چرا شکافت خودبه‌خودی پلوتونیوم-۲۴۰ سلاح‌های هسته‌ای را ناگزیر از درون‌پاشی متقارن می‌کند

چالش بنیادین در طراحی سلاح‌های هسته‌ای، اساساً مسابقه‌ای سرنوشت‌ساز با زمان است. برای رسیدن به انفجاری مهیب، باید پیش از آنکه واکنش زنجیره‌ای سازه را متلاشی کند، جرمی زیربحرانی از ماده شکافت‌پذیر با سرعتی سرسام‌آور به وضعیت فوق‌بحرانی فشرده شود.

این مسابقه زمانی در مورد اورانیوم-۲۳۵ چندان دشوار نیست. مهندسان می‌توانند با به‌کارگیری سازوکار ساده پرتابه‌ای (تفنگی)، گلوله‌ای زیربحرانی از اورانیوم را درون لوله‌ای مشابه لوله توپ شلیک کنند تا با برخورد به هدفی از همین جنس، جرم بحرانی حاصل شود.[2]

اما هنگامی که همین رویکرد مکانیکی سرراست برای پلوتونیوم به کار گرفته می‌شود، شکست فاجعه‌باری رقم می‌خورد. خواص فیزیکی پلوتونیومی که در رآکتورهای هسته‌ای تولید می‌شود، پدیده‌ای مخرب به نام «انفجار پیش‌رس» پدید می‌آورد که معماری طراحی سلاح را دگرگون می‌کند.[1][3]

ریشه این مشکل، ناخالصی ایزوتوپیِ گریزناپذیری به نام پلوتونیوم-۲۴۰ است. وجود این ایزوتوپ تعیین می‌کند که هیچ کشوری نمی‌تواند برای ساخت سلاح پلوتونیومی به مکانیک ساده توپخانه‌ای تکیه کند، بلکه ناگزیر است پیچیدگی‌های مهندسی درون‌پاشی متقارن را مهار سازد.[1]

مکانیک سرهم‌بندی به روش تفنگی

در سلاح‌های هسته‌ای با مکانیسم تفنگی، پیش‌رانه متعارف ماده شکافت‌پذیر را درون لوله شتاب می‌دهد. هدف این است که پرتابه در انتهای مسیر به هدفی ثابت پیوند بخورد و جرمی فوق‌بحرانی بسازد تا واکنش زنجیره‌ای تصاعدی آغاز شود.[2]

سرعت چنین سازوکار مکانیکی به محدودیت‌های علم بالستیک وابسته است. حتی با پیشرفته‌ترین لوله‌های پرفشار توپخانه‌ای، سرعت پرتابه از حدود ۳۰۰ متر بر ثانیه فراتر نمی‌رود؛ رقمی که پنجره زمانی بسیار باریک اما محدودی برای واکنش پدید می‌آورد.[2]

با چنین سرعتی، جابه‌جایی نهایی پرتابه برای رسیدن به وضعیت پایدار شکافت، حدود یک میلی‌ثانیه زمان می‌برد. در صورت استفاده از اورانیوم با غنای بالا، این فرصت یک میلی‌ثانیه‌ای برای مهار واکنش کاملاً کفایت می‌کند.[2]

اورانیوم-۲۳۵ پایداری بالایی دارد و نرخ شکافت خودبه‌خودی آن ناچیز است؛ به طوری که در هر کیلوگرم از آن تنها حدود ۰٫۰۰۵۶ شکافت در ثانیه رخ می‌دهد. در نتیجه، این بازه یک میلی‌ثانیه‌ای بدون مداخله نوترون‌های سرگردان سپری می‌شود.[1]

مسئله آلودگی با پلوتونیوم-۲۴۰

رفتار پلوتونیوم اما سراسر متفاوت است. هنگامی که اورانیوم-۲۳۸ در قلب رآکتور برای تولید پلوتونیوم-۲۳۹ بازفرآوری و پرتودهی می‌شود، واکنشی جانبی و اجتناب‌ناپذیر در کنار این فرایند شکل می‌گیرد.

