بمب هیدروژنی چگونه کار می کند و چرا دانشمندان به سراغ توسعه آن رفتند؟

اولین سلاح هسته ای جهان – بمب اتم – در سال ۱۹۴۵ شهرهای هیروشیما و ناکازاکی ژاپن را ویران کرد. قدرت این بمب ها به ترتیب معادل ۱۶ کیلوتن (۱۶,۰۰۰ تن) و ۲۱ کیلوتن تی ان تی بود و باعث کشته شدن صدها هزار نفر در اثر انفجار و اثرات رادیواکتیو شد.

اما تنها هفت سال پس از رها کردن بمب های اتمی بر فراز شهرهای ژاپن، ایالات متحده سلاح هسته ای قدرتمندتری را آزمایش کرد: بمب هیدروژنی. بمب هیدروژنی که به عنوان بمب گرماهسته ای نیز شناخته می شود، می تواند نیروی انفجاری صدها یا حتی هزاران برابر بزرگ تر از بمب اتمی ایجاد کند. اما بمب هیدروژنی چگونه دارای چنین قدرت عظیمی است. بمب های هیدروژنی از همان نوع انرژی بهره می برند که به خورشید قدرت می دهد.

بمب های اتمی برای ایجاد قدرت خود به شکافت هسته ای – شکافت اتم ها – متکی هستند. اما نیروی اصلی پشت قدرت یک بمب هیدروژنی، نقطه مقابل شکافت – همجوشی هسته ای، همجوشی یا اتصال اتم ها است. بمب های گرماهسته ای از دو ایزوتوپ هیدروژن – دوتریوم و تریتیوم – برای سوخت خود استفاده می کنند، از این رو نام “بمب هیدروژنی” به آن ها اطلاق می شود.

زایجینگ سان، فیزیکدان هسته ای در دانشگاه نوادا در لاس وگاس می گوید: «در همجوشی، عناصر سبک، تحت دما و فشار شدیدی قرار می گیرند و با ترکیب یا همجوشی، عناصر سنگین تری را تشکیل می دهند و مقادیر بسیار زیادی انرژی در این فرآیند آزاد می کنند.

به ادعای روزنامه سان، بر حسب جرم مشابه سوخت، واکنش های همجوشی انرژی بسیار بیشتری در مقایسه با شکافت هسته ای آزاد می کنند. فرآیند همجوشی در همه جای جهان هستی وجود دارد – این فرآیند همان چیزی است که به خورشید قدرت می بخشد. اما به گفته سان دستیابی به همجوشی هسته ای در زمین به دلیل دما و فشار بالای مورد نیازش، بسیار چالش برانگیز است.

به دلیل همین چالش بود که ساخت بمب هیدروژنی برای دانشمندان بیشتر از ساخت بمب اتمی طول کشید. در نهایت، دانشمندان برای دستیابی به همجوشی، به شکافت روی آوردند. بدین ترتیب نیروی بمب هیدروژنی هم از شکافت و هم از همجوشی حاصل می شود.

برای شروع واکنش همجوشی، بمب هیدروژنی از دو مرحله تشکیل شده است: مرحله اولیه و مرحله ثانویه. در مرحله اولیه، برای ایجاد واکنش شکافت، اورانیوم یا پلوتونیوم با مواد منفجره شیمیایی – درست مانند یک بمب اتمی – منفجر می شوند. اشعه های ایکس قدرتمند ایجاد شده توسط واکنش شکافت، از محفظه اورانیوم بمب منعکس می شوند که آن ها را به سمت مرحله ثانویه هدایت می کند.

گرمای حاصل از این واکنش به دمایی تا ۱۰۰ میلیون درجه سلسیوس می رسد که حدود چهار برابر داغ تر از هسته خورشید و به اندازه کافی داغ است تا فرآیند همجوشی در مرحله دوم را آغاز کند. بخش غالب انرژی بمب در مرحله دوم آزاد می شود، جایی که گرما و فشار شدید ناشی از انفجار شکافت، دوتریوم و تریتیوم را با هم ترکیب می کند.

همچنین فشار زیاد، سوخت همجوشی را در اطراف “شمع جرقه” اورانیوم یا پلوتونیوم فشرده می کند که شروع به شکافت می کند و سوخت را بیش از پیش داغ می کند و واکنش همجوشی را کارآمدتر می سازد.

