การทดสอบอาวุธนิวเคลียร์ครั้งแรกชื่อรหัส "ตรีเอกานุภาพ"เกิดขึ้นในทะเลทรายนิวเม็กซิโกเวลา 5:30 น. ของวันที่ 16 กรกฎาคม 1945 การทดสอบนี้เป็นข้อพิสูจน์แนวคิดสำหรับวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์ลับที่เกิดขึ้นที่ Los Alamos ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองและจะนำไปสู่ระเบิดปรมาณูที่ถูกทิ้งญี่ปุ่นเพียงไม่กี่สัปดาห์ต่อมา
ตั้งแต่การระเบิดเหล่านั้นการพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์ได้เร่งความเร็ว ประเทศต่างๆทั่วโลกได้สร้างตัวเองคลังสินค้านิวเคลียร์รวมถึงหัวรบนิวเคลียร์กว่า 5,000 ตัวที่สหรัฐอเมริกาถืออยู่
ถึงแม้ว่าองค์ประกอบพื้นฐานของเทคโนโลยีนี้จะไม่เป็นความลับอีกต่อไปการพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์ยังคงเป็นความท้าทายทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม แต่ทำไมอาวุธนิวเคลียร์ถึงยังคงผลิตได้ยาก?
ส่วนใหญ่ของความยากมาจากการได้มาจากองค์ประกอบทางเคมีที่ใช้ในอาวุธเหล่านี้เพื่อสร้างการระเบิดHans Kristensenผู้อำนวยการโครงการข้อมูลนิวเคลียร์ที่สหพันธ์นักวิทยาศาสตร์อเมริกันบอกกับ Live Science ในอีเมล
“ ความคิดพื้นฐานของการระเบิดนิวเคลียร์คือวัสดุนิวเคลียร์ [fissile] ถูกกระตุ้นให้ปล่อยพลังงานมหาศาลของพวกเขา” เขากล่าว "การผลิตวัสดุที่มีความบริสุทธิ์เพียงพอและปริมาณที่เพียงพอเป็นสิ่งที่ท้าทาย [และ] การผลิตนี้ต้องใช้กำลังการผลิตอุตสาหกรรมมาก"
ที่เกี่ยวข้อง:
การปลดปล่อยพลังงานมหาศาลเรียกว่ากปฏิกิริยาฟิชชันนิวเคลียร์- เมื่อปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นปฏิกิริยาลูกโซ่จะเริ่มต้นที่แยกออกจากกันเพื่อปลดปล่อยพลังงาน นี่เป็นปฏิกิริยาแบบเดียวกับที่เกิดขึ้นเป็นไปได้.
การเพิ่มคุณค่าของยูเรเนียมและพลูโทเนียม
วัสดุฟิสไซล์ภายในระเบิดนิวเคลียร์ส่วนใหญ่เป็นไอโซโทปของยูเรเนียมและพลูโทเนียมซึ่งเป็นองค์ประกอบกัมมันตรังสีMatthew Zerphyศาสตราจารย์ด้านการปฏิบัติด้านวิศวกรรมนิวเคลียร์ที่ Penn State กล่าวกับ Live Science ไอโซโทปยูเรเนียมที่พบมากที่สุดของยูเรเนียมคือยูเรเนียม -238 (U-238) ถูกขุดและจากนั้นจะต้องผ่านกระบวนการเพิ่มคุณค่าเพื่อเปลี่ยนส่วนหนึ่งเป็นไอโซโทปอื่นยูเรเนียม -235 (U-235) ซึ่งสามารถใช้ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้อย่างง่ายดายยิ่งขึ้น
“ วิธีหนึ่งในการเสริมสร้างยูเรเนียมคือการเปลี่ยนเป็นก๊าซและหมุนอย่างรวดเร็วในเครื่องหมุนเหวี่ยง” Zerphy กล่าว "เนื่องจากความแตกต่างของมวลระหว่าง U-235 และ U-238 ไอโซโทปจะถูกแยกและคุณสามารถแยก U-235 ออกได้"
สำหรับยูเรเนียมเกรดอาวุธ 90% ของตัวอย่าง U-238 จะต้องเปลี่ยนเป็น U-235 Zerphy กล่าว ส่วนที่ท้าทายที่สุดของกระบวนการนี้ซึ่งอาจใช้เวลาหลายสัปดาห์ถึงเดือนคือการเปลี่ยนแปลงทางเคมีขององค์ประกอบเองซึ่งต้องใช้พลังงานอย่างเข้มข้นและอุปกรณ์พิเศษ หนึ่งอันตรายทางเคมีในระหว่างกระบวนการนี้คือการเปิดตัวยูเรเนียมเฮกซาฟลูออไรด์ (UF₆) ที่เป็นไปได้สารพิษสูงถ้าสูดดมสามารถทำลายไตตับปอดสมองผิวหนังและดวงตา
