تصميم السلاح النووي: الفرق بين النسختين

* ''' أسلحة الإنشطار النووي التام''': أول أسلحة نووية تم صنعها، وحتى الآن فهي النوع الوحيد الذي تم استخدامه في الحروب. المادة النشطة في هذا النوع هي [[يورانيوم|اليورانيوم]] القابل للانشطار (يورانيوم ذو نسبة عالية من U-235) او [[بلوتونيوم]] (Pu-239) يتم تجميعها لتشكل كتلة حرجة قابلة لبدء سلسلة بإحدى طريقتين:

** تجميع السلاح :هي قطعة من مادة اليورانيوم الانشطاري تطلق على الهدف في نهاية السلاح، و تشبه إطلاق رصاصة من ماسورة البندقية ؛ و تكّون حجم ضخم عند الجمع بينهم.

:طريقة الانبجار تكون باستخدام اليورانيوم او الپلاتونيوم كمصدر وقود؛ في البنادق يستخدم اليورانيوم عادة لان الپلاتونيوم يعتبر غير عملي و ذلك بسبب تفعيل الزناد المبكر بسبب تلوث Pu-240 بالإضافة إلى أن الوقت الضروري لإجراء عملية الانشطار أقصر من الموجود في U-235.

* [[أسلحة نووية انشطارية|الأسلحة الانشطارية المعززة]] تقوم بتحسين تصميم الانفجار الداخلي. فالضغط العالي ودرجة حرارة البيئة في مركز انفجار الأسلحة الانشطارية تقوم بضغط ورفع درجة حرارة خليط غازات [[تريتيوم|التريتيوم]] و[[ديوتيريوم|الديوتيريوم]]. (نظائر ثقيلة للهيدروجين). يندمج [[هيدروجين|الهيدروجين]] ليشكل [[هيليوم|الهيليوم]] و[[نيوترون|نترونات]] حرة. تكون الطاقة المنبعثة من هذا التفاعل الاندماجي ضئيلة نسبياً، ولكن يبدأ كل نترون سلسلة تفاعلات انشطارية جديدة، حيث تقوم بتسريع الانشطار وتخفيض كمية المواد الانشطارية بشكل كبير والتي لولاها ستكون مبددة عندما يوقف تمدد المواد الانشطارية سلسلة التفاعلات. التعزيز ممكن أن يكون أكثر من ضعف الطاقة المنبعثة من الأسلحة الانشطارية.

في بعض الطرق، تكون ردات الفعل للانشطار والالتحام متكاملة ومتعاكسة، مع خصائص فريدة في كل منهما. لنفهم كيفبة تصميم السلاح النووي، من المفيد ان نفهم آلية التشابه والاختلاف بين الانشطار والالتحام. الشرح النالي يستخدم ارقاما تقريبية.<ref>المرجع الرئيسي له٫ا القسم هو كتاب "تأثيرات الأسلحة النووية"، {{إنج|The Effects of Nuclear Weapons}} لسامويل غلاستون و وفيليب دولان، النسخة الثالثة لعام 1977، نشر دائرة الطاقة في الولايات المتحدة الأميركية.</ref>

=== الانشطار النووي ===

 

نواة ال يو 235 يمكن أن تنشطر بعشرات الطرق بشرط أن يصل مجموع الأعداد الذرية إلى 92 ومجموع الكتل الذرية إلى 236 (اليورانيوم بالإضافة إلى النيوترون الإضافي) ،المعادلة التالية تبين واحدة من الإنقسامات الممكنة (السترونتيوم-95 (⁹⁵Sr)، زينون-139 (¹³⁹Xe)، واثنين من النيوترونات (N)، بالإضافة إلى طاقة) لث انشطارات جديدة

المواد التي يمكن أن تحمل سلسلة من ردات الفعل تسمى مواد انشطارية. اثنان من المواد الانشطارية المستخدمة في الأسلحة النووية هما:U-235 و يعرف أيضاً باليورانيوم عالي التخصيب (HEU)، أورالي (Oy) سبائك أوك ريدج. أو 25 ( آخر عدد من الإعداد الذرية، وهو 92 لليورانيوم و الوزن الذري هنا 235، على التوالي) ؛ و Pu-239، ويعرف أيضاً بالبلوتونيوم، أو 49 (من 94 و 239).

