מבוא לפצצות אטום

איך בונים פצצת אטום ומהם המרכיבים החיוניים שלה? מה תפקידה של הצנטריפוגה ומהי "עוגה צהובה"? כתבה זו תחשוף בפניכם את התהליך המרתק של בניית פצצה גרעינית, תהליך המשלב מדע מתקדם, דיוק הנדסי ומרוץ מתמיד נגד הזמן.

הטקסט שמופיע כאן מבוסס על מקורות מידע גלויים לציבור ונועד לשימוש חינוכי בלבד. הכתבה ברובה מבוססת על הארכיב הגלוי של פצצות אטום.

פצצת אטום מבוססת על ביקוע גרעיני: תהליך שבו גרעין כבד מתפרק לשני גרעינים קלים יותר ומשחרר אנרגיה עצומה. התהליך מתחיל בלכידת נייטרון, חלקיק חסר מטען חשמלי שמופיע בטבעיות בגרעיני אטום. כאשר נוספים ניוטרונים בגרעין, יציבותו מתערערת והוא יכולים להתפרק, או להיבקע. לרוב, מצב שכזה יגרום לגרעין האטום להתפרק לשני חלקים פחות או יותר שווים ולשחרר בתהליך כמות גדולה של אנרגיה. החומר הבקיע שמשמש פצצות אטום הוא איזוטופ יחסית נדיר של אורניום או פלוטוניום. האיזוטופ הוא מושג בפיזיקה גרעינית ובכימיה שמתאר את כמות הניטרונים בגרעין. למשל לאורניום כמה איזוטופים ידועים כמו 238,235 233 וההבדל העיקרי בניהם הוא במספר הניוטרונים. גרעינים כבדים נוטים להיות יציבים יותר כאשר הם מכילים יותר ניוטרונים ולכן סלע מצוי של עופרת אורניום מכיל 99% אורניום 238 ו-אחוז בודד של אורניום 235, המשמש לפצצה. בממוצע, ביקוע אורניום 235 משחרר גם כ- 2.5 נייטרונים וביקוע פלוטוניום 239 משחרר כ-3 ניוטרונים. אותם ניוטרונים חשובים מאוד לתהליך הפיצוץ – כל נייטרון שכזה עשוי לפגוע באטומים נוספים ולשחרר עוד אנרגיה בדרך, ואם יש מספיק ניוטרונים החומר כולו יכול להיבקע בתהליך שרשרת.

גרעיני האטום נתקלים בניוטרונים בשתי דרכים עיקריות: לעתים הניוטרון מתנגש בגרעין ומתפזר ממנו, בדומה לקרן אור החוזרת ממראה, ולעתים הוא נבלע לתוכו, ועשוי להאיץ את התפרקות הגרעין אם האנרגיה שהתווספה בעקבות בליעת הניוטרון עוקפת את אנרגיית הקשר הפנימית. באיזוטופים רגישים כמו אורניום-235, אורניום-233 ופלוטוניום-239, מספיק ניוטרון איטי כדי לעורר ביקוע (“ביקוע איטי”), בעוד שאורניום-238 דורש ניוטרונים מהירים במיוחד כדי לפרוץ את סף היציבות שלו (“ביקוע מהיר”). לכן משתמשים באורניום 235 לפצצה כי הוא הרבה יותר קל לביקוע. חשוב לציין שהתהליך כולו סטטיסטי לחלוטין: הדרך בה האורניום נבקע לשני גרעינים אינה תהליך דטרמיניסטי ובממוצע היחס הוא 92–135. בנוסף, מספר הניוטרונים המשוחררים משתנה בדרך כלל בין אפס לשש, ואנרגיה הקינטית שלהם מפוזרת בטווח רחב.

כדי שביקוע יחולל פיצוץ צריכים להתקיים שני תנאים:

1. מספר הניוטרונים שלא מנוצלים, כלומר שלא נבלעים על ידי האיזוטופים או בורחים מהמסה הגרעינית חייב להיות נמוך.
2. תהליך השרשרת חייב להיות מאוד מהר.

