הסבר | הסבר מפורט מה זה פצצת אטום

[אביעד]

הקדמה

אולי הפורום כאן לא מדבר על נושאים כאלה, אבל בסופו של דבר זה טכנולוגיה.. וברוח השעה (איראן, השמדת הכח הגרעיני) אמרתי לעצמי שאולי יש כאלה שזה מעניין אותם ואין להם איך לבדוק את כל הנתונים האלה
במדריך זה השקעתי שעות רבות, החל באסיפת מידע מדעי מדוייק, מתמונות וסרטונים, עריכה שוב ושוב של הסדר, אם רוצים להראות למישהו- אשמח אם תעשו את זה על ידי הקישור של הפוסט ולא העתקת הדברים.
במלחמה הקודמת (עם כלביא) סיקרן אותי המושג הזה פצצת אטום, ניסיתי להבין למה זה כל כך עוצמתי ומפחיד (כמובן שאנחנו יהודים מאמינים בני מאמינים בטוחים שנצח ישראל לא ישקר- וכרגיל.. נכנסתי קצת לעובי הקורה (עד כמה שיש מידע נגיש..) ובעז"ה אני אשתף אתכם היום בידע שצברתי בנושא הזה.

מבוא

האם שאלתם את עצמיכם פעם מה זה בכלל פצצת אטום? האם זה סתם חומר נפץ חזק או שיש פה משהו שמסתתר?
מה זה העשרת אורניום שאיראן כל הזמן אומרת שהיא מתקדמת בו?
מה זה הצנטריפוגות או איך שקוראים לזה?
מה זה עוגה צהובה? (אם שמעתם את השם הזה)
ועוד ועוד שאלות, היום בעז"ה אנחנו נבין את הכח שהקב"ה טמן בבריאה.
שמעתי הרבה נוסחאות מה זה פצצת אטום (אם זה חומר שגורם לכל האטומים בגוף שלנו להתנמס, ואם זה חומר שגורר את כל האטומים שקרובים אליו להתפרק ועוד המצאות שונות ומשונות..), מה שמעניין הוא שהאמת אפילו עוד יותר מגניבה (מה רבו מעשיך ה'!) ויאללה נצלול לחומר.
נקודה קטנה- במדריך זה ניתקל בהמון נוסחאות (בפיזיקה) שמעולם לא למדנו, (הם היו חדשים גם לי..) ולכן אשתדל בעז"ה לפרטם עד כמה שידי משגת.
בשביל הסדר הטוב- אני יחלק את המדריך הזה קודם כל למושגים בפיזיקה (אני יכתוב הרבה מונחים ויסביר כל אחד מהם בהרחבה) לאחר מכן רקע כללי מה זה הביקוע של האטום וכמובן איך בנויה בפועל פצצה גרעינית ונסיים בתימצות של החומר כולו
שימו לב שאין צורך לקרוא את כל ההסבר של המונחים אלא רק כאשר במדריך עצמו אני יזכיר את המושגים האלה תוכלו לראות מה הם (אני לא יסביר בתוך המדריך עצמו כדי לא לבלבל).
בהצלחה!

ביאור המושגים (פיזיקה)

אטום

אטום זה היחידה הכי קטנה של החומר ששומרת על תכונותיו הכימיות. אבל שימו לב שהאטום אינו מוצק – הוא מורכב מחלקים קטנים יותר. בכל דבר מסביבנו יש אטומים- מים, אוויר, מתכת וכו'- הכל עשוי מאטומים. כל אטום שייך ל"יסוד" מסוים, כמו חמצן או ברזל, ויש 118 יסודות ידועים. גודלו של אטום כל כך קטן שאי אפשר לראות אותו בעין רגילה, רק במכשירים מיוחדים.

גרעין האטום

זה החלק המרכזי של האטום, הגרעין תופס מעט מאוד מקום אבל מכיל כמעט את כל המסה (המשקל) של האטום. הוא מורכב משני סוגי חלקיקים: פרוטונים ונייטרונים. הגרעין טעון חיובית בגלל הפרוטונים, והוא מוחזק ביחד על ידי כוח חזק מאוד שנקרא "כוח גרעיני חזק" - כוח זה חזק יותר מכוח המשיכה או החשמל, אבל הוא פועל רק במרחקים זעירים בתוך הגרעין.

פרוטון

חלקיק קטן בגרעין האטום, עם מטען חשמלי חיובי (+1). מספר הפרוטונים קובע איזה יסוד זה – למשל, אם יש 1 פרוטון, זה מימן; אם 6, זה פחמן, אם 92, זה אורניום. פרוטון כבד יחסית לחלקיקים אחרים, והוא יציב מאוד.

נייטרון

חלקיק קטן אחר בגרעין האטום, ללא מטען חשמלי (נייטרלי, כמו השם). הוא כמעט זהה במסה לפרוטון, אבל תפקידו לעזור להדביק את הפרוטונים ביחד, כי פרוטונים דוחים זה את זה בגלל המטען החיובי (כמו מגנט). בלי נייטרונים, הגרעין היה מתפרק.

אלקטרון

חלקיקים זעירים שמסתובבים מסביב לגרעין, כמו כוכבי לכת מסביב לשמש. כל אלקטרון טעון שלילי (-1), ומספרם שווה למספר הפרוטונים כדי שהאטום יהיה נייטרלי חשמלית. הם קלים מאוד (כחצי מאלפית מסה של פרוטון).

