Cara Kerja Bom Atom (bag. 2)
Fisi nuklir
Bom nuklir melibatkan dua jenis kekuatan: kuat dan lemah, yang menahan inti atom bersama-sama, terutama atom dengan nukleus yang tidak stabil. Ada dua cara dasar agar energi nuklir dapat dilepaskan dari atom. Dalam fisi nuklir, ilmuwan membelah nukleus atom menjadi dua fragmen yang lebih kecil dengan neutron. Fusi nuklir - proses dimana matahari menghasilkan energi - melibatkan menyatukan dua atom yang lebih kecil untuk membentuk yang lebih besar. Dalam kedua proses ini, baik fisi maupun fusi, sejumlah besar energi panas dan radiasi dilepaskan.
Kita bisa mengaitkan penemuan fisi nuklir dengan karya fisikawan Italia Enrico Fermi. Pada tahun 1930an, Fermi menunjukkan bahwa elemen-elemen yang mengalami bombardir neutron dapat diubah menjadi elemen baru. Percobaan ini menghasilkan penemuan netron lambat, serta elemen baru yang tidak terwakili pada tabel periodik. Tidak lama setelah penemuan Fermi, ilmuwan Jerman Otto Hahn dan Fritz Strassman membombardir uranium dengan neutron, yang menghasilkan isotop barium radioaktif. Mereka menyimpulkan bahwa neutron berkecepatan rendah menyebabkan nukleus uranium membelah, atau pecah menjadi dua bagian yang lebih kecil.
Pekerjaan mereka memicu aktivitas intens di laboratorium penelitian di seluruh dunia. Di Universitas Princeton, Niels Bohr bekerja dengan John Wheeler untuk mengembangkan model hipotetis proses fisi. Mereka berspekulasi bahwa itu adalah isotop uranium uranium-235, bukan uranium-238, yang mengalami pembelahan. Pada waktu yang hampir bersamaan, ilmuwan lain menemukan bahwa proses fisi menghasilkan lebih banyak neutron yang diproduksi. Hal ini menyebabkan Bohr dan Wheeler mengajukan sebuah pertanyaan penting: Mungkinkah neutron bebas yang tercipta dalam fisi memulai reaksi berantai yang akan melepaskan sejumlah besar energi? Jika demikian, adalah mungkin untuk membangun senjata dengan kekuatan yang tidak terbayangkan.
Dan emang iya.
Bahan Bakar Nuklir
Pada bulan Maret 1940, sebuah tim ilmuwan yang bekerja di Universitas Columbia di New York City mengkonfirmasi hipotesis yang diajukan oleh Bohr dan Wheeler - isotop uranium-235, atau U-235, bertanggung jawab atas pembelahan nuklir. Tim Columbia mencoba memulai reaksi berantai dengan menggunakan U-235 pada musim gugur 1941, namun gagal.
Semua pekerjaan kemudian pindah ke University of Chicago, di mana, di squash court yang terletak di bawah Stagg field universitas, Enrico Fermi akhirnya mencapai reaksi berantai nuklir pertama yang dikendalikan di dunia. Pengembangan bom nuklir, menggunakan U-235 sebagai bahan bakar, berjalan cepat.
Karena pentingnya desain bom nuklir, mari kita lihat U-235 lebih dekat. U-235 adalah salah satu dari sedikit bahan yang bisa mengalami induksi fisi. Daripada menunggu lebih dari 700 juta tahun untuk uranium meluruh secara alami, elemen tersebut dapat dipecah lebih cepat jika neutron mengalir ke nukleusnya. Nukleus akan menyerap neutron tanpa ragu, menjadi tidak stabil dan segera terbelah.
Begitu nukleus menangkap neutron, ia terbagi menjadi dua atom yang lebih ringan dan melepaskan dua atau tiga neutron baru (jumlah neutron yang dikeluarkan akan bergantung pada bagaimana atom U-235 terbelah). Dua atom yang lebih ringan kemudian memancarkan radiasi gamma saat mereka memasuki tahap pembentukan baru. Ada beberapa hal tentang proses fisi yang diinduksi ini yang membuatnya menarik:
- Kemungkinan atom U-235 untuk menangkap neutron saat ia melewati cukup tinggi. Dalam sebuah bom yang bekerja dengan baik, lebih dari satu neutron yang dikeluarkan dari masing-masing fisi menyebabkan fisi lain terjadi. Ini ibarat seperti sebuah bola besar yang terbuat dari kelereng kecil sebagai proton dan neutron pada atom. Jika Anda menembak satu kelereng - satu neutron tunggal - ke tengah lingkaran besar, ia akan menabrak satu kelereng, yang kemudian akan menabrak beberapa kelereng lain lagi, dan seterusnya sampai reaksi berantai berlanjut.
- Proses menangkap neutron dan pembelahan terjadi sangat cepat, pada urutan picoseconds (0.000000000001 detik).
- Agar sifat-sifat U-235 ini bekerja, sampel uranium harus diperkaya; yaitu jumlah U-235 dalam sampel harus ditingkatkan melampaui tingkat alami. Weapon-grade uranium terdiri dari setidaknya 90 persen U-235.
Pada tahun 1941, para ilmuwan di University of California di Berkeley menemukan elemen lain - elemen 94 - yang berpotensi sebagai bahan bakar nuklir. Mereka menamai elemen tersebut plutonium, dan pada tahun berikutnya, mereka menghasilkan cukup banyak percobaan. Akhirnya, mereka membentuk karakteristik fisi plutonium dan mengidentifikasi bahan bakar kedua untuk senjata nuklir.