תהליך הביקוע הוא במרוץ אחרי עצמו. החומר חייב להיבקע לפני שהפצצה מתפרקת לחלקים ומעיפה את החומר הגרעיני לכל עבר. היכולת של הפצצה לנצח את עצמה במרוץ קובעת את היעילות שלה.

לשם כך, החומר הבקיע צריך להיות צפוף וגדול מספיק כדי לכלוא את הניוטרונים ולמנוע מהם לברוח בקלות. ברגע שהחומר משיג תכונה זו הוא מכונה ״קריטי״. עבור אורניום 235, כדור ששוקל 48 קילו נמצא על הגבול הקריטי. אפשר להקטין את הכמות אם עוטפים את האורניום במראות שמחזירות את הניוטרונים אל תוך החומר הבקיע במטרה להגדיל את הסיכוי שהניוטרונים יבלעו ולא יברחו החוצה. לעומת האורניום, עבור פלוטוניום 239 צריך בערך 10 קילו ולכן הוא נחשב לעיתים מועדף על מהנדסי גרעין.

לשם ההתרשמות, להלן מספר גדלים סטנדרטים שמתארים את תהליך ביקוע – הניוטרון נע בערך במהירות של 1.4 מיליון מטר בשניה, ונבלע תוך עשר ננו שניות. יחידה זו מכונה ״זעזוע״ (shake) ובזמן הזה הניוטרון נע כ- 2.5 סנטימטר. בממוצע הניוטורון יתפזר מגרעיני האטום 5 פעמים לפני שיבלע ולכן כדי לבנות פצצה שטף הניוטרונים חייב להיות גדול. כדי להבין האם החומר הבקיע מתאים ליצירת פצצה, מדעני גרעין מחשבים את קצב ההתפחות הביקוע המתוארת על ידי המשוואה הבאה:

כאשר f מתאר את הכמות הממוצעת של ניוטורנים המשתחררת בתהליך הביקוע, lc מתאר את כמות הניוטרונים שנבלעת בגרעיני האטום ו-le כמות הניוטרונים שלא מנוצלים ובורחים מהמסה הגרעינית. כאשר k=1 החומר הביקע הוא קריטי, אך כדי שתחולל פצצה יעילה k צריך להיות 2 או יותר. אם אנחנו יודעים מהו k, נוכל לחשב את כמות הניוטרונים שמשתחררת בתהליך הביקוע או בכמות האטומים שנבקעו,

כאשר N(t) מציין את מספר הניוטרונים בזמן t, והקבוע – g הוא קבוע שמתאר את הזמן בין שכבת ביקוע אחת לשניה (כ1.4 ננו שניות). הקצב גדל אספוננציאלית רק אם k>1. אם k=2, תוך 56 ״זעזועים״ (560 ננו שניות), אפשר להראות שמשתחרר 20 קילו-טון של TNT.

מרכיבי הפצצה

כדי להרכיב פצצה אטומית מהנדסים צריכים להתמודד עם שלושה אתגרים:

1. לשמור על החומר הבקיע מתחת לסף הקריטי לפני הפיצוץ.
2. להעביר מהר את החומר הבקיע למצב סופר-קריטי (k שווה או גדול מ-2) במצב בו הוא לא חשוף לניוטרונים כלל.
3. לחשוף את החומר הסופר-קריטי לניוטרונים במהרה.

מדובר באתגרים מורכבים, במיוחד בהתחשב בעובדה שניוטרונים מגיעים כל הזמן מסביבתנו – מקרינה קוסמית ואף מהחומר הבקיע עצמו. כדי לעמוד בתנאי השני, מעבר החומר למצב סופר-קריטי חייב להיות מהיר יותר מקצב ההתפרקות הטבעית שלו. פיצול פשוט של חומר סופר-קריטי לשני חלקים לא יפתור את הבעיה, כיוון שהחלקים עשויים להתפרק עצמאית במהירות, ואין דרך לקרב אותם מהר מספיק שתגדיל את k ל-2 לפחות. הפתרון לסעיף הראשון והשני הוא דחיסת החומר הבקיע. מסתבר שהמסה הקריטית של חומר רדיואקטיבי קטנה ביחס הפוך לריבוע צפיפות החומר (1 חלקי הצפיפות בריבוע). לפי כלל אצבע, חומר שמתחת לרף הקריטי יהפוך לסופר-קריטי אם נדחוס אותו לפי שתיים מצפיפותו המקורית. כדי לעשות זאת, יש להתחיל עם חומר שמסתו בערך פי שלושה מהמסה הקריטית שאליה מכוונים.