איזוטופ

אמרנו שיש 118 יסודות ידועים- כל יסוד יכול להכיל כמה איזוטופים -על ידי שמשתנים בו מספר הנייטרונים. למשל, באורניום תמיד יש 92 פרוטונים, אבל מספר הנייטרונים משתנה: אורניום-235 מכיל 143 נייטרונים (סך הכל 235 חלקיקים בגרעין), בעוד אורניום-238 מכיל 146 נייטרונים (סך 238). האיזוטופים מתנהגים כמעט אותו דבר כימית, אבל שונים בפיזיקה גרעינית – חלקם יציבים, חלקם רדיואקטיביים (מתפרקים מעצמם).

אנרגיה גרעינית

אנרגיה שמשתחררת כשמשנים את מבנה הגרעין. זה שונה מאנרגיה כימית (כמו שריפת עץ) – כאן האנרגיה באה מהמרת מסה לאנרגיה, את ההמרה עושים לפי הנוסחה של איינשטיין E=mc² (אנרגיה שווה מסה כפול מהירות האור בריבוע) [אני לא בטוח שהבנתי באמת איך עושים את זה אז מי שרוצה לדעת איך עושים את זה אני ישים קישורים בסוף המדריך], כמות קטנה של מסה הופכת לאנרגיה עצומה. יש שני סוגים: ביקוע (פיצול גרעין) והיתוך (חיבור גרעינים) כאשר הראשון הוא מה שיש בפצצת אטום והשני בפצצת מימן.

העשרת אורניום

העשרת אורניום זה תהליך שבו מגדילים את אחוז האיזוטופ U-235 באורניום, כי רק הוא יכול להתבקע בקלות וליצור תגובה שרשרת (שמשחררת אנרגיה עצומה). וצריך כאת זה כי באורניום טבעי יש רק 0.7% U-235 (השאר- 99.3% הוא U-238 שלא מתבקע בקלות).

ביקוע גרעיני

פיצול של גרעין כבד (כמו אורניום או פלוטניום) לשני גרעינים קטנים יותר. זה קורה כשנייטרון פוגע בגרעין ומפרק אותו. בתהליך משתחררת אנרגיה רבה, כי הגרעינים הקטנים יציבים יותר. דוגמה: גרעין אורניום-235 סופג נייטרון, מתפצל לבריום וקריפטון (למשל), משחרר 2-3 נייטרונים נוספים ואנרגיה.

היתוך גרעיני

איחוי של שני גרעינים קלים (כמו מימן) לגרעין כבד יותר (כמו הליום). זה משחרר אנרגיה כי הגרעין החדש יציב יותר. זה מה שקורה בשמש, אבל צריך טמפרטורות ולחצים עצומים כדי להתגבר על הדחייה בין הגרעינים (כמו להצמיד שתי מגנטים שדוחים זה את זה).

מסה קריטית

הכמות של חומר גרעיני (כמו אורניום-235) שצריכה להיות 'מרוכזת' במקום אחד כדי שהתגובה הגרעינית תימשך מעצמה. אם פחות מזה, הנייטרונים בורחים החוצה ולא גורמים לביקועים נוספים. ולכן זה נקרא מסה קריטית- כי בלעדיה אין פיצוץ.

תגובת שרשרת

תהליך שבו ביקוע אחד גורם לביקועים נוספים, כמו דומינו. זה מתחיל מנייטרון אחד שפוגע בגרעין, משחרר 2-3 נייטרונים, כל אחד מהם פוגע בגרעין אחר, וכך הלאה. אם זה לא נשלט, זה מתפשט במהירות עצומה ומשחרר אנרגיה כמו בפצצה.

רדיואקטיביות

תהליך שבו גרעין לא יציב מתפרק מעצמו, משחרר חלקיקים (אלפא בטא וגמא) או נייטרונים. זה מסוכן כי זה פוגע בתאים חיים.

קרינה

אנרגיה שמשתחררת כגלים או חלקיקים מהגרעין. כוללת נייטרונים, גמא וכו'. היא יכולה לחדור דרך חומרים ולגרום נזק.

ביקוע האטום

סוגי איזוטופים בקיעים:

כמו שאמרנו כל יסוד הוא מחולק למטענים חיוביים ושלילים, כאשר ישנם כמה וריאציות לכל יסוד. השוני שבינהם הוא כמות הניירטונים שיש בהם- כאשר כל מספר אחר מסמל איזוטופ אחר.
ישנם כמה סוגי איזוטופים שניתנים לפיצול (ביקוע) כאשר כיום משתמשים רק בשניים המוכרים- אורניום ופלוטיניום.
האורניום עצמו מחולק לכמה סוגי איזוטופים- 235, 238 ועוד, כאשר חלקם ממש בקיעים וחלקם רק בפוטנציאל וכמו שיתבאר.

אורניום-235 (U-235)

אורניום טבעי-
האיזוטופ היחיד שקיים בטבע בכמות משמעותית (כ-0.72% מכל האורניום הטבעי).
זה מה שהשתמשו בו בפצצת "Little Boy" על הירושימה.
צריך להעשיר אותו מאוד (ל-90%+ לנשק, 3–5% לכורים רגילים).
משחרר בממוצע 2.43 נייטרונים לביקוע.

פלוטוניום-239 (Pu-239)

לא קיים בטבע (מיוצר בכורים על ידי ספיגת נייטרון ב-U-238).
זה מה שהשתמשו בו בפצצת "Fat Man" על נגסקי.
האיזוטופ החשוב ביותר בנשק גרעיני מודרני ובכורים מסוימים.
משחרר בממוצע 2.9 נייטרונים לביקוע (יותר מ-U-235, מה שהופך אותו יעיל יותר).

