بمب هسته ای چیست و از اثرات مخرب آن چه می دانید؟

بمب هسته ای وسیله ای برای آزاد کردن انرژی به صورت انفجاری در نتیجه شکافت هسته ای ، همجوشی هسته ای یا ترکیبی از دو فرآیند طراحی شده است. از سلاح های شکافت هسته ای معمولاً به عنوان بمب اتمی یاد می شود. از سلاح های همجوشی هسته ای به عنوان بمب های هسته ای یا به طور معمول بمب های هیدروژنی یاد می شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه در ادامه مقاله با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

سلاح های هسته ای انرژی انفجاری زیادی تولید می کنند. اهمیت آنها را می توان با ترکیب کلمات کیلوتن (۱۰۰۰ تن) و مگاتن (۱،۰۰۰،۰۰۰ تن) برای توصیف انرژی انفجار آنها در وزن معادل مواد منفجره شیمیایی متداول مثل TNT درک کرد. به عنوان مثال ، بمب اتمی در سال ۱۹۴۵ بر روی هیروشیما، ژاپن ریخته شد، فقط حاوی ۶۴ کیلوگرم (۱۴۰ پوند) اورانیوم بسیار غنی شده ، انرژی معادل ۱۵ کیلو تن مواد منفجره شیمیایی آزاد کرد.

این انفجار بلافاصله یک موج شوک شدید ، مقادیر بسیار زیادی گرما و تابش یونیزه کننده کشنده ایجاد کرد. جریانهای همرفت ایجاد شده در اثر انفجار ، گرد و غبار و بقایای دیگر را به هوا می کشاند و ابر قارچی شکل ایجاد می کند. علاوه بر این ، بقایای رادیواکتیو توسط بادهای شدید ایجاد شده به جو منتقل می شد تا بعداً به عنوان نتیجه رادیواکتیو به زمین برسد.

تاریخچه تولید بمب هسته ای

اولین سلاح های هسته ای به شکل بمب های بودند که توسط هواپیماها شلیک می شدند. بعداً كلاهك هایی برای موشك های بالستيك استراتژيك ساخته شد که اكنون مهم ترين سلاح های هسته ای هستند. سلاح های هسته ای تاکتیکی کوچکتری نیز تولید شده اند ، از جمله  گلوله های توپخانه ای ، مین های زمینی ، سلاح های اتمی ضد زیر دریایی ، اژدرها و موشک های بالستیک و کروز با برد کوتاه برخی از انواع آن هستند.

بزرگترین نیرویی که پس از جنگ جهانی دوم باعث توسعه سلاح های هسته ای شد (البته به هیچ وجه تنها نیرو نبود) رویارویی جنگ سرد بود که ایالات متحده و متحدانش را در برابر اتحاد جماهیر شوروی و کشورهای اقماری قرار داد. در این دوره  که تقریباً از سال ۱۹۴۵ تا ۱۹۹۱ به طول انجامید ، ذخیره سلاح های هسته ای آمریکا را در سال ۱۹۶۶ ، با بیش از ۳۲۰۰۰ کلاهک از ۳۰ نوع مختلف، به اوج خود رساند. در طول دهه ۱۹۹۰ ، به دنبال انحلال اتحاد جماهیر شوروی و پایان جنگ سرد ، بسیاری از سلاح های تاکتیکی و استراتژیک منسوخ شدند تا مطابق با مذاکرات کنترل تسلیحات ، مانند مذاکرات استراتژیک کاهش تسلیحات ، یا به عنوان ابتکارات یک جانبه استفاده شوند.

تا سال ۲۰۱۰ ایالات متحده تقریباً ۹۴۰۰ کلاهک ۹ نوع شامل دو نوع بمب ، سه نوع موشک بالستیک قاره پیما (ICBM) ، دو نوع موشک بالستیک زیردریایی (SLBM) و دو نوع موشک کروز داشت.

در این بین فقط شش کشور – ایالات متحده ، روسیه ، انگلستان ، چین ، فرانسه و هند – آزمایش سلاح هسته ای انجام داده اند. اینکه هند یک سلاح هسته ای چند مرحله ای “واقعی” منفجر کرده است بحث برانگیز است. کره شمالی ادعا می کند که از ژانویه ۲۰۱۶ یک سلاح همجوشی را آزمایش کرده است ، گرچه این ادعا مورد اختلاف است. طراحی و اجرای سلاح های هسته ای بسیار دشوارتر از سلاح های شکافت بدوی است. تقریباً تمام سلاح های هسته ای مستقر شده امروز از طرح ترمونوکلیراستفاده می کنند زیرا از کارآیی بیشتری برخوردار است.