תהליך הדחיסה חייב להיות מהיר יותר מקצב ההתפרקות של האורניום. לשם כך פותחו מספר טכניקות, כשהיעילה ביותר נעזרת בפיצוץ מכוון מכל הכיוונים שדוחס את החומר הבקיע במהירות גבוהה, תוך 1 עד-4 מיקרו-שניות. לעיתים משתמשים בכמה שכבות של פיצוץ כדי להגדיל את הצפיפות פי ארבע ובכך להגדיל את k בהתאם. לאחר שהחומר הבקיע נדחס מספיק, יש להאיץ את תהליך הביקוע באמצעות שחרור כמות גדולה של ניוטרונים. לכאורה, הניוטרונים שמשתחררים באופן טבעי מהחומר הבקיע יכולים להתחיל את תגובת השרשרת, אך הפיצוצים שדוחסים את החומר יוצרים גם גל הלם נגדי, שמפזר את החומר הבקיע בטרם מיצה את מלוא פוטנציאל הביקוע שלו. אם החומר הבקיע לא נשאר דחוס מספיק זמן, יעילות הפיצוץ תרד משמעותית. לכן, מוסיפים לפצצה מקור ניוטרונים שיכול לשחרר כמות גדולה שלהם בזמן שהחומר עדיין דחוס. קיימות לכך כמה שיטות, כשהמודרנית מבניהן משתמשת במאיצי חלקיקים קטנים שבהם מתנגשים אטומי הדטריום וטריטיום שמשתחררים בתהליך ניוטרונים רבים.

ברגע זה מתרחשת תגובת השרשרת: הניוטרונים נבלעים בגרעיני האטומים, גורמים לפירוקם, ומשחררים כתוצאה מכך אנרגיה בצורת קרינה וניוטרונים נוספים שממשיכים את התהליך. השרשרת מתרחשת במהירות אדירה, ובתוך מספר קטן של ״זעזועים״ האנרגיה התרמית משבשת את מנגנון הפצצה ומפסיקה את התגובה לחלוטין. משך הזמן הקצר הזה מגביל מאוד את יעילות הפצצה. פצצות מתוחכמות כיום מגיעות ליעילות של כ-50 אחוזים לכל היותר. הפצצות שהוטלו על הירושימה ונגסאקי היו יעילות פחות בהרבה – כ-17 אחוזים בלבד, כלומר רק 17 אחוזים מהחומר הבקיע נוצל בפועל.

האנרגיה המשתחררת מפצצה הגרעינית

גם אם הצלחנו להרכיב פצצה גרעינית, לא באמת נוכל לדעת עד כמה טובה היא מבלי לערוך ניסוי של ממש. בשנות הארבעים, ארצות הברית ערכה את הניסוי הגרעיני הראשון במסגרת תוכנית מנהטן. בעזרת תמונות של הפיצוץ שצולמו מרחוק, הפיזיקאי ג׳ופרי טיילור חישב בזריזות את כמות האנרגיה שהשתחררה. בעזרת ״חישוב ממדי״ טיילור מצא קשר בין רדיוס כדור האש, הזמן שנדרש להתפשטותו, לבין האנרגיה המשתחררת. ״חישוב ממדי״ הוא כלי נפוץ בפיזיקה, המבוסס על זיהוי הגדלים הפיזיקליים הזמינים וארגונם במטרה להרכיב מהם את הגודל שאנחנו מעוניינים למדוד. הדבר נעשה על ידי שילוב נכון של הגדלים הנתונים, תוך שימוש בחזקות וביחסים המתאימים ביניהם על מנת לקבל את היחידה המבוקשת. הנוסחה שפיתח טיילור היא:

כאשר t מציין את הזמן, R את רדיוס הפיצוץ בזמן t, האות רו היוונית (במכנה) מציינת את צפיפות החומר, E מציין את האנרגיה שהשתחררה מהפיצוץ ו-S הוא קבוע שניתן לחשב וקשור לתכונות החומר הבקיע. בעזרת סט של תמונות ומדידה דקדקנית של זמנים ומרחקים, טיילור הצליח לחשב בדיוק מרשים את האנרגיה שהשתחררה בניסוי, סביב ה-20 קילו-טון של TNT.