העשרת האורניום:

מהי העשרת אורניום

העשרת אורניום היא תהליך שבו מגדילים את הריכוז של האיזוטופ אורניום-235 (U-235) בתוך אורניום טבעי. באורניום טבעי, U-235 מהווה רק כ-0.72% מהמסה, בעוד שרובו (כ-99.3%) הוא אורניום-238 (U-238), שאינו בקיע בקלות. התהליך הזה נחוץ כדי להפוך את האורניום לדלק יעיל לכורים גרעיניים או ברמות גבוהות יותר לנשק גרעיני. העשרה מאפשרת לתגובה שרשרת גרעינית להתרחש ביעילות, כי U-235 הוא האיזוטופ היחידי שמתבקע ומשחרר אנרגיה.

למה עושים העשרה

לכורים גרעיניים: רוב הכורים דורשים אורניום מועשר ל-3-5% U-235 כדי לשמור על תגובה שרשרת מבוקרת.
לנשק גרעיני: צריך ריכוז גבוה יותר, מעל 20% U-235, ולרוב 90%+ כדי להגיע למסה קריטית לפיצוץ גדול.

התהליך הכללי

1. הכנה להעשרה: אורניום טבעי (yellowcake - U3O8) אחרי טחינתו לאבקה הידועה בשם “עוגה צהובה” – yellowcake, מומר לאורניום הקספלואוריד (UF6, או "hex"), גז שמתאים להעשרה. זה נעשה בתהליך כימי מורכב, כי פלואורין (F) עוזר בהפרדה ללא השפעה על המסה.
2. שלב שני-העשרה עצמה: ההפרדה מבוססת על ההבדל הקל במסה (U-235 קל יותר ב-1% מ-U-238), ולמי שלא הבין- זה בדיוק כמו כמלאכת שבת- זורקים את התבואה ללמעלה- מה שכבד נופל ומה שקל עף עם הרוח.
   השיטה שכיום נפוצה היא על ידי צנטריפוגה גזית (Gas Centrifuge): (מעל 90% מהייצור העולמי).
   
   כאשר ה-UF6 נמצא במצב גזי, הוא מוזרם לצנטריפוגות גז. אלה גלילים גדולים המסתובבים במהירות עצומה. הסיבוב יוצר כוח צנטריפוגלי חזק שדוחף את מולקולות הגז הכבדות יותר (אלו שמכילות אורניום 238) אל דופנות הגליל, בדומה לאופן שאנו נצמדים לדפנות בקרוסלה המסתובבת במהירות. המולקולות הקלות יותר, שמכילות אורניום 235, נאספות קרוב יותר למרכז. למרות שההבדל במשקל בין שני האיזוטופים קטן מאוד – כ-1.2% בלבד – הוא מספיק להפרדה.
   עם זאת, כדי שההפרדה תהיה יעילה, חוזרים על התהליך פעמים רבות, ב”מפל” של צנטריפוגות. כלומר – את החומר שנאסף במרכז צנטריפוגה אחת מעבירים למחזור נוסף בצנטריפוגה הבאה, וממנה לבאה אחריה, עד שמגיעים לרמת ההעשרה הרצויה.
   
3. שלב סופי: הגז UF6 המועשר ל-90% מומר חזרה לאורניום מתכתי (U metal) – זה החומר שמשתמשים בו בפצצה- אותו הופכים לכדור או גליל וכד'.

רמות העשרה

• טבעי: 0.72% U-235.
• נמוכה (LEU): 3-5% – לכורים אזרחיים.
• גבוהה (HEU): >20% – לצוללות או נשק. מעל 90% נקרא "weapons-grade"-מצב נשק.

תהליך הביקוע:

