פצצת האטום: המדע, הטכנולוגיה והסודות מאחורי הנשק הגרעיני
בוקר קיץ חם באוגוסט 1945. מפציץ B-29 בשם "אנולה גיי" חתך את שמי יפן לעבר העיר הירושימה. במפרץ הפצצות שלו נשא המטוס נשק שלא היה דומה לו בהיסטוריה, פצצת אטום שכונתה "ילד קטן". הפיצוץ ששוחרר באותו בוקר, בעוצמה של 15,000 טון חומר נפץ, היה תוצאה של מאמץ מדעי חסר תקדים שהחל 3 שנים קודם לכן. אבל מאחורי הפיצוץ עמדה בעיה שכמעט הכשילה את כל הפרויקט: הטבע הסתיר את המפתח לנשק הזה בצורה כמעט בלתי אפשרית לפיענוח.
הבעיה התחילה עם חומר הידוע בעולם בשם אורניום, באורניום בו יש שני סוגים שנראים זהים לחלוטין אבל הם ממש שונים, יש את הסוג הנדיר U-235, שהוא רק 0.7% מכל האורניום בעולם, ויש את הסוג הרגיל U-238 שהוא 99.3% מהאורניום. אבל רק הסוג הנדיר יכול להתפוצץ ולשחרר אנרגיה ענקית.
תדמיינו כדור שפוגע בלבנה אחת, והיא מתפוצצת ל-2-3 כדורים חדשים, הכדורים החדשים פוגעים בלבנים נוספות, ואלה מתפוצצות ומשחררות עוד כדורים, וכך הלאה עד שבתוך שבריר שנייה קורים מיליוני פיצוצים, זה מה שנקרא "תגובת שרשרת" וזה מה שקורה כשהסוג הנדיר מתפוצץ. הבעיה היא שה-U-238 הרגיל לא מתפוצץ, והוא דווקא בולם את הכדורים ועוצר את התגובה.
האתגר של המדענים היה אפוא להפריד בין שני הסוגים, שזהים לחלוטין מבחינת תכונותיהם ורק המשקל שלהם שונה במעט, ובנוסף לאסוף את הנדיר ולהגדיל את הכמות שלו מ-0.7% ל-90%. זה בערך כמו לנסות להפריד בין גרגרי אורז שמשקלם שונה רק באלפית גרם, כשצריך לעבד טונות כדי לקבל כמה ק"ג של החומר הנכון.
טכנולוגיות העשרה: מפרויקט מנהטן ועד היום
הגנרל לסלי גרובס, מפקד פרויקט מנהטן, עמד בפני החלטה קשה. אף אחת משיטות ההעשרה שהוצעו לא הוכחה בקנה מידה תעשייתי, והזמן דחק היה חשש שגרמניה הנאצית מפתחת נשק דומה. במקום לבחור שיטה אחת ולקוות לטוב, גרובס קיבל החלטה נועזת: לפתח 4 שיטות שונות במקביל, למרות העלות העצומה.
השיטה הראשונה הייתה הפרדה אלקטרומגנטית, שפותחה במתקן Y-12 באוק רידג'. המכשירים, שנקראו קלוטרונים, הקלוטרונים הצליחו להעשיר את האורניום הנדיר ל-13-15%, אך היעילות הייתה נמוכה להחריד: רק 0.017% יצא חומר שמיש, זה אומר מתוך קרוב ל-6 טון יצא ק"ג אחד בלבד.
השיטה השנייה, דיפוזיה גזית, במתקן K-25, הייתה המבטיחה ביותר אך גם המאתגרת ביותר. התהליך היה איטי וכל שלב העשיר את האורניום רק במעט, ולכן היו צריכים אלפי שלבים. עד אפריל 1945 המתקן הצליח להגיע להעשרה של 1.1% בלבד.
השיטה השלישית, דיפוזיה תרמית, הייתה מתקן ענק עם למעלה מ-2,000 עמודות בגובה של בניין בן 5 קומות. בסופו של דבר, שלוש השיטות עבדו יחד כמו קו ייצור במפעל: התחנה הראשונה (S-50) לקחה את האורניום הגולמי והעלתה את כמות החומר השמיש שבו מ-0.71% ל-0.89%, זה נשמע שיפור קטן, אבל זה משמעותי. אחר כך התחנה השנייה (K-25) המשיכה לסנן ולהעלות את האחוזים, והתחנה השלישית (Y-12) סיימה את העבודה והגיעה לתוצר הסופי של 80-90% חומר שמיש. כל תחנה הוציאה עוד קצת מהחומר הלא שמיש.