 

 

=== اندماج النوى الذرية ===

بعد مرور 11 عام، التصميم الداخلي للمفجر تطور بشكل ملحوظ حيث ان قطر الكرة تغير من 11 قدم (1.5 م) Fat Man إلى 1 قدم (0.30م) و قطر الأنبوب كان يعادل قدمان (0.61 م) طولاً و اطلق عليه جهاز شان سوان {{إنج|Sean swan device}}.

 

 

=== انفجار خطي ثنائي النقاط ===

 

=== النظام الفعالي الجديد هو استخدام نقطتان للانفجار الداخلي ===

 

أمتلكت قنبلة فات مان قذيفتين متحدتي المركز على شكل جسم كروي يحتوي على متفجرات شديدة، يقارب سمكها 10 بوصات (25 سم). وتقذف القذيفة داخلية الإنفجار. احتوت القذيفة الخارجية على نمط يشبه كرة القدم يحتوي على 32 عدسة شديدة الانفجار، تحول كل عدسة الموجة المحدبة من مفجرها إلى موجة مقعرة مشابهة لشكل القذيفة الداخلية من الخارج. لو كان في الامكان استبدال هذه العدسات (32) باثنتين فقط، يُمكن للشكل الكروي شديد الانفجار أن يصبح إهليلجاً (كروي متتطاول) ذو قطر دائري أصغر بكثير.

إن اسطوانه الغاز بكاملها تحتاج إلى ان تكون مغلفة بطاقة الانشطار النووي حتى يمكن ضغطها وتسخينها مثلما يكون الحال عند شحن الاداة الاضافية لزيادة القوة في المرحلة الأولية. إن تصميم الاسطوانه قد تم في يناير 1951 عندما اخترع ادوارد تيللر و ستانيسلو اولاك الانفجار الاشعاعي. لما يقارب الثلاث عقود قد تم تسميتها ب تيللر اولام القنبلة الهيدروجينية.

 

 

في العلاج الإستفزازي بالأشعة، تصدر طاقة الأشعة السينية من الإنفجار الأساسي الذي يقع ويتم احتوائه داخل قنوات إشعاعية معتمة التي تحيط بعناصر الطاقة النووية الثانوية. تتحول الاشعه إلى رغوة بلاستيكية بشكل سريع الذي كان يُعبئ القناة ويتحول إلى بلازما تميل إلى شفافة ثم إلى أشعة سينية، ويتم امتصاص الأشعة في الطبقات الخارجية من الدافع / المدك المحيط بالجزء الثانوي، الذي يُجتذ ويضغط بشكل هائل(أشبه بمحرك صاروخي داخلي خارجي) مما يتسبب في اندماج كبسوله الوقود إلى انفجار داخلي تماماً كالتجويف الرئيسي. كما في انفجار داخلي قابل للإنشطار" الولاعة" يشتعل مركزها ويطلق حرارة تتسبب في دمج الوقود الذي يشتعل أيضاً. الانشطار والانصهار هما سلسلة من تبادل تفاعلات النيترونات مع بعضها بعضا وتدعم كفاءة تفاعل العنصرين. وتعزز قوة الدفع الأكبر من كفاءة الانشطار "الولاعة" نتيجة للتعزيز الناتج عن جمع النيترونات، وانصهار الانفجار نفسه يتسبب في حدوث انفجار أكثر وضوحاً ثانوي بالرغم من كونه أكبر بكثير من الرئيسي.

[[ملف:TellerUlamAblation.png|مركز|تصغير|400بك|ألية تسلسل إطلاق الت٫رية. <br/>{{Ordered list |رأس حربي قبل التفجير الكرويات المتداخلة في الأعلى هي الإندماجات الرئيسية أما الأسطوانات السفلية فهي أجهزة التبغثر الثانوية|إنفجار المندمجات الأساسية وانزلقت إلى النواة.|إكتمال الإنفجار واصبحت درجة حرارة النواة الأساسية ملايين الدرجات وانبعاث الإشعاعات الصينية والغاما مما يرفع حرارة داخل الهولاروم والمؤثر الثانوي.|إنتهاء المرحلة الأولى وتمددت. وبهذا، يتحلل سطح ويتمدد ليدفع بقية القسم الثانوي وتبداء شمعة الإشتعال بالتبديد. |يبداء الحارق الثانوي بالإشتغال. بدء تكون الكرة الملتهبة.}}]]

 

 

يحدث معظم الانشطار نتيجة استخدام النوع الرخيص من U-238، و يصنع التريتريوم في الموقع اثناء وقوع الانفجار. و تكون شمعة الاشتعال فقط "الولاعة" في محور الثانوية هي التي تكون قابلة للانشطار.

