سلاح انشطاري معزز

سلاح الانشطار المعزز هو نوع من الأسلحة النووية يستخدم كمية صغيرة من وقود الاندماج لزيادة معدل، وبالتالي قوة، تفاعل الانشطار النووي . تتحد النيوترونات السريعة المنبعثة من تفاعلات الاندماج مع النيوترونات السريعة المنبعثة من تفاعلات الانشطار، مما يسمح بحدوث المزيد من تفاعلات الانشطار الناتجة عن النيوترونات. وبذلك، يزداد معدل الانشطار بشكل كبير، بحيث تخضع كمية أكبر من المادة الانشطارية للانشطار قبل أن يتفكك قلب المفاعل بشكل انفجاري. يتكون الوقود عادةً من خليط غازي من الديوتيريوم والتريتيوم بنسبة 50-50 . لا تضيف عملية الاندماج نفسها سوى كمية ضئيلة من الطاقة إلى العملية، ربما 1%. ^{[ 1 ]}

تتمثل الفائدة الرئيسية للتعزيز في زيادة تصغير حجم الأسلحة النووية، إذ يقلل من الحد الأدنى لوقت الحصر بالقصور الذاتي اللازم لحدوث انفجار نووي فوق حرج، وذلك بتوفير تدفق مفاجئ من النيوترونات السريعة قبل أن تتفكك الكتلة الحرجة . فبينما كان قطر قنبلة " الرجل البدين" الضخمة 1.5 متر (5 أقدام) وتتطلب 3 أطنان من المتفجرات شديدة الانفجار للانضغاط، يمكن تركيب رأس حربي نووي صغير (مثل W88 ) مزود بانشطار انشطاري معزز لإشعال الجزء الثانوي النووي الحراري. 

طُورت فكرة التعزيز في الأصل بين أواخر عام 1947 وأواخر عام 1949 في مختبر لوس ألاموس الوطني . ^{[ 2 ]} وكان التعزيز، بشكل رئيسي، هو المسؤول عن الزيادة بمقدار 100 ضعف في كفاءة أسلحة الانشطار بين عامي 1947 و1971. ^{[ 3 ]}

في القنبلة الانشطارية، يُجمّع الوقود الانشطاري بسرعة عن طريق انضغاط كروي منتظم باستخدام متفجرات تقليدية ، مما يُنتج كتلة فوق حرجة . في هذه الحالة، يُحفّز العديد من النيوترونات المنبعثة من انشطار نواة ذرية انشطار نوى أخرى في كتلة الوقود، مُطلقةً بدورها نيوترونات إضافية، مما يؤدي إلى تفاعل متسلسل . يستهلك هذا التفاعل 20% كحد أقصى من الوقود قبل أن تنفجر القنبلة، أو ربما أقل من ذلك بكثير إذا لم تكن الظروف مثالية: فقد بلغت كفاءة قنبلتي " ليتل بوي" (ذات آلية المدفع) و "فات مان" (ذات آلية الانضغاط) 1.38% و13% على التوالي.

يُعزز الاندماج النووي بإدخال غاز التريتيوم والديوتيريوم . وقد استُخدم ديوتيريد الليثيوم الصلب ( التريتيوم ) في بعض الحالات، لكن الغاز يتيح مرونة أكبر (ويمكن تخزينه خارجيًا) ويمكن حقنه في تجويف مجوف في مركز كرة وقود الانشطار، أو في فجوة بين طبقة خارجية ونواة داخلية "معلقة"، قبل الانفجار. وعندما ينشطر حوالي 1% من وقود الانشطار، ترتفع درجة الحرارة إلى مستوى كافٍ لإحداث الاندماج النووي الحراري ، الذي ينتج عنه أعداد كبيرة نسبيًا من النيوترونات عالية الطاقة. يُسرّع هذا التدفق من النيوترونات المراحل الأخيرة من التفاعل المتسلسل، مما يؤدي إلى انشطار ضعف كمية المادة الانشطارية تقريبًا قبل أن يُفكك الانفجار الكتلة الحرجة.

تتميز نيوترونات اندماج الديوتيريوم-التريتيوم بطاقة هائلة، تفوق طاقة نيوترون الانشطار العادي بسبع مرات، ^{[ 4 ]} مما يجعلها أكثر عرضة للاندماج في المادة الانشطارية والتسبب في الانشطار. ويعود ذلك إلى عدة أسباب:

1. عندما تصطدم هذه النيوترونات النشطة بنواة قابلة للانشطار، فإن الانشطار يطلق عددًا أكبر بكثير من النيوترونات الثانوية (على سبيل المثال 4.6 مقابل 2.9 لـ ²³⁹ Pu).
2. إن احتمالية تفاعل هذه النيوترونات مع نواة قابلة للانشطار أعلى منها بالنسبة للنيوترونات ذات الطاقة المنخفضة التي تُعدّ نموذجية لتفاعل الانشطار؛ إذ تكون مساحة نواة البلوتونيوم أو اليورانيوم التي يؤدي فيها "الاصطدام" إلى الانشطار أكبر بكثير. وبشكل أدق، يكون المقطع العرضي للانشطار أكبر بالنسبة للنيوترونات ذات الطاقة العالية، سواءً من حيث القيمة المطلقة أو كنسبة إلى مقاطع التشتت والالتقاط .

وبالتالي، فإن الوقت اللازم لمضاعفة عدد النيوترونات في قلب المفاعل ينخفض ​​بمعامل حوالي 8. ^{[ 4 ]} ويمكن الحصول على فكرة عن المساهمة المحتملة لتعزيز الاندماج من خلال ملاحظة أن الاندماج الكامل لمول واحد من التريتيوم (3 غرامات) ومول واحد من الديوتيريوم (2 غرام) سينتج مولًا واحدًا من النيوترونات (1 غرام)، والذي، مع إهمال فقدان الهروب والتشتت، يمكن أن ينشطر مولًا واحدًا (239 غرامًا) من البلوتونيوم مباشرة، مما ينتج 4.6 مولات من النيوترونات الثانوية، والتي بدورها يمكن أن تنشطر 4.6 مولات أخرى من البلوتونيوم (1099 غرامًا). يُطلق انشطار 1338 غرامًا من البلوتونيوم في الجيلين الأولين طاقةً تُعادل 23 ^{كيلوطنًا} من ^{مادة تي} إن تي (97 تيرا جول )، ويُحقق وحده كفاءةً تبلغ 29.7% لقنبلة تحتوي على 4.5 كيلوغرام من البلوتونيوم (وهي كمية نموذجية صغيرة من مُحفزات الانشطار). وتُمثل الطاقة المنبعثة من اندماج 5 غرامات من وقود الاندماج 1.73% فقط من الطاقة المنبعثة من انشطار 1338 غرامًا من البلوتونيوم. ويمكن تحقيق نواتج إجمالية أكبر وكفاءة أعلى، نظرًا لإمكانية استمرار التفاعل المتسلسل لما بعد الجيل الثاني بعد تعزيز الاندماج. ^{[ 4 ]}  

يمكن أيضاً جعل القنابل الانشطارية المعززة بالاندماج النووي محصنة ضد الإشعاع النيوتروني الناتج عن الانفجارات النووية القريبة، والذي قد يتسبب في انفجار أنواع أخرى قبل الأوان، مما يؤدي إلى تفككها دون تحقيق قوة تدميرية عالية. وقد ضمن الجمع بين انخفاض الوزن مقارنةً بالقوة التدميرية والمناعة ضد الإشعاع أن معظم الأسلحة النووية الحديثة معززة بالاندماج النووي.

يصبح معدل تفاعل الاندماج النووي ذا أهمية بالغة عند درجات حرارة تتراوح بين 20 و30 ميغا كلفن . وتُبلغ هذه الدرجة عند كفاءات منخفضة للغاية، حيث لا تتجاوز نسبة انشطار المادة الانشطارية 1% (ما يعادل قوة انفجارية تصل إلى مئات الأطنان من مادة تي إن تي). وبما أنه يمكن تصميم أسلحة الانفجار الداخلي لتحقيق قوة انفجارية ضمن هذا النطاق حتى في وجود النيوترونات لحظة الوصول إلى حالة الحرج، فإن تعزيز الاندماج النووي يسمح بتصنيع أسلحة فعالة محصنة ضد الانفجار المسبق . ويُعدّ التخلص من هذا الخطر ميزة بالغة الأهمية في استخدام التعزيز. ويبدو أن جميع الأسلحة الموجودة حاليًا في الترسانة الأمريكية مصممة بتقنية التعزيز. ^{[ 4 ]}

التريتيوم نظير مشع يبلغ عمر النصف له 12.3 سنة. ناتج تحلله الرئيسي هو الهيليوم-3 ، وهو من بين النظائر ذات المقطع العرضي الأكبر لالتقاط النيوترونات. لذلك، يجب تنظيف السلاح دوريًا من نفايات الهيليوم وإعادة شحن مخزون التريتيوم. والسبب في ذلك هو أن أي هيليوم-3 موجود في مخزون التريتيوم للسلاح سيعمل كمثبط للنيوترونات أثناء تفجير السلاح، حيث يمتص النيوترونات التي من المفترض أن تصطدم بنوى وقود الانشطار. ^{[ 6 ]}

استخدمت بعض التصاميم المبكرة للأسلحة النووية المعززة بالانشطار، مثل جو-4 و"الكعكة الطبقية" السوفيتية ("سلوكا"، بالروسية : Слойка )، كميات كبيرة من الاندماج النووي لتحفيز الانشطار في ذرات اليورانيوم-238 المكونة لليورانيوم المنضب . احتوت هذه الأسلحة على نواة انشطارية محاطة بطبقة من ديوتيريد الليثيوم-6 ، والتي بدورها محاطة بطبقة من اليورانيوم المنضب. احتوت بعض التصاميم (بما فيها الكعكة الطبقية) على عدة طبقات متبادلة من هذه المواد. كانت الكعكة الطبقية السوفيتية مشابهة لتصميم "ساعة المنبه" الأمريكية، التي لم تُبنَ قط، وتصميم "الخيزران الأخضر" البريطاني ، الذي بُنيَ ولكن لم يُختبر.

عند انفجار هذا النوع من القنابل، يُنتج انشطار نواة اليورانيوم أو البلوتونيوم عالي التخصيب نيوترونات ، يتسرب بعضها ويصطدم بذرات الليثيوم-6 ، مُنتجًا التريتيوم . عند درجة الحرارة الناتجة عن الانشطار في النواة، يمكن للتريتيوم والديوتيريوم أن يخضعا للاندماج النووي الحراري دون الحاجة إلى ضغط عالٍ. ينتج عن اندماج التريتيوم والديوتيريوم نيوترون بطاقة 14 ميغا إلكترون فولت ، وهي طاقة أعلى بكثير من طاقة النيوترون الذي بدأ التفاعل (1 ميغا إلكترون فولت). يُعدّ إنتاج النيوترونات عالية الطاقة، وليس إنتاج الطاقة، الهدف الرئيسي من الاندماج في هذا النوع من الأسلحة. يصطدم هذا النيوترون ذو طاقة 14 ميغا إلكترون فولت بذرة يورانيوم-238، مُسببًا انشطارها: فبدون مرحلة الاندماج هذه، لكان النيوترون الأصلي ذو طاقة 1 ميغا إلكترون فولت الذي اصطدم بذرة يورانيوم-238 قد امتُصّ على الأرجح. يُطلق هذا الانشطار طاقةً ونيوترونات، والتي بدورها تُنتج المزيد من التريتيوم من الليثيوم-6 المتبقي، وهكذا في دورة مستمرة. تُعدّ الطاقة الناتجة عن انشطار اليورانيوم-238 مفيدة في الأسلحة: أولًا، لأن اليورانيوم المُستنفد أرخص بكثير من اليورانيوم عالي التخصيب ، وثانيًا، لأنه لا يصل إلى حالة التفاعل الحرجة ، وبالتالي تقل احتمالية وقوع حادث كارثي.

يمكن لهذا النوع من الأجهزة إنتاج ما يصل إلى 20% من قوته من الاندماج النووي، بينما يأتي الباقي من الانشطار، ويُحدّ من قوتها عوامل عملية تتعلق بالكتلة والقطر، بحيث لا تتجاوز ميغاطن واحد من مادة تي إن تي (4 بيتا جول ). وقد أنتجت قنبلة جو-4 ما يعادل 400 كيلوطن من مادة تي إن تي (1.7 بيتا جول). في المقابل، يمكن لقنبلة هيدروجينية "حقيقية"، مثل قنبلة القيصر السوفيتية ، أن تنتج ما يصل إلى 97% من قوتها من الاندماج النووي، ولا يحدّ من قوتها التفجيرية سوى حجم الجهاز.

قامت دول متعددة بعرض أجهزة تستخدم الانشطار النووي المعزز:

• تصميم الأسلحة النووية