השיטה הרביעית, צנטריפוגות גז, פותחה אך לא הגיעה לשימוש מלא במהלך המלחמה. היא התבססה על סיבוב מהיר של גלילים המכילים גז אורניום הקסה-פלואוריד. כיום, צנטריפוגות גז מייצרות כמעט 100% מהאורניום המועשר בעולם, ונחשבות ליעילות וחסכוניות משמעותית משיטות קודמות.
מתכנון לפיצוץ: הפצצות שהרסו יפן
כשהאורניום המועשר התחיל להגיע, המדענים בלוס אלמוס, בראשות הפיזיקאי רוברט אופנהיימר, התמודדו עם שאלה מורכבת: איך הופכים חתיכת מתכת לפצצה? התשובה טמנה במושג "מסה קריטית",הכמות המינימלית של חומר בקיע הנדרשת כדי לשמור על תגובת שרשרת עצמית-מתקיימת. עבור הסוג הנדיר U-235, המסה הקריטית היא כ-50 ק"ג בצפיפות רגילה. אבל יש כאן בעיה: אם מניחים 50 ק"ג של החומר הזה בחדר, לא קורה כלום. כי חלק מהנויטרונים בורחים החוצה לפני שהם פוגעים באטום נוסף, והמסה נשארת תת-קריטית.
המפתח הוא צפיפות. ככל שהחומר צפוף יותר, הנויטרונים צריכים לנוע מרחק קצר יותר כדי לפגוע באטום הבא, והסיכוי שהם יברחו החוצה יורד. לכן, מה שנקרא בדרך כלל "מסה קריטית" הוא למעשה צפיפות מסה קריטית. העיצוב הראשון, שנקרא "הרכבת אקדח", היה פשוט יחסית: שתי חתיכות תת-קריטיות של אורניום ממוקמות בשני קצוות של קנה אקדח. אחת מעוצבת ככדור, והשנייה כגליל חלול שמתאים בדיוק סביבו. חומר נפץ קונבנציונלי יורה את הכדור במהירות גבוהה לתוך הגליל, והן מתאחדות למסה על-קריטית אחת. ברגע שזה קורה, מקור נויטרונים מזריק נויטרונים לתוך המסה, ותגובת השרשרת מתחילה.
הפצצה שהוטלה על הירושימה השתמשה בעיצוב זה. היא הכילה 64 ק"ג של אורניום עם העשרה ממוצעת של 80%, כלומר כ-51 ק"ג של U-235 טהור. התפוקה הייתה 15 קילוטון, שווה ערך ל-15,000 טון של חומר נפץ TNT. אבל היעילות הייתה נמוכה להפליא: רק כ-2% מהאורניום עבר ביקוע בפועל. השאר, המייצג את רוב התפוקה השנתית של מפעלי Y-12 הענקיים, פשוט התפזר לאוויר. הבעיה הייתה במהירות: ברגע שתגובת השרשרת התחילה, האורניום התחמם והתרחב במהירות, והצפיפות ירדה עד שהמסה הפכה חזרה לתת-קריטית.
במקביל, נפתח מסלול שני: ייצור פלוטוניום. פלוטוניום-239 כמעט לא קיים בטבע, אבל ניתן לייצר אותו בכורים גרעיניים. בהנפורד שבוושינגטון, נבנו כורים ענקיים שייצרו את הפלוטוניום הנדרש. המסה הקריטית של פלוטוניום קטנה בהרבה מזו של אורניום, רק 16 ק"ג בצפיפות רגילה, וניתן להקטין אותה עוד יותר על ידי דחיסה.
