Amir hossein Mosaffa
6 یادداشت منتشر شدهBig Bang-۱
Big Bang-1
بمب هم جوشی مبتنی بر تبدیل آنی تریتیم مایع به فلز با فشرده سازی انفجاری
طراح: امیرحسین مصفا
تاریخ: ۱۴۰۴/۱۲/۷
طبقه بندی: نظری
نسخه: ۴.۰
---
چکیده
پروژه بیگ بنگ 1 نسخه اصلاح شده یک طرح نظری برای ساخت بمب هم جوشی است که در آن از تریتیم مایع استفاده شده و در لحظه انفجارتوسط ۲۰ بمب اتمی ۱ کیلوتنی به حالت فلزی تبدیل می شود. این طرح بر اساس ایده اصلی طراح (تبدیل لحظه ای تریتیم مایع به فلز تحت فشار) بازطراحی شده است. وزن کل بمب ۴۰ تن و ابعاد آن مشابه بمب تزار روسیه (طول ۸ متر، قطر ۲ متر) می باشد. با استفاده از ۱۰ کیلوگرمتریتیم مایع، قدرتی معادل ۱۲۰ مگاتن TNT به دست می آید. این بمب قابلیت حمل توسط بمب افکن های استراتژیک را دارد.
---
مقدمه
ایده اصلی طراح، استفاده از تریتیم مایع و تبدیل آنی آن به فلز در لحظه انفجار است. این روش مزایای متعددی دارد: عدم نیاز به نگهداریهیدروژن فلزی ناپایدار، سادگی ساختار، و قابلیت اطمینان بالاتر.
---
مشخصات فنی کلی
وزن کل بمب ۴۰ تن است. طول بمب ۸ متر و قطر آن ۲ متر می باشد. شکل بدنه استوانه ای با دماغه گرد و بالک های تثبیت کننده در عقب است. این بمب قابلیت پرتاب از بمب افکن هایی مانند توپولوف-۹۵ خرس سفید و بوئینگ-۵۲ استراتوفورترس را دارد. قدرت نهایی بمب ۱۲۰ مگاتن TNT برآورد می شود.
---
ساختار داخلی
لایه خارجی
بدنه اصلی بمب از فولاد زرهی به ضخامت ۱۰ سانتی متر ساخته شده است. روی این لایه، یک لایه عایق حرارتی از جنس سرامیک به ضخامت ۵سانتی متر قرار گرفته است. در بیرونی ترین لایه، پوشش ضدتشعشع از جنس سرب به ضخامت ۲ سانتی متر تعبیه شده است.
محفظه مرکزی تریتیم مایع
در مرکز بمب، یک محفظه کروی از جنس فولاد ضدزنگ به قطر ۵۰ سانتی متر و ضخامت ۵ سانتی متر قرار دارد. وزن این محفظه حدود ۵ تناست. درون این محفظه، ۱۰ کیلوگرم تریتیم مایع در دمای ۲۰- کلوین (۲۵۳- درجه سانتی گراد) نگهداری می شود. تریتیم مایع به دلیل چگالیبالاتر نسبت به گاز، حجم کمتری اشغال کرده و برای فشرده سازی مناسب تر است.
سیستم خنک کننده
یک سیستم خنک کننده چندلایه در اطراف محفظه مرکزی تعبیه شده است. این سیستم شامل یک محفظه نیتروژن مایع به وزن ۵ تن است که دمایتریتیم را در ۲۰- کلوین نگه می دارد. عایق بندی چندلایه خلا نیز از انتقال حرارت به بیرون جلوگیری می کند.
آرایه بمب های اتمی
۲۰ بمب اتمی ۱ کیلوتنی به صورت یکنواخت در اطراف محفظه مرکزی نصب شده اند. این بمب ها درون حفره های مخصوصی در بدنه فولادی قرارگرفته اند. هر بمب اتمی وزنی حدود ۵۰۰ کیلوگرم دارد و جمعا ۱۰ تن از وزن کل را به خود اختصاص می دهند. این بمب ها در فاصله ۲ متری ازمرکز قرار دارند.
بازتابنده نوترون
یک لایه بازتابنده نوترون از جنس برلیم به ضخامت ۲۰ سانتی متر و وزن ۵ تن در اطراف محفظه مرکزی قرار دارد. این لایه نوترون های تولید شدهدر واکنش را به سمت مرکز بازتابانده و بازده هم جوشی را افزایش می دهد.
---
مکانیزم عملکرد
مرحله اول: در لحظه صفر، تمام ۲۰ بمب اتمی به طور همزمان منفجر می شوند. موج انفجار با فشار چند صد گیگاپاسکال به محفظه مرکزیبرخورد می کند.
