למה הן מתפוצצות? כמה פשוט להבין את הפיסיקה הגרעינית. אז למה זה כל כך קשה?

.
מתקנים גרעיניים (כורים ופצצות), עושים שימוש באנרגיית הקשר שבין מרכיבי
גרעין האטום (הפרוטונים והניטרונים). זו האנרגיה שצריך להשקיע כדי לבקע
גרעין של אטום לשני גרעינים נפרדים, או, לחילופין, האנרגיה המשתחררת כאשר
שני גרעינים קלים מתמזגים ויוצרים גרעין משותף.
.
מתברר שמאסתו הכוללת של גרעין של אטום קל, קטנה מן המאסה הכוללת של
מרכיביו, הפרוטונים והניטרונים שמרכיבים את גרעינו. המאסה הזאת, החסרה
בגרעין (בהשוואה לסכום המאסות של מרכיביו), מומרת בעת שמרכיבי הגרעין
מתלכדים ויוצרים אותו, לפי נוסחת שוויון המאסה והאנרגיה הידועה של איינשטיין
שלפיה האנרגיה שווה למכפלת המאסה בריבוע מהירות האור. במלים אחרות,
מעט חומר שווה להרבה מאוד אנרגיה.
.
אנרגיית הקשר
.
ככל שאנרגיית הקשר של גרעין מסוים רבה יותר, הגרעין הוא יציב יותר (פחות
בקיע ופחות ניתן למיזוג .(למעשה, אנרגיית הקשר של רוב היסודות הכימיים היא,
פחות או יותר, שווה. רק בשולי הטבלה המחזורית של היסודות, שם מצויים
היסודות הקלים מאוד והכבדים מאוד, אנרגיית הקשר היא פחותה יחסית ואפשר
לנצלה.
.
ביסודות הכבדים מאוד, והלא יציבים, דוגמת אורניום ותוריום (שהם גם
רדיואקטיביים), מתקיימת תכונה הפוכה מזו של היסודות הקלים והבינוניים:
מאסת הגרעין המקורי שלהם גדולה ממאסת מרכיביו. כלומר, ביקוע גרעין של
יסוד כבד ולא יציב כזה, לשני גרעינים קלים יותר, אינו כרוך בהשקעת אנרגיה, כי
אם בשחרור אנרגיה (הנובעת מהמרת המאסה ה"עודפת" באנרגיה ,לפי נוסחת
איינשטיין). לפיכך אפשר לומר שכל המתקנים הגרעיניים מבוססים על ניצול
אנרגיית הקשר הנובעת מביקוע גרעינים של אטומים כבדים מאוד, או ממיזוג של
אטומים קלים מאוד.
.
מכיוון שמיזוג הוא פעולה הרבה יותר קשה לביצוע מביקוע (תמיד יותר קשה
לבנות, מאשר להרוס), השלב הראשון בפיתוח האנרגיה הגרעינית, התבסס על
ביקוע גרעינים של אטומים כבדים. החומר הבקיע הקיים בטבע, המתאים לייצור
פצצה גרעינית, הוא איזוטופ האורניום הקרוי אורניום-235 (איזוטופ הוא חומר
המכיל את אותו מספר אלקטרונים ופרוטונים כמו האטום של היסוד הרגיל, אך
מספר הניטרונים שבו – שונה). זהו איזוטופ נדיר מאוד: הוא מהווה רק 0.7%
מכלל האורניום המצוי בטבע. כל השאר הוא בעיקר אורניום-238, שביקועו
קשה הרבה יותר.
.
ביקוע
.
כדי לבקע את גרעין האטום של האורניום-235 יש להוסיף אליו ניטרון אחד,
ההופך אותו לאורניום-236 שמתבקע מיד ויוצר שני גרעינים נפרדים, קלים
ויציבים יותר .בתהליך הזה נפלטים מהגרעין המתבקע 2-3 ניטרונים נוספים,
העשויים לפגוע באטומים נוספים של אורניום-235 ולפרקם, וחוזר חלילה, עד
ליצירת תגובת שרשרת,הגורמת המרה מהירה של חומר לאנרגיה רבה מאוד.