רק שבפלוטוניום הייתה בעיה קריטית. באפריל 1944, כאשר דגימת הפלוטוניום הראשונה מכור X-10 הגיעה ללוס אלמוס, הפיזיקאי אמיליו סגרה גילה משהו מדאיג: הפלוטוניום שגדל בכור הכיל לא רק Pu-239 אלא גם כמות משמעותית של Pu-240. לאיזוטופ הזה יש תכונה בעייתית, הוא עובר "ביקוע ספונטני" בקצב גבוה פי חמישה מ-Pu-239, כלומר הוא משחרר נויטרונים באופן רציף. בעיצוב הרכבת אקדח, שבו ההרכבה לוקחת כמה מילישניות, נויטרון אקראי היה מתחיל את תגובת השרשרת כשההרכבה בקושי על-קריטית, מה שהיה גורם לפיצוץ חלש ומוקדם מדי. הפלוטוניום לא יכול היה לשמש בעיצוב אקדח.
הפתרון הגיע מהפיזיקאי סת' נדרמאייר: התפוצצות פנימה. במקום לירות חתיכה אחת לתוך אחרת, יש להניח כדור תת-קריטי של פלוטוניום במרכז מעטפת חלולה של חומר נפץ. כאשר החומר הנפץ מתפוצץ, הוא יוצר גל הלם כדורי שדוחס את הפלוטוניום פנימה. הדחיסה מגבירה את הצפיפות פי כמה תוך מיקרו-שניות בודדות, מהר מדי בשביל שביקוע ספונטני יפריע. העיצוב הסופי של "איש שמן" דמה לכדור כדורגל, עם 32 עדשות נפץ, 20 משושות ו-12 מחומשות. כל עדשה הייתה צריכה להתפוצץ בזמן מדויק עד לחלקיקי שנייה זעירים כדי ליצור גל הלם כדורי מושלם.
בתוך חומר הנפץ היה דוחף אלומיניום, ואחריו מעטפת של אורניום טבעי שתפקידה כפול: ראשית, להחזיק את המסה הקריטית ביחד זמן רב ככל האפשר, כמו בקבוק לחץ שמונע מהפלוטוניום להתרחב. שנית, להחזיר נויטרונים שמנסים לברוח חזרה לליבה, ובכך להגביר את היעילות. חלק מאטומי האורניום במעטפת עצמה יעברו ביקוע מהנויטרונים המהירים שמגיעים אליו. "איש שמן" השתמש ב-6.2 ק"ג של Pu-239 בלבד, רק 41% ממסה קריטית של כדור חשוף. בזכות המעטפת והדחיסה, כ-20% מהפלוטוניום עבר ביקוע בפועל, יעילות גבוהה פי עשרה מ"ילד קטן". התפוקה הייתה 21 קילוטון.
ב-16 ביולי 1945, בשעה 5:30 בבוקר, התקיים ניסוי הגרעין הראשון בהיסטוריה במדבר אלמוגורדו, ניו מקסיקו. הנשק, שכונה "הגאדג'ט", היה עיצוב התפוצצות פנימה זהה לאיש שמן. הוא הורם לראש מגדל פלדה בגובה כ-30 מטר, פיצוץ באוויר ממקסם את האנרגיה המופעלת על המטרה ומפחית נשורת רדיואקטיבית. הפיצוץ שווה ערך לכ-20 קילוטון. גל ההלם הורגש במרחק רב, וענן הפטרייה הגיע לגובה ניכר.
3 שבועות מאוחר יותר, ב-6 באוגוסט 1945, הוטלה 'ילד קטן' על הירושימה. הפצצה התפוצצה בגובה של כ-530 מטר, ושטח של כ-12 קמ"ר נהרס. ההערכות המוקדמות דיברו על 66,000 הרוגים ו-69,000 פצועים; הערכות מאוחרות יותר הגיעו למסקנה שעד דצמבר 1945 מספר ההרוגים הגיע ל-140,000. ב-9 באוגוסט, 'איש שמן' הוטלה על נגסאקי בתפוקה של 21 קילוטון. חלק ניכר מהעיר נהרס, והערכות הנפגעים נעות בין 40,000 ל-80,000 הרוגים ועשרות אלפי פצועים.
העלות הכוללת של פרויקט מנהטן הייתה 1.89 מיליארד דולר. רוב העלויות הוצאו על מפעלי ההעשרה באוק רידג' ובהנפורד, לייצור האורניום המועשר והפלוטוניום שתדלקו את הפצצות.
תגובות (4)