Desain Bom Fisi
Dalam bom fisi, bahan bakar harus disimpan dalam massa subkritis yang terpisah, yang tidak akan mendukung pembelahan, untuk mencegah peledakan dini. Massa kritis adalah massa minimum bahan fisi yang dibutuhkan untuk mempertahankan reaksi fisi nuklir. Pikirkan analogi kelereng lagi. Jika lingkaran kelereng tersebar terlalu jauh - massa subkritis - reaksi berantai yang lebih kecil akan terjadi saat "kelereng neutron" menyentuh bagian tengah. Jika kelereng disusun berdekatan dalam lingkaran - massa kritis - ada kemungkinan lebih tinggi reaksi berantai besar akan terjadi.
Menjaga bahan bakar pada massa subkritis yang terpisah menimbulkan tantangan desain yang harus dipecahkan agar bom fisi berfungsi dengan baik. Tantangan pertama, tentu saja, membuat massa subkritis agar membentuk menjadi massa superkritis, yang akan memberi lebih dari cukup neutron untuk mempertahankan reaksi fisi pada saat peledakan. Perancang bom datang dengan dua solusi untuk ini yang akan saya bahas nanti.
Selanjutnya, neutron bebas harus dimasukkan ke dalam massa superkritis untuk memulai pembelahan. Neutron diperkenalkan dengan membuat generator neutron. Generator ini adalah pelet kecil polonium dan berilium, dipisahkan oleh foil di dalam inti bahan bakar fisi. Dalam generator ini:
- Foil pecah saat massa subkritis berkumpul dan polonium secara spontan memancarkan partikel alfa.
- Partikel alfa ini kemudian bertabrakan dengan berilium-9 untuk menghasilkan berilium-8 dan neutron bebas.
- Neutron kemudian memulai fisi.
Desain juga harus memungkinkan sebanyak mungkin material tersebut agar bisa di-fisi sebelum bom meledak. Hal ini dilakukan dengan membatasi reaksi fisi dalam bahan padat yang disebut tamper, yang biasanya terbuat dari uranium-238. Tamper menjadi panas dan ekspan oleh inti fisi. Ekspansi tamper ini menekan tekanan balik pada inti fisi dan memperlambat ekspansi inti. Tamper juga me-reflek neutron kembali ke inti fisi, meningkatkan efisiensi reaksi fisi.
Pemicu Bom Fisi
Cara termudah untuk membuat massa subkritis menyatu adalah membuat pistol yang menembak satu massa ke yang lain. Sebuah bola yang terdiri dari U-235 dibuat di sekitar generator neutron dan sejumlah kecil U-235 sebesar peluru kecil dipisahkan. Peluru ini ditempatkan di ujung tabung panjang dengan bahan peledak di belakangnya, sementara bola tersebut ditempatkan di ujung yang lain. Sensor tekanan barometrik menentukan ketinggian yang sesuai untuk peledakan dan memicu urutan peristiwa berikut:
- Bahan peledak itu meledak dan mendorong peluru tersebut.
- Peluru menghantam ke bola dan generator, memulai reaksi fisi.
- Reaksi fisi dimulai.
- Bom meledak.
Little Boy, bom yang dijatuhkan di Hiroshima, adalah jenis bom ini dan menghasilkan 14,5 kiloton (setara dengan 14.500 ton TNT).
Cara kedua untuk menciptakan massa superkritis yaitu mengompress massa subkritis bersama-sama ke dalam bola dengan ledakan. Fat Man, bom yang dijatuhkan di Nagasaki, adalah salah satu dari jenis bom-bom ini. Tidak mudah untuk membuat. Perancang bom awal menghadapi beberapa masalah, terutama bagaimana mengendalikan dan mengarahkan gelombang kejut secara seragam melintasi bola. Solusinya adalah membuat perangkat peledak yang terdiri dari bola U-235 untuk bertindak sebagai tamper dan plutonium-239 yang dikelilingi oleh bahan peledak tinggi. Saat bom diledakkan, ia menghasilkan 23 kiloton dengan efisiensi 17 persen. Inilah yang terjadi:
- Bahan peledak itu meledak, menciptakan gelombang kejut.
- Gelombang kejut mengompres inti.
- Reaksi fisi dimulai.
- Bom itu meledak.
Desainer mampu memperbaiki desain pemicu ledakan dasar. Pada tahun 1943, fisikawan Amerika Edward Teller menemukan konsep boosting. Boosting mengacu pada proses dimana reaksi fusi digunakan untuk membuat neutron, yang kemudian digunakan untuk menginduksi reaksi fisi pada tingkat yang lebih tinggi. Butuh delapan tahun lagi sebelum tes pertama mengkonfirmasi keabsahan boosting, tapi begitu bukti itu datang, itu menjadi desain yang populer. Pada tahun-tahun berikutnya, hampir 90 persen bom nuklir yang dibangun di Amerika menggunakan desain boost ini.
Tentu saja, reaksi fusi dapat digunakan sebagai sumber energi utama dalam senjata nuklir juga yang akan kita bahas selanjutnya.
| Home | Cara Membeli | Contact Us | About Us | Sitemap | BanSos |
