ผ่านไปกว่าสองเดือนแล้วนับตั้งแต่สิ้นสุดสงครามที่เลวร้ายที่สุดในประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติ ดังนั้น ในวันที่ 16 กรกฎาคม 1945 ระเบิดนิวเคลียร์ลูกแรกจึงได้รับการทดสอบโดยกองทัพสหรัฐฯ และอีกหนึ่งเดือนต่อมา ชาวเมืองญี่ปุ่นหลายพันคนเสียชีวิตในขุมนรกปรมาณู ตั้งแต่นั้นมา อาวุธนิวเคลียร์ และวิธีการส่งไปยังเป้าหมาย ได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องมานานกว่าครึ่งศตวรรษ
กองทัพต้องการมีทั้งกระสุนทรงพลัง กวาดเมืองและประเทศทั้งหมดออกจากแผนที่ด้วยการโจมตีเพียงครั้งเดียว และกระสุนขนาดเล็กพิเศษที่ใส่ในกระเป๋าเอกสารได้ อุปกรณ์ดังกล่าวจะนำสงครามการก่อวินาศกรรมมาสู่ระดับที่ไม่เคยมีมาก่อน ทั้งครั้งแรกและครั้งที่สองมีปัญหาที่ผ่านไม่ได้ สาเหตุของสิ่งนี้คือสิ่งที่เรียกว่ามวลวิกฤต อย่างไรก็ตาม อย่างแรกเลย
แกนระเบิดขนาดนี้
เพื่อให้เข้าใจถึงวิธีการทำงานของอุปกรณ์นิวเคลียร์และทำความเข้าใจสิ่งที่เรียกว่ามวลวิกฤต กลับมาที่โต๊ะทำงานสักพัก จากหลักสูตรฟิสิกส์ของโรงเรียน เราจำกฎง่ายๆ ได้: ประจุที่มีชื่อเดียวกันจะผลักกัน ในที่เดียวกันในโรงเรียนมัธยมศึกษาตอนปลาย มีการบอกเล่าถึงโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งประกอบด้วยนิวตรอน อนุภาคที่เป็นกลาง และโปรตอนที่มีประจุบวก แต่สิ่งนี้เป็นไปได้อย่างไร? อนุภาคที่มีประจุบวกอยู่ใกล้กันมาก แรงผลักจะต้องมหาศาล
วิทยาศาสตร์ไม่ได้ตระหนักดีถึงธรรมชาติของแรงในนิวเคลียร์ที่ยึดโปรตอนไว้ด้วยกัน แม้ว่าคุณสมบัติของแรงเหล่านี้จะได้รับการศึกษาค่อนข้างดี กองกำลังกระทำการในระยะใกล้เท่านั้น แต่อย่างน้อยก็ควรแยกโปรตอนออกจากอวกาศอย่างน้อยก็คุ้ม เพราะแรงผลักเริ่มมีชัย และนิวเคลียสแตกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย และพลังของการขยายดังกล่าวนั้นมหาศาลอย่างแท้จริง เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าความแข็งแกร่งของผู้ชายที่โตเต็มวัยนั้นไม่เพียงพอต่อการกักเก็บโปรตอนของนิวเคลียสเดียวของอะตอมตะกั่ว
รัทเทอร์ฟอร์ดกลัวอะไร
แกนของธาตุส่วนใหญ่ในตารางธาตุมีความเสถียร อย่างไรก็ตาม เมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น ความคงตัวนี้จะลดลง มันเกี่ยวกับขนาดของแกน ลองนึกภาพนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียมซึ่งประกอบด้วยนิวไคลด์ 238 ตัว ซึ่ง 92 ตัวเป็นโปรตอน ใช่ โปรตอนสัมผัสกันอย่างใกล้ชิด และแรงภายในนิวเคลียร์ก็ยึดโครงสร้างทั้งหมดไว้อย่างแน่นหนา แต่แรงผลักของโปรตอนที่อยู่ตรงปลายอีกด้านของนิวเคลียสจะสังเกตเห็นได้ชัดเจน
รัทเทอร์ฟอร์ดทำอะไรอยู่? เขาทิ้งระเบิดปรมาณูด้วยนิวตรอน (อิเล็กตรอนจะไม่ผ่านเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอม และโปรตอนที่มีประจุบวกจะไม่สามารถเข้าใกล้นิวเคลียสได้เนื่องจากแรงผลัก) นิวตรอนที่เข้าสู่นิวเคลียสของอะตอมทำให้เกิดการแตกตัวของมัน สองส่วนแยกจากกันและนิวตรอนอิสระสองหรือสามตัวแยกจากกัน
การสลายตัวนี้เนื่องจากความเร็วมหาศาลของอนุภาคที่บินได้พร้อมกับการปลดปล่อยพลังงานมหาศาล มีข่าวลือว่ารัทเทอร์ฟอร์ดถึงกับต้องการปิดบังการค้นพบของเขา กลัวว่ามันจะส่งผลที่ตามมาต่อมนุษยชาติ แต่สิ่งนี้น่าจะไม่มีอะไรมากไปกว่าเทพนิยาย
แล้วมวลเกี่ยวอะไรกับมัน และทำไมมันถึงสำคัญ
แล้วไง? เราสามารถฉายรังสีโลหะกัมมันตภาพรังสีที่เพียงพอกับกระแสโปรตอนเพื่อสร้างการระเบิดอันทรงพลังได้อย่างไร? และมวลวิกฤตคืออะไร? มันเป็นเรื่องของอิเล็กตรอนอิสระไม่กี่ตัวที่บินออกจากนิวเคลียสอะตอมที่ "ถูกระเบิด" ในทางกลับกัน พวกมันจะชนกับนิวเคลียสอื่น ทำให้เกิดการแตกตัวของพวกมัน ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่เรียกว่าจะเริ่มขึ้น อย่างไรก็ตามการเปิดตัวจะเป็นเรื่องยากมาก
เช็คสเกล. ถ้าเราเอาแอปเปิ้ลหนึ่งลูกบนโต๊ะของเราเป็นนิวเคลียสของอะตอม ดังนั้นเพื่อที่จะจินตนาการถึงนิวเคลียสของอะตอมที่อยู่ใกล้เคียง จะต้องแบกแอปเปิลลูกเดียวกันและวางไว้บนโต๊ะแม้ในห้องถัดไป แต่…ในบ้านหลังต่อไป. นิวตรอนจะมีขนาดเท่าเมล็ดเชอรี่
เพื่อที่นิวตรอนที่ปล่อยออกมาจะไม่บินออกไปอย่างไร้ประโยชน์นอกแท่งยูเรเนียม และมากกว่า 50% จะพบเป้าหมายในรูปของนิวเคลียสของอะตอม แท่งโลหะนี้ต้องมีขนาดที่เหมาะสม นี่คือสิ่งที่เรียกว่ามวลวิกฤตของยูเรเนียม - มวลที่นิวตรอนที่ปล่อยออกมามากกว่าครึ่งชนกับนิวเคลียสอื่น
อันที่จริงมันเกิดขึ้นได้ในพริบตา จำนวนนิวเคลียสที่แตกแยกเติบโตเหมือนหิมะถล่ม เศษของพวกมันพุ่งไปทุกทิศทุกทางด้วยความเร็วเทียบเท่ากับความเร็วแสง ฉีกอากาศ น้ำ สื่ออื่นใด จากการชนกันของพวกมันกับโมเลกุลของสิ่งแวดล้อม พื้นที่ของการระเบิดจะร้อนขึ้นทันทีเป็นล้านองศา แผ่ความร้อนที่เผาผลาญทุกอย่างในพื้นที่หลายกิโลเมตร
จู่ๆ อากาศร้อนก็ขยายขนาดขึ้นทันที ทำให้เกิดคลื่นกระแทกอันทรงพลังที่พัดอาคารออกจากฐานราก พลิกคว่ำ และทำลายทุกอย่างที่ขวางหน้า … นี่คือภาพการระเบิดปรมาณู
ดูเหมือนในทางปฏิบัติ
อุปกรณ์ของระเบิดปรมาณูนั้นเรียบง่ายอย่างน่าประหลาดใจ มียูเรเนียมสองแท่ง (หรือโลหะกัมมันตภาพรังสีอื่นๆ) ซึ่งแต่ละแท่งมีมวลน้อยกว่ามวลวิกฤตเล็กน้อย แท่งหนึ่งทำเป็นรูปกรวยอีกอันหนึ่งเป็นลูกบอลที่มีรูรูปกรวย อย่างที่คุณอาจเดาได้ เมื่อทั้งสองส่วนรวมกัน จะได้ลูกบอลซึ่งมีถึงมวลวิกฤต นี่คือระเบิดนิวเคลียร์แบบธรรมดาทั่วไป ทั้งสองครึ่งเชื่อมต่อกันโดยใช้การชาร์จ TNT ปกติ (กรวยถูกยิงเข้าบอล)
แต่อย่าคิดว่าใครจะประกอบอุปกรณ์ดังกล่าว "บนเข่า" ได้ เคล็ดลับคือยูเรเนียมจะต้องบริสุทธิ์มากเพื่อให้ระเบิดระเบิดได้ การมีอยู่ของสิ่งสกปรกนั้นแทบจะเป็นศูนย์
ทำไมไม่มีระเบิดปรมาณูขนาดเท่าบุหรี่ซอง
ทั้งหมดด้วยเหตุผลเดียวกัน มวลวิกฤตของไอโซโทปยูเรเนียม 235 ที่พบมากที่สุดคือประมาณ 45 กก. การระเบิดของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จำนวนนี้ถือเป็นหายนะแล้ว และทำอุปกรณ์ระเบิดที่มีน้อยปริมาณของสารเป็นไปไม่ได้ - แค่ใช้ไม่ได้
ด้วยเหตุผลเดียวกัน จึงไม่สามารถสร้างประจุอะตอมที่มีพลังมหาศาลจากยูเรเนียมหรือโลหะกัมมันตภาพรังสีอื่นๆ เพื่อให้ระเบิดมีพลังมาก มันถูกสร้างขึ้นจากแท่งโหล ซึ่งเมื่อจุดชนวนถูกจุดชนวนแล้ว ก็พุ่งไปที่ศูนย์กลาง เชื่อมต่อเหมือนชิ้นสีส้ม
แต่เกิดอะไรขึ้น? ด้วยเหตุผลบางอย่าง หากธาตุสองธาตุมาบรรจบกันเร็วกว่าองค์ประกอบอื่นๆ หนึ่งพันวินาที มวลวิกฤตก็มาถึงเร็วกว่าองค์ประกอบที่เหลือ "มาทันเวลา" การระเบิดก็ไม่เกิดขึ้นกับพลังที่นักออกแบบคาดไว้ ปัญหาของอาวุธนิวเคลียร์ที่ทรงพลังอย่างยิ่งได้รับการแก้ไขด้วยการถือกำเนิดของอาวุธแสนสาหัสเท่านั้น แต่นั่นเป็นเรื่องที่แตกต่างออกไปเล็กน้อย
อะตอมที่สงบสุขทำงานอย่างไร
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ก็คือระเบิดนิวเคลียร์แบบเดียวกัน เฉพาะ "ระเบิด" นี้เท่านั้นที่มีองค์ประกอบเชื้อเพลิง (องค์ประกอบเชื้อเพลิง) ที่ทำจากยูเรเนียมซึ่งอยู่ห่างจากกันซึ่งไม่ได้ป้องกันการแลกเปลี่ยนนิวตรอน "การนัดหยุดงาน"
เชื้อเพลิงทำในรูปแบบของแท่งซึ่งมีแท่งควบคุมที่ทำจากวัสดุที่ดูดซับนิวตรอนได้ดี หลักการทำงานง่ายๆ:
- ควบคุม (ดูดซับ) แท่งเข้าไปในช่องว่างระหว่างแท่งยูเรเนียม - ปฏิกิริยาช้าลงหรือหยุดพร้อมกัน
- แท่งควบคุมจะถูกลบออกจากโซน - ธาตุกัมมันตภาพรังสีแลกเปลี่ยนนิวตรอนอย่างแข็งขัน ปฏิกิริยานิวเคลียร์ดำเนินไปอย่างเข้มข้นมากขึ้น
มันกลับกลายเป็นระเบิดปรมาณูเดียวกันซึ่งมวลวิกฤตมาถึงอย่างราบรื่นและได้รับการควบคุมอย่างชัดเจนเพื่อไม่ให้เกิดการระเบิด แต่เพียงเพื่อให้ความร้อนกับสารหล่อเย็น
แม้ว่าการฝึกปฏิบัติแสดงให้เห็นว่า ไม่ใช่อัจฉริยะของมนุษย์เสมอไปที่จะควบคุมพลังงานมหาศาลและทำลายล้างนี้ได้ - พลังงานแห่งการสลายตัวของนิวเคลียสของอะตอม