Γιατί είναι ακόμα τόσο δύσκολο να φτιάξεις πυρηνικά όπλα;

Μια ασπρόμαυρη φωτογραφία ενός μεγάλου σύννεφου μανιταριού από μια πυρηνική έκρηξη.

Οι επιστήμονες κατασκευάζουν πυρηνικά όπλα για περισσότερα από 80 χρόνια, αλλά η κατασκευή αυτής της τεχνολογίας παραμένει μια πρόκληση.

Η πρώτη δοκιμή πυρηνικών όπλων, με την κωδική ονομασία «Trinity», έλαβε χώρα στην έρημο του Νέου Μεξικού στις 5:30 π.μ. στις 16 Ιουλίου 1945. Αυτή η δοκιμή ήταν μια απόδειξη της ιδέας για τη μυστική πυρηνική επιστήμη που έλαβε χώρα στο Λος Άλαμος ως μέρος του Έργου Μανχάταν κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου και θα οδηγούσε στη ρίψη των ατομικών βομβών, στο Ναγκαάκι της Ιαπωνίας λίγες εβδομάδες αργότερα στο Hiroshi.

Από εκείνες τις εκρήξεις, η ανάπτυξη πυρηνικών όπλων έχει επιταχυνθεί. Χώρες σε όλο τον κόσμο έχουν κατασκευάσει τα δικά τους πυρηνικά αποθέματα , συμπεριλαμβανομένων πάνω από 5.000 πυρηνικών κεφαλών που κατέχουν οι ΗΠΑ.

Ωστόσο, παρόλο που τα βασικά στοιχεία αυτής της τεχνολογίας δεν είναι πλέον μυστικά, η ανάπτυξη πυρηνικών όπλων παραμένει μια επιστημονική και μηχανική πρόκληση. Αλλά γιατί τα πυρηνικά όπλα εξακολουθούν να είναι τόσο δύσκολο να παραχθούν;

Ένα μεγάλο μέρος της δυσκολίας προέρχεται από την εξαγωγή των χημικών στοιχείων που χρησιμοποιούνται μέσα σε αυτά τα όπλα για να δημιουργηθεί μια έκρηξη, είπε ο Χανς Κρίστενσεν , διευθυντής του Έργου Πυρηνικών Πληροφοριών στην Ομοσπονδία Αμερικανών Επιστημόνων.

«Αυτή η βασική ιδέα μιας πυρηνικής έκρηξης είναι ότι τα πυρηνικά [σχάσιμα] υλικά διεγείρονται για να απελευθερώσουν την τεράστια ενέργειά τους», είπε. «Η παραγωγή σχάσιμου υλικού επαρκούς καθαρότητας και επαρκούς ποσότητας είναι πρόκληση [και] αυτή η παραγωγή απαιτεί σημαντική βιομηχανική ικανότητα».

Η τεράστια απελευθέρωση ενέργειας ονομάζεται αντίδραση πυρηνικής σχάσης . Όταν συμβεί αυτή η αντίδραση, ξεκινά μια αλυσιδωτή αντίδραση όπου τα άτομα χωρίζονται για να απελευθερώσουν ενέργεια. Αυτό είναι το ίδιο είδος αντίδρασης που καθιστά δυνατή την πυρηνική ενέργεια .

Εμπλουτισμός ουρανίου και πλουτωνίου

Το σχάσιμο υλικό μέσα σε μια πυρηνική βόμβα είναι κυρίως ισότοπα ουρανίου και πλουτωνίου, τα οποία είναι ραδιενεργά στοιχεία, είπε  ο Μάθιου Ζέρφι , καθηγητής πρακτικής στην πυρηνική μηχανική στο Penn State. Το πιο κοινό ισότοπο του ουρανίου, το ουράνιο-238 (U-238), εξορύσσεται και στη συνέχεια περνά από μια διαδικασία εμπλουτισμού για να μετατρέψει ένα μέρος σε ένα άλλο ισότοπο, το ουράνιο-235 (U-235), το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί πιο εύκολα σε πυρηνικές αντιδράσεις.

«Ένας τρόπος εμπλουτισμού ουρανίου είναι να το μετατρέψουμε σε αέριο και να το περιστρέψουμε πολύ γρήγορα σε φυγοκεντρητές», είπε ο Ζέρφι. «Λόγω της διαφοράς μάζας μεταξύ U-235 και U-238, τα ισότοπα χωρίζονται και μπορείτε να διαχωρίσετε το U-235».

Για ουράνιο οπλικής ποιότητας, το 90% ενός δείγματος U-238 πρέπει να μετατραπεί σε U-235, είπε ο Zerphy. Το πιο δύσκολο κομμάτι αυτής της διαδικασίας, που μπορεί να διαρκέσει εβδομάδες έως μήνες, είναι ο χημικός μετασχηματισμός του ίδιου του στοιχείου, το οποίο απαιτεί εντατική ενέργεια και εξειδικευμένο εξοπλισμό. Ένας χημικός κίνδυνος κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας είναι η πιθανή απελευθέρωση εξαφθοριούχου ουρανίου (UF6), μιας εξαιρετικά τοξικής ουσίας που, εάν εισπνευστεί, μπορεί να βλάψει τα νεφρά, το συκώτι, τους πνεύμονες, τον εγκέφαλο, το δέρμα και τα μάτια.

Η διαδικασία εμπλουτισμού πλουτωνίου στον ίδιο βαθμό είναι ακόμη πιο δύσκολη, είπε, επειδή αυτό το στοιχείο δεν εμφανίζεται φυσικά όπως το ουράνιο. Αντίθετα, το πλουτώνιο είναι υποπροϊόν των πυρηνικών αντιδραστήρων, πράγμα που σημαίνει ότι για να χρησιμοποιήσουν το πλουτώνιο, οι επιστήμονες πρέπει να χειρίζονται ραδιενεργό, αναλωμένο πυρηνικό καύσιμο και να επεξεργάζονται το υλικό μέσω «έντονης» χημικής εναπόθεσης. Η επεξεργασία αυτού του υλικού μπορεί επίσης να θέσει σε κίνδυνο την ασφάλεια εάν μια κρίσιμη μάζα συλλεχθεί κατά λάθος, είπε ο Zerphy, η οποία είναι η μικρότερη ποσότητα σχάσιμου υλικού που απαιτείται για τη διατήρηση μιας αυτοσυντηρούμενης αντίδρασης σχάσης.

«Θα είσαστε πολύ προσεκτικοί για να μη συμβεί κάτι τέτοιο ενώ βρίσκεστε στη διαδικασία κατασκευής αυτών των εξαρτημάτων για να βεβαιωθείτε ότι τα πράγματα δεν ενώνονται κατά λάθος και δεν εισέρχονται σε κάποιο είδος κρισιμότητας», είπε, η οποία θα μπορούσε να οδηγήσει σε τυχαία έκρηξη.

Η παραγωγή πυρηνικών όπλων είναι δαπανηρή, απαιτεί εξειδικευμένο εξοπλισμό και ενέχει πολλαπλούς κινδύνους.(Από: Peter Zelei Images μέσω Getty Images).

Αν και οι επιστημονικές αρχές της συνένωσης αυτών των συστατικών είναι καλά κατανοητές, η δημιουργία και ο έλεγχος αυτής της αντίδρασης σε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μπορεί να είναι ακόμα δύσκολος.

«Τα όπλα είναι σχεδιασμένα έτσι ώστε να πυροδοτούν μια υπερκρίσιμη μάζα σχάσιμου υλικού που δημιουργείται πολύ γρήγορα… σε έναν πολύ μικρό χώρο», είπε ο Ζέρφι. «Αυτό προκαλεί μια εκθετική αύξηση στον αριθμό των σχισμών που εξαπλώνονται σε όλο το υλικό σχεδόν ακαριαία».

Αυτή η γρήγορη εξάπλωση της ατομικής σχάσης είναι ένα μεγάλο μέρος αυτού που κάνει μια πυρηνική αντίδραση τόσο καταστροφική, είπε.

Στην περίπτωση των θερμοπυρηνικών όπλων, τα οποία αναπτύχθηκαν μετά τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο και χρησιμοποιούν συνδυασμό πυρηνικής σχάσης και σύντηξης για να δημιουργήσουν μια ακόμη ισχυρότερη έκρηξη, μια τυπική αντίδραση σχάσης πρέπει στη συνέχεια να πυροδοτήσει μια δευτερεύουσα και ισχυρότερη αντίδραση σύντηξης. Αυτή η αντίδραση σύντηξης είναι το ίδιο είδος δύναμης που βρίσκεται στο κέντρο του ήλιου.

Δοκιμές πυρηνικών όπλων

Μόλις δημιουργηθούν αυτά τα όπλα, οι επιστήμονες και οι μηχανικοί πρέπει να είναι σίγουροι ότι τα όπλα θα λειτουργήσουν όπως χρειάζεται, εάν χρησιμοποιηθούν ποτέ. Όταν αναπτύχθηκαν για πρώτη φορά τα πυρηνικά όπλα, οι επιστήμονες θα δοκίμαζαν τα όπλα οι ίδιοι σε τοποθεσίες δοκιμών  (που κατέστρεψαν το περιβάλλον των «έρημων» περιοχών όπου δοκιμάστηκαν, καθώς και ανθρώπους και ζώα που ζούσαν εκεί κοντά ). Αντίθετα, οι σύγχρονες δοκιμές όπλων βασίζονται σε μοντέλα υπολογιστών. Αυτό είναι μέρος του έργου που επιτελείται από την Εθνική Διοίκηση Πυρηνικής Ασφάλειας (NNSA).

«Το NNSA… αναπτύσσει εργαλεία για την πιστοποίηση εξαρτημάτων όπλων, διασφαλίζοντας τη βιωσιμότητα και την αποτελεσματικότητά τους σε διάφορα σενάρια» δήλωσε εκπρόσωπος της NNSA .«Αυτό περιλαμβάνει προηγμένες προσομοιώσεις χρησιμοποιώντας συστήματα υπερυπολογιστών, επιστημονικών υλικών και μηχανική ακριβείας για να διασφαλιστεί η λειτουργία των όπλων όπως προβλέπεται».

Τελικά, η πολυπλοκότητα και οι προκλήσεις της κατασκευής αυτών των όπλων μπορεί να εξηγήσουν γιατί υπάρχουν τόσο λίγες πυρηνικές υπερδυνάμεις στον κόσμο σήμερα.

Γεωδίφης με πληροφορίες από τη σελίδα livescience

https://www.livescience.com/physics-mathematics/why-is-it-still-so-hard-to-make-nuclear-weapons