32.7: Silaha za nyuklia

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Jadili aina tofauti za mabomu ya fission na nyuklia.
• Eleza madhara ya mlipuko wa nyuklia.

 

Dunia ilikuwa katika shida wakati fission iligunduliwa mwaka wa 1938. Ugunduzi wa fission, uliofanywa na wanafizikia wawili wa Ujerumani, Otto Hahn na Fritz Strassman, ulithibitishwa haraka na wakimbizi wawili wa Kiyahudi kutoka Ujerumani ya Nazi, Lise Meitner na mpwa wake Otto Frisch. Fermi, miongoni mwa wengine, hivi karibuni iligundua kuwa sio tu kwamba neutrons ilisababisha fission; neutroni zaidi zilizalishwa wakati wa fission. Uwezekano wa mmenyuko wa mnyororo wa kujitegemea ulitambuliwa mara moja na wanasayansi wa kuongoza duniani kote. Nishati kubwa inayojulikana kuwa katika nuclei, lakini inachukuliwa kuwa haiwezekani, sasa ilionekana kuwa inapatikana kwa kiwango kikubwa.

Ndani ya miezi baada ya kutangazwa kwa ugunduzi wa fission, Adolf Hitler alipiga marufuku uuzaji wa uranium kutoka kwa Chekoslovakia mpya. Ilionekana kwamba thamani ya kijeshi ya uranium ilikuwa imetambuliwa katika Ujerumani ya Nazi, na kwamba juhudi kubwa za kujenga bomu la nyuklia zilianza.

Wanasayansi wenye hofu, wengi wao ambao walikimbia Ujerumani ya Nazi, waliamua kuchukua hatua. Hakuna aliyekuwa maarufu zaidi au kuheshimiwa kuliko Einstein. Ilionekana kuwa msaada wake ulihitajika ili kupata serikali ya Marekani kufanya juhudi kubwa katika silaha za nyuklia kama suala la kuishi. Leo Szilard, mwanafizikia wa Hungarian aliyetoroka, alichukua rasimu ya barua kwa Einstein, ambaye, ingawa pacifistic, alisaini toleo la mwisho. Barua hiyo ilikuwa kwa Rais Franklin Roosevelt, onyo la uwezo wa Ujerumani wa kujenga mabomu yenye nguvu sana ya aina mpya. Ilitumwa mnamo Agosti ya 1939, kabla ya uvamizi wa Ujerumani wa Poland ulioashiria mwanzo wa Vita Kuu ya II.

Haikuwa hadi Desemba 6, 1941, siku moja kabla ya shambulio la Kijapani kwenye Pearl Harbor, kwamba Marekani ilifanya ahadi kubwa ya kujenga bomu la nyuklia. Mradi wa siri wa Manhattan ulikuwa mpango wa ajali uliolenga kumpiga Wajerumani. Ilifanyika katika maeneo ya mbali, kama vile Los Alamos, New Mexico, wakati wowote iwezekanavyo, na hatimaye ikaja kugharimu mabilioni ya dola na kuajiri juhudi za watu zaidi ya 100,000. J. Robert Oppenheimer (1904—1967), ambaye talanta yake na matarajio yake yalimfanya awe bora, alichaguliwa kuongoza mradi huo. Hatua kuu ya kwanza ilifanywa na Enrico Fermi na kikundi chake mnamo Desemba 1942, walipopata reactor ya kwanza ya nyuklia yenye kujitegemea. Hii ya kwanza “rundo la atomiki”, lililojengwa katika mahakama ya bawa katika Chuo Kikuu cha Chicago, ilitumia vitalu vya kaboni ili kuimarisha neutroni. Haikuthibitisha tu kwamba mmenyuko wa mnyororo uliwezekana, ulianza zama za mitambo ya nyuklia. Glenn Seaborg, mwanakemia wa Marekani na mwanafizikia, alipokea Tuzo ya Nobel katika fizikia mwaka 1951 kwa ugunduzi wa vipengele kadhaa vya transuranic, ikiwa ni pamoja na plutonium. Mitambo ya msimamo wa kaboni ni kiasi cha gharama nafuu na rahisi katika kubuni na bado hutumiwa kwa kuzaliana plutonium, kama vile huko Chernobyl, ambapo mitambo miwili hiyo inabaki inafanya kazi.

