มาทำระเบิดกันดีกว่าเริ่มจากยูเรเนียม

ยูเรเนียมบริสุทธิ์นั้นแยกออกมาจากสินแร่ยูเรเนียม โดยส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของออกไซด์ของยูเรเนียม ซึ่งในธรรมชาติยูเรเนียมจะประกอบด้วยไอโซโทป 2 ชนิด คือ ยูเรเนียม – 235 และยูเรเนียม – 238 โดยจะมียูเรเนียม – 238 ประมาณ 99% ของปริมาณยูเรเนียมทั้งหมด ในการนำเอายูเรเนียมมาใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ หรือระเบิดนิวเคลียร์จะต้องใช้ยูเรเนียม – 235 เป็นหลัก ดังนั้นจึงจำเป็นที่จะต้องแยก หรือเพิ่มปริมาณของยูเรเนียม – 235 ให้มีมากขึ้น กรรมวิธีการเพิ่มปริมาณของยูเรเนียม – 235 เรียกว่าการเสริมสมรรถนะ (enrichment) ซึ่งมีอยู่หลายวิธี และวิธีหมุนเหวี่ยง (centrifuge) ก็เป็นวิธีการหนึ่ง เนื่องจากยูเรเนียม – 235 จะมีน้ำหนักเบากว่ายูเรเนียม – 238 โดยอาศัยความแตกต่างของน้ำหนัก เราสามารถที่แยกยูเรเนียม – 235 ออกมาได้

ขั้นตอนแรก นำเอายูเรเนียมออกไซด์ มาทำปฎิกิริยากับกรดไฮโดรฟูลริก (hydrofluoric acid) ก็จะได้ยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ โดยยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ จะสามารถอยู่ได้ทั้งสามสถานะ คือ ของแข็ง (ดังแสดงในรูปที่ 2 ) ของเหลว และแก๊ส ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดัน

เนื่องจากทั้งสองไอโซโทปของยูเรเนียม มีความแตกต่างของมวลไม่มากนัก ในการหมุนเหวี่ยงหนึ่งครั้ง จะสามารถแยกยูเรเนียม – 235 ออกจากยูเรเนียม – 238 ได้ไม่มากนัก ดังนั้น ถ้าต้องการที่จะให้มีปริมาณของอะตอมของยูเรเนียม – 235 มากขึ้น จำเป็นต้องนำเอาแก๊สที่ผ่านการหมุนเหวี่ยงครั้งแรก มาหมุนเหวี่ยงซ้ำอีกหลาย ๆ ครั้ง ในทางปฏิบัติ ก็จะมีเครื่องหมุนเหวี่ยงวางต่อกัน เป็นจำนวนหลายพันเครื่อง ดังแสดงในรูปที่ 4 ผลผลิตสุดท้ายจะได้ยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ ที่มีอะตอมของยูเรเนียม -235 ที่มีปริมาณสูงกว่าที่มีอยู่ในธรรมชาติ มากน้อยขึ้นอยู่กับจำนวนเครื่องหมุนเหวี่ยง

เทคโนโลยีการเสริมสมรรถนะของยูเรเนียมโดยวิธีหมุนเหวี่ยง ได้มีการพัฒนาและใช้ในหลายประเทศ สำหรับตัวเครื่องหมุนเหวี่ยง จะต้องมีความสามารถในการหมุนได้เร็วไม่น้อยกว่า 100,000 รอบต่อนาที ทำจากวัสดุที่นำหนักเบา ทนต่อการกัดกร่อน ต้องมีความสมดุลย์ขณะหมุน

สุดท้าย เป็นการเปลี่ยนยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ให้เป็นโลหะยูเรเนียม โดยการทำปฏิกิริยากับแคลเซียม จะได้เกลือแคลเซียมฟลูออไรด์และโลหะยูเรเนียม

ได้แล้วยูเรเนียม

การใช้ยูเรเนียม 235  เป็นเชื้อเพลิง  ต้องผ่านกระบวนการทำให้มีความเข้มข้น  และบริสุทธิ์ถึง  90  เปอร์เซนต์     เริ่มต้นเชื้อเพลิงจะถูกเก็บไว้ให้อยู่ในสถานะ มวลใต้วิกฤติ   ซึ่งยังไม่เกิดปฏิกิริยาฟิชชั่น  ส่วนสถานะ มวลวิกฤติ   คือมวลที่ถูกกระตุ้น พร้อมแตกตัวเป็นระเบิด

      ระเบิดแบบฟิชชั่น  มีปัญหาสำคัญที่ต้องแก้ให้ได้ดังนี้

• ต้องให้มวลใต้วิกฤติ  2  อัน  เข้าใกล้กันให้มากที่สุด   เพื่อให้เกิดสถานะวิกฤติยิ่งยวด   
• ยิงนิวตรอนอิสระเข้าไปในมวลที่อยู่ในสถานะวิกฤติยิ่งยวด  กระตุ้นให้เกิดฟิชชั่นเพิ่มขึ้น
• ปฏิกิริยาฟิชชั่นทั้งหมดต้องเกิดได้อย่างเพียงพอ จึงจะสามารถจุดระเบิดได้

       เพื่อให้มวลใต้วิกฤติ  2  อันรวมตัวกันเป็นมวลวิกฤติยิ่งยวด  เราใช้เทคนิค  2  วิธีดังนี้

• ใช้ปืนกระตุ้น
• ใช้ระเบิดกระตุ้น

       เครื่องกำเนิดนิวตรอนหรือนิวตรอนเจนเนเรเตอร์ทำจาก โพโลเนียม  และเบอริลเลียม โดยทำให้เป็นเม็ดขนาดเล็ก  และแยกออกด้วยแผ่นฟอยด์   บรรจุอยู่ที่แกนกลางของเชื้อเพลิงฟิชชั่น 