در بخشی از موارد، هسته تازه تشکیل‌شده پلوتونیوم-۲۳۹ نوترون دیگری را بدون شکافته شدن به دام می‌اندازد. این جذب ناخواسته، آن را به پلوتونیوم-۲۴۰ تبدیل می‌کند؛ ایزوتوپی که خواص هسته‌ای متفاوتی دارد و استفاده تسلیحاتی را دشوار می‌سازد.[1][4]

جداسازی شیمیایی پلوتونیوم-۲۴۰ از پلوتونیوم-۲۳۹ از نظر فیزیکی غیرممکن است، چراکه هر دو ایزوتوپ‌های یک عنصر واحد هستند. جداسازی الکترومغناطیسی نیز اگرچه در تئوری امکان‌پذیر است، اما برای تولید در مقیاس تسلیحاتی هزینه‌ای گزاف و سرعتی بسیار کند دارد.[5]

بنابراین، هر مغزی پلوتونیومی حاصل از رآکتور حاوی درصدی پلوتونیوم-۲۴۰ خواهد بود. حتی پلوتونیوم با خلوص تسلیحاتی که با محدود کردن ماندگاری سوخت در رآکتور تولید می‌شود، بین ۱ تا ۶ درصد از این ایزوتوپ را در خود دارد.[4]

چالش شکافت خودبه‌خودی

حضور پلوتونیوم-۲۴۰ مانند ساعتِ شنی عمل می‌کند که سیستم مکانیکی تفنگی هرگز توان پیشی گرفتن از آن را ندارد. بر خلاف اورانیوم، پلوتونیوم-۲۴۰ ایزوتوپی ناپایدار است و شکافت خودبه‌خودی با نرخی سرسام‌آور در آن رخ می‌دهد.[1]

در حالی که پلوتونیوم-۲۳۹ در هر کیلوگرم تنها حدود ۷ شکافت خودبه‌خودی در ثانیه دارد، این رقم برای پلوتونیوم-۲۴۰ به حدود ۴۸۳ هزار شکافت در ثانیه می‌رسد. هر کدام از این شکافت‌ها ابری از نوترون‌های سرگردان در ماده آزاد می‌کنند.[1]

در یک مغزی استاندارد ۶ کیلوگرمی پلوتونیوم که فقط ۱٫۲ درصد پلوتونیوم-۲۴۰ دارد، این فرایند به انتشار ده‌ها هزار نوترون سرگردان در ثانیه می‌انجامد؛ پرتوزایی پس‌زمینه‌ای پیوسته‌ای که کارایی سازوکار تفنگی را منتفی می‌کند.[1][3]

در طول همان یک میلی‌ثانیه‌ای که طول می‌کشد تا پرتابه پلوتونیومی درون لوله به هدف متصل شود، ایزوتوپ ناخالص ده‌ها نوترون آزاد می‌کند. از منظر آماری، به احتمال قریب به یقین یکی از این نوترون‌ها واکنش را زودتر از موعد آغاز خواهد کرد.[1][3]

انفجار پیش‌رس و شکست زنجیره شکافت

آغاز زنجیره شکافت پیش از ترکیب و آرایش بهینه ماده شکافت‌پذیر، به انفجار پیش‌رس منجر می‌شود. واکنش هسته‌ایِ زودهنگام حرارت و فشار عظیمی پدید می‌آورد که پیش از تماس کامل، مغزی را با سرعت منبسط می‌کند.[3]

این انبساط اتم‌های پلوتونیوم را از یکدیگر دور می‌سازد و چگالی ماده را به زیر آستانه لازم برای تداوم واکنش زنجیره‌ای می‌رساند. در نتیجه، واکنش هسته‌ای در همان لحظه زایش خاموش می‌شود و ماده شکافت‌پذیر هدر می‌رود.[5]

به این ترتیب، به جای انفجاری سهمگین در ابعاد چندین کیلوتن، تنها انفجاری خفیف معادل چند تن تی‌ان‌تی رخ می‌دهد که دستگاه را متلاشی می‌کند؛ ناکامی فنی مهلکی که در ادبیات مهندسی تسلیحات به آن «ناپختگی» یا انفجار ناقص می‌گویند.[1]

امیلیو سگره، فیزیکدان پروژه منهتن، در آوریل ۱۹۴۴ این نرخ بالای شکافت خودبه‌خودی را در پلوتونیوم رآکتوری کشف کرد؛ کشفی که برنامه سلاح تفنگی پلوتونیومی موسوم به «تین من» را در دم متوقف ساخت.