Plutonium ilitambuliwa kuwa rahisi kufuta na neutrons na, kwa hiyo, nyenzo bora ya fission mapema sana katika Mradi wa Manhattan. Upatikanaji wa Plutonium haukuwa na uhakika, na hivyo bomu la uranium lilitengenezwa wakati huo huo. Kielelezo inaonyesha bunduki aina bomu, ambayo inachukua mbili subcritical uranium raia na makofi yao pamoja. Ili kupata mavuno yenye thamani, molekuli muhimu lazima ifanyike pamoja na mashtaka ya kulipuka ndani ya pipa ya kanuni kwa microseconds chache. Kwa kuwa kujengwa kwa mmenyuko wa mnyororo wa uranium ni polepole kiasi, kifaa cha kushikilia molekuli muhimu pamoja kinaweza kuwa rahisi. Kutokana na ukweli kwamba kiwango cha fission ya hiari ni ya chini, chanzo cha neutron kinatokana wakati huo huo molekuli muhimu imekusanyika.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): bunduki aina fission bomu kwa\(^{235}U\) hutumia raia mbili subcritical kulazimishwa pamoja na mashtaka kulipuka ndani ya kanuni pipa. Mavuno ya nishati yanategemea kiasi cha uranium na wakati unavyoweza kufanyika pamoja kabla ya kujisambaza yenyewe.

Mali maalum ya Plutonium ilihitaji mkutano wa kisasa zaidi wa molekuli muhimu, umeonyeshwa kimapenzi katika Kielelezo. Masi ya spherical ya plutoniamu imezungukwa na mashtaka ya sura (mabomu makubwa yanayotoa mlipuko wao mwingi katika mwelekeo mmoja) ambayo implode plutonium, kuivunja kwa kiasi kidogo ili kuunda molekuli muhimu. Mbinu ya uharibifu ni kasi na yenye ufanisi zaidi, kwa sababu inasisitiza tatu-dimensionally badala ya moja-dimensionally kama katika bomu la aina ya bunduki. Tena, chanzo cha neutroni kinapaswa kusababishwa kwa wakati sahihi tu wa kuanzisha mmenyuko wa mnyororo.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Implosion iliyoundwa na mabomu ya juu compresses nyanja ya\(^{239}Pu\) ndani ya molekuli muhimu. Fissionability bora ya plutonium imefanya kuwa nyenzo zote za bomu.

Kutokana na utata wake, bomu la plutoniamu lilihitaji kupimwa kabla hakuweza kuwa na jaribio lolote la kuitumia. Mnamo Julai 16, 1945, mtihani ulioitwa Utatu ulifanyika katika Jangwa la Alamogordo pekee kuhusu maili 200 kusini mwa Los Alamos (angalia Mchoro). Umri mpya ulikuwa umeanza. Mavuno ya kifaa hiki yalikuwa karibu kilotoni 10 (kT), sawa na 5000 ya mabomu makubwa ya kawaida.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Utatu mtihani (1945), kwanza bomu nyuklia (mikopo: Idara ya Nishati ya Marekani)

Ingawa Ujerumani ilijisalimisha tarehe 7 Mei 1945, Japani ilikuwa imesimama kukataa kujisalimisha kwa miezi mingi, na kulazimisha majeruhi makubwa. Mipango ya uvamizi na Marafiki inakadiriwa majeruhi milioni ya hasara zao wenyewe na zisizotambulika za maisha ya Kijapani. Bomu lilitazamwa kama njia ya kukomesha vita. Ya kwanza ilikuwa bomu la uranium limeshuka juu ya Hiroshima tarehe 6 Agosti. Mavuno yake ya takriban 15 kT yaliharibu mji huo na kuua watu wanaokadiriwa kuwa 80,000, huku zaidi ya 100,000 wakijeruhiwa vibaya (angalia Kielelezo). Jambo la pili lilikuwa bomu la plutoniamu limeshuka juu ya Nagasaki siku tatu tu baadaye, tarehe 9 Agosti. Yake 20 kT mavuno kuuawa angalau watu 50,000, kitu chini ya Hiroshima kwa sababu ya ardhi ya eneo hilly na ukweli kwamba ilikuwa kilomita chache mbali lengo. Wajapani waliambiwa kuwa bomu moja kwa wiki litashuka mpaka walipojisalimisha bila masharti, ambayo walifanya mnamo Agosti 14. Kwa kweli, Marekani ilikuwa na plutonium ya kutosha tu kwa bomu moja zaidi na bado haijasambazwa.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Uharibifu huko Hiroshima (mikopo: Serikali ya Shirikisho la Marekani)