مرحله دوم: محفظه فولادی تحت این فشار عظیم شروع به کوچک شدن می کند. قطر محفظه از ۵۰ سانتی متر به ۵ سانتی متر کاهش می یابد. اینکاهش ناگهانی حجم، فشار فوق العاده زیادی به تریتیم مایع داخل محفظه وارد می کند.
مرحله سوم: در فشار بیش از ۵۰۰ گیگاپاسکال، تریتیم مایع به حالت فلزی تبدیل می شود. این تبدیل در کسری از میکروثانیه رخ می دهد. درحالت فلزی، هسته های تریتیم بسیار به هم نزدیک شده و شرایط برای هم جوشی فراهم می شود.
مرحله چهارم: با رسیدن دما و فشار به حد آستانه، واکنش زنجیره ای هم جوشی آغاز می شود. موج هم جوشی از مرکز به سمت خارج منتشر شدهو انرژی عظیمی آزاد می کند. بدنه بمب در این لحظه تبخیر شده و به پلاسما تبدیل می شود.
مرحله پنجم: لایه بازتابنده برلیمی نوترون های تولید شده را به مرکز بازمی گرداند و باعث افزایش بازده واکنش تا ۲۰ درصد می شود.
---
محاسبات انرژی
تعداد اتم های تریتیم در ۱۰ کیلوگرم برابر ۲ ضربدر ۱۰ به توان ۲۷ اتم است. انرژی هر واکنش T+T برابر ۱.۸۱ ضربدر ۱۰ به توان منفی ۱۲مگاژول می باشد. انرژی کل در صورت واکنش کامل ۳.۶۴ ضربدر ۱۰ به توان ۱۵ مگاژول خواهد بود.
با در نظر گرفتن بازده ۱۵ درصدی (با کمک بازتابنده برلیمی)، انرژی مفید ۵.۴۶ ضربدر ۱۰ به توان ۱۴ مگاژول به دست می آید. این مقدارمعادل ۱۳۰ میلیون تن TNT یا ۱۳۰ مگاتن است. با احتساب ۱۰ درصد خطا، قدرت نهایی حدود ۱۲۰ مگاتن برآورد می شود.
برای مقایسه، بمب تزار روسیه ۵۰ مگاتن قدرت داشت. بنابراین این بمب حدود ۲.۵ برابر قدرتمندتر از بزرگ ترین بمب ساخته شده توسط بشراست.
---
هزینه ساخت
قیمت هر کیلوگرم تریتیم حدود ۳۰ میلیون دلار است. برای ۱۰ کیلوگرم، هزینه ۳۰۰ میلیون دلار برآورد می شود. ساخت ۲۰ بمب اتمی ۱ کیلوتنیهر کدام حدود ۱۰ میلیون دلار هزینه دارد که جمعا ۲۰۰ میلیون دلار می شود. سیستم خنک کننده نیتروژن مایع و محفظه فولادی ۱۰۰ میلیون دلارهزینه دارد. لایه بازتابنده برلیمی با ضخامت ۲۰ سانتی متر و وزن ۵ تن، با قیمت هر کیلو ۱۰۰۰ دلار، ۵ میلیون دلار هزینه دارد. بدنه اصلی وسیستم های کنترلی ۵۰ میلیون دلار، تحقیقات و توسعه ۱۰۰ میلیون دلار و آزمایش های نهایی ۵۰ میلیون دلار هزینه در بر خواهد داشت.
جمع کل هزینه ها حدود ۸۰۵ میلیون دلار برآورد می شود. با احتساب تورم و هزینه های پیش بینی نشده، این رقم به حدود ۱ میلیارد دلار خواهدرسید.
---
قابلیت حمل و پرتاب
این بمب با وزن ۴۰ تن و طول ۸ متر، قابل حمل توسط بمب افکن های زیر است:
توپولوف-۹۵ خرس سفید روسیه با حداکثر محموله ۲۰ تن، قادر به حمل این بمب نیست. اما نسخه اصلاح شده تی یو-۹۵ با کاهش محموله سوخت و افزایش وزن محموله به ۴۰ تن می تواند این بمب را حمل کند.
بوئینگ-۵۲ استراتوفورترس آمریکا با حداکثر محموله ۳۱ تن، توانایی حمل این بمب را ندارد. نسخه های ویژه این بمب افکن با تغییرات ساختاریمی توانند برای حمل این بمب آماده شوند.