انواع بمب هسته ای

بمب شکافتی

هنگامی که اتم ها توسط نوترون ها بمباران می شود ، ایزوتوپ های خاصی از اورانیوم و پلوتونیوم (و برخی دیگر از عناصر سنگین تر) به اتمهای عناصر سبک تر تقسیم می شوند ، فرآیندی که به شکافت هسته ای معروف است. علاوه بر این تشکیل اتمهای سبک تر ، به طور متوسط بین ۲.۵ و ۳ نوترون آزاد در فرآیند شکافت همراه با انرژی قابل توجهی ساطع می شود. به عنوان یک قاعده کلی ، شکافت کامل ۱ کیلوگرم (۲.۲ پوند) اورانیوم یا پلوتونیوم حدود ۱۷.۵ کیلو تن انرژی منفجره معادل TNT تولید می کند.

در یک بمب اتمی یا راکتور هسته ای ، ابتدا به تعداد کمی از نوترون ها انرژی کافی برای برخورد با برخی از هسته های شکاف پذیر داده می شود که به نوبه خود نوترون های آزاد اضافی تولید می کنند. بخشی از این نوترون ها توسط هسته هایی که شکافت نمی یابند ، گرفته می شوند و بخشی فرار می کنند و باقی مانده ها باعث شکافت بیشتر می شود.

بسیاری از هسته های اتمی سنگین قادر به شکافت هستند ، اما تنها بخشی از آنها شکافت پذیر هستند – یعنی نه تنها توسط نوترون های سریع (بسیار پرانرژی) بلکه توسط نوترون های کند نیز قابل شکافت هستند. روند مداومی که به موجب آن نوترون های ساطع شده توسط هسته های شکافت پذیر باعث شکافت در سایر هسته های شکافته یا شکاف پذیر می شود واکنش زنجیره شکافت نامیده می شود.

تمام واکنش های شکافت ، محصولات شکافت ، باقی مانده هسته های شکافته شده را تولید می کنند. بسیاری از محصولات شکافت یا بسیار رادیواکتیو (اما کوتاه مدت) هستند و یا ویژگی رادیواکتیو متوسط (اما عمر طولانی) دارند و به همین ترتیب ، آنها یک شکل جدی برای آلودگی رادیواکتیو هستند.

محصولات شکافت جزء اصلی رادیواکتیو در اثر انفجار هسته ای هستند. منبع دیگر رادیواکتیویته ترکیدن نوترون های آزاد تولید شده توسط سلاح است. هنگامی که آنها با هسته های دیگر در مواد اطراف برخورد می کنند ، نوترون ها آن هسته ها را به ایزوتوپ های دیگر تبدیل می کنند ، ثبات آنها را تغییر می دهد و آنها را رادیواکتیو می کند.

بیشترین ماده شکاف پذیر برای کاربرد در سلاح هسته ای اورانیوم ۲۳۵ و پلوتونیوم ۲۳۹ است. اورانیوم ۲۳۳ کمتر استفاده می شود. نپتونیم ۲۳۷ و برخی از ایزوتوپ های آمریسیوم نیز ممکن است برای مواد منفجره هسته ای قابل استفاده باشد ، اما این امر تاکنون عملی شده است و استفاده قابل قبول آنها در سلاح های هسته ای مورد بحث است.

بمب همجوشی

همجوشی هسته ای پیوند (یا همجوشی) هسته دو اتم برای تشکیل یک اتم سنگین تر است. در دمای بسیار بالا – در محدوده دهها میلیون درجه – هسته ایزوتوپ های هیدروژن (و برخی دیگر از عناصر سبک) می توانند به راحتی با هم ترکیب شده و عناصر سنگین تری را تشکیل دهند و در این روند انرژی قابل توجهی آزاد کنند – از این رو اصطلاحا به آنها بمب هیدروژنی می گویند.

در این دما ، انرژی جنبشی هسته ها (انرژی حرکت آنها) برای غلبه بر نیروی دافعه الکترواستاتیک دور برد بین آنها کافی است ، به طوری که هسته ها می توانند به اندازه کافی به هم نزدیک شوند تا نیروی قوی با برد کوتاه تر بتواند جذب و هسته ها را فیوز می کند. در سلاح های هسته ای ، دما و چگالی مورد نیاز مواد همجوشی با انفجار شکافت حاصل می شود.