       เหตุการก่อนระเบิดมีดังนี้

1. แผ่นฟอยด์แตกออก  เมื่อมวลใต้วิกฤติ  เข้ามาใกล้กัน  ธาตุโพโลเนียม จะให้อนุภาคแอลฟาออกมาทันทีทันใด
2. อนุภาคแอลฟ่า ชนเข้ากับ เบอริลเลียม  9    ได้ เบอริลเลี่ยม 8  และนิวตรอนอิสระ
3. นิวตรอนกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชั่น

      ปฏิริยาฟิชชั่น  เกิดขึ้นภายในวัสดุเรียกว่า เทมเปอร์  (Temper)   เมื่อเกิดปฏิกิริยาฟิชชั่น ความร้อนของเทมเปอร์จะสูงขึ้น   ขยายตัวอัดเข้ากับแกนกลางของเชื้อเพลิง     และสะท้อนนิวตรอนกลับเข้าไปในแกนกลางเพิ่มประสิทธิภาพของการเกิดฟิชชั่น

ใช้ปืนกระตุ้น(Little boy)

       เป็นวิธีที่ง่ายที่สุด  เพื่อทำให้มวลที่อยู่ใต้สถานะวิกฤติ  เปลี่ยนไปอยู่ในสถานะวิกฤติ โดยใช้ปืนยิงกระสุนยูเรเนียม(มวลใต้วิกฤติ)เข้าในเม็ดเชื้อเพลิงยูเรเนียม -235(มวลใต้วิกฤติ)   ซึ่งล้อมรอบด้วยนิวตรอนเจนเนอร์เรเตอร์ (ตัวให้นิวตรอน)  ลูกกระสุนจะบรรจุอยู่ทางด้านบน  และถูกแรงระเบิดของเชื้อประทุ  ทำให้กระสุนพุ่งลงมาทางด้านล่าง ขั้นตอนเป็นไปตามลำดับดังนี้

• แรงระเบิดจะอัดกระสุนให้พุ่งลงมาทางด้านล่าง
• ลูกกระสุนพุ่งเข้าหาเชื้อเพลิง(สถานะวิกฤติยิ่งยวด)  เวลาเดียวกับนิวตรอนเจนเนอร์เรเตอร์ สร้างนิวตรอน ยิงเข้าไปในนิวเคลียสของยูเรเนียม  เชื้อเพลิงเข้าสู่สภาวะวิกฤติ
• ปฏิกิริยาฟิชชั่นเริ่มขึ้น
• ระเบิดตูม

ใช้ระเบิดกระตุ้น(Fat man)

       นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่า   เราสามารถอัดมวลใต้วิกฤติ  โดยใช้ระเบิด  ซึ่งเป็นหนทางดีที่สุดที่ทำให้มวลเปลี่ยนสถานะไปเป็นมวลวิกฤติได้  อย่างไรก็ตามมีปัญหามากมายเกี่ยวกับความคิดนี้   ว่าจะควบคุมทิศทางของคลื่นกระแทกที่ได้จากระเบิดให้สม่ำเสมออย่างไร   ในโครงการแมนฮัตตัน    ทางทีมงานสามารถแก้ปัญหานี้ได้    โดยทำยูเรเนี่ยม 235 (Temper)  เป็นรูปทรงกลมกลวง    และแกนกลางเป็นพลูโตเนียม 239    ล้อมรอบ ด้วยดินระเบิด   ขั้นตอนของระเบิดเป็นดังนี้

• ทำให้เชื้อระเบิดเกิดการระเบิดขึ้นเพื่อสร้างคลื่นกระแทก(ตกกระทบกับพื้น)

• คลื่นกระแทกจะอัดเชื้อเพลิงพลูโตเนียมด้วยแรงมหาศาล  เข้าไปในแกนกลางที่ทำด้วย  เบอริลเลียมและโพโลเนียม 

• ปฏิกิริยาฟิชชั่นเริ่มต้น

• ระเบิดตูม

เสร็จแล้วระเบิดนิวเคลียส์  ๕๕๕๕

แถม

ปัจจุบันการใช้ประโยชน์จากยูเรเนียมของกองทัพสหรัฐใช้เป็นอาวุธในการทะลุทะลวง (high-density penetrators) กระสุนที่ใช้จะบรรจุด้วยอัลลอยด์ที่มี U-328 ผสมด้วยธาตุอื่น1-2% กระสุนที่ใช้มีตั้งแต่ขนาด 20mm ในปืน Phalanx ของกองทัพเรือ สำหรับใช้ยิงเพื่อทำลายจรวด ไปจนถึงปืนขนาด 30mm ของเครื่องบิน A-10 และปืนขนาด 105mm ของรถถัง เมื่อยิงออกไปด้วยความเร็วสูง กระสุนที่มีความหนาแน่นสูง และมีความแข็ง จะเจาะทำลายเข้าไปในเป้าหมายขนาดใหญ่ได้ รถถังและยานเกราะบางแบบก็มีการเสริมความแข็งแรงด้วยแผ่น U-328 (DU) การใช้อาวุธ DU ทำให้เกิดการโต้แย้งกันทางด้านการเมืองและสิ่งแวดล้อม หลังจากที่สหรัฐ อังกฤษและประเทศอื่นๆ นำกระสุน DU มาใช้ในสงครามอ่าวเปอร์เซีย (Persian Gulf ) และสงครามบาลข่าน (Balkans)