קצת יותר מחודשיים חלפו מאז תום המלחמה הקשה ביותר בתולדות האנושות. וכך, ב-16 ביולי 1945, נוסתה הפצצה הגרעינית הראשונה על ידי הצבא האמריקני, וחודש לאחר מכן, אלפי תושבי הערים היפניות מתים בגיהנום אטומי. מאז, הנשק הגרעיני, כמו גם האמצעים להעברתם למטרות, שופרו ללא הרף במשך יותר מחצי מאה.
הצבא רצה שתהיה לרשותו גם תחמושת סופר עוצמתית, שגורפת מהמפה ערים ומדינות שלמות במכה אחת, וגם כאלה קטנות במיוחד שנכנסות לתיק. מכשיר כזה יביא את מלחמת החבלה לרמה חסרת תקדים. גם עם הראשון וגם עם השני היו קשיים בלתי עבירים. הסיבה לכך היא המסה הקריטית כביכול. עם זאת, דבר ראשון.
גרעין נפץ שכזה
כדי להבין איך מכשירים גרעיניים עובדים ולהבין מה שנקרא מסה קריטית, בואו נחזור לשולחן לזמן מה. מהקורס בפיזיקה של בית הספר אנו זוכרים כלל פשוט: מטענים בעלי אותו שם דוחים זה את זה. באותו מקום, בתיכון, מספרים לתלמידים על מבנה גרעין האטום המורכב מניוטרונים, חלקיקים ניטרליים ופרוטונים בעלי מטען חיובי. אבל איך זה אפשרי? חלקיקים בעלי מטען חיובי כל כך קרובים זה לזה, שכוחות הדחייה חייבים להיות אדירים.
המדע אינו מודע לחלוטין לטבעם של כוחות תוך-גרעיניים המחזיקים פרוטונים יחד, אם כי התכונות של כוחות אלו נחקרו היטב. כוחות פועלים רק מטווח קרוב מאוד. אבל כדאי לפחות קצת להפריד את הפרוטונים בחלל, שכן כוחות הדחייה מתחילים לגבור, והגרעין מתנפץ לרסיסים. והכוח של התרחבות כזו הוא באמת עצום. ידוע שכוחו של זכר בוגר לא יספיק להחזיק את הפרוטונים של גרעין בודד אחד בלבד של אטום העופרת.
ממה פחד רתרפורד
הליבות של רוב היסודות בטבלה המחזורית יציבות. עם זאת, ככל שהמספר האטומי עולה, היציבות הזו פוחתת. זה בערך בגודל של הליבות. דמיינו לעצמכם את הגרעין של אטום אורניום, המורכב מ-238 נוקלידים, מתוכם 92 פרוטונים. כן, פרוטונים נמצאים בקשר הדוק זה עם זה, וכוחות תוך-גרעיניים מלצרים היטב את המבנה כולו. אבל כוח הדחייה של פרוטונים הממוקמים בקצוות מנוגדים של הגרעין הופך להיות מורגש.
מה עשה ראתרפורד? הוא הפציץ אטומים בניוטרונים (אלקטרון לא יעבור דרך מעטפת האלקטרונים של אטום, ופרוטון טעון חיובי לא יוכל להתקרב לגרעין בגלל כוחות הדחייה). נויטרון שנכנס לגרעין של אטום גורם לביקוע שלו. שני חצאים נפרדים ושניים או שלושה נויטרונים חופשיים התרחקו.
הדעיכה הזו, עקב המהירות העצומה של החלקיקים המעופפים, לוותה בשחרור אנרגיה עצומה. הייתה שמועה שראת'רפורד אפילו רצה להסתיר את התגלית שלו, מפחד מההשלכות האפשריות שלה על האנושות, אבל זה ככל הנראה לא יותר מסיפור אגדה.
אז מה הקשר למסה ולמה זה קריטי
אז מה? איך אפשר להקרין מספיק מתכת רדיואקטיבית עם זרם של פרוטונים כדי לייצר פיצוץ חזק? ומהי מסה קריטית? הכל קשור לאותם אלקטרונים חופשיים מעטים שעפים החוצה מגרעין האטום ה"מופצץ", הם, בתורם, מתנגשים עם גרעינים אחרים, יגרמו לביקוע שלהם. מה שנקרא תגובת שרשרת גרעינית תתחיל. עם זאת, ההשקה שלו תהיה קשה ביותר.
בדוק את קנה המידה. אם ניקח תפוח על שולחננו כגרעין של אטום, אז כדי לדמיין את הגרעין של אטום שכן, יהיה צורך לשאת את אותו תפוח ולהניח על השולחן אפילו לא בחדר הסמוך, אבל… בבית הבא. הנייטרון יהיה בגודל של זרע דובדבן.