بمب های هسته ای با استفاده از انرژی یک بمب شکافتی برای فشرده سازی و گرم کردن سوخت همجوشی کار می کنند. در طرح تلر-اولام ، که تمام بمب های هیدروژنی با عملکرد چند مگاتن را در بر می گیرد ، این کار با قرار دادن یک بمب شکافتی و سوخت همجوشی (تریتیوم ، دوتریم یا لیتیوم دوترید) در مجاورت یک ظرف مخصوص منعکس کننده تابش انجام می شود. هنگامی که بمب شکافتی منفجر می شود ، پرتوهای گاما و اشعه X ساطع شده ابتدا سوخت همجوشی را فشرده می کنند ، سپس آن را تا دمای ترمو نوکلیر گرم می کنند.

واکنش همجوشی پس از آن تعداد زیادی نوترون با سرعت بالا ایجاد می کند  که می تواند باعث شکافت در موادی شود که معمولاً مستعد آن نیستند ، مانند اورانیوم تخلیه شده. هر یک از این اجزا به عنوان “مرحله” شناخته می شوند ، بمب شکافت به عنوان “مرحله اولیه” و کپسول همجوشی به عنوان “مرحله ثانویه” شناخته می شود. در بمب های بزرگ هیدروژنی با دامنه مگاتن ، تقریباً نیمی از عملکرد حاصل از شکافت نهایی ناشی از اورانیوم تخلیه شده است.

واکنش های همجوشی محصولات شکاف ایجاد نمی کنند و بنابراین در ایجاد اثرات هسته ای بسیار کمتر از واکنش های شکافت هستند اما از آنجا که همه سلاح های هسته ای حداقل دارای یک مرحله شکافت هستند و بسیاری از دستگاه های هسته ای با بازده بالا دارای مرحله شکافت نهایی هستند ، سلاح های هسته ای می تواند حداقل به اندازه سلاح های شکاف پذیر انرژی ایجاد کند.

سایر بمب های هسته ای

سلاح های هسته ای انواع دیگری نیز دارند. به عنوان مثال ، سلاح شکافت تقویت شده بمبی شکافتی است که از طریق تعداد کمی واکنش همجوشی باعث افزایش انفجار آن می شود ، اما بمب همجوشی نیست. در بمب تقویت شده ، نوترون های تولید شده توسط واکنش های همجوشی اساساً برای افزایش کارایی بمب شکافت کار می کنند. دو نوع بمب شکافت تقویت شده وجود دارد: تقویت داخلی ، که در آن مخلوط دوتریوم-تریتیوم به هسته بمب تزریق می شود و تقویت خارجی که در آن پوسته های متحدالمرکز لیتیوم-دوترید و اورانیوم تخلیه شده در خارج هسته بمب شکافت قرار دارند.

برخی از سلاح های هسته ای برای اهداف خاص طراحی شده اند. بمب نوترونی یک سلاح هسته ای است که یک انفجار نسبتاً کوچک اما مقدار نسبتاً زیادی تابش نوترون ایجاد می کند. از چنین دستگاهی می توان به طور تئوریک برای ایجاد خسارات زیادی استفاده کرد در حالی که زیرساخت ها بیشتر دست نخورده باقی مانده و میزان کمتری تخریب ایجاد می کند.

انفجار هر سلاح هسته ای همراه با تابش نوترونی است. پوشش یک سلاح هسته ای با مواد مناسب (مانند کبالت یا طلا) سلاحی ایجاد می کند که به عنوان بمب نمکی شناخته می شود. این دستگاه می تواند مقادیر استثنایی زیادی از آلودگی رادیواکتیو را برای مدت طولانی تولید کند. حدس زده شده است كه چنین دستگاهی می تواند به عنوان “سلاحی برای روز رستاخیز” عمل كند ، زیرا این مقدار فعالیت رادیویی با نیمه عمر چندین دهه  كه در استراتوسفر و بادهای آن در سراسر جهان توزیع می شود باعث انقراض زندگی در این سیاره خواهد شد.

چه تعداد بمب هسته ای برای انقراض حیات مورد نیاز است؟

بدین منظور ابتدا باید مجموع مساحت سکونت انسان ها را روی زمین را محاسبه کنیم . امروزه جمعیت انسان‌ ها روی خشکی های زمین حدود ۱۹ میلیون کیلومترمربع و معادل ۱۲.۵ درصد زمین است.