و بعد از همه اینها، هنوز یک انفجار دیگر باقی مانده است. انرژی عظیم حاصل از واکنش همجوشی باعث آزاد شدن نوترون ها می شود – ذرات زیر اتمی که معمولاً درون هسته های اتم ها زندگی می کنند اما در این مورد از خانه های خود جدا شده و آزاد می شوند.

نوترون ها آزاد هستند تا به لایه ای از پوشش اورانیوم که سوخت همجوشی را احاطه کرده است، برخورد کنند – که واکنش شکافت دیگری را آغاز می کند و بیش از نیمی از کل نیروی انفجاری بمب را به خود اختصاص می دهد. این ترکیب از واکنش های شکافت و همجوشی تقریباً به صورت آنی رخ می دهد و نیروی مخرب عظیم یک بمب هیدروژنی را ایجاد می کند.

در تئوری، یک بمب هیدروژنی می تواند از بیش از دو مرحله استفاده کند – انفجار مرحله دوم می تواند برای مشتعل کردن همجوشی در مقادیر بیشتری سوخت در هر مرحله بعدی استفاده شود. در واقع، اعتقاد بر این است که بزرگ ترین بمبی که تاکنون ساخته شده است – بمب تزار – یک بمب همجوشی سه مرحله ای بوده است.

بمب تزار که در سال ۱۹۶۱ توسط اتحاد جماهیر شوروی منفجر شد، یک انفجار ۵۰ مگاتنی ایجاد کرد – تقریبا ۱,۵۰۰ برابر قوی تر از بمب های اتمی که بر روی هیروشیما و ناکازاکی ریخته شد، و بیش از ۴۰ برابر قوی تر از بزرگ ترین سلاح هسته ای در زرادخانه کنونی آمریکا. این بمب یک گلوله آتشین عظیم به شعاع حدود ۱۰ کیلومتر ایجاد کرد و ابر قارچی حاصل از آن بیش از ۶۷ کیلومتر ارتفاع و ۹۶ کیلومتر عرض داشت.

چرا دانشمندان به فکر ساختن بمب هیدروژنی افتادند؟

در اوایل سال ۱۹۴۲، فیزیکدانانی مانند جی. رابرت اوپنهایمر دریافتند که انرژی حاصل از همجوشی هسته ای می تواند سلاحی بسیار قدرتمند ایجاد کند. اما توسعه بمب شکافت اتمی به عنوان بخشی از پروژه منهتن زمانی در اولویت قرار گرفت که اوپنهایمر آزمایشگاه لوس آلاموس را در طول جنگ جهانی دوم اداره می کرد.

با این حال، گروهی از فیزیکدانان در لوس آلاموس به کار روی ایده بمب همجوشی ادامه دادند و کار آن ها پس از پایان جنگ جهانی دوم ادامه یافت. در سال ۱۹۴۹، پس از آنکه اتحاد جماهیر شوروی بمب شکافتی خود را – بسیار زودتر از آنچه فیزیکدانان آمریکایی و مقامات دولتی انتظار داشتند – تست کرد، بحث ها در مورد تسریع توسعه بمب هیدروژنی به طور جدی آغاز شد.

برخی فیزیکدانان از جمله اوپنهایمر که نگران پتانسیل مخرب بسیار بیشتر بمب های هیدروژنی در مقایسه با بمب های اتمی بودند، با توسعه آن ها مخالفت کردند. انریکو فرمی و ایزیدور ایزاک رابی در گزارشی به کمیسیون انرژی اتمی چنین نوشته اند:

«ضرورتاً چنین سلاحی بسیار فراتر از هر هدف نظامی است و وارد محدوده فجایع طبیعی بسیار بزرگ می شود. این سلاح ذاتاً نمی تواند به یک هدف نظامی محدود شود بلکه به سلاحی تبدیل می شود که در عمل تقریباً یک نوع از نسل کشی است».