כדי שהנייטרונים הנפלטים לא יעופו לשווא מחוץ למטיל האורניום, ויותר מ-50% מהם ימצאו מטרה בצורת גרעיני אטום, המטיל הזה חייב להיות בגודל המתאים. זה מה שנקרא המסה הקריטית של אורניום - המסה שבה יותר ממחצית מהניטרונים הנפלטים מתנגשים עם גרעינים אחרים.
למעשה, זה קורה ברגע. מספר הגרעינים המפוצלים גדל כמו מפולת, השברים שלהם ממהרים לכל הכיוונים במהירויות דומות למהירות האור, קורע אוויר פתוח, מים, כל מדיום אחר. מההתנגשויות שלהם עם מולקולות סביבתיות, אזור הפיצוץ מתחמם באופן מיידי למיליוני מעלות, מקרין חום שמשרוף הכל בשטח של מספר קילומטרים.
לפתע אוויר מחומם מתרחב מיד בגודלו, יוצר גל הלם עוצמתי המעיף מבנים מהיסודות, מתהפך והורס את כל מה שנקרה בדרכו… זו התמונה של פיצוץ אטומי.
איך זה נראה בפועל
התקן של פצצת האטום פשוט להפתיע. ישנם שני מטילי אורניום (או מתכת רדיואקטיבית אחרת), שכל אחד מהם קטן מעט מהמסה הקריטית. אחד המטילים עשוי בצורת קונוס, השני הוא כדור עם חור בצורת חרוט. כפי שניתן לנחש, כאשר שני החצאים משולבים, מתקבל כדור, בו מגיעים למסה הקריטית. זוהי פצצה גרעינית פשוטה סטנדרטית. שני החצאים מחוברים באמצעות מטען TNT הרגיל (הקונוס נורה לתוך הכדור).
אבל אל תחשוב שמישהו יכול להרכיב מכשיר כזה "על הברך". החוכמה היא שאורניום, כדי שפצצה תתפוצץ, חייב להיות טהור מאוד, הנוכחות של זיהומים היא כמעט אפס.
למה אין פצצת אטום בגודל של חפיסת סיגריות
הכל מאותה סיבה. המסה הקריטית של האיזוטופ הנפוץ ביותר של אורניום 235 היא כ-45 ק ג. פיצוץ של כמות זו של דלק גרעיני הוא כבר אסון. וליצור מטען חבלה בפחותכמות החומר היא בלתי אפשרית - זה פשוט לא יעבוד.
מאותה סיבה, לא ניתן היה ליצור מטענים אטומיים חזקים במיוחד מאורניום או מתכות רדיואקטיביות אחרות. על מנת שהפצצה תהיה חזקה מאוד, היא הייתה עשויה מתריסר מטילים, שכאשר פוצצו מטענים מפוצצים, מיהרו למרכז, מתחברים כמו פרוסות תפוזים.
אבל מה בעצם קרה? אם, מסיבה כלשהי, שני אלמנטים נפגשו באלפית השנייה מוקדם יותר מהאחרים, המסה הקריטית הושגה מהר יותר ממה שהשאר "יגיעו בזמן", הפיצוץ לא התרחש בעוצמה לה ציפו המתכננים. הבעיה של נשק גרעיני עצמתי נפתרה רק עם הופעת הנשק התרמו-גרעיני. אבל זה סיפור קצת אחר.
איך עובד אטום שליו
תחנת כוח גרעינית היא בעצם אותה פצצה גרעינית. רק ל"פצצה" זו יש יסודות דלק (יסודות דלק) העשויים מאורניום הממוקמים במרחק מסוים זה מזה, מה שלא מונע מהם להחליף "מכת" נויטרונים.
אלמנטים של דלק עשויים בצורת מוטות, שביניהם מוטות בקרה העשויים מחומר הסופג היטב נויטרונים. עקרון הפעולה פשוט:
- מוטות מווסתים (סופגים) מוכנסים למרווח שבין מוטות האורניום - התגובה מואטת או נעצרת כליל;
- מוטות בקרה מוסרים מהאזור - יסודות רדיואקטיביים מחליפים נויטרונים באופן פעיל, התגובה הגרעינית ממשיכה בצורה אינטנסיבית יותר.
אכן, מסתבר שאותה פצצת אטום,שבו המסה הקריטית מושגת בצורה כל כך חלקה ומווסתת בצורה כל כך ברורה שהיא לא מובילה לפיצוץ, אלא רק לחימום נוזל הקירור.
למרבה הצער, כפי שמראה בפועל, לא תמיד הגאון האנושי מסוגל לרסן את האנרגיה העצומה וההרסנית הזו - אנרגיית ההתפרקות של גרעין האטום.