בכור גרעיני, הקצב של ההמרה הזאת מבוקר ונשמר ברמה קבועה .רמה זו
נשמרת כתוצאה מהעובדה שלא כל הניטרונים המשתחררים בביקוע, ונעים בגוש
אורניום טבעי (שכאמור, רק 0.7% ממנו הם אטומי אורניום-235), אכן פוגשים
בדרכם אטומי אורניום-235 ומבקעים אותם .בקרת הכור מבוססת, אפוא, על
בליעת הניטרונים ה"תועים", כך שמספר הביקועים בזמן נתון, לא יעלה על
כמות מסוימת .
.
כדי להשיג פיצוץ גרעיני יש להבטיח שרוב הניטרונים המשתחררים אכן יפגעו
בדרכם בגרעיני אורניום-235 ויבקעו אותם, כך שמספר הביקועים יעלה בקצב
מהיר מאוד .כלומר, ההבדל העיקרי שבין פצצת ביקוע גרעינית לבין כור גרעיני,
מתבטא בפיקוח ובקרה על מספר הניטרונים, תוצרי הביקוע, המורשים לנוע
בחומר .בכור גרעיני שומרים על כמות קבועה של ניטרונים כאלה ואילו בפצצה
מניחים למספרם לעלות בהתמדה .בתחום זה מתעוררים קשיים אחדים .ראשית,
מתברר שניטרונים הנעים במהירות אינם נספחים בקלות לגרעינים) ולכן אינם
מבקעים אותם .(דרך אחת להתגבר על הקושי הזה וליצור תגובת שרשרת גרעינית
, מבוססת על האטת מהירותם של הניטרונים המשתחררים .פעולה זו מושגת
באמצעות נוכחות של מים באיזור הביקוע .הניטרונים מתנגשים באטומי המימן
שבמים, אלה מאטים את מהירותם, וכך יותר ניטרונים נעשים אטיים, וגורמים
לביקוע של יותר גרעיני אורניום-235. אבל, הניטרון החודר למים ומתנגש
באטום המימן, עלול להיקשר לאותו אטום, וליצור יחד אתו את איזוטופ המימן
הכבד – דויטריום .כדי למנוע את התהליך הזה, משתמשים במתקנים גרעיניים
מסוימים (אלה המוזנים באורניום טבעי, לא מועשר), ב"מים כבדים", המכילים
מראש מימן כבד, דויטריום, שגרעינו מורכב מפרוטון אחד ומניטרון אחד (גרעין
של מימן רגיל מכיל פרוטון אחד בלבד). במצב כזה, נמנעת ההסתפחות של
הניטרון לגרעין המימן, ומצד שני, מואטת מהירותו, כך שאם יפגוש בדרכו גרעין
של אורניום-235, הוא יסתפח אליו ויגרום להתבקעותו .
.
העשרה
.
אחד הקשיים העיקריים בהפעלת מתקנים גרעיניים נובע משיעורו הנמוך מאוד
(0.7%) של האיזוטופ הבקיע של האורניום, אורניום-235 בטבע .קיימות טכניקות
שונות להעשרת אורניום, כלומר, להעלאת שיעורו של האיזוטופ הבקיע בכמות
נתונה של חומר. הטכניקות הללו מורכבות ויקרות מאוד, אבל הן כדאיות,
מכיוון שבכורים המוזנים באורניום מועשר אין צורך במים כבדים – שהפקתם
מורכבת ויקרה מאוד. (בשל שיעורם הגבוה של אטומי האורניום-235 בחומר
המועשר, אפשר להסתפק בכמות הביקועים הנוצרת בו על-ידי ניטרונים אטיים
מעטים יותר, שאפשר להפיקם כתוצאה ממעבר הניטרונים במים רגילים).
.
כל כור גרעיני מייצר בשלב זה או אחר של פעילותו, יסוד רדיואקטיבי כבד ולא
יציב, שאינו מצוי בטבע – פלוטוניום-239. כמות הפלוטוניום שנוצר בכור תלויה
בסוג הכור ובשיטת הפעלתו .שיעור הייצור של הפלוטוניום-239 בכור הוא
חשוב מאוד, מכיוון שחומר זה בקיע ממש כמו האורניום הנדיר, אורניום-235,
והוא מתאים כמוהו ליצירת פצצה גרעינית )ואכן, פלוטוניום הוא החומר המרכיב
את רוב פצצות הביקוע הגרעיניות המודרניות).
.
תהליך ייצורו של הפלוטוניום מתחיל כאשר ניטרון אטי פוגע בגרעין של
האורניום הנפוץ (הלא בקיע), אורניום-238. כך נוצר אורניום-239, הפולט
קרינת ביתא) אלקטרונים (והופך, תוך דקות, לנפטוניום .גם הנפטוניום פולט
קרינת ביתא, וכתוצאה מכך, כעבור ימים אחדים הוא הופך, ברובו,
לפלוטוניום-239. תהליך הייצור הזה, הפשוט לכאורה, נתקל בקשיים טכניים
לא מבוטלים, הנובעים מהעובדה שתוצרי הביקוע השונים הכרוכים בו, הם
בעלי רדיואקטיביות חזקה במיוחד. גם עוצמת הקרינה של הפלוטוניום עצמו
אינה מבוטלת: קילוגרם אחד של פלוטוניום פולט קרינה בשיעור של כמאה קירי
(קירי היא יחידה המציינת עוצמת קרינה, הקרויה על שמם של פייר ומארי קירי .
קירי אחד נחשב לכמות קרינה העלולה לגרום מוות).
.
פיצוץ
.
כדי ליצור פיצוץ גרעיני יש צורך להגיע, באמצעות תגובת השרשרת, לשלב שבו
הרבה מאוד אטומי פלוטוניום, או אורניום-235 יתבקעו על-ידי הניטרונים (שהם
תוצרי הביקועים הקודמים), ויפרקו את אנרגיית הקשר שלהם, בעת ובעונה אחת .
מצב זה יכול להתקיים רק בתנאי שכמות החומר הבקיע המרוכזת בגוש חומר
אחד, תהיה גדולה ודחוסה מספיק .הכמות (והדחיסות) המינימלית החיונית
ליצירת פיצוץ גרעיני, קרויה "מאסה קריטית". לדוגמה, בפצצת ביקוע גרעינית
המבוססת על אורניום-235 המאסה הקריטית היא עשרה ק"ג. אפשר למנוע את
הפיצוץ אם מחלקים את גוש החומר הבקיע לשני חלקים בני חמישה ק"ג כל
אחד, ומונעים כל קשר ביניהם .במצב כזה לא קיימת כלל סכנה של פיצוץ גרעיני .
אבל ברגע שמצמידים את שני הגושים הנפרדים, נוצר גוש שהוא בעל מאסה
קריטית. במצב כזה תגובת השרשרת הגרעינית יוצאת לדרך, והפיצוץ יתחולל
תוך זמן קצר .בדרך זו פעלה הפצצה שהוטלה על הירושימה.
.
בפצצת ביקוע גרעינית המבוססת על פלוטוניום (שהריאקציה הגרעינית בו מהירה
יותר), משתמשים בשיטה אחרת ליצירת מאסה קריטית: מציבים את החומר
במבנה כדורי סימטרי מדויק .על מעטפת המבנה מציבים נפצים מיוחדים, שגם
הם מסודרים במבנה סימטרי מדויק. כאשר רוצים ליצור פיצוץ, מפעילים את כל
הנפצים. הנפצים דוחסים את המבנה הכדורי של החומר, כך שייווצר ממנו כדור
דחוס .כך נוצרת מאסה קריטית – ותגובת השרשרת הגרעינית יוצאת לדרך .
הצלחת הפעולה הזאת תלויה בסימטריה מוחלטת של הכדור הנוצר, ולכן
הנפצים הדוחסים את החומר אל המרכז חייבים להיות מדויקים מאוד, גם
במיקומם, גם בזמן הפעלתם, וגם בעוצמת הפיצוץ שהם יוצרים. כך פעלה
הפצצה שהוטלה על נגאסקי (שבשל צורתה הכדורית כונתה "איש שמן"). כך
בנויות גם רוב פצצות הביקוע הגרעיניות המודרניות. החישובים הכרוכים בתהליך
הזה של יצירת המאסה הקריטית, הם מורכבים למדי וכיום הם נעשים באמצעות
מחשבים מהירים.
.
כזכור, אנרגיית הקשר הנמוכה יחסית, הניתנת לניצול באמצעים טכנולוגיים, אינה
מאפיינת רק את היסודות הכבדים מאוד (דוגמת אורניום ופלוטוניום), אלא גם
את היסודות הקלים מאוד (דוגמת מימן והליום) .אלא שביסודות הקלים, אנרגיית
הקשר משתחררת לא כתוצאה מביקוע של אטומים, אלא ממיזוג של שני אטומים
קלים לאטום כבד יותר .תהליך כזה, של מיזוג אטומי מימן לאטומי הליום, תוך
פליטת אנרגיה, מתחולל ללא הרף במרכזיהם של כוכבים, ובהם גם השמש
"שלנו" סול. במלים אחרות, ללא שיחרור של אנרגיה גרעינית כתוצאה ממיזוג
גרעיני בשמש, לא היו יכולים להתקיים חיים .על כדור-הארץ ,מתרחש התהליך
הזה רק בעת התפוצצותה של פצצת מימן. עד כה לא הצליחו המדענים לבנות
מתקן שיוכל לבצע מיזוג גרעיני מבוקר, שלא יגרום פיצוץ. פיתוחו של מתקן
כזה (כור מיזוג גרעיני) יביא, למעשה, את קצו של משבר האנרגיה, שכן המימן,
הדלק שיניע את כורי המיזוג, הוא היסוד הנפוץ ביותר ביקום .באופן יחסי,
האנרגיה המופקת בתהליך של מיזוג גרעיני, גדולה בהרבה מהאנרגיה המופקת
בתהליכי ביקוע. גרם אחד של מימן העובר תהליך של מיזוג לאטומי הליום,
מפיק אנרגיה הגדולה פי עשר מזו המופקת מביקוע האטומים הכלולים בגרם
אחד של אורניום. עשרה גרם מימן עשויים להפיק בדרך זו אנרגיה השקולה
ל- 1,000 טון חומר נפץ מסוג טנ"ט.
.
מיזוג
.
כדי למזג שני אטומי מימן, משתמשים בשני האיזוטופים הכבדים של המימן:
דויטריום שגרעינו כולל פרוטון אחד וניטרון אחד, וטריטיום, שגרעינו כולל
פרוטון אחד ושני ניטרונים. כאשר מאיצים שני אטומים כאלה זה מול זה
במהירות ובעוצמה רבה, הם מתמזגים ויוצרים יחד אטום הליום, שגרעינו
כולל שני פרוטונים ושני ניטרונים .הניטרון השלישי משתחרר ומואץ למהירויות
גבוהות מאוד, כתוצאה מהפיצוץ הנובע משחרור האנרגיה על-ידי שני
האטומים שהתמזגו.
.
כדי ליצור את המיזוג, חייבים שני אטומי המימן לנוע זה מול זה בעוצמה רבה,
שתתגבר על כוחות הדחייה החשמלית הפועלים ביניהם (שני הגרעינים מכילים
פרוטונים, שהם בעלי מטען חשמלי חיובי ולכן הם דוחים זה את זה). כדי להאיץ
את האטומים הללו עד למהירויות הנדרשות, ולהעניק להם את האנרגיה הדרושה
לגרימת מיזוג, מחממים אותם עד לטמפרטורה גבוהה מאוד (כמה מיליוני
מעלות צלסיוס). בפצצת מימן משיגים את החום הדרוש לשם כך באמצעות פיצוץ
של פצצת ביקוע גרעינית .כך, פצצת הביקוע הגרעינית משמשת למעשה מעין
מרעום המביא להתפוצצותה של פצצת המיזוג הגרעינית – פצצת המימן
.
בתהליך המיזוג של איזוטופי המימן, טריטיום ודויטריום לאטום הליום,
משתחרר ניטרון אחד המואץ כתוצאה מאנרגיית הפיצוץ. בפצצת ניטרון,
שהיא מעין גרסה משופרת של פצצת מימן, משתדלים להרבות ככל שאפשר את
מספרם של הניטרונים הללו ואת האנרגיה שלהם, תוך הקטנת החום הנוצר
במרכז הפיצוץ עצמו .המטרות הללו מושגות באמצעות שינויים שונים במבנה
הטכני של הפצצה, אך לא בעקרון הפעולה הבסיסי שלה .כתוצאה מכך פוחת
החום במקום הפיצוץ עצמו, דבר שמקטין את הנזק הישיר ואת הרס המבנים
והרכוש, אבל שטף הניטרונים האדיר הבוקע מאיזור הפיצוץ, פוגע
בבעלי-חיים ובבני-אדם – והורג אותם.