Kujua kwamba fusion hutoa nishati mara kadhaa zaidi kwa kilo ya mafuta kuliko fission, baadhi ya wanasayansi walisisitiza wazo la bomu la fusion kuanzia mapema sana. Wito bomu hii Super, waligundua kwamba inaweza kuwa na faida nyingine juu ya fission-high-nishati neutrons ingekuwa msaada fusion, wakati wao ni ufanisi katika\(^{239}Pu\) fission. Hivyo bomu fusion inaweza kuwa karibu ukomo katika kutolewa nishati. Bomu la kwanza la namna hiyo lilipasuka na Marekani tarehe 31 Oktoba 1952, huko Eniwetok Atoll likiwa na mavuno ya megatoni 10 (MT), takriban mara 670 ile ya bomu ya fission iliyoharibu Hiroshima. Soviets walifuatiwa na kifaa cha fusion cha wao wenyewe mwezi Agosti 1953, na mbio za silaha, zaidi ya lengo la maandishi haya kujadili, iliendelea hadi mwisho wa Vita Baridi.

Kielelezo kinaonyesha mchoro rahisi wa jinsi bomu la nyuklia linalojengwa. Bomu la fission lilipuka karibu na mafuta ya fusion katika fomu imara ya deuteride ya lithiamu. Kabla ya wimbi la mshtuko linapiga mbali,\(γ\) hupunguza joto na kuimarisha mafuta, na neutroni huunda tritium kupitia majibu\(n+^6Li→^3H+^4He\). Fusion ya ziada na mafuta ya fission ni iliyoambatanishwa katika shell mnene ya\(^{238}U\). Ganda huonyesha baadhi ya nyutroni nyuma ndani ya fueli ili kuongeza fusion yake, lakini kwa joto la juu ndani nyutroni haraka huundwa ambayo pia husababisha mengi na gharama nafuu\(^{238}U\) kwa fission, sehemu ya kile inaruhusu mabomu ya nyuklia kuwa makubwa sana.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Hii schematic ya bomu fusion (H-bomu) anatoa baadhi ya wazo la jinsi trigger\(^{239}Pu\) fission ni kutumika kuwasha mafuta fusion. Neutroni na\(γ\) mionzi hupeleka nishati kwa mafuta ya fusion, huunda tritium kutoka kwa deuterium, na joto na kuimarisha mafuta ya fusion. Ganda la nje la\(^{238}U\) hutumikia kutafakari baadhi ya nyutroni tena ndani ya fueli, na kusababisha fusion zaidi, na inaongeza pato la nishati kwa kujifungia yenyewe wakati nguvu za neutroni zinakuwa za kutosha.

Mavuno ya nishati na aina za nishati zinazozalishwa na mabomu ya nyuklia zinaweza kuwa tofauti. Mazao ya nishati katika arsenals ya sasa yanatoka karibu 0.1 kT hadi 20 MT, ingawa Soviets mara moja walipiga kifaa cha 67 MT. Mabomu ya nyuklia yanatofautiana na mabomu ya kawaida kwa zaidi ya ukubwa. Kielelezo inaonyesha sehemu takriban ya pato la nishati katika aina mbalimbali kwa mabomu ya kawaida na kwa aina mbili za mabomu ya nyuklia. Mabomu ya nyuklia huweka sehemu kubwa zaidi ya pato lao katika nishati ya joto kuliko mabomu ya kawaida, ambayo huwa na makini nishati katika mlipuko. Tofauti nyingine ni nishati ya mionzi ya haraka na ya mabaki kutoka silaha za nyuklia. Hii inaweza kubadilishwa ili kuweka nishati zaidi katika mionzi (kinachojulikana kama bomu la neutroni) ili bomu liweze kutumiwa kung'ara wanajeshi wanaoendelea bila kuua wanajeshi wa kirafiki kwa mlipuko na joto.

