Εισαγωγή στα Πυρηνικά Όπλα

Σε αυτό το άρθρο θα κάνουμε μία εισαγωγή στη πυρηνική ενέργεια και πως χρησιμοποιείται στα πυρηνικά όπλα, ένα θέμα εντυπωσιακά καλά τεκμηριωμένο και ταυτόχρονα πολύ άγνωστο. Θα δούμε τις βασικές αρχές πίσω από τη πυρηνική ενέργεια και τα πυρηνικά όπλα χωρίς όμως να μπαίνουμε σε βάθος. Ο στόχος μας είναι ο αναγνώστης να αποκτήσει γενικές γνώσεις για τις θεμελιώδεις αρχές των πυρηνικών όπλων. Σήμερα, στις περισσότερες χώρες που συμμετέχουν στα σύγχρονα πεδία της μάχης, ιδιαίτερα στις ειδικές επιχειρήσεις, οι γνώσεις αυτές είναι απαραίτητες. Γι’αυτό το λόγο γίνεται όλο και περισσότερο μέρος της βασικής εκπαίδευσης των ειδικών δυνάμεων ανά τον κόσμο. Εμείς ωστόσο σε αυτό το άρθρο δε θα μπούμε στο βάθος που μπαίνουν οι εκπαιδευόμενοι των συγκεκριμένων σχολείων.



Η παραπάνω φωτογραφία είναι από μερικές πυρηνικές κεφαλές πυραύλων από το πρόγραμμα πυρηνικών όπλων της Νότιας Αφρικής. Συχνά ακούμε τον όρο «πρόγραμμα» και ο λόγος είναι ότι η κατασκευή ενός πυρηνικού όπλου αν το υλικό που παρέχει τη πυρηνική ενέργεια είναι έτοιμο προς χρήση για τέτοια εφαρμογή είναι σχετικά απλό. Αυτό που κάνει τη κατασκευή πυρηνικών όπλων πολύ δύσκολη είναι η κατασκευή των πυρηνικών υλικών και η διαδικασία αυτή ονομάζεται «πυρηνικό πρόγραμμα». Αυτός είναι ο λόγος που ακούμε τον όρο πυρηνικό πρόγραμμα τόσο συχνά καθώς και τις ανακρίβειες από κάποια μέσα μαζικής ενημέρωσης ότι κάποια χώρα δεν έχει στη κατοχή της πυρηνικά όπλα. Σαφώς, μία χώρα μπορεί να μην έχει ακόμα στη κατοχή της πυρηνικά όπλα αλλά αν διαθέτει πυρηνικό πρόγραμμα αυτό είναι απλώς θέμα χρόνου.



Τα περιεχόμενα αυτού του άρθρου είναι χωρισμένα στις ακόλουθες ενότητες.

1. Άτομα, ατομική ενέργεια και ραδιενέργεια
2. Ουράνιο και πλουτώνιο
3. Πυρηνική σχάση (ατομική βόμβα)
4. Πυρηνική σύντηξη (θερμοπυρηνικά όπλα)

 



1. Άτομα, ατομική ενέργεια και ραδιενέργεια
Όλα τα υλικά που γνωρίζουμε αποτελούνται από κάποια σωματίδια που τα ονομάζουμε άτομα. Κάθε άτομο έχει έναν πυρήνα, ο πυρήνας του αποτελείται από δύο ειδών υποατομικά σωματίδια, αυτά είναι:

• Θετικά φορτισμένα: Πρωτόνια
• Ουδέτερα φορτισμένα: Νετρόνια

Και γύρω τους περιστρέφονται σε τροχιά τα ηλεκτρόνια, σωματίδια με αρνητικό φορτίο. Το πιο απλό άτομο που γνωρίζουμε είναι αυτό του υδρογόνου. Ο πυρήνας του αποτελείται από μόλις ένα πρωτόνιο, δηλαδή ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο, και έχει ένα ηλεκτρόνιο (αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο) σε τροχιά γύρω του.



Για ευκολία στην αναγνώριση των διαφορετικών ατόμων χρησιμοποιούμε τους ατομικούς αριθμούς. Ο ατομικός αριθμός δεν είναι τίποτα παραπάνω από τον αριθμό πρωτονίων που έχει ο πυρήνας του ατόμου. Στη περίπτωση του υδρογόνου αυτό είναι ένα. Στο περιοδικό πίνακα που έχουμε όλα τα γνωστά στοιχεία, το υδρογόνο συμβολίζεται όπως το βλέπετε εδώ.