حالا باید قدرت تخریب هر بمب هسته ‌ای را مشخص کرد. در حال حاضر، مخرب ‌ترین کلاهک هسته ‌یعنی  B83 قدرت تخریب حدود ۱۵ کیلومترمربع را دارد. حالا با یک محاسبه ساده  می توان گفت ۱,۲۴۱,۱۶۶ بمب هسته ‌ای برای نابودی فوری بشریت نیاز است.

البته خبر خوب این است که آخرین آمارها در سال ۲۰۲۰ نشان می دهد تعداد کل کلاهک ‌های اتمی موجود در جهان ۱۳,۴۰۰ عدد است که تنها حدود ۱ درصد بمب های مورد نیازبرای انقراض بشریت است!

اثر انفجارهای هسته ای بر سلامت انسان

برخی دانشمندان تخمین می زنند که یک جنگ هسته ای با ۱۰۰ انفجار هسته ای به اندازه هیروشیما در شهرها می تواند باعث کشته شدن ده ها میلیون نفر فقط  از طریق اثرات اقلیمی طولانی مدت شود. فرضیه اقلیم شناسی این است که آتش سوزی در هر شهر مقدار زیادی دوده  تولید می کند که می تواند به جو رفته و باعث کاهش نور خورشید برای سالیان دراز می شود که باعث ایجاد اختلال در زنجیره های غذایی و  در واقع زمستان هسته ای می شود.

آسیب حاصل بمب هسته ای درمرحله اولیه – ۱-۹ هفته اول بیشترین تعداد مرگ و میر را دارد که ۹۰٪ به علت آسیب حرارتی و  یا اثرات انفجار و ۱۰٪ به دلیل قرار گرفتن در معرض تابش فوق العاده کشنده است. مرگ و میر طی  ۱۰ تا ۱۲ هفته بعد در این دوره ناشی از تابش یونیزان در محدوده کشنده است و  اثرات دیررس از ۱۳ تا ۲۰ هفته طول می کشد و باعث بهبودی در وضعیت بازماندگان می شود.

مشخصه دوره تأخیر از ۲۰+ هفته به بعد عوارض متعددی است که بیشتر مربوط به بهبود آسیب های حرارتی و مکانیکی است و اگر فرد در معرض تابش چند صد تا هزار میلی ثانیه قرار گیرد ، با ناباروری ، ضعف باروری و اختلالات خونی همراه خواهد بود. علاوه بر این ، نشان داده شده است که تابش یونیزه بالای دوز حدود ۵۰ تا ۱۰۰ میلی ثانیه باعث افزایش احتمال مرگ ناشی از سرطان پس از ۵ سال و بیش از ۵ سال خواهد شد. البته مشکلات کمتری مانند آب مروارید چشم و سایر اثرات جزئی در سایر اندام ها و بافت نیز در طولانی مدت مشاهده می شود.

خطرناک ترین بمب هسته ای جهان

خطرناک ترین بمب هسته ای جهان بمبی به نام تزار است که به عنوان بزرگترین بمب شناخته می شود. بمب های اتمی و بمب های هسته ای در واقع یک چیز هستند. آنها هر دو نوع بمب هایی هستند که از واکنش های هسته ای برای ایجاد یک انفجار بزرگ استفاده می کنند. به عنوان مثال، بمب اتمی در هیروشیما در ژاپن در طول جنگ جهانی دوم یک بمب هسته ای بود. ویرانی های زیادی به بار آورد و افراد زیادی را کشت. یک واقعیت قابل تأیید این است که بمب های اتمی نوعی سلاح هسته ای هستند که قدرت انفجاری خود را از واکنش های هسته ای به دست می آورند. همه بمب های اتمی بمب هسته ای هستند، اما همه بمب های هسته ای لزوما بمب اتمی نیستند. به نوعی شبیه این است که همه سیب ها میوه هستند، اما همه میوه ها سیب نیستند. در حال حاضر برخی از کشورها از جمله روسیه و کره شمالی به تکنولوژی بمب اتمی دست یافته اند و همین امر باعث شده که به راحتی کشورهای دیگر را تهدید به حمله اتمی کنند. استفاده از بمب اتمی طبق معاهده های بین المللی ممنوع است و هیچ کشوری حق ندارد از آنها استفاده کند. با اینحال بالا گرفتن تنش ها در جهان امکان رخ دادن جنگ جهانی را افزایش داده است و هیچ بعید نیست که روزی جهان درگیر این جنگ ویرانگر شود.