אז כמו שכבר הבנו מקודם- הפיצוץ עצמו נוצר מהיפרדות של הרבה אטומים שכל אחד מהם יוצר אנרגיה קטנה
עכשו נרחיב בצורה יותר רחבה איך זה מתבצע בעצם.
(אני בכוונה ייתן משוואה ומי שלא למד את זה יתחיל להתייאש אבל אל דאגה.. זה יותר פשוט ממה שזה נראה)
²³⁵₉₂U + ¹₀n → ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + 3 ¹₀n + 200 MeV
במשוואה יש לנו אות שמסמלת על הייסוד, את המספר העליון שהוא מספר הכולל שיש באטום והמספר התחתון שהוא מספר הפרוטונים שיש באטום- בשביל לחשב כמה ניורטנים יש פשוט נפחית מהמספר העליון (235) את המספר הפרוטונים (התחתון-92) והתוצאה (143) תהיה מספר הנירותונים.
המשוואה הזאת זה למעשה אורניום בקיע (235) שנכנס לתוכו נייטרון בודד וזה החלק הראשון של המשוואה- ²³⁵₉₂U + ¹₀n
האות U מסמלת את הייסוד שהוא אורניום.
המספר 235 מסמל את מספר המאסה הכוללת שיש באטום (143 ניירוטונים ועוד 92 פרוטונים)
המספר 92 מסמל את מספר הפרוטונים שיש באטום.
בתוספת הניירטון הבודד- שמסומל באות n והספרה 1 למעלה שכמובן מסמלת שזה ניירטון בודד.
התוצאה היא כמו שאמרנו -הגרעין הופך לרגע ל-U-236 מאוד לא יציב וזה גורם לפיצול הגרעין לשתי גרעינים יותר קטנים שהם בריום-141 (Ba-141, עם 56 פרוטונים) וקריפטון-92 (Kr-92, עם 36 פרוטונים)
ועכשיו שנחשב את הנתונים נראה שיש הפרש קטן:
¹⁴¹₅₆Ba זה הבריום שכמו שחישבנו למעלה מכיל 141 ניירטונים ו56 פרוטונים.
⁹²₃₆Kr זה הקריפטון שמכיל 92 ניירטונים ו36 פרוטונים.
אם נחבר משתי האטומים החדשים את הפרוטונים (56+36) יצא 92 שזה בדיוק מספר האטומים שיש באורניום כנ"ל.
וכשנחבר את מספר הניירטונים (92+141) יהיה 233, ואם כן חסר לנו עוד שלוש ניירטונים (שתיים מהאורניום- שמספרו כידוע 235, ועוד אחד שהכנסנו לו) והם באמת נפלטים מחוץ לשתי האטומים
זה למעשה חלק נוסף במשוואה - ¹₀n +3 שזה מסמל על שלושה ניירטונים חופשיים (כאילו שלא בתוך האטום).
ישנו הפרש קטן במספר (לא באמת הבנתי איך זה עובד -אבל זה הנוסחה של איינשטין איך להמיר את החומר לאנרגייה.
וזה החלק האחרון במשוואה- 200 MeV שזה כמות האנרגייה שנוצרת מכל ביקוע גרעיני.
זה אולי נראה פעם ראשונה מסובך- אבל תקראו עוד פעם ותבינו (לקח לי להסביר את זה למשהו שתי דקות בדיוק!)
לסיכום- מכניסים ניירטון לתוך אורניום בקיע (235) והוא מתפצל לשתי אטומים קטנים + שתיים שלושה ניירטונים +אנרגייה.

עוצמת האנרגיה:

MitmachimTop

הקדמה קטנה: ישנם הרבה דברים שכל אחד נמדד ביחידת מדידה שונה- כמו מרחק בק"מ, ומשקל בק"ג, וכו' וכו', היחידה למדידת אנרגייה היא ג'אול. כאשר ג'אול אחד שווה לכמות האנרגיה שנדרשת כדי להפעיל כוח של 1 ניוטון על פני מרחק של 1 מטר שזה אומר (לדוגמא) להרים תפוח (100-150 גרם) למטר- זה עוצמה של ג'אול, או נורה של 1W למשך שנייה וכו' וכו'.

האנרגייה שיוצאת מכל ביקוע אטומי היא לכאורה ממש אפסית- כמו שאמרנו זה 200 MeV
בתרגום לג'אול זה 0.000000000032 שזה ממש אפסי
אבל, וכא זה האבל הגדול- היות ויש סכום מטורף של אטומים בכל גרם- אם נבקע את כולם הסכום שיצא הוא אסטרונומי
בכל גרם יש 2,500,000,000,000,000,000,000 אטומים!!! ואם נחשב את כולם אז האנרגייה שתהיה לי מגרם אחד של אטומים שמתבקעים הוא 82,000,000,000 ג'אול!
ולמי שלא מבי מה עוצמה כזאת אומרת נשווה את זה לחומר נפץ המוכר TNT- בכל ק"ג של TNT יש 4,184,000 ג'אול
מה שאומר שבגרם אחד של ביקוע גרעיני יש ג'אול (עוצמה) כ-20 טון של TNT!
אבל כמובן שלא כולם מתבקעים ויתבאר לקמן בשלב של 'מסה קריטית'.

יש הדגמה ויזואלית למי שרוצה לראות איך ביקוע גרעיני מתבצע

מקור

התנאים לייצור פצצה גרעינית

בשביל ליצור פצצה גרעינית (היינו שתיצור לנו את תגובת השרשרת של הביקוע הגרעיני) צריך להתגבר על כמה בעיות גם אחרי שיש לנו כבר חומר בקיע.
בפצצת האטום ליטל בוי (הפצצה שהוטלה על היירושימה) היה כ-67 ק"ג של אורניום מועשר.
מה שהתבקע בפועל הוא רק 700 גרם (!) שזה בקושי אחוז אחד בודד מכל האורניום
וזאת למה?
דבר ראשון חייב לשים לב שתהיה לנו מסה קריטית- שזה אומר שהניירוטונים לא 'יברחו' לנו לצדדים (ולא תהיה תגובת שרשרת) וכן לא יבלעו באיזוטופים של U-238 אשר אינם בקיעים אלא יספגו כולם בחומר הבקיע, בשביל זה צריך שתהיה לנו מאסה קריטית (נפרט בדיוק מה זה בהמשך).
אך גם אחרי שהשגנו מאסה קריטית עדיין יש בעייה- כי ברגע הפיצוץ נהיה חום מטורף שגורם למתכת של האורניום להפוך לגז ולבטל את המאסה הקריטית (מה שקרה באמת בפצצה שם) ולנצל רק כח קטן מאוד מהאנרגיה הקיימת.
ישנם שלו סוגי מאסות:
מסה תת-קריטית: יש מעט מדי חומר או שהוא מפוזר מדי. רוב הנייטרונים בורחים לאוויר והשרשרת נעצרת.
מסה קריטית: יש איזון. על כל ביקוע נוצר ביקוע אחד נוסף. (זה מה שקורה בכור גרעיני - ייצור חשמל קבוע).
מסה על-קריטית: זה מה שאנחנו צריכים לפצצה. כל ביקוע יוצר 2 או 3 ביקועים נוספים בתוך שבריר של שנייה.
ברעיון בשביל להתגבר על כל זה נסביר בחלק הבא- מבנה ראש הנפץ הגרעיני.