ייצור החומר הבקיע

אחרי שפירטנו כיצד מרכיבים פצצה גרעינית, נשלים את הדיון עם תהליך העשרת האורניום. פצצה גרעינית מבוססת על איזוטופים מסוימים של חומרים רדיואקטיביים. מאחר שהתכונות הכימיות של האיזוטופים השונים כמעט זהות, תהליך ההפרדה הוא איטי וממושך. לדוגמה, אורניום 235 ואורניום 238 נבדלים בעיקר במסתם. כדי להתגבר על קושי זה, מבצעים את תהליך ההפרדה מספר רב של פעמים לאורך תקופה ארוכה. בתהליך ההעשרה נדרש להפריד את האורניום 235, המשמש לפצצה, מהאורניום 238. יעילות מערך ההעשרה נקבעת בעיקר על ידי שני גורמים: אחוז ההעשרה בכל שלב, וכמות החומר הבקיע שאובד בתהליך. כעשר שיטות שונות להעשרת חומר בקיע פורסמו בספרות החופשית, ויעילותן משתנה בהתאם לחומר אותו הן מעשירות. השיטה המוכרת ביותר נעזרת בצנטריפוגות, ועליה נתמקד כאן.

עוד לפני שמכניסים לצנטריפוגות, סלעי האורניום עוברים תהליך סינון ראשוני. אותם סלעים שיוצאים ממכרות מכילים בעיקר עופרת, כאשר האורניום עצמו מהווה פחות מאחוז מהסלע. לכן, בשלב הראשון בתהליך ההעשרה מפרידים את העופרת מהאורניום ומוסיפים במקומו חמצן. התוצר של תהליך זה הוא תחמוצת אורניום בעלת מרקם גושי וצבע צהוב, ומכאן הכינוי “עוגה צהובה”. הוספת החמצן לאורניום נועדה לאפשר טיפול בטוח יותר ולהפחית את רמת הרדיואקטיביות. לאחר מכן, העוגה הצהובה מועברת למתקני ההעשרה. לפני כניסתה לצנטריפוגות היא עוברת תהליך נוסף שבו היא מומרת למצב גזי. מכיוון שאורניום הוא מתכת שאינה מתנדפת בקלות בטמפרטורות ולחצים רגילים, הוא מעורבב עם פלואור. התרכובת החדשה של אורניום ופלואור הופכת בקלות לגז ומוזנת אל תוך הצנטריפוגות. בצנטריפוגות, הכוח הצנטריפוגלי מפריד בין איזוטופי האורניום בשל הבדלי המסה שלהם: אורניום-238 הכבד יותר נדחק לשולי הצנטריפוגה, ואילו אורניום-235 הקל יותר מתרכז במרכזה. הגז המועשר באורניום-235 נשאב מאזור המרכז ומועבר לצנטריפוגה הבאה להמשך העשרה. כדי להגיע לרמת העשרה של 90 אחוז, הנדרשת לייצור נשק גרעיני, נדרש מערך של אלפי צנטריפוגות מודרניות הפועלות במשך כשנה ומפיקות בסופה כ-6 ק”ג אורניום מועשר. לאחר ההעשרה, האורניום הגזי עובר תהליך של הקשחה שבו הוא מומר בחזרה למצב מוצק, לעיתים בתערובת עם מעט חמצן או כאורניום טהור. בשלב זה, הוא מוכן לשימוש בהרכבת הפצצה הגרעינית.

יש לכם שאלה? רוצים שאכתוב על נושא שמעניין אתכם? פנו אליי לכתובת המייל: [email protected]
אתם מוזמנים גם לקרוא את הכתבה בבלוג שלי ״למה התקוונטה״ ולעקוב אחרי גם ב-BlueSky כדי להתעדכן על הרצאות לקהל הרחב.

עוד בנושא באתר הידען: