פצצת ביקוע גרעיני

פצצת ביקוע גרעיני (הידועה בשם "פצצת אטום", על-אף שזהו שם מטעה מבחינה מדעית) היא סוג של נשק גרעיני, כלומר נשק המנצל את האנרגיה הרבה שאגורה בגרעיני אטומים הכבדים מברזל. אנרגיה זו משתחררת בתהליך של ביקוע גרעיני שהוא פירוק הגרעין הכבד לגרעינים קלים יותר. אין כלל הקובע מה יהיו גרעיני האטומים הנוצרים, למעט שסך הפרוטונים והנייטרונים חייב להישמר. כדוגמה, גרעין של אורניום²³⁶ אינו יציב, ומתפרק תוך זמן קצר לשני גרעינים נפרדים, שיכולים להיות – אך לא חייבים להיות – גרעין של קריפטון⁹² וגרעין בריום¹⁴¹ בתוספת 3 נייטרונים חופשיים. במהלך הפירוק נפלטות קרני גמא בעוצמה גבוהה, שמקורה בהפרש בין האנרגיה שהחזיקה את הגרעין הכבד וסכום האנרגיות שמחזיקות את הגרעינים שנוצרו. כאמור, עבור כל יסוד כבד מברזל הפרש אנרגיה זה הוא חיובי.

תמונת הפטרייה של פצצת "איש שמן" שהוטלה על נגסאקי, שצולמה ממפציץ בואינג B-29 סופרפורטרס

עוד לפני פיתוח הנשק הגרעיני היה ידוע שבתהליך הביקוע משתחררת אנרגיה רבה מאוד. לדוגמה, גרם בודד של רדיום פולט אנרגיה ששקולה לאנרגיה הנפלטת משריפת מכלית בנזין מלאה, אך לא היה ידוע כיצד לגרום לגרעינים להתפרק באופן יזום כך שיתקבל פרץ קצר ועצום של אנרגיה. עם גילוי תהליך השרשרת נפתרה שאלה זו, ונפתח הפתח לפצצות בהן קילוגרמים ספורים של חומר בקיע פולטים בשבריר שנייה את כמות האנרגיה של עשרות אלפי טונות של חומר נפץ רגיל, וכך גורמות להרס בהיקף חסר תקדים.

פיתוח וייצור נשק גרעיני היוו נקודת מפנה בהיסטוריה של המלחמות ושל היחסים הבין-לאומיים בכלל. לראשונה נוצר איום ממשי של הרג מיליונים תוך דקות, ונוצר מאזן האימה שמרתיע את המעצמות הגרעיניות ממלחמה גלויה זו בזו.

במהלך מלחמת העולם השנייה עסקו ארצות הברית, גרמניה הנאצית ואף האימפריה היפנית בפיתוח נשק גרעיני. למרות הישגים משמעותיים בפרויקט הגרעין של גרמניה הנאצית ושל יפן, רק מאמץ הפיתוח של ארצות הברית – "פרויקט מנהטן" – הגיע לייצור פצצה גרעינית בפועל. ראש הפרויקט האמריקני, הפיזיקאי היהודי רוברט אופנהיימר, זכה לפרסום רב וכונה "אבי פצצת האטום". צוות בראשות אנריקו פרמי השיג את תגובת השרשרת הגרעינית מעשי ידי אדם הראשונה בעולם. בשנת 1942 וב־1945 נוסה הנשק הגרעיני לראשונה באתר טריניטי, סמוך לאלאמוגורדו, ניו מקסיקו. בעקבות הצלחת הניסוי יוצרו שתי פצצות ביקוע גרעיני, שהוטלו על הערים היפניות הירושימה ועל נגסאקי. מספר ימים לאחר הטלת פצצת האטום על נגסאקי, נכנעה יפן ללא תנאים, ובכך למעשה באה לסיומה מלחמת העולם השנייה. מאז לא הופעל עוד נשק גרעיני במלחמה.

66,000 איש נהרגו כתוצאה מיידית מהתפוצצות הפצצה בהירושימה. 60,000 איש נוספים מתו עד סוף 1945 כתוצאה מפגיעות שגרמה להם הפצצה, ורבבות אנשים נוספים סבלו מנזקי הקרינה הרדיואקטיבית במשך שנים רבות.

ברית המועצות פוצצה את הפצצה הגרעינית הראשונה שלה RDS-1 ב-29 באוגוסט 1949. תכנון הפצצה התבסס בעיקר על התכנון האמריקאי, שאותו קיבלה ברית המועצות מהמרגל קלאוס פוקס, אך ייתכן שהידע שלה התבסס גם על מתקנים של גרמניה הנאצית, בשטח מזרח גרמניה לשעבר.

עוצמתה של פצצת ביקוע גרעיני נמדדת בקילוטון TNT (בקצרה "קילוטון"). עוצמתה של "ילד קטן", פצצת האטום שהוטלה על הירושימה, הייתה כ-13 עד 16 קילוטון TNT.

תהליך מקביל המפיק אנרגיה רבה יותר הוא היתוך גרעיני, שבו מתחברים גרעיני אטומים קלים ליצירת אטום כבד יותר, והוא התהליך המניע את השמש וגם הבסיס לפעולתה של פצצה תרמו-גרעינית המכונה גם "פצצת מימן".

היסטוריה

ערך מורחב – היסטוריה של הנשק הגרעיני

נזקים

הנזקים המיוחסים לפצצות ביקוע גרעיני ולפצצות תרמו גרעיניות הם (בסדר יורד לפי עוצמת הנזק לרקמות אורגניות):

1. גל הדף (shock wave)

מקובל להניח שבפצצת ביקוע גרעיני "רגילה" (בסדר הגודל של פצצת "ילד קטן") יהיה "הרס מוחלט" (מוגדר כ-80% מקרי מוות – מעל 1 אטמוספירה) כתוצאה מעוצמת גל ההדף ברדיוס של כ-500 מטר ו"הרס כבד" (מוגדר כ-15% מקרי מוות – מעל 0.3 אטמוספירה) ברדיוס 1 ק"מ. שטחים אלו יגדלו משמעותית אם הפיצוץ יהיה כמה מאות מטרים מעל גובה הקרקע. יחד עם זאת, מקלטים וממ"דים בישראל אמורים לשרוד את רוב ההדף שכן התקן קובע שמבנים אלו עמידים בהדף של מעל 1 אטמוספירה. כעובדה בנגסקי שרד אדם במקלט הפצצה רגיל, שהיה מרוחק 150 מטר בלבד ממוקד הפיצוץ.

2. קרינה תרמית (light emission)

כוויות קשות ואף התאיידות של אנשים החשופים וקרובים לפיצוץ, ושריפות מבנים. עוצמת ההרס תלויה בעוצמת גלי השריפות, בטיב הבניה וכדומה.

3. קרינה מייננת (ionizing radiation)

עוצמת הקרינה קטנה בכמחצית, מדי 150 מטר. הקרינה קטלנית לרקמות וגם כאן הטווח הקטלני נאמד בכמה מאות מטרים, בפצצה מהגודל של "ילד קטן".

4. נשורת/זיהום רדיו-אקטיבי (fallout / radioactive contamination)

הנשורת נוצרת רק אם הפיצוץ היה קרוב מאוד לקרקע. האבק המיונן מתחיל לנשור מהפטרייה בגובה קילומטרים רבים כחצי שעה לאחר הפיצוץ. עוצמת הנזק תלויה במשטר הרוחות ובפצצה מהגודל של "ילד קטן" יכולה להגיע לכ-20 ק"מ. הנשורת נחשבת קטלנית ב-48 השעות הראשונות לאדם ללא הגנה, ולאחר מכן עוצמתה דועכת עד ל-1% מכמות הקרינה הראשונית, אך גם אז אין להישאר יותר מכמה שעות בשטח הנגוע ללא הגנה. הגנה מנשורת פרושה הימנעות משהיה באוויר שבו יש חלקיקי נשורת, הימנעות ממגע במשטחים עליהם שקע אבק נשורת, והימנעות משתיית מים שזוהמו באבק נשורת. שהייה בחדר סגור ששרד את הפיצוץ ומכיל לכל הפחות מים נקיים ואפשרויות סניטריות בסיסיות מגנה מפני נשורת, אך מאחר שיש לאוורר את החדר על מנת להימנע ממוות בחנק או מכת חום ההגנה אינה מוחלטת. ממ"דים בישראל מצוידים במערכת טיהור אוויר שמורידה את הסיכון לאפס. שבועיים אחרי הפצצה ניתן לנוע בחוץ בבטחה כמה שעות – די והותר ליציאה משטח נגוע גם בהליכה.

5. דופק (פולס) אלקטרו-מגנטי (electromagnetic pulse)

נזק זה אינו גורם לפגיעה ישירה בחיי אדם, אך עלול לגרום לנזק כלכלי ותעשייתי חמור. מערכות מחשב רבות – בין השאר של מערכות חיוניות כגון מים וחשמל – עלולות להינזק עקב הזרם הרגעי העובר במוליכים בעוצמה גבוהה.

סוגי פצצות

קיימים שני סוגים של פצצות גרעיניות: אורניום ופלוטוניום. על מנת להרכיב ולהשמיש את חומר הגרעין יש צורך באורניום או פלוטוניום מועשר, טיל גרעיני, ראש נפץ גרעיני ומרעום.

פצצת אורניום

על-מנת להרכיב פצצת אורניום יש צורך באורניום מועשר ברמה גבוהה. כדי להעשיר אורניום נדרשת שרשרת צנטריפוגות. הצנטריפוגה הטובה ביותר היא כזו המסתובבת במהירות גבוהה ככל הניתן, צרה וארוכה – בצנטריפוגות מסוג זה משתמשים האירופאים והאמריקאים. קיימות גם צנטריפוגות רחבות וקצרות – בצנטריפוגות מסוג זה משתמשים הרוסים. תוכנית הגרעין האיראנית משלבת בין שני סוגי צנטריפוגות אלו ואף כוללת פיתוח של סוג צנטריפוגה חדש, המכונה בשם IR-2.

כמויות האורניום שברמת העשרה גבוהה יותר מתרכזות באזור מרכז הצנטריפוגה ונשאבות על ידי משאבה לצנטריפוגה הבאה בשרשרת, שם אחוז ההעשרה וריכוז האורניום המועשר הרבה יותר גבוה, וכן הלאה לצנטריפוגות הבאות בשרשרת.

פצצת פלוטוניום

פצצת פלוטוניום ניתן להרכיב רק בכור מים כבדים, אליו מכניסים צינורות אורניום המתגבשים במים לפלוטוניום.^{[דרושה הבהרה]}

מבנה

מנגנון ירי

הדגמת פעולת מנגנון ירי התותח, בפצצה "ילד קטן"

מנגנון הירי, המנגנון שבפצצה "ילד קטן" – שהוטלה על הירושימה, הוא מנגנון שמבוסס על הפרדת החומר הבקיע לשתי מסות תת-קריטיות, וירי אחת מהן אל השנייה למטרת הביקוע. החומר הבקיע במנגנון זה הוא אורניום מועשר (כלומר אורניום שרובו עשוי מהאיזוטופ הרדיו אקטיבי אורניום 235, אשר באורניום טבעי הוא מהווה אחוז קטן מהרכב החומר שרובו מורכב מאורניום-238). את המסה הקריטית של האורניום המועשר, מפרידים לשתי מסות תת-קריטיות, בצורה של "קליע" ו"מטרה". שתי המסות נמצאות בקנה ירי, וכדי ליצור את תגובת השרשרת הגרעינית, נורה ה"קליע" אל ה"מטרה", ובכך מתחבר אליה, יוצר מסה קריטית ומתחיל את הביקוע הגרעיני. יעילות מנגנון הירי נמוכה למדי שכן רק אחוז קטן מהאורניום עובר את תהליך הביקוע הגרעיני, ולמנגנון פוטנציאל גדול לתאונות: התרסקות מטוס, שרפה או מכת ברק עלולים להפעילו וליצור תגובת שרשרת גרעינית.

מנגנון קריסה

אנימציה של מנגנון הקריסה

מנגנון הקריסה, המנגנון שבפצצה "איש שמן" – שהוטלה על נגסאקי, הוא מנגנון המבוסס על דחיסה של מסה תת-קריטית עד מצב של מסה על-קריטית. החומר המתבקע במנגנון זה הוא פלוטוניום Pu-239, או אורניום מזוקק U-235. המנגנון מבוסס על ליבת מסה תת-קריטית של פלוטוניום או אורניום, שממוקמת במרכז מסה כדורית של חומר נפץ רגיל. כדי ליצור את תהליך הביקוע, מוצת בו-זמנית חומר הנפץ שמסביב לליבה, ובכך יוצר לחץ סימטרי עצום אל תוך ליבת הפלוטוניום. ליבת הפלוטוניום נדחסת, וצפיפותה מתגברת עד כדי היווצרות מסה על-קריטית המאפשרת את הליך ביקוע הגרעין. הבעיה בדבר הזה נובעת מהקושי לוודא שתהליך הדחיסה יהיה סימטרי באופן מדויק. דחיסה לא-סימטרית תביא לפליטת מסת הפלוטוניום אל מחוץ לגוף הפצצה, ובכך לשיבוש תהליך הביקוע ולפיצוץ בלתי-יעיל. על הקושי ניתן להתגבר בעזרת מנגנון לוויסות עוצמת פיצוץ חומר הנפץ הרגיל עד להשגת גל הדף בסימטריות הרצויה. מנגנון הקריסה יעיל ובטיחותי יותר ממנגנון הירי, שכן כדי ליצור תהליך ביקוע יש ליצור תהליך דחיסה מדויק מאוד ולא מקרי.

תיאור סכמטי של פצצת ביקוע גרעיני

ראו גם

• פצצת מימן – פצצה אדירה הרבה יותר, אשר משתמשת בפצצת אטום כמצת
• פצצת נייטרון – פצצה גרעינית שמפיקה פיצוץ קטן יחסית, אך מקרינה כמות רבה של נייטרונים קטלניים

לקריאה נוספת

• ג'ים באגוט, הפצצה – ההיסטוריה הסודית של פצצת האטום 1939–1949, ספרי עליית הגג וידיעות ספרים, 2012

קישורים חיצוניים

• יהושע סוקול, איום גרעיני בהיבט מעשי
• בלדד השוחי, מה ההבדל בין פצצת אטום ופצצת מימן?, באתר ערוץ עשר
• עמוס נצר, הצל המאיים, ה-8 במאי, 14 באוקטובר 2014
• איך עובדת פצצה גרעינית
• וילפרד ברצ'ט, אנשים שלא נפגעו מהפצצה מתים ממשהו שאני יכול לתאר רק כמגפה אטומית, באתר הארץ, 6 באוגוסט 2005
• פיצוח האטום, הארץ, 31 ביולי 2009
• ארצות הברית שמה סוף לפצצת האטום החזקה ביותר, באתר ynet, 25 באוקטובר 2011
• נפצי אטום לסוגיהם ופגיעתם, מערכות 101, יוני 1956
• 14,900 פצצות גרעין מאיימות עליכם; מי מחזיק בהן, באתר כלכליסט, 29 בינואר 2017
• "רדיו־אקטיבי" – תולדות הפצצה האטומית וסיפורה של הפצצה השלישית, בפודקאסט "מינהר הזמן", "כאן", תאגיד השידור הישראלי
• אורי טייכמן, הפצצה הנוראה מכל, במדור "מדע במבט-על" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 6 באוגוסט 2020