מבנה הפצצה עצמה

אחרי שהבנו מה זה אטום ומה זה ביקוע, הגענו לשאלת המיליון דולר: אם יש לנו גוש של אורניום מועשר, איך גורמים לו להתפוצץ בעוצמה כזו ולא "סתם" להתחמם ולהתאדות?
כדי לנצח את "בריחת הנייטרונים" ולגרום לתגובת שרשרת אדירה, המדענים היו צריכים להתגבר על שלוש בעיות הנדסיות. הנה הפתרונות שהם מצאו:

"המראות" של הנייטרונים (Reflector)

הבעייה: כמו שאמרנו, הנייטרונים אוהבים לברוח החוצה מהגוש. ברגע שהם בורחים, הם לא מבקעים עוד אטומים והפיצוץ נחלש.
הפתרון: עוטפים את ליבת האורניום בשכבה של חומר (כמו מתכת הבריליום) שמתנהגת ממש כמו מראה. הנייטרון מנסה לברוח החוצה? הוא פוגע ב"מראה" ומוחזר פנימה אל תוך האורניום, כדי להמשיך את הביקוע.

"סיר הלחץ" הגרעיני (The Tamper)

הבעייה: ברגע שמתחיל הפיצוץ, נוצר חום ולחץ עצום שרוצה להעיף את האורניום לכל עבר. אם האורניום יתפזר מהר מדי, התגובה תיעצר (כי האטומים יהיו רחוקים מדי זה מזה).
הפתרון: עוטפים את הכל בשכבה עבה וכבדה מאוד של מתכת צפופה. השכבה הזו מחזיקה את הפצצה דחוסה למשך עוד מיליונית שנייה אחת קריטית. במושגי פיזיקה זה נקרא "אינרציה" (התמדה) – בגלל שהמעטפת כל כך כבדה, לוקח לה זמן לזוז, ובינתיים בפנים עוד מיליארדי אטומים מספיקים להתבקע.

מנגנוני החיבור:

הבעייה: איך מגיעים למסה קריטית בשבריר שנייה?
הפיתרון: כאן יש שתי שיטות עיקריות, תלוי באיזה חומר משתמשים:

שיטת התותח (כפצצה שהוטלה על הירושימה)

1. שיטת ה"תותח" (Gun-type) - משמשת בעיקר לאורניום, עשוי כמו קנה של תותח. בקצה אחד יש גוש אורניום בצורת גליל חלול ("המטרה"), ובקצה השני גוש אורניום שמתאים לו בדיוק ("הקליע").
   כל חלק לבדו הוא תת-קריטי (הוא לא מסוכן ולא יתפוצץ לבד).
   ברגע ההפעלה, חומר נפץ רגיל יורה את ה"קליע" לתוך ה"מטרה" במהירות אדירה.
   ברגע שהם מתחברים, נוצרת מסה קריטית והפצצה מתפוצצת.
   כך עבדה הפצצה "ליטל בוי" על הירושימה. ונסביר בהרחבה:

פצצת "ילד קטן" (Little Boy), שהוטלה על הירושימה, היא הדוגמה הפשוטה ביותר (מבחינה מכנית) לנשק גרעיני. בניגוד לפצצות מודרניות ומסובכות, היא התבססה על עיקרון שנקרא "מנגנון ירי".
המדענים היו כל כך בטוחים שהשיטה הזו תעבוד, שהם אפילו לא טרחו לעשות לה ניסוי מקדים (כמו ניסוי "טריניטי" שעשו לפצצת הפלוטוניום).

המבנה הפנימי: "תותח" בתוך פצצה

הפצצה נראתה מבחוץ כמו גליל ארוך וכבד, בתוך המעטפת הוסתר קנה של תותח נ"מ שעבר הסבה.

החומר הבקיע: אורניום-235

בתוך הפצצה היו כ-64 קילוגרם של אורניום מועשר מאוד. החומר חולק לשני חלקים:

• ה"קליע" (Projectile): גליל של אורניום (מורכב מ-6 טבעות) שהיה ממוקם בצד אחד של הקנה.
• ה"מטרה" (Target): גליל חלול של אורניום (מורכב מ-9 טבעות) שהמתין בקצה השני של הקנה.

נקודה חשובה: כל אחד מהחלקים האלה לבדו היה תת-קריטי. כלומר, גם אם היינו עומדים לידם (כמובן שלא מומלץ בגלל הקרינה), הם לא היו מתפוצצים מעצמם כי הנייטרונים היו בורחים החוצה לפני שנוצרת תגובת שרשרת.

שלבי הפיצוץ: מיליונית השנייה של החורבן

כדי שהפצצה תפעל, היה צריך לחבר את שני חלקי האורניום במהירות עצומה. וכדלהלן:

1. הצתה כימית: גלאי גובה (רדאר) קבע שהפצצה הגיעה לגובה הנכון מעל הקרקע. ברגע זה, חומר נפץ רגיל (אבק שריפה מסוג קורדיט) הוצת בחלק האחורי של הקנה.
2. הירי: הפיצוץ הכימי ירה את "קליע" האורניום במורד הקנה במהירות של כ-300 מטרים לשנייה.
3. החיבור: הקליע נכנס בדיוק לתוך המטרה החלולה. ברגע הזה, שני החלקים הפכו למסה אחת על-קריטית.
4. התחלת השרשרת: בדיוק ברגע החיבור, "מצת נייטרונים" קטן (שמכונה "Abner") שחרר זרם של נייטרונים כדי להתניע את הביקוע.
5. הפיצוץ הגרעיני: תוך פחות ממיקרו-שנייה (מיליונית השנייה), תגובת השרשרת התפשטה. ויצרה את הפיצוץ הגדול.

למה זה עובד רק עם אורניום?

זהו פרט טכני מרתק. אי אפשר לבנות פצצת פלוטוניום בשיטת התותח, כי הפלוטוניום פולט כל כך הרבה נייטרונים באופן טבעי, שאם היינו מנסים לירות חלק אחד שלו לעבר השני, הוא היה מתחיל להתבקע ולהתחמם עוד לפני שהחלקים היו מספיקים לגעת. החום היה מעיף את החלקים רחוק אחד מהשני והפצצה הייתה "מתפשנשת" (Fizzle).
האורניום-235 הוא "רגוע" יותר, ולכן הוא מאפשר את זמן החיבור ה"איטי" יחסית של התותח בלי להתפוצץ מוקדם מדי.

האתגר ההנדסי: ה"תמפר" (Tamper)

כדי לוודא שהפצצה לא תתפרק לפני שכל האנרגיה תשתחרר, הליבה נעטפה בטונה של פלדה וטונגסטן. המעטפת הזו שימשה כ"פקק":

• היא החזירה נייטרונים שברחו בחזרה פנימה.
• היא החזיקה את האורניום דחוס בכוח האינרציה שלה לעוד כמה חלקיקי שנייה, מה שהגדיל את עוצמת הפיצוץ פי כמה.

לסיכום: "ליטל בוי" הייתה פצצה גסה, כבדה ולא יעילה במיוחד (רק כ-1% מהאורניום שבה באמת התבקע), אבל הפשטות של מנגנון התותח היא שהפכה אותה לקטלנית כל כך – לא היה שם כמעט שום דבר שיכול היה להשתבש.

שיטת הקריסה פנימה (כפצצה שהוטלה על נגאסקי)

2. שיטת ה"קריסה פנימה" (Implosion) - משמשת לפלוטוניום, לוקחים כדור פלוטוניום תת-קריטי ומקיפים אותו בעדשות של חומר נפץ רגיל.
כל חומרי הנפץ מתפוצצים בבת-אחת (בסנכרון של מיליונית השנייה).
גל ההדף דוחס את כדור הפלוטוניום בכוח אדיר מכל הכיוונים.
הכדור הופך לקטן וצפוף הרבה יותר – ובגלל הצפיפות הוא הופך למסה קריטית ומתפוצץ.
כך עבדה הפצצה "פאט מן" על נגסקי. ובתוספת לזה כדי שהפיצוץ יהיה מושלם, אנחנו רוצים שזרם של נייטרונים יתחיל בדיוק בשיא הדחיסה, ולכן שמים במרכז הליבה מכשיר קטן (בגודל גולה) שנקרא "יוזם ניירטונים". ברגע שהחלקים מתחברים או נדחסים, היוזם משחרר "מבול" של נייטרונים שמתניעים את כל תגובת השרשרת בבת אחת. זה הגפרור שמדליק את כל המדורה הגרעינית.
ונסביר הכל בהרחבה.
מרכיבי הפצצה

הצורך בהשגת מאסה על קריטית

בנשק גרעיני, המטרה היא להשיג מסה על-קריטית. בשיטת התותח עושים זאת על ידי הוספת מסה, אך בשיטת הקריסה עושים זאת על ידי העלאת הצפיפות. זאת אומרת שלכתחילה שמים את כל הפלוטוניום במסה תת קריטית ולאחר מכן יוצרים פיצוץ (ע"י חומר נפץ) שפשוט דוחף את כל החומר הגרעיני למצב של מאסה על קריטית כנ"ל, וכמובן הייתרון בכך הוא שככל שהחומר צפוף יותר, המרחק בין הגרעינים קטן. שזה אומר שהמשמעות היא שלנייטרון שנפלט יש סיכוי גבוה בהרבה לפגוע בגרעין אחר לפני שהוא מצליח לברוח מהכדור. וככה ליצור את האנרגיה הדרושה ללא איבוד גרעינים שאפשר לנצלם.

עדשות הנפץ (Explosive Lenses)

בשביל להגיע למצב שבו אנחנו דוחסים את כדור הפלוטוניום למצב שהוא יגיע למסה על קריטית (היינו לדחוס אותו כפי 2.5 ממה שהוא) נצטרך לחץ אסטרונומי של בין 2 ל4 מליון אטמוספרות שזה אומר שהיינו צריכים להעמיד על הכדור המזערי הזה כ200,000 פילים!! (מה שאומר 800 פילים על קצה הציפורן!) וכמובן שהפילים יהיו בצורה מעגלית [ולא אחד על השני] ככה:

ברגע שהמספר יהיה יותר נמוך- האטומים יסרבו להתקרב זה לזה בגלל הדחייה החשמלית, בשביל להתגבר על זה לוקחים לבנות נפץ שהעוצמה שלהם היא כ-300,000 אטמוספרות וכשכולם מגיעות לפלוטוניום (זה מורכב מכמה וכמה שלבים כמו שיבואר בהמשך)
כדי לדחוס כדור מתכת מוצק, לא מספיק להקיף אותו בחומר נפץ. אם פשוט נקיף אותו בשלושה מטענים רגילים, גל ההדף יהיה חזק בנקודת המגע וחלש יותר מסביב, מה שיגרום לפלוטוניום להתעוות ולהתפרק הצידה ולא להידחס. כמו התמונות הבאות:


לכן עדשות הנפץ מורכבות מ32 לבנות נפץ כאשר כל לבנה מורכבת משני חומרי נפץ בעלי מהירויות בעירה שונות – אחד "מהיר" ואחד "איטי".
וככה שבדיוק כמו שאור נשבר כשהוא עובר מזכוכית למים, גל ההדף משנה את צורתו כשהוא עובר בין חומרי הנפץ. המבנה מתוכנן כך שגל ההדף המתרחב (קו עקום) יהפוך לגל הדף קעור שמתכנס בדיוק למרכז כמו הסרטון הבא:

סנכרון זמן (Simultaneity)

כדי שהקריסה תצליח, כל עדשות הנפץ מסביב לכדור\ חייבות להתפוצץ בתיאום מושלם. סטייה של מיליונית השנייה (מיקרו-שנייה) בין צד אחד לאחר תגרום ל"בריחה" של החומר וכישלון הפיצוץ. לצורך כך פותחו נפצים מיוחדים (EBW) שמופעלים על ידי זרם חשמלי חזק מאוד.
כל לבנה ולבנה מהשכבה החיצונית מוקפת בנפץ אשר בבו בעת ישחרר זרם חשמלי חזק אשר יגרום לפיצוץ מדוייק לכולם לאותה חלקיק השנייה.

זה החלק החיצוני של המבנה- מכאן נעבור לחלק הפנימי ביותר:

יוזם הניוטרונים:

היוזם הוא חלק חשוב מאוד בגלל שהפלוטוניום נמצא בשלב הזה במצב צפוף מאוד (על-קריטי). והוא מחכה ל"ניצוץ" הראשון. אם נחכה שהנייטרונים יגיעו מביקוע ספונטני טבעי, אנחנו עלולים לפספס את רגע הדחיסה המקסימלית.
היוזם מבטיח שבדיוק כשהפלוטוניום הכי דחוס והכי מוכן – יגיע מבול של נייטרונים שידליק את תגובת השרשרת בבת אחת.
החלק הפנימי ביותר של הפצצה- יוזם הניוטרונים

ההפרדה (לפני הפיצוץ)

היוזם בנוי כמו "גולה" חלולה שעשויה מבריליום. בתוך החלל הזה נמצא גוש קטן של פולוניום-210. הגולה הזאת מורכבת ממסגרת וליבה של בריליום שבינהם יש כעין קוצים (ראה תמונה) של פולניום
כדי שהפצצה לא תתפוצץ מעצמה בזמן שהיא במטוס, מצפים את הפולוניום בשכבה דקה של זהב או ניקל [התפקיד של הזהב הוא לשמש כמחיצה- הוא מונע מהחלקיקים שיוצאים מהפולוניום להגיע אל הבריליום].

הקריסה (הפיצוץ עצמו)

כאשר גל ההדף מהעדשות וה"תמפר" (יבואר מיד) מוחץ את הליבה פנימה, הלחץ האדיר (אותם מיליוני אטמוספירות שדיברנו עליהן) פשוט מרסק את מבנה היוזם.
שכבת הזהב הדקה נקרעת, הבריליום והפולוניום מתערבבים זה בזה במהירות עצומה- ומשתחררים כמות אדירה של נוירטונים.

ה"מבול" של הנייטרונים

ברגע שהמתכות התערבבו בגלל הלחץ, נוצר מצב שבו מיליוני חלקיקי אלפא מהפולוניום מפציצים את הבריליום בבת אחת. התוצאה היא "מטר" של נייטרונים שפורצים החוצה לכל הכיוונים.

הריאקציה הגרעינית (למה הם יוצאים?)

כאן קורה הקסם הפיזיקלי: הפולוניום הוא חומר שפולט באופן טבעי "חלקיקי אלפא" (שהם למעשה גרעינים של הליום), הבריליום הוא חומר שיש לו תכונה מיוחדת: כשחלקיק אלפא פוגע בגרעין שלו, הוא הופך לפחמן ומשחרר בתהליך נייטרון חופשי.

החומר הבקיע עצמו- הפלוטוניום

זה למעשה מה שגורם לפיצוץ האדיר- כדור בסה"כ במשקל של קצת יותר משש ק"ג וקצת פחות מ10 ס"מ אשר נמצא (כרגע) במצב של דחיסה תת קריטית כנ"ל.

רפלקטור ו"תמפר" לנוירוטונים (אורניום 238)

מסביב לכדור הפלוטוניום יש מעטפת של אורניום 238 שיש לה שתי תפקידים חשובים:

• האורניום גם גורם לניוטרונים להשאר בתוך כדור הפלוטוניום וככה להגביר את יעילות הביקוע.
• וגם גורם לעיקוב, זאת אומרת שבגלל המשקל העצום שלה, היא מספקת אינרציה (התמדה). היא מונעת מהליבה להתפשט החוצה ברגע שהפיצוץ מתחיל, וכך "מרוויחה" עוד כמה מיקרו-שניות של ביקוע שמעלות את עוצמת הפיצוץ פי כמה.

