Bomby atomowe i jak działają

Istnieją dwa rodzaje wybuchów atomowych, które Uran-235 może ułatwić: rozszczepienie i fuzja. Mówiąc najprościej, rozszczepienie jest reakcją jądrową, w której jądro atomowe dzieli się na fragmenty (zwykle dwa fragmenty o porównywalnej masie), emitując jednocześnie od 100 milionów do kilkuset milionów woltów energia. Energia ta jest wydalana wybuchowo i gwałtownie w bomba atomowa. Z drugiej strony reakcję fuzji zwykle rozpoczyna się od reakcji rozszczepienia. Ale w przeciwieństwie do bomby rozszczepialnej (atomowej), bomba fuzyjna (wodór) czerpie swoją moc z fuzji jąder różnych izotopów wodoru w jądra helu.

W tym artykule omówiono Bomba A lub bomba atomowa. Ogromna moc reakcji w bombie atomowej powstaje z sił, które utrzymują atom razem. Siły te są podobne do magnetyzmu, ale nie do niego samego.

Atomy składają się z różnych liczb i kombinacji trzech cząstek subatomowych: protonów, neutronyi elektrony. Protony i neutrony łączą się, tworząc jądro (masę centralną) atomu, podczas gdy elektrony krążą wokół jądra, podobnie jak planety wokół Słońca. To równowaga i układ tych cząstek decydują o stabilności atomu.

Większość pierwiastków ma bardzo stabilne atomy, których nie można rozdzielić, z wyjątkiem bombardowania akceleratorami cząstek. Dla wszystkich praktycznych celów jedynym naturalnym pierwiastkiem, którego atomy można łatwo rozdzielić, jest uran, a metal ciężki z największym atomem ze wszystkich naturalnych pierwiastków i niezwykle wysokim neutronem do protonu stosunek. Ten wyższy stosunek nie zwiększa jego „zdolności do dzielenia”, ale ma istotny wpływ na jego zdolność do ułatwiania wybuchu, czyniąc uran-235 wyjątkowym kandydatem do rozszczepienia jądrowego.

Istnieją dwa naturalnie występujące izotopy uran. Naturalny uran składa się głównie z izotopu U-238, z 92 protonami i 146 neutronami (92 + 146 = 238) zawartymi w każdym atomie. Zmieszano z tym 0,6% akumulacji U-235, przy zaledwie 143 neutronach na atom. Atomy tego lżejszego izotopu można rozdzielić, dzięki czemu jest on „rozszczepialny” i użyteczny w wytwarzaniu bomb atomowych.

Ciężki neutron U-238 ma również do odegrania rolę w bombie atomowej, ponieważ jego ciężkie neutrony atomy mogą odbijać zbłąkane neutrony, zapobiegające przypadkowej reakcji łańcuchowej w bombie uranowej i utrzymujące neutrony zawarte w plutonie bomba. U-238 może być również „nasycony”, aby wytworzyć pluton (Pu-239), sztuczny pierwiastek promieniotwórczy stosowany również w bombach atomowych.

Oba izotopy uranu są naturalnie radioaktywne; ich masywne atomy rozpadają się z czasem. Biorąc pod uwagę wystarczającą ilość czasu (setki tysięcy lat), uran ostatecznie straci tyle cząstek, że zamieni się w ołów. Ten proces rozkładu można znacznie przyspieszyć w tak zwanej reakcji łańcuchowej. Zamiast rozpadać się naturalnie i powoli, atomy są siłą dzielone przez bombardowanie neutronami.

Uderzenie pojedynczego neutronu wystarczy, aby rozdzielić mniej stabilny atom U-235, tworząc atomy mniejszych pierwiastków (często bar i krypton) i uwalniając promieniowanie cieplne i gamma (najsilniejsza i najbardziej śmiercionośna postać radioaktywność). Ta reakcja łańcuchowa zachodzi, gdy „zapasowe” neutrony z tego atomu odlatują z siłą wystarczającą do rozszczepienia innych atomów U-235, z którymi się zetkną. Teoretycznie konieczne jest podzielenie tylko jednego atomu U-235, który uwolni neutrony, które podzielą inne atomy, które uwolnią neutrony... i tak dalej. Ten postęp nie jest arytmetyczny; jest geometryczny i odbywa się w ciągu jednej milionowej sekundy.

Minimalna ilość do rozpoczęcia reakcji łańcuchowej, jak opisano powyżej, jest znana jako masa nadkrytyczna. Dla czystego U-235 wynosi on 110 funtów (50 kilogramów). Jednak żaden uran nigdy nie jest całkiem czysty, więc w rzeczywistości będzie potrzebne więcej, takich jak U-235, U-238 i Pluton.

Uran nie jest jedynym materiałem używanym do produkcji bomb atomowych. Innym materiałem jest izotop Pu-239 sztucznego plutonu. Pluton występuje naturalnie tylko w niewielkich ilościach, dlatego użyteczne ilości muszą być wytwarzane z uranu. W reaktorze jądrowym cięższy izotop U-238 uranu może być zmuszony do pozyskania dodatkowych cząstek, które ostatecznie stają się plutonem.

Pluton sam nie rozpocznie szybkiej reakcji łańcuchowej, ale problem ten można rozwiązać przez zastosowanie źródło neutronów lub wysoce radioaktywny materiał, który wydziela neutrony szybciej niż pluton samo. W niektórych rodzajach bomb stosuje się mieszaninę pierwiastków berylu i polonu, aby wywołać tę reakcję. Potrzebny jest tylko mały kawałek (masa nadkrytyczna wynosi około 32 funty, choć można użyć tylko 22). Materiał nie jest sam w sobie rozszczepialny, ale działa jedynie jako katalizator dla większej reakcji.