Όπου ο αριθμός στην επάνω αριστερή γωνία συμβολίζει το μαζικό αριθμό του, δηλαδή πόσα σωματίδια έχει στο πυρήνα του. Εάν προσθέσουμε ένα νετρόνιο σε ένα άτομο υδρογόνου, τότε ο πυρήνας του θα είναι όπως τον βλέπετε στην επόμενη εικόνα.



Για να ξεχωρίζουμε το ένα άτομο από το άλλο μετράμε πόσα νετρόνια και πρωτόνια έχει και το άθροισμα τους μας δίνει το ατομικό βάρος ή πιο γνωστό ως μαζικό αριθμό. Σε αυτή τη περίπτωση έχουμε ατομικό αριθμό 1 αλλά μαζικό αριθμό 2 γιατί έχουμε ένα νετρόνιο και ένα πρωτόνιο. Παρότι, το ηλεκτρικό φορτίο του ατόμου παραμένει ίδιο καθώς το νετρόνιο είναι ουδέτερο, η δομή του ατόμου είναι διαφορετική. Τα άτομα που έχουν διαφορετική δομή και ατομικό βάρος αλλά ίδιο φορτίο και χημική συμπεριφορά τα ονομάζουμε ισότοπα. Βλέπετε εδώ τα τρία φυσικά ισότοπα του υδρογόνου.



Καθώς ανεβαίνουμε στο περιοδικό πίνακα βλέπουμε άτομα με όλο και μεγαλύτερους ατομικούς αριθμούς. Για παράδειγμα, στη δεύτερη θέση του περιοδικού πίνακα με ατομικό αριθμό δύο, δηλαδή με δύο πρωτόνια στο πυρήνα του, βρίσκεται το ήλιο.



Εάν τώρα δούμε το άτομο με το μεγαλύτερο ατομικό αριθμό που υπάρχει στη φύση θα δούμε ότι δεν είναι άλλο από το ουράνιο με ατομικό αριθμό 92.



Τα άτομα με τόσο πολύπλοκη δομή έχουν ασταθείς πυρήνες τόσο σε αριθμό πρωτονίων όσο και νετρονίων και στη προσπάθεια τους να σταθεροποιηθούν εκπέμπουν σωματίδια ώστε να έρθουν σε μία πιο σταθερή δομή. Η εκπομπή αυτών των σωματιδίων ονομάζεται ραδιενέργεια και είναι κάτι που ελάχιστα άτομα κάνουν. Η ραδιενέργεια μπορεί να έχει τρεις μορφές και όλες αυτές οι μορφές ενέργειας είναι γνωστές υπό τον όρο πυρηνική ακτινοβολία:

1. Σωματίδια Άλφα
   Σωματίδια που αποτελούνται από δύο νετρόνια και δύο πρωτόνια θετικά φορτισμένα εκπέμπονται από τη πυρήνα του ατόμου.
   

 

2. Σωματίδια Βήτα
   Τα σωματίδια αυτά δεν είναι τίποτα παραπάνω από αρνητικά φορτισμένα υποατομικά σωματίδια, ηλεκτρόνια.
   

 

3. Ακτινοβολία Γάμμα
   Η τρίτη μορφή είναι μέσω ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας συγκεκριμένου φάσματος συχνοτήτων.
   

Όλα τα ραδιενεργά υλικά έπειτα από ένα διάστημα, λόγω της εκπομπής πυρηνικής ακτινοβολίας σταδιακά αλλάζουν δομή και φτάνουν σε ένα σταθερό στάδιο που είναι στη δομή μολύβδου. Με βάση αυτά μπορούμε να προχωρήσουμε στην επόμενη ενότητα όπου θα δούμε σε λίγο μεγαλύτερο βάθος τα πιο γνωστά ραδιενεργά υλικά που χρησιμοποιούνται στο χώρο των πυρηνικών όπλων σήμερα.
 