ومن الناحية الهندسية، وقد يسمح الإنهيار النووي بإستغلال عدة مميزات معروفة من مواد القنبلة النووية اللتي وحتى الان لم تُطبق على أرض الواقع،، وعلى سبيل المثال:

* إن أفضل طريقه لتخزين الديوتيريوم (الهيدروجين الثقيل) بكثافة معقولة هي ربطه كيميائيا مع الليثيوم، ويعرف المركب بديوتيرايد الليثيوم. ويُعد النظير السادس لليثيوم ماده خام لإنتاج التريتيوم أيضاً، والقنبلة المتفجرة هي مفاعل نووي. ويحفظ الإنفجار الإشعاعي بجميع الأشياء معاً مدة تكفي لتحول النظير السادس لليثوم إلى تريتيوم، يحدث كل ذلك في وقت انفجار القنبلة. ولذلك تسمح المواد المستخدمة لربط للديوتيريوم باستخدام تفاعل D-T fusion وهي الدورة اللتي يتم فيها تفاعل الإندماج من دون تخزين أي كمية من التريتيوم غير المصنع. ولا يتبقى من إنتاج التريتيوم أي شيء و يختفي.

* أخيرًا، فإن الحرارة التي تشعل الاندماج النووي لا تأتي من المرحلة الابتدائية بل تأتي من قنبلة المرحلة الثانوية، والتي تُسمى قابسة الشرارة، وهي جزء لا يتجزأ من المرحلة الثانوية. وانبجار (انفجار من الداخل) المرحلة الثانوية يتضمن قابسة الشرارة مما يتسبب في اشتعال الاندماج النووي حول المادة نفسها، ولكن قابسة الشرارة تستمر في اشتعالها حتى أن تستهلك كامل مادة النيترون الموجودة بكثرة، وهذا الشيء يزيد من قوة النووي بشكل كبير<ref name="CLR"/>.

 

 

في الخمسين سنة التي تلت ذلك، لم يبتكر أحد أي طريقة أفضل لبناء قنبلة نووية. فقد كان التصميم المفضل لدى كل من الولايات المتحدة، روسيا، المملكة المتحدة، الصين و فرنسا، القوى الخمس النووية الحرارية. أما الأمم النووية المسلحة الأخرى كإسرائيل، الهند، باكستان، وكوريا الشمالية، قد يكون لديها اسلحة احادية single-stage weapons و ربما اقوى.

{{مفصلة|قنبلة الكوبالت}}

 

 

طُلبت مثل هذه الأسلحة "المالحة" من قبل القوات الجوية الأمريكية وتم فحصها بدقة، ربما لدرجة صنعها وتجربتها، ولكن لم تنشر. في نسخة 1964م من كتاب "دي او دي/أي إي سي تأثير الأسلحة النووية، تم توضيح الموضوع في باب جديد بعنوان الحرب الإشعاعية. فنواتج الإنشطار مميتة بقدر الكوبلت المنشطر بالنيوترون. السلاح عالي-الإنشطار الحراري النووي الموحد هو سلاح تلقائي للحرب الإشعاعية، ببشاعة قنبلة الكوبلت. في البداية، تُكافئ أشعة الجاما الناتجة عن الإنشطار حجم قنبلة الانشطار الانصهار-الانشطار أكثر شدة من كوبلت - 60. 15000 مرة أكثر شدة في ساعة، 35 مرة أكثر شدة في اسبوع، 5 مرات أكثر شدة في شهر، وتقريبا مكافئ في ستة أشهر. ثم ينحدر الإنشطار بسرعة حتى يتكون التهدم النووي لكوبلت -60 الذي يكون أكثر شدة بثمانية مرات من نواتج الإنشطار في سنة و 150 مرة أشد في خمس سنوات.النظير طويل العمر الذي نتج بالإنشطار سيتجاوز الكوبلت -60 بعد 75 سنة تقريبا.

 

يبين الرسم البياني اعلاه كافة المميزات القياسية للرؤوس الحربية للقذائف البالستية منذ عام 1960 مع اثنين من الاستثناءات والتي تعطيها انتاجية أكبر قياسا بحجمها.