שכבת בורון- מניעה מפיצוץ חלש מוקדם

מחוץ לשכבות הפנימיות ישנה שכבת בורון מועשר אשר מהווה כעין מחיצה בשביל שלא יכנסו ניוטרונים ויתחילו ביקוע מקדים (לפני שהגענו למסה על קריטית) ויגרמו לפיצוץ חלש.

אלומניום- מירכוז והגדלת עוצמת החומר נפץ

השכבה שהכי קרובה אל לבנות הנפץ היא האלומניום, מדובר בשכבה עבה של אלומניום אשר גורמת להעברת עוצמת הלבנות בצורה אחידה.

הסבר בקיצור

יש משחק של מקלות (כמו קפלות) שבונים מהם מגדל וכל פעם מוציאים מהאמצע ושמים למעלה והמטרה להוציא אחד מהאמצע בלי שהמגדל יקרוס, ככל שנוציא עוד ועוד מקלות מהאמצע המגדל יהיה פחות יציב עד שנגיע למצב שברגע שנוציא אפילו עוד מקל אחד -כל המגדל יפול כי הוא לא יציב.
כמו כן גם האטומים- כל חומר בבריאה מורכב מהמון אטומים, כאשר יש אטומים שהם יציבים ולא ניתנים לפירוק ויש כאלה שאינם יציבים.
ישנם שתי אטומים (עיקריים) שהם בקיעים- זאת אומרת שאפשר לחלק אותם לשתיים (יותר קטנים) על ידי הכנסת ניוטרון בודד (כמו המקל שיוצא ומערער את כל המגדל) שפשוט מחלק את האטום לשתי אטומים יותר קטנים
הראשון הוא אורניום 235 (U-235) והשני [אשר כמעט אינו נמצא בטבע אלא צריך ליצרו בכורים) פלוטיניום 239 (Pu-239).
שתיהם אטומים "לא יציבים" ככה שאפשר לחלק אותם לשתיים.
ברגע שנחלק אותם לשתיים יקרו הדברים הבאים:

1. האטום יתחלק לשתי אטומים קטנים.
2. יצאו מחוץ לאטום עוד שניים שלושה ניוטרונים נוספים.
3. חלק (מזערי) מהמאסה של האטום תומר לאנרגיה (מה שנקרא אנרגיה גרעינית).

האנרגייה שיוצאת בכל אטום היא מזערית במיוחד אשר נקראת 200 MeV (מליון אלקטרון וולט). כן, אני יודע שזה מונחים שאני משער שמעולם לא נתקלנו בהם אבל זה לא באמת מסובך- הסבר בהרחבה.
בשביל ההשוואה- בשביל להפעיל נורת לד בעוצמה של 10W למשך של שנייה אחת נצטרך 310 מיליארד ביקועים (!)
אבל כמאמר הכתוב "וקובץ על יד ירבה" בכל גרם אחד של חומר בקיע יש מספר בלתי נתפס של אטומים- 2,560,000,000,000,000,000,000 (2.56 סקסטיליון) (!!!)
ובשביל ההשוואה- אפשר להשתמש עם זה בשביל חשמל לבית ממוצע לשנתיים שלוש!!
נתקדם לשלב הבא- בשביל ליצור פיצוץ גרעיני צריך תגובת שרשרת מהירה (פחות ממליונית השנייה) -זאת אומרת שכל אטום שמתבקע (ומשחרר ניוטרונים נוספים) יגרום לביקוע נוסף וכן הלאה- צריך שהאטומים יהיו בצפיפות גדולה מאוד -כי אם לא הניוטרונים 'יברחו' ולא יבקעו אטומים נוספים וככה האנרגייה שתצא תהיה קטנה.
דבר זה נקרא 'מסה קריטית' וברגע שמגיעים אליה ניתן להכניס אפילו לאטום אחד ניוטרון והעוצמה של הפיצוץ (מדובר על עשרות קילוגרמים של חומר בקיע) תהיה אדירה כמו שראינו כבר בפצצות שהוטלו במלחמת העולם השנייה (ורק בשביל לסבר את האוזן- הפצצה שהוטלה על היירושימה הכילה 64 ק"ג של חומר בקיע- ומה שהתבקע באמת הוא פחות מק"ג!).

קישורים חיצוניים להעמקת הידע

Spoiler

סרטון שממחיש את תהליך הביקוע
גודלו של האטום
לבחור מקום על המפה וגודל פצצה -ויראה את הרדיוס של הפגיעות
סרטון שמסביר על פצצת הפלוטוניום-השתמשתי בסרטון הזה במדריך

זהוו
עד לכאן להיום..
לגבי מי ששואל על AI (כן, יש כאלה שככל שיראו מדריך יותר מושקע יהיו יותר בטוחים שזה AI, אין מה לעשות) אז התשובה היא: כן!, חדמ"ש השתמשתי בבינה מלאכותית ביצירת המדריך הזה, אך לא את התוכן עצמו אלא יותר בהשלמת הדברים וסידורם- הנתונים שכתבתי כאן רובם מאתרים כמו מכון ויצמן למדע ויקיפדיה ועוד אתרים וסרטוני יוטיוב.
מקווה שנהנתם, ואם יש שאלות\הארות\הערות וכו' מוזמנים!
נ.ב. לא סיימתי את כל המדריך (יש חלקים כמו הקרינה, הנשורת, והפטרייה) אם משהו רוצה פירוט על אחד מהם- בתגובות https://mitmachim.top/post/1118301