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Sehemu ndogo za pato la nishati na aina ya kawaida na mbili za silaha za nyuklia. Mbali na kutoa nishati zaidi kuliko silaha za kawaida, mabomu ya nyuklia huweka sehemu kubwa zaidi katika nishati ya joto. Hii inaweza kubadilishwa ili kuongeza pato la mionzi kuwa na ufanisi zaidi dhidi ya askari. Bomu la mionzi lililoimarishwa linaitwa pia bomu la neutroni.

Katika kilele chake mwaka 1986, arsenals pamoja ya Marekani na Umoja wa Kisovyeti ilifikia takriban 60,000 za vita vya nyuklia. Aidha, Waingereza, Kifaransa, na Kichina kila mmoja huwa na mabomu mia kadhaa ya ukubwa mbalimbali, na nchi nyingine chache zina idadi ndogo. Silaha za nyuklia kwa ujumla zimegawanywa katika makundi mawili. Silaha za nyuklia za kimkakati ni zile zinazolengwa kwa malengo ya kijeshi, kama vile misingi na magumu ya kombora, na wastani hadi miji Kulikuwa na silaha za kimkakati 20,000 mwaka 1988. Silaha za tactical zinalenga kutumika katika vita vidogo. Tangu kuanguka kwa Umoja wa Kisovyeti na mwisho wa Vita Baridi mwaka 1989, wengi wa silaha 32,000 tactical (ikiwa ni pamoja na makombora ya cruise, maganda artillery, migodi ya ardhi, torpedoes, mashtaka ya kina, na backpacks), na sehemu za mifumo ya silaha za kimkakati zinavunjwa na makombora kuwa disassembled. Kwa mujibu wa Mkataba wa Moscow wa 2002, Urusi na Marekani vimehitajika kupunguza silaha zao za nyuklia za kimkakati hadi takriban vichwa vya vita 2000 kila mmoja.

Nchi chache ndogo zimejenga au zina uwezo wa kujenga mabomu ya nyuklia, kama vile baadhi ya vikundi vya kigaidi. Mambo mawili yanahitajika-kiwango cha chini cha utaalamu wa kiufundi na vifaa vya kutosha vya kutosha. Ya kwanza ni rahisi. Vifaa vinavyoweza kufutwa vinasimamiwa lakini pia vinapatikana. Kuna mikataba ya kimataifa na mashirika ambayo yanajaribu kudhibiti uenezi wa nyuklia, lakini inazidi kuwa vigumu kutokana na upatikanaji wa vifaa vya fissionable na kiasi kidogo kinachohitajika kwa bomu ghafi. Uzalishaji wa mafuta ya fissionable yenyewe ni teknolojia ngumu. Hata hivyo, kuwepo kwa kiasi kikubwa cha nyenzo hizo duniani kote, ingawa mikononi mwa wachache, hufanya udhibiti na uwajibikaji kuwa muhimu.

Muhtasari

• Kuna aina mbili za silaha za nyuklia - mabomu ya fission hutumia fission peke yake, wakati mabomu ya nyuklia hutumia fission ili kuwaka fusion.
• Aina zote mbili za silaha zinazalisha idadi kubwa ya athari za nyuklia kwa muda mfupi sana.
• Mazao ya nishati yanapimwa kwa kilotoni au megatoni za mabomu sawa ya kawaida na huanzia 0.1 kT hadi zaidi ya 20 MT.
• Mabomu ya nyuklia yana sifa ya pato la mafuta zaidi na pato la mionzi ya nyuklia kuliko mabomu