدراسیون دانشمندان آمریکا توضیح داده که بخش عمده‌ای از این دشواری به استخراج عناصر شیمیایی مورد استفاده در این سلاح‌ها برای ایجاد انفجار مربوط می‌شود.
او گفته: «ایده اصلی انفجار هسته‌ای این است که مواد هسته‌ای (شکافت‌پذیر) تحریک شده و انرژی عظیمی آزاد کنند. اما تولید مواد شکافت‌پذیر با خلوص و مقدار کافی، یک چالش بزرگ است و نیاز به ظرفیت صنعتی قابل‌توجهی دارد.»
رهاسازی عظیم انرژی در این فرآیند را واکنش شکافت هسته‌ای می‌نامند. در این واکنش، یک واکنش زنجیره‌ای رخ می‌دهد که در آن اتم‌ها شکافته شده و انرژی آزاد می‌کنند. این همان واکنشی است که انرژی هسته‌ای را میسر می‌سازد.
غنی‌سازی اورانیوم و پلوتونیوم
ماده شکافت‌پذیر درون یک بمب هسته‌ای در اصل ایزوتوپ‌های اورانیوم و پلوتونیوم هستند که از عناصر رادیواکتیو محسوب می‌شوند. متیو زرفی، استاد مهندسی هسته‌ای دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا توضیح می‌دهد که رایج‌ترین ایزوتوپ اورانیوم (U-238) از معادن استخراج شده و سپس فرآیند غنی‌سازی روی آن انجام می‌شود تا بخشی از آن به اورانیوم-۲۳۵ (U-235) تبدیل شود که قابلیت بیشتری برای واکنش‌های هسته‌ای دارد.
او گفته: «یکی از روش‌های غنی‌سازی اورانیوم این است که آن را به گاز تبدیل کرده و با سرعت بسیار بالا در سانتریفیوژها بچرخانیم. به دلیل تفاوت جرم میان U-235 و U-238، ایزوتوپ‌ها از هم جدا شده و ما می‌توانیم U-235 را جداسازی کنیم.»
برای تولید اورانیوم مورد استفاده در سلاح‌های هسته‌ای، باید حداقل ۹۰٪ از نمونه U-238 به U-235 تبدیل شود. این فرآیند که ممکن است هفته‌ها تا ماه‌ها طول بکشد، نیاز به انرژی بسیار بالا و تجهیزات تخصصی دارد.
یکی از خطرات شیمیایی این فرآیند انتشار احتمالی هگزافلوراید اورانیوم (UF₆) است، ماده‌ای بسیار سمی که در صورت استنشاق می‌تواند به کلیه‌ها، کبد، ریه‌ها، مغز، پوست و چشم آسیب برساند.
فرآیند غنی‌سازی پلوتونیوم حتی دشوارتر است. برخلاف اورانیوم که به‌صورت طبیعی در معادن یافت می‌شود، پلوتونیوم در طبیعت وجود ندارد. در عوض، پلوتونیوم یک محصول جانبی از راکتورهای هسته‌ای است. یعنی برای استفاده از پلوتونیوم، دانشمندان باید سوخت هسته‌ای مصرف‌شده را پردازش کرده و تحت فرآیندهای شیمیایی شدید قرار دهند.
زرفی می‌گوید پردازش این ماده می‌تواند یک خطر ایمنی ایجاد کند اگر به‌طور تصادفی یک جرم بحرانی جمع‌آوری شود که حداقل مقدار ماده شکافت‌پذیر موردنیاز برای حفظ یک واکنش شکافت خودپایدار است.
«باید بسیار مراقب بود هنگام ساخت این اجزا، مواد به‌صورت ناخواسته کنار هم قرار نگیرند، زیرا این امر می‌تواند منجر به ورود ناگهانی به حالت بحرانی و حتی انفجار تصادفی شود.»
تولید سلاح‌های هسته‌ای به تجهیزات تخصصی نیاز دارد و خطرات متعددی در پی دارد.
اگرچه اصول علمی ترکیب این اجزا با هم به خوبی درک شده، ایجاد و کنترل این واکنش در کسری از ثانیه همچنان دشوار است.
زرفی گفته: «سلاح‌های هسته‌ای طوری طراحی شده‌اند که در لحظه انفجار، یک جرم فوق‌بحرانی از مواد شکافت‌پذیر بسیار سریع در یک فضای بسیار کوچک ایجاد شود. این اتفاق سبب افزایش تصاعدی تعداد شکافت‌ها در سراسر ماده می‌شود که تقریباً به‌صورت آنی رخ می‌دهد.»
همین گسترش سریع شکافت اتمی عاملی است که یک انفجار هسته‌ای را تا این حد مخرب می‌کند.
پس از جنگ جهانی دوم، سلاح‌های گرماهسته‌ای (بمب هیدروژنی) توسعه یافتند که در آن‌ها شکافت و همجوشی هسته‌ای ترکیب می‌شوند تا یک انفجار حتی قوی‌تر ایجاد کنند. سپس یک واکنش شکافت استاندارد باید یک واکنش همجوشی ثانویه و قوی‌تر را آغاز کند. این واکنش همجوشی همان منبع انرژی است که در مرکز خورشید یافت می‌شود.
آزمایش سلاح‌های هسته‌ای
پس از تولید این سلاح‌ها، دانشمندان و مهندسان باید اطمینان حاصل کنند این تسلیحات در صورت لزوم به درستی عمل خواهند کرد.
اوایل توسعه سلاح‌های هسته‌ای، دانشمندان آزمایش‌های واقعی انجام می‌دادند که محیط زیست و همچنین مردم و حیوانات مجاور این مناطق آزمایش را به‌شدت تحت تأثیر قرار داد. اما امروزه، آزمایش‌های مدرن عمدتاً با شبیه‌سازی‌های کامپیوتری انجام می‌شود.
مترجم: زهرا ذوالقدر
