นิวเคลียร์ฟิชชั่น แยกนิวเคลียสขนาดใหญ่ให้เป็นนิวเคลียสขนาดเล็ก พร้อมกับได้อนุภาคนิวตรอนจำนวนหนึ่ง วิธีนี้ใช้ได้กับไอโซโทปของยูเรเนียม 235 ยูเรเนียม 233 และพลูโตเนียม 239
นิวเคลียร์ฟิวชั่น รวมนิวเคลียสขนาดเล็กอย่างน้อย 2 อันให้เป็นนิวเคลียสขนาดใหญ่ โดยทั่วไปใช้กับไอโซโทปของไฮโดรเจน (ดิวทีเรียม และทริเทียม) วิธีนี้เป็นวิธีเดียวกันกับที่ดวงอาทิตยให้พลังงานออกมา
ทั้งกระบวนการฟิชชั่น และฟิวชั่น จะให้พลังงานและรังสีออกมาอย่างมากมาย
ออกแบบลูกระเบิดนิวเคลียร์
ภายในลูกระเบิดนิวเคลียร์ ประกอบด้วย
เชื้อเพลิงสำหรับปฏิกิริยาฟิชชั่น และฟิวชั่น
อุปกรณ์ทริกเกอร์ (triggering)
นิวตรอนเจนเนอเรเตอร์
ระเบิดนิวเคลียร์ลูกแรกเกิดจากกระบวนการฟิชชั่น และภายหลังจึงได้มีการสร้างระเบิดฟิวชั่น ซึ่งต้องอาศัยกระบวนการฟิชชั่นมากระตุ้น เราจะจัดลำดับการพัฒนาของลูกระเบิดดังนี้
ระเบิดฟิชชั่น ทดลองครั้งแรกในทะเลทราย ในโครงการแมนฮัตตัน
ใช้ปืนกระตุ้นให้เกิดปฎิกิริยาฟิชชั่น (เจ้าหนูน้อย) ถล่มเมืองฮิโรชิมา ปี 1945
ใช้ระเบิดกระตุ้นให้เกิดฟิชชั่น (เจ้าหมูอ้วน) ถล่มเมืองนางาซากิ ปี 1945
ระเบิดฟิวชั่น
ระเบิดไฮโดรเจน ผู้ออกแบบคือ เทลเลอร์ และอูลาม ทดลองบนเกาะใกล้ฝรั่งเศส ปี 1952
ระเบิดแบบฟิชชั่น
ใช้ยูเรเนี่ยม 235 เป็นเชื้อเพลิง โดยการยิงอนุภาคนิวตรอนเข้าไปในนิวเคลียสของยูเรเนี่ยม 235 ทำให้นิวเคลียสเกิดความไม่เสถียร และแตกออก
รูปล่าง เป็นยูเรเนียม 235 ถูกอนุภาคนิวตรอนยิงใส่จากทางด้านบน นิวเคลียสจะดูดกลืนนิวตรอนเข้าไปภายในทันที และแตกออก ให้นิวตรอนออกมา 2 ถึง 3 ตัว ไปทำให้นิวเคลียสตัวอื่นแตกต่อไป
โอกาสที่ยูเรเนี่ยมจะดูดกลืนนิวตรอนมีสูงมาก เมื่อนิวเคลียสตัวแรกแตก มันให้นิวตรอนความเร็วสูงออกมาจำนวนหนึ่ง พุ่งเข้าไปทำให้นิวเคลียสอื่นแตกตาม เป็นปฏิกิริยาลูกโซ่อย่างต่อเนื่อง มวลที่อยู่ในสภาวะพร้อมจะแตก เราเรียกว่า มวลวิกฤติยิ่งยวด (Supercritical mass)
กระบวนการดูดกลืนนิวตรอนและแตกออก รวดเร็วมาก เป็นพิคโควินาที (10-12 วินาที)
พลังงานที่ถูกปลดปล่อยออกมาเป็นจำนวนมหาศาล อยู่ในรูปของความร้อนและรังสีแกมม่า ถ้าอะตอมใหญ่แตกออกเป็นอะตอมเล็ก จะมีมวลบางส่วนสูญหายไป
มวลที่หายไปนี้ ถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานตามสูตร E = mc2 ตัวอย่างเช่น มวล 1 กิโลกรัม เมื่อเปลี่ยนเป็นพลังงานเทียบเท่ากับพลังงานความร้อนที่ได้จากน้ำมันเป็นสิบล้านลิตร
โลหะยูเรเนียม
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
แผ่นฟอยด์แตกออก เมื่อมวลใต้วิกฤติ เข้ามาใกล้กัน ธาตุโพโลเนียม จะให้อนุภาคแอลฟาออกมาทันทีทันใด
อนุภาคแอลฟ่า ชนเข้ากับ เบอริลเลียม 9 ได้ เบอริลเลี่ยม 8 และนิวตรอนอิสระ
นิวตรอนกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชั่น
ปฏิริยาฟิชชั่น เกิดขึ้นภายในวัสดุเรียกว่า เทมเปอร์ (Temper) เมื่อเกิดปฏิกิริยาฟิชชั่น ความร้อนของเทมเปอร์จะสูงขึ้น ขยายตัวอัดเข้ากับแกนกลางของเชื้อเพลิง และสะท้อนนิวตรอนกลับเข้าไปในแกนกลางเพิ่มประสิทธิภาพของการเกิดฟิชชั่น
ใช้ปืนกระตุ้น
เป็นวิธีที่ง่ายที่สุด เพื่อทำให้มวลที่อยู่ใต้สถานะวิกฤติ เปลี่ยนไปอยู่ในสถานะวิกฤติ โดยใช้ปืนยิงกระสุนเข้าในเม็ดเชื้อเพลิง ของยูเรเนียม -235 ซึ่งล้อมรอบด้วยนิวตรอนเจนเนอร์เรเตอร์ (ตัวให้นิวตรอน) ลูกกระสุนจะบรรจุอยู่ทางด้านบน และถูกแรงระเบิดของเชื้อประทุ ทำให้กระสุนพุ่งลงมาทางด้านล่าง ขั้นตอนเป็นไปตามลำดับดังนี้
แรงระเบิดจะอัดกระสุนให้พุ่งลงมาทางด้านล่าง
ลูกกระสุนพุ่งเข้าหาเชื้อเพลิง เวลาเดียวกับนิวตรอนเจนเนอร์เรเตอร์ สร้างนิวตรอน ยิงเข้าไปในนิวเคลียสของยูเรเนียม เชื้อเพลิงเข้าสู่สภาวะวิกฤติ
ปฏิกิริยาฟิชชั่นเริ่มขึ้น
ระเบิดตูม
วันที่ถล่มเมืองฮิโรชิมา เจ้าหนูน้อยระเบิดเหนือเมืองฮิโรชิมา ผู้ออกแบบใช้ตัวเซ็นเซอร์วัดความดันอากาศ เมื่อถึงระดับความสูงที่ต้องการให้ระเบิด ตัวเซ็นเซอร์จะส่งสัญญาณยิงกระสุนยูเรเนียมทันที