2. Ουράνιο και πλουτώνιο
Όπως ορίσαμε παραπάνω, ένα άτομο έχει κάποια φυσικά ισότοπα, δηλαδή άλλα άτομα που έχουν ίδια χημική συμπεριφορά, ίδιο ηλεκτρικό φορτίο αλλά διαφορετική δομή και μαζικό αριθμό. Για το ουράνιο, τα φυσικά του ισότοπα είναι τα ακόλουθα τρία.



Αυτό σημαίνει πως το πρώτο, το ουράνιο-234 έχει μαζικό αριθμό 234 καθώς αποτελείται από 92 πρωτόνια και 142 νετρόνια, το δεύτερο, το ουράνιο-235 έχει 92 πρωτόνια και 143 νετρόνια και τέλος, το ουράνιο-238 έχει 92 πρωτόνια και 146 νετρόνια. Ο χρόνος της «ραδιενεργής ζωής» του ουρανίου-238 βλέπετε ότι είναι 447 δισεκατομμύρια χρόνια και αυτό είναι ένα από τα πιο σημαντικά στοιχεία στα ραδιενεργά άτομα. Υπάρχουν άλλα άτομα με χρόνο μόλις μερικών δευτερολέπτων ραδιενεργής εκπομπής ή ακόμα και μικρότερο.



Καθώς η πυρηνική φυσική εξελίσσεται έχουμε καταφέρει να δημιουργήσουμε νέα άτομα που δεν υπάρχουν στη φύση. Για παράδειγμα, με τη προσκόλληση ενός ακόμα νετρονίου στο ουράνιο-238 έχουμε ένα νέο, ανύπαρκτο στη φύση, ισότοπο ουρανίου, το ουράνιο-239. Ωστόσο, το ουράνιο-239 έχει και πάλι πολύ ασταθή πυρήνα και αν γίνει εκπομπή ενός αρνητικά φορτισμένου σωματιδίου, έχουμε ένα νέο άτομο καθώς πλέον το άτομο θα είναι θετικά φορτισμένο. Το νέο άτομο έχει ατομικό αριθμό 93 και το όνομα του είναι ποσειδώνιο.



Εάν εν συνεχεία ένα άτομο ποσειδωνίου κάνει εκπομπή ενός ακόμα σωματιδίου βήτα τότε έχουμε πάλι ένα ακόμα νέο άτομο. Αυτό το άτομο έχει ατομικό αριθμό 94 και ονομάζεται πλουτώνιο. Με παρόμοια μέθοδο είμαστε πλέον ικανοί να κατασκευάσουμε άτομα όπως το καλιφόρνιο (ατομικός αριθμός 96), αϊνστάνιο (ατομικός αριθμός 99) με το πιο βαρύ άτομο μέχρι σήμερα να είναι το λωρένσιο με ατομικό αριθμό 103. Ωστόσο, για της απαιτήσεις της πυρηνικής σύντηξης και σχάσης που θα δούμε σε λίγο το πιο ιδανικό άτομο είναι αυτό του πλουτωνίου και ουρανίου.



Ασφαλώς, η κατασκευή πλουτωνίου και η επεξεργασία ουρανίου είναι κάτι το ιδιαίτερα πολύπλοκο ακόμα και σήμερα με μηχανήματα ακριβείας, συνεχής επιστημονική παρακολούθηση και ρύθμιση της διαδικασίας και με εγκαταστάσεις τεράστιου κόστους. Για αυτό το λόγο η παραγωγή χρήσιμων ραδιενεργών υλικών είναι το πιο δύσκολο βήμα στο χώρο των πυρηνικών όπλων. Στη συνέχεια θα δούμε τις δύο μεθόδους που είναι γνωστές μέχρι σήμερα για τη κατασκευή πυρηνικών όπλων.
 



3. Πυρηνική σχάση (ατομική βόμβα)
Σχάση είναι όταν συνενώνονται δύο ελαφροί πυρήνες με ταυτόχρονη απελευθέρωση πυρηνικής ακτινοβολίας. Όταν ένα νετρόνιο χτυπήσει ένα άτομο με ραδιενεργό, ασταθή πυρήνα υπό πολύ συγκεκριμένες συνθήκες, ο πυρήνας αυτός θα χωριστεί σε δύο άλλα σωματίδια εκπέμποντας και ισχυρή πυρηνική ακτινοβολία. Αυτό θα συνεχιστεί με όλα τα σωματίδια αυτού του ατόμου δημιουργώντας μία αλυσιδωτή αντίδραση.



Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας του πυρηνικού όπλου που έγινε γνωστό ως ατομική βόμβα. Στη καθημερινότητα μας βλέπουμε τη μεγαλύτερη ατομική βόμβα στο ηλιακό μας σύστημα. Ο ήλιος αποτελείται κυρίως από σωματίδια υδρογόνου. Όταν το υδρογόνο βρεθεί σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες γίνονται συγκρούσεις-σχάση στους πυρήνες των ατόμων του απελευθερώνοντας ακτινοβολία γάμμα και θερμική ενέργεια από την πυρηνική σύντηξη.



Για να επιτευχθεί η σχάση σε ελεγχόμενο περιβάλλον ως οπλικό σύστημα συνήθως χρησιμοποιείται εμπλουτισμένο ουράνιο-235 (δηλαδή φυσικό ουράνιο-235 που έχει επεξεργαστεί κατάλληλα ώστε να έχει μεγαλύτερο ποσοστό περιεκτικότητας) και πλουτώνιο. Η κατασκευή πρέπει να γίνει με τρόπο ώστε το υλικό να βρίσκεται σε κρίσιμη μάζα, έτοιμο να προκαλέσει πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση που θα απελευθερώσει τεράστια ενέργεια.



Δύο είναι οι πιο διαδεδομένες τεχνικές για τη κατασκευή πυρηνικών όπλων με τη μέθοδο της πυρηνικής σχάσης, η πρώτη είναι ο διαχωρισμός των δύο τμημάτων του ραδιενεργού υλικού που βρίσκεται σε κρίσιμη μάζα και η πυροδότηση τους όπως βλέπετε στο ακόλουθο σχέδιο.



Όταν η εκρηκτική ύλη πυροδοτηθεί θα οδηγήσει το ένα ραδιενεργό υλικό πάνω στο άλλο κάτω από τις ιδανικές συνθήκες για τη δημιουργία υπερκρίσιμης μάζας που θα οδηγήσει στη πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση όπου κάθε άτομο θα εκπέμπει ακτινοβολία καθώς θα μετασχηματίζεται σε μεγέθη που είναι αδύνατο να επιτύχουμε με κάποια άλλη μέθοδο ή εκρηκτική ύλη μέχρι σήμερα. Μία δεύτερη μέθοδος είναι αυτή της κατάρρευσης του ραδιενεργού υλικού όπως βλέπετε εδώ.



Σε αυτή την αρχιτεκτονική, η εκρηκτική ύλη συμπιέζει τις ραδιενεργές ύλες στο κέντρο της κάτω από την ιδανική πίεση και θερμοκρασία ώστε να εκκινήσει τη πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση μέσω της κατάρρευσης τους. Τα πιο συνηθισμένα υλικά που χρησιμοποιούνται σε πυρηνικά όπλα σχάσης είναι, με αυτή τη σειρά προτεραιότητας, τα ακόλουθα.

• Ουράνιο-235
• Πλουτώνιο-239
• Εμπλουτισμένο ουράνιο-238
• Ουράνιο-233
• Ποσειδώνιο-237

Εξαιτίας της βίαιης και γρήγορης εκπομπής τεράστιας ποσότητας ενέργειας, μία από τις μεγαλύτερες δυσκολίες είναι ο σωστός σχεδιασμός της βόμβας ώστε να εκτονώσει όσο μεγαλύτερο ποσοστό της ενέργειας των ραδιενεργών καυσίμων της γίνεται προτού καταστραφούν τα υλικά αυτά αλλά όπως αναφέραμε και στην εισαγωγή, δε θα μπούμε σε βάθος οπότε σε αυτό το σημείο ολοκληρώσαμε την επιφανειακή περιγραφή της πυρηνικής σχάσης σε οπλικά συστήματα και θα προχωρήσουμε στην επόμενη τεχνική.
 



4. Πυρηνική σύντηξη (θερμοπυρηνικά όπλα)
Εδώ έχουμε την ακριβώς αντίθετη προσέγγιση, αντί να αναγκάζουμε τα ραδιενεργά άτομα να ενωθούν απελευθερώνοντας κάποια ενέργεια που οδηγεί στην αλυσιδωτή αντίδραση, αναγκάζουμε τα ραδιενεργά άτομα να διασπαστούν σε μικρότερα με αντίστοιχη πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση. Εδώ βλέπετε ίσως το πιο αντιπροσωπευτικό παράδειγμα πυρηνικής σύντηξης με ισότοπα υδρογόνου όπως τα περιγράψαμε νωρίτερα.