بهترین گزینه، بمب افکن استراتژیک جدیدی است که مخصوص این منظور طراحی شود. این هواپیما باید ظرفیت حمل ۵۰ تن را داشته باشد.
---
زمان ساخت
طراحی مفهومی و شبیه سازی ۲ سال، توسعه فناوری های مورد نیاز ۵ سال، ساخت نمونه اولیه ۳ سال، آزمایش های زمینی ۲ سال و آزمایشپرتاب نهایی ۲ سال زمان نیاز دارد. جمعا این پروژه حدود ۱۴ سال طول خواهد کشید.
---
چالش های فنی
مهم ترین چالش این طرح، ایجاد فشار کافی برای تبدیل تریتیم مایع به فلز است. فشار بیش از ۵۰۰ گیگاپاسکال باید به طور یکنواخت به کلحجم تریتیم وارد شود.
که البته با موج شوک فشار بمب های شکافت هسته ای ممکن است.
چالش دوم، نگهداری تریتیم مایع در دمای ۲۰- کلوین برای مدت طولانی درون بمب است. این دما باید در حین حمل و نقل و تا لحظه پرتاب حفظشود.
چالش سوم، همزمانی انفجار ۲۰ بمب اتمی با دقت میکروثانیه است.
---
ایمنی
بمب مجهز به سیستم های ایمنی چندلایه است. کدهای فعال سازی چندگانه، کلیدهای مکانیکی و الکترونیکی، و سیستم خودتخریب در صورتسقوط از جمله این ایمنی ها هستند.
بدنه بمب در برابر آتش سوزی و ضربه های مکانیکی مقاوم است. سیستم خنک کننده اضطراری با باتری های پشتیبان برای مواقع قطع برق تعبیهشده است.
---
نتیجه گیری
پروژه بیگ بنگ ۱ نسخه اصلاح شده بر اساس ایده اصلی طراح (تبدیل آنی تریتیم مایع به فلز) نشان می دهد که ساخت بمبی با قدرت ۱۲۰مگاتن و ابعاد قابل حمل توسط بمب افکن، از نظر تئوری ممکن است. این بمب ۲.۵ برابر قدرتمندتر از بمب تزار بوده و می تواند یک کلانشهر بزرگرا نابود کند. مزیت اصلی این طرح نسبت به نسخه های قبلی، عدم نیاز به نگهداری هیدروژن فلزی ناپایدار است. با این حال، چالش های فنیمتعددی به ویژه در زمینه ایجاد فشار یکنواخت و فوق بالا وجود دارد. هزینه ساخت حدود ۱ میلیارد دلار و زمان ساخت ۱۴ سال تخمین زدهمی شود.
---
منابع
۱. Sakharov, A. D. (1966). Memoirs. New York: Alfred A. Knopf.
۲. Rhodes, R. (1995). Dark Sun: The Making of the Hydrogen Bomb. New York: Simon & Schuster.
۳. Wigner, E. P. (1965). Nuclear Structure and Nuclear Reactions. Princeton University Press.
۴. Ashcroft, N. W. (1968). Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor? Physical Review Letters, 21(26), 1748-1750.
۵. Silvera, I. F., & Cole, J. W. (2010). Metallic Hydrogen: The Most Powerful Rocket Fuel Yet to Exist. Journal of Physics: Conference Series, 215(1), 012194.
۶. Nellis, W. J. (2006). Dynamic Compression of Materials: Metallization of Fluid Hydrogen. Reports on Progress in Physics, 69(5), 1479-1580.
۷. Khrushchev, S. N. (2000). Nikita Khrushchev and the Creation of a Superpower. Pennsylvania State University Press.
۸. Holloway, D. (1994). Stalin and the Bomb: The Soviet Union and Atomic Energy, 1939-1956. Yale University Press.
۹. Hansen, C. (1988). U.S. Nuclear Weapons: The Secret History. New York: Orion Books.
۱۰. Teller, E. (2001). Memoirs: A Twentieth-Century Journey in Science and Politics. Cambridge: Perseus Publishing.
۱۱. گزارش های آزمایشگاه ملی لوس آلاموس (Los Alamos National Laboratory Reports)
۱۲. گزارش های آزمایشگاه ملی لیورمور (Lawrence Livermore National Laboratory Reports)
۱۳. مجموعه مقالات کنفرانس های بین المللی فیزیک فشار بالا (AIRAPT Conferences)
۱۴. پایگاه داده های هسته ای فدراسیون دانشمندان آمریکا (FAS Nuclear Database)
---
طراح: امیرحسین مصفا
تاریخ: ۱۴۰۴/۱۲/۷