با این حال، در سال ۱۹۵۰، در بحبوحه تنش های فزاینده اوایل جنگ سرد، رئیس جمهور هری اس.ترومن استفاده از منابع بیشتر برای تسریع توسعه بمب هیدروژنی را تایید کرد. در آن زمان هنوز چالش های فنی برای مهار همجوشی برای ساخت یک بمب وجود داشت. اما موفقیت اصلی در سال ۱۹۵۱ به دست آمد: ادوارد تلر، فیزیکدانی که روی پروژه منهتن کار می کرد و یکی از حامیان سرسخت توسعه بمب هیدروژنی بود، به همراه استانیسلا اولام، طرحی عملی برای ساخت بمب هیدروژنی ایجاد کردند.

این طرح، مفهوم مرحله بندی و استفاده از انرژی اشعه ایکس برای فعال کردن همجوشی را معرفی کرد. روش آن ها هنوز هم در سلاح های گرماهسته ای مدرن استفاده می شود. طرح تلر – اولام طرحی کلاسیک بوده و ممکن است تنها راه کارآمد برای ساخت بمب هیدروژنی باشد. تلر به خاطر پشتیبانی شدیدش از بمب هیدروژنی و نقشش در طراحی این سلاح، اغلب به عنوان “پدر بمب هیدروژنی” شناخته می شود.

در ۱ نوامبر ۱۹۵۲، ایالات متحده اولین بمب هیدروژنی را در انوتک آتول در جزایر مارشال منفجر کرد. این بمب که “مایک” نام داشت، انرژی معادل ۱۰ مگاتن یا ۱۰ میلیون تن TNT تولید کرد.

آزمایش های بمب هیدروژنی ادامه یافت و در سال ۱۹۵۴ آمریکا بزرگ ترین بمب خود را با نام کسل براوو (Castle Bravo) آزمایش کرد که یک انفجار ۱۵ مگاتنی بر فراز جزیره مرجانی بیکینی بود. این انفجار بیش از ۱,۰۰۰ برابر قوی تر از بمب اتمی بود که روی شهر هیروشیما انداخته شد.

این انفجار بسیار بزرگ تر از آن چیزی بود که دانشمندان انتظارش را داشتند و در شرایطی که یک مورخ سلاح های هسته ای آن را “بزرگ ترین فاجعه رادیولوژیکی در تاریخ آمریکا” می نامد، مقادیر زیادی پرتو به جو آزاد کرد.

بارش اتمی بر روی برخی از جزایر مسکونی، که باید تخلیه می شدند، و همچنین یک قایق ماهیگیری ژاپنی به نام اژدهای خوش شانس که ۸۶ مایل دورتر بود، را تحت تاثیر قرار داد. هر ۲۳ خدمه این کشتی دچار تشعشعات اتمی شدند و یکی از آن ها چند ماه بعد درگذشت.

اژدهای خوش شانس هیچ رادیویی نداشت بنابراین هشدارهای پخش شده برای دور ماندن از منطقه اطراف بیکینی آتول را نشنیده بودند. خدمه کشتی که نمی دانستند باران سفیدی که بر آن ها می بارید، ناشی از انفجار هسته ای است، به ژاپن سفر کردند. همه آن ها در این سفر یک هفته ای بسیار بیمار شدند و ماهی های دارای تشعشع آن ها وارد بازار ژاپن شد. داستان اژدهای خوش شانس به شدت توسط مطبوعات بین المللی پوشش داده شد و خطر عواقب هسته ای را پیش چشم عموم قرار داد.

آزمایش های تسلیحات هسته ای بر فراز جزایر مارشال تا سال ۱۹۵۸ ادامه یافت. در مجموع، آمریکا ۶۷ آزمایش هسته ای در نزدیکی این جزایر انجام داد. این آزمایش ها برخی از ساکنان محلی را مجبور به تغییر مکان کرد و اثرات منفی بهداشتی – از جمله افزایش خطر سرطان و نقص های مادرزادی – ایجاد کرد و محیط زیست را آلوده کرد.

در سال ۱۹۶۳، ایالات متحده، بریتانیا و اتحاد جماهیر شوروی پیمان منع آزمایش محدود را امضا کردند و آزمایش های هسته ای در جو، زیر آب یا در فضای بیرونی را ممنوع کردند. این در حالی است که ذخایر سلاح های هسته ای جهان – که بسیاری از آن ها بمب های هیدروژنی هستند – حدود ۱۲,۵۰۰ کلاهک هسته ای را شامل می شود و آمریکا و روسیه ۸۹ درصد از این زرادخانه را در اختیار دارند.