Για αυτό το λόγο τα πυρηνικά όπλα που βασίζονται σε αυτή τη μέθοδο είναι γνωστά στο ευρύ κοινό ως θερμοπυρηνικά όπλα ή βόμβες υδρογόνου ασχέτως με το αν χρησιμοποιούνται άτομα υδρογόνου στη σύντηξη. Τα πυρηνικά όπλα σύντηξης είναι οι πιο πολύπλοκοι μηχανισμοί πυρηνικών όπλων καθώς απαιτούν άψογο συντονισμό ακριβείας, κατά πολύ μεγαλύτερο από τα όπλα πυρηνικής σχάσης. Επιπρόσθετα, για την εκκίνηση της πυρηνικής σύντηξης τις περισσότερες φορές απαιτείται η δημιουργία μίας ελεγχόμενης πυρηνικής σχάσης. Ένα παράδειγμα μίας θερμοπυρηνικής κεφαλής που βασίζεται στη πυρηνική σύντηξη βλέπετε εδώ.



Η διαδικασία σε αυτή τη θερμοπυρηνική κεφαλή είναι αρκετά πιο πολύπλοκη και συνήθως δύο σταδίων όπως η παραπάνω. Αρχικά γίνεται χημική έκρηξη στο πρωτεύον τμήμα (κάτω κοίλη σφαίρα) που οδηγεί σε πυρηνική σύντηξη. Η συσκευασία του πρωτεύοντος τμήματος είναι από ουράνιο-238 που εμποδίζει τα σωματίδια από το να διαφύγουν αλλά επιτρέπει σε συγκεκριμένη ακτινοβολία να φτάσει στο δευτερεύον τμήμα (επάνω κοίλη σφαίρα) αλλά και μέσα στη κεφαλή θερμαίνοντας τον αφρό από πολυφαινυλαιθένιο από τη πυρηνική σύντηξη που θα προκαλέσει μία έκρηξη της τάξης των κιλότονων. Στο κέντρο του δευτερεύοντα μηχανισμού υπάρχει κάποιο ραδιενεργό υλικό σε ράβδο όπως ουράνιο-235 που περιβάλλεται από δευτεριούχο λίθιο-6. Η συμπίεση του δευτερεύοντα μηχανισμού θα οδηγήσει το δευτεριούχο λίθιο-6 με τη ράβδο από ουράνιο-235 στο κέντρο του σε πυρηνική σχάση. Η τρομακτική ενέργεια από αυτή την αντίδραση θα προκαλέσει αλυσιδωτές σχάσεις από τα νετρόνια που θα απελευθερωθούν στα θερμοπυρηνικά υλικά αγγίζοντας θερμοκρασίες που έχουμε παρατηρήσει μόνο στην επιφάνεια του ήλιου.



Τα πυρηνικά όπλα σύντηξης είναι αρκετά πιο ισχυρά από αυτά της σχάσης αλλά είναι και αρκετά πιο πολύπλοκα. Ο λόγος που η πυροδότηση πραγματοποιείται με πυρηνική σύντηξη είναι γιατί θα ήταν σχεδόν αδύνατο να επιτευχθεί τέτοιας κλίμακας έκρηξη με οποιαδήποτε εκρηκτική ύλη και αυτή η έκρηξη απαιτείται για τη δημιουργία του κατάλληλου περιβάλλοντος για τη πυρηνική σύντηξη. Βλέπετε ακόμα μία απλοποιημένη σχηματική αναπαράσταση της πυροδότησης ενός θερμοπυρηνικού όπλου στη συνέχεια.



Σε αυτό το σημείο ολοκληρώθηκε η εισαγωγή μας και ελπίζουμε να βοήθησε τον αναγνώστη να γνωρίσει, έστω επιφανειακά, ποιες είναι οι αρχές λειτουργίας πίσω από τα πυρηνικά όπλα. Στο μέλλον θα δημοσιεύσουμε άρθρα με πιο συγκεκριμένα θέματα πάνω στο θέμα των πυρηνικών όπλων.