* يقع الثانوي في النهاية الواسعة مخروط اعادة الدخول، حيث يمكنه ان يصبح أكبر وبالتالي أقوى. الترتيب المعتاد ان يوضَع الأثقل، ثم الأكثر كثافة في النهاية الضيقة لمزيد من استقرار الهوائي خلال إعادة الدخول من الفضاء الخارجي، و ليسمح بمساحة أكبر للمواد الضخمة الأساسية في الجزء الاوسع من المخروط. (يظهر الرسم لسلاح دبليو 87 في المقالة W87 article الترتيب المعتاد.) بسبب هذا التركيب الهندسي الجديد، يستخدم دبليو 88 أوليا متفجرات مدمجة تقليدية لحفظ المساحة، <ref>Jonathan Medalia, "The Reliable Replacement Warhead Program: Background and Current Developments," [http://www.fas.org/sgp/crs/nuke/RL32929.pdf CRS Report RL32929], Dec 18, 2007, p CRS-11.</ref> بدل من المعتاد، وضخم لكنه أأمن، و متفجر عالي غير حساس (IHE). عند فتحة إعادة الدخول للمخروط قد يوجد ثقل في المقدمة للحفاظ على ثبات الهوائي<ref>Richard Garwin, [http://www.armscontrol.org/act/1999_04-05/rgam99.asp "Why China Won't Build U.S. Warheads"]{{وصلة مكسورة|تاريخ=أبريل 2014}}, ''Arms Control Today'', April–May 1999.</ref>. الطبقات المتتالية للانصهار و مواد الانصهار في الثاني عبارة عن تطبيق لمبدأ عمل المنبه/سوليكا.

 

=== مخبر لوس ألموس ===

في لوس ألموس، في شهر أبريل من عام 1944، لقد اكتشف العالم [[إميليو سيغري]] أن تركيب القنبلة المدفعية المقترحة بإسم "الرجل النحيل" لن يعمل باستخدام عنصر بلوتونيوم لمشاكل في وحدة الكتلة الذرية الذي تسببه الشوائب الموجودة في بي يو-240. إذ أن القنبلة الإنفجارية باسم "الرجل السمين" كان لها الأفضلية لأن تصبح الخيار الوحيد لإستخدام عنصر بلوتونيوم. لقد ولدت المناقشات في بيركلي احصائيات نظرية للكتلة الحرجة ولكن لم يُحسم شيء في هذا الأمر.

 

عن طريق استخدام نتائج الكتلة الحرجة، قام فنيّو لوس الاموس في عام 1945م بصنع وجمع مكونات أربع قنابل وهي: قنبلة أداة تيرنيتي، والولد الصغير، والرجل المتين، وكذلك قطع غير مستخدمة لقنبلة الرجل المتين. بعد الحرب، عاد من استطاع العودة إلى أماكن التدريس في الجامعة بما في ذلك اوبنهيمر. أما الآخرون فقد بقوا وعملوا على الحفرة المجوفة والمرفوعة، وجمعوا التأثيرات لإختبارات الأسلحة مثل اختبار "مفترق الطرق" {{أنك|Crossroads}} "أ" و "ب" في [[جزيرة بيكيني]] عام 1946م.

لأن الانتخابات التمهيدية تميل إلى أن تكون ضخمة، وخاصة في القطر، البلوتونيوم هو المادة الانشطارية المختارة للحفر، مع عاكسات البريليوم. أنه يحتوي على كتلة حرجة أصغر من اليورانيوم. تم بناء شقق بالقرب من محطة روكي بولدر، كولورادو، في عام 1952 لإنتاج حفرة، وبالتالي أصبح منشأة لتصنيع البلوتونيوم والبريليوم.

 

 

قام معمل (واي-12) بتصنيع وقود الاندماج ليثيوم-6 ديوترايد و أجزاء يورانيوم-238، وهما المكونان الاخران لجهاز المرحلة الثانية (للثانوي).

=== نقطة سلامة واحدة ===

في حين ان إطلاق متفجر واحد من العديد من المتفجرات لن يسبب حفرة جوفاء لتكون خطيرة، وخاصة الحفرة الجوفاء قليلة الكتلة والتي تتطلب تعزيز. أدى ادخال نظم الانفجار ذو النقطتين تلك الإمكانية والتي شكلت قلق حقيقي.

الناتج شبيه الدمبل، مع كلا النهايات يصل الكثافة الأقصى عند وقت مختلف، ربما لن يصبح خطير.