פצצות אטום ואיך הן עובדות

ישנם שני סוגים של פיצוצים אטומיים הניתנים להקל על ידי אורניום -235: ביקוע ואיחוי. ביקוע, במילים פשוטות, הוא תגובה גרעינית בה גרעין אטומי מתפצל לשברים (לרוב לשניים שברים עם מסה דומה) כל הזמן ופולטים 100 מיליון לכמה מאות מיליוני וולט אנרגיה. אנרגיה זו גורשת בפיצוץ ובאלימות בתוך פצצת אטום. לעומת זאת, תגובת היתוך מתחילה בתגובת ביקוע. אך בניגוד לפצצת הביקוע (האטומית), פצצת ההיתוך (מימן) שואבת את כוחה ממיזוג גרעינים של איזוטופי מימן שונים לגרעינים הליום.

מאמר זה דן בנושא פצצה או פצצת אטום. הכוח המסיבי העומד מאחורי התגובה בפצצה אטומית נובע מהכוחות המחזיקים את האטום יחד. כוחות אלה דומים למגנטיות אך לא ממש זהות.

אטומים מורכבים ממספרים ושילובים שונים של שלושת החלקיקים התת אטומיים: פרוטונים, נויטרונים, ואלקטרונים. פרוטונים ונויטרונים מתגודדים זה בזה ויוצרים את הגרעין (המסה המרכזית) של האטום ואילו האלקטרונים מקיפים את הגרעין, בדומה לכוכבי לכת סביב שמש. האיזון והסידור של החלקיקים הללו הם אלו שקובעים את יציבות האטום.

לרוב האלמנטים יש אטומים יציבים מאוד שלא ניתן לפצלם אלא על ידי הפגזה במאיצי החלקיקים. לכל המטרות המעשיות, היסוד הטבעי היחיד שאת האטומים שלו ניתן לפצל בקלות הוא אורניום, א מתכת כבדה עם האטום הגדול ביותר מבין כל היסודות הטבעיים וניוטרון לפרוטון גבוה במיוחד יחס. יחס גבוה יותר זה אינו משפר את ה"פיצול "שלו, אך יש לו חשיבות חשובה ליכולתו להקל על פיצוץ, מה שהופך את האורניום -235 למועמד יוצא דופן לביקוע גרעיני.

ישנם שני איזוטופים טבעיים המופיעים אורניום. אורניום טבעי מורכב ברובו מאיזוטופ U-238, עם 92 פרוטונים ו 146 נויטרונים (92 + 146 = 238) הכלולים בכל אטום. מעורבב עם זה הצטברות של 0.6% של U-235, עם 143 נויטרונים בלבד לאטום. ניתן לפצל את האטומים של איזוטופ קל יותר זה, ולכן הוא "ניתן לבסיס" ושימושי בייצור פצצות אטום.

ל- U-238 כבד ניוטרון יש תפקיד גם בפצצת האטום, מכיוון שהאטומים הכבדים של הנויטרונים שלו יכולים להעביר את הסטייה נויטרונים, מניעת תגובת שרשרת בטעות בפצצת אורניום ושמירה על נויטרונים הכלולים בפלוטוניום פצצה. U-238 יכול גם להיות "רווי" לייצור פלוטוניום (Pu-239), גורם רדיואקטיבי מעשה ידי אדם המשמש גם בפצצות אטום.

שני האיזוטופים של אורניום הם באופן טבעי רדיואקטיבי; האטומים המגושמים שלהם מתפרקים עם הזמן. נתון מספיק זמן (מאות אלפי שנים), אורניום יאבד בסופו של דבר כל כך הרבה חלקיקים שהוא יהפוך לעופרת. ניתן להאיץ מאוד תהליך של ריקבון במה שמכונה תגובת שרשרת. במקום להתפורר באופן טבעי ולאט, האטומים מפוצלים בכוח על ידי הפצצה בנויטרונים.

מספיקה מכה מנויטרון בודד בכדי לפצל את האטום U-235 הפחות יציב, ויוצר אטומים של יסודות קטנים יותר (לרוב בריום וקריפטון) ושחרור קרינת חום וגמא (הצורה החזקה והקטלנית ביותר של רדיואקטיבי). תגובת שרשרת זו מתרחשת כאשר נויטרונים "חילופים" מאטום זה עפים החוצה בכוח מספיק כדי לפצל אטומים אחרים של U-235 שאיתם הם באים במגע. בתיאוריה, יש צורך לפצל רק אטום U-235 אחד, שישחרר נויטרונים אשר יפצלו אטומים אחרים, שישחררו נויטרונים... וכולי. התקדמות זו אינה חשבון. זה גיאומטרי ומתרחש תוך מיליון מהשנייה.

הסכום המינימלי להתחלת תגובת שרשרת כמתואר לעיל ידוע כמסה סופר-קריטית. עבור U-235 טהור, הוא 110 פאונד (50 קילוגרם). עם זאת, אף אורניום אינו טהור מעולם, כך שבמציאות יידרש יותר, כגון U-235, U-238, ופלוטוניום.

אורניום אינו החומר היחיד המשמש לייצור פצצות אטום. חומר נוסף הוא האיזוטופ Pu-239 של האלמנט פלוטוניום מעשה ידי אדם. פלוטוניום נמצא רק באופן טבעי בעקבות דקות, ולכן יש לייצר כמויות שמישות מאורניום. בכור גרעיני ניתן לאלץ את איזוטופ ה- U-238 הכבד יותר של אורניום לרכוש חלקיקים נוספים, ובסופו של דבר להפוך לפלוטוניום.

פלוטוניום לא יתחיל בתגובת שרשרת מהירה מעצמה, אך בעיה זו מתגברת על ידי קיום מקור נויטרונים או חומר רדיואקטיבי ביותר המפטר נויטרונים מהר יותר מהפלוטוניום עצמה. בסוגים מסוימים של פצצות משתמשים בתערובת של היסודות בריליום ופולוניום כדי להביא לתגובה זו. דרושה רק חתיכה קטנה (המסה העל-קריטית היא בערך 32 פאונד, אם כי ניתן להשתמש בכמעט 22). החומר אינו ניתן לבסיס בפני עצמו אלא משמש רק כזרז לתגובה הגדולה יותר.