กระบวนการในการเพิ่มพลูโทเนียมในระดับเดียวกันนั้นเป็นเรื่องยากกว่าเขากล่าวเพราะองค์ประกอบนี้ไม่ได้เกิดขึ้นตามธรรมชาติเหมือนยูเรเนียม พลูโทเนียมเป็นผลพลอยได้จากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ซึ่งหมายถึงการใช้พลูโทเนียมนักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องจัดการเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้แล้วใช้สารกัมมันตรังสีและประมวลผลวัสดุผ่านการสะสมทางเคมี "รุนแรง" การประมวลผลของวัสดุนี้อาจก่อให้เกิดความเสี่ยงด้านความปลอดภัยหากกมวลวิกฤตถูกเก็บรวบรวมโดยไม่ตั้งใจ Zerphy กล่าวซึ่งเป็นวัสดุที่มีจำนวนน้อยที่สุดที่จำเป็นในการรักษาปฏิกิริยาฟิชชันที่ยั่งยืนด้วยตนเอง
“ คุณจะต้องระวังอย่างมากที่จะไม่เกิดขึ้นในขณะที่คุณอยู่ในขั้นตอนการสร้างส่วนประกอบเหล่านี้เพื่อให้แน่ใจว่าสิ่งต่าง ๆ ไม่ได้ถูกนำมารวมกันโดยไม่ได้ตั้งใจและเข้าสู่วิกฤตบางอย่าง” เขากล่าวซึ่งอาจนำไปสู่การระเบิดโดยไม่ตั้งใจ
ที่เกี่ยวข้อง:
แม้ว่าหลักการทางวิทยาศาสตร์ในการนำส่วนประกอบเหล่านี้มารวมกันเป็นที่เข้าใจกันดีการสร้างและควบคุมปฏิกิริยานี้ในเสี้ยววินาทียังคงเป็นเรื่องยาก
“ อาวุธได้รับการออกแบบเช่นนั้นเมื่อพวกเขาถูกจุดชนวนมวลของวัสดุฟิสไซล์ที่ 'วิกฤต' จะถูกสร้างขึ้นอย่างรวดเร็ว…ในพื้นที่เล็ก ๆ มาก” Zerphy กล่าว "สิ่งนี้ทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของจำนวนฟิสเซียสที่แพร่กระจายไปทั่ววัสดุเกือบจะทันที"
การแพร่กระจายของฟิชชันอะตอมอย่างรวดเร็วนี้เป็นส่วนสำคัญของสิ่งที่ทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ดังนั้นเขาจึงกล่าว
ในกรณีของอาวุธนิวเคลียร์ซึ่งได้รับการพัฒนาหลังสงครามโลกครั้งที่สองและใช้การรวมกันของทั้งสองนิวเคลียร์เพื่อสร้างการระเบิดที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้นปฏิกิริยาฟิชชันมาตรฐานจะต้องจุดประกายปฏิกิริยาฟิวชั่นที่สองและแข็งแกร่งขึ้น ปฏิกิริยาฟิวชั่นนี้เป็นพลังงานชนิดเดียวกันที่พบที่กึ่งกลางของดวงอาทิตย์
การทดสอบอาวุธนิวเคลียร์
เมื่ออาวุธเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าอาวุธจะทำงานได้ตามต้องการหากพวกเขาเคยใช้ เมื่อมีการพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์เป็นครั้งแรกนักวิทยาศาสตร์จะทดสอบอาวุธด้วยตนเองที่ไซต์ทดสอบ (สภาพแวดล้อมของพื้นที่ "ร้าง" ที่พวกเขาถูกทดสอบเช่นเดียวกับผู้คนและสัตว์ที่อาศัยอยู่ใกล้ ๆ- ในทางตรงกันข้ามการทดสอบอาวุธที่ทันสมัยขึ้นอยู่กับรุ่นคอมพิวเตอร์ นี่เป็นส่วนหนึ่งของงานที่ทำโดย National Nuclear Security Administration (NNSA)
“ NNSA …พัฒนาเครื่องมือ [S] สำหรับส่วนประกอบอาวุธที่มีคุณสมบัติและอาวุธรับรองเพื่อให้มั่นใจว่าการอยู่รอดและประสิทธิภาพของพวกเขาในสถานการณ์ต่าง ๆ ” โฆษกของ NNSA บอกกับ Live Science ในอีเมล "สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการจำลองขั้นสูงโดยใช้ระบบซูเปอร์คอมพิวเตอร์วิทยาศาสตร์วัสดุและวิศวกรรมที่มีความแม่นยำเพื่อให้แน่ใจว่าอาวุธทำงานตามที่ตั้งใจไว้"
ในที่สุดความซับซ้อนและความท้าทายของการสร้างอาวุธเหล่านี้อาจอธิบายได้ว่าทำไมมหาอำนาจนิวเคลียร์เพียงไม่กี่แห่งในโลกในปัจจุบัน