درون‌پاشی؛ راهکار غلبه بر محدودیت زمانی

برای استفاده از پلوتونیوم، دانشمندان ناچار بودند مکانیسمی طراحی کنند که سرعتی به مراتب بیشتر از شلیک گلوله داشته باشد. راهکار نهایی، روش «درون‌پاشی متقارن» بود که به جای پرتاب اجزا به سوی هم، ماده را متراکم می‌کرد.[3]

در این روش، کره‌ای زیربحرانی از پلوتونیوم درون آرایه‌ای از عدسی‌های انفجاری با قدرت تخریب بالا محصور می‌شود. این عدسی‌ها به شکلی تراشیده شده‌اند که موج شوک انفجار را مستقیماً به مرکز مغزی هدایت کنند.[2]

با شلیک هم‌زمان این مواد منفجره، کره پلوتونیوم از همه جهات فشرده شده و چگالی آن تا سطح فوق‌بحرانی بالا می‌رود. از آنجا که جرم بحرانی با توان دوم چگالی نسبت معکوس دارد، این فشرده‌سازی میزان ماده مورد نیاز را به شدت می‌کاهد.[1]

نکته حیاتی این است که تراکم ناشی از موج انفجار در بازه زمانی بسیار کوتاهی در مقیاس میکروثانیه رخ می‌دهد؛ یعنی هزار برابر سریع‌تر از سامانه تفنگی، که به خوبی بر محدودیت زمانی شکافت خودبه‌خودی غلبه می‌کند.[1][3]

مهندسی تراکم متقارن مواد منفجره

ایجاد درون‌پاشی کاملاً متقارن یکی از دشوارترین مرزهای مهندسی مدرن به شمار می‌رود. هرگونه عدم تقارن در امواج شوک باعث می‌شود مغزی پلوتونیومی به جای فشرده‌شدن، از کناره‌های سازه به بیرون نشت کند.[5]

برای دستیابی به تقارن کامل، عدسی‌های انفجاری باید با دقتی میکرومتری و از ترکیب لایه‌های متناوب با سرعت احتراق تند و کند ساخته شوند تا جبهه موج انفجاری به کره‌ای همگرا تبدیل شود.[2]

همچنین چاشنی‌های این عدسی‌ها باید در کسری از میکروثانیه هم‌زمان شوند. اختراع چاشنی‌های پل سیمی جرقه‌ای با همین هدف صورت گرفت؛ مدارهایی که با تخلیه ولتاژ بالا، سیم را تبخیر کرده و انفجار را با دقتی بی‌نقص آغاز می‌کنند.[5]

این سد فنی فوق‌العاده سنگین مانعی طبیعی در برابر اشاعه سلاح‌های هسته‌ای محسوب می‌شود. در حالی که ساخت بمب تفنگی با اورانیوم شدیداً غنی‌شده ناممکن نیست، ساخت سامانه درون‌پاشی به زیرساخت صنعتی و دانشی دولتی نیاز دارد.[5]

تفاوت پلوتونیوم رآکتوری با خلوص تسلیحاتی

مسئله شکافت خودبه‌خودی شیوه بهره‌برداری از رآکتورهای نظامی را نیز دستخوش تغییر کرد. برای کاستن از تجمع پلوتونیوم-۲۴۰، میله‌های سوخت باید پس از گذشت چند هفته یا حداکثر چند ماه از قلب رآکتور بیرون کشیده شوند.[4]

این چرخه سوخت‌گیری پی‌درپی برای تولید برق غیرقابل توجیه است؛ به همین دلیل نیروگاه‌های تجاری سوخت را تا چند سال در مخزن رآکتور نگه می‌دارند. در نتیجه سوخت مصرف‌شده غیرنظامی حاوی درصد بالاتری از پلوتونیوم-۲۴۰ است.[4]

این نوع پلوتونیوم رآکتوری که سهم ایزوتوپ ۲۴۰ در آن گاه به ۲۰ درصد یا بیشتر می‌رسد، کارایی تسلیحاتی بسیار دشواری دارد. تابش متراکم نوترونی و گرمای بالای ناشی از واپاشی، متالورژی و فیزیک مغزی را با چالش‌های اساسی روبه‌رو می‌کند.[4]

اگرچه نهادهای بین‌المللی همواره هشدار می‌دهند که پلوتونیوم رآکتوری نیز از نظر تئوری در بمب‌های درون‌پاشی ابتدایی کاربرد دارد، اما چالش‌های اجرایی آن فوق‌العاده سترگ است. خطر انفجار پیش‌رس سدی پایدار و فیزیکی در معادلات منع اشاعه باقی مانده است.[5]