פצצת מימן

עקרון פעולה, הנדסה ומאפיינים

עוצמת הפיצוץ של פצצת מימן גדולה בסדרי גודל מזו של פצצת אטום רגילה. בעוד שעוצמת פצצת אטום רגילה היא עשרות או מאות קילוטון TNT, עוצמתה של פצצת מימן היא בסדר גודל של עשרות מגהטון TNT (מגהטון = 1000 קילוטון).

עקרון פעולה

מבין כל הכוחות הידועים בטבע, הכוח הגרעיני החזק, המדביק את חלקיקי גרעין האטום יחדיו, הוא החזק ביותר. אך כוח זה פועל רק במרחקים קצרים מאד. גודלו של אטום הוא מרחק גדול מדי עבור כוח זה. רק במרחקים קטנים פי עשרת-אלפים, מסדר הגודל של גרעין האטום, עוצמתו הגדולה מופעלת.
מכך נובע שאם שני פרוטונים יתנגשו, הם ידבקו אחד לשני בעוצמה רבה. בהתנגשות ישתחרר כוח ההצמדה של הכוח הגרעיני החזק, שיהיה משמעותי, ולמעשה האנרגיה שתשתחרר תהיה בסדר גודל של כאחוז מכלל מסת הפרוטונים.
אבל מאחר שכוח ההדבקה פועל רק מטווחים קצרים מאד, כוח הדחייה האלקטרוסטטי, הנובע מכך שלשני הפרוטונים מטען חיובי, ישנה את מסלולם וימנע את ההצמדות, אלא אם הפרוטונים ינועו במהירות גבוהה מאד, שתתגבר על הדחייה האלקטרוסטטית.
ניתן לחשב את המהירות הזו, וניתן גם, מאחר שחום אינו אלא ביטוי של האנרגיה הקינטית של חלקיקים, לחשב באיזה חום ההתנגשות יכולה להתקיים. מדובר (עבור פרוטונים) בטמפרטורה של כעשר מליון מעלות צלזיוס. אפשר לקבל תוצאה דומה, אך פחות אנרגטית, אם משתמשים בגרעיני מימן כבד (דיטריום וטריטיום) בטמפרטורה נמוכה יותר - אך עדיין גבוהה מכל מה שניתן להשיג בשימוש בחומר נפץ.
בפצצת מימן משיגים את הטמפרטורה הזו על ידי שימוש בפצצת אטום. פצצת האטום יוצרת את החום הדרוש, ומיכל של מימן דחוס או מים כבדים הצמוד לה סופג את חום הפיצוץ, ובו מתרחשות אותן התנגשויות פרוטונים, היוצרות פיצוץ משני, אדיר הרבה יותר.

ההחלטה על פיתוח הפצצה

עוד בשנת 1941, לפני שהוחל בפיתוח פצצת האטום הראשונה, הציע הפיזיקאי האיטלקי אנריקו פרמי, כי ההיתוך הגרעיני (fusion) – ולא הביקוע (fission) - יכול לשחרר יותר אנרגיה ולכן להיות הרסני יותר. 
בעקבות הניסוי הגרעיני הסובייטי ב־1949 הכריז נשיא ארצות הברית, הארי טרומן, על פרויקט לפיתוח פצצת מימן. היוזמה לפרויקט זה הייתה של המדען אדוארד טלר, וזאת בעקבות הרעיון של פרמי. טלר טען כי באמצעות היתוך גרעיני ניתן להשיג פצצה שעוצמתה תהיה פי אלף מאשר הפצצה האטומית שהוטלה על הירושימה, פצצה שתוכל למחוק אי כדוגמת מנהטן (כולל בניינים) מעל פני האדמה.

מתנגדים

אחד מראשי המתנגדים לפיתוח פצצת המימן היה רוברט אופנהיימר - אבי פצצת האטום וחבר בוועדה לאנרגיה אטומית של ארצות הברית, שהתנגד לפיתוח של פצצת מימן, הן משיקולים פרקטיים - הוא פקפק באפשרות לבנות מתקן כזה - והן משיקולים עקרוניים-הומוניטריים, בהיותו מזועזע מהתוצאות ההרסניות של הפיצוצים הגרעיניים בהירושימה ובנגסאקי. טלר ותומכיו לעומת זאת חשדו במניעיו, אם בשל היותו בעל רקע קומוניסטי, שפועל להשהיה של יצירת נשק הרתעתי למול ברית המועצות, ואם בשל רצונו האישי שמדען אחר לא יאפיל על ההישג האישי שלו.

פיתוח הפצצה

במהלך פיתוח פצצת המימן הסתכסך טלר עם עמיתיו, משום שלא היה מרוצה מקצב ההתקדמות של הפרויקט. בסופו של דבר הגיע טלר, יחד עם עמיתו סטניסלב אולם, לעיצוב פתרון לבעיות ייצור הפצצה. הישג זה זיכה את טלר בכינוי "אבי פצצת המימן", כינוי שהוא לא אהב.
אוּלַם, ביחד עם שותפיו, הראה שהמודל המוקדם של אדוארד טלר לפצצת מימן איננו מספק, ובמקומו הציע מודל טוב יותר. הוא היה הראשון שהבין כי ניתן לארוז את כל רכיבי פצצת המימן באריזה אחת, למקם פצצת אטום (פצצת ביקוע גרעיני להבדיל מהיתוך גרעיני) בקצה אחד ואת הדלק התרמו-גרעיני בקצה השני, ואז להשתמש בכוח המכני של פצצת הביקוע כדי לדחוס ולפוצץ את הדלק התרמו-גרעיני (ובכך לגרום להיתוך). רעיון זה היה ככל הנראה תולדה של רעיונותיו הראשוניים של אוּלַם לבנות פצצה גרעינית רגילה מדורגת, שבה זרם הנייטרונים מפצצת ביקוע אחת ידחס את הדלק שבפצצת הביקוע השנייה, ובכך יגדיל את יעילותה.
טלר התנגד בתחילה להצעתו של אוּלַם, אך אחר כך הבין את יתרונותיה והציע להשתמש ב"מצת" פלוטוניום, שימוקם במרכז דלק ההיתוך, כדי להתחיל את התגובה הגרעינית ולהגביר אותה. טלר גם שינה את הרעיון של אוּלַם לדחוס את דלק ההיתוך, בכך שהבין שהקרינה מפצצת הביקוע תדחס את הדלק בצורה יעילה בהרבה מן הכוח המכני של הפיצוץ. מבנה הפצצה הזה, של קריסה (פיצוץ כלפי פנים) מבוססת קרינה ומדורגת, הפך מאז למבנה הסטנדרטי של פצצות מימן. אף שסבורים שגם הפיזיקאי הסובייטי אנדריי סחרוב הגה את המבנה הזה באופן עצמאי, הוא זכה לשם "פצצה מסוג טלר-אולם". אוּלַם וטלר הגישו ביחד בקשה לרישום פטנט על סוג זה של פצצה.

הניסויים הראשונים

ב־1 בנובמבר 1952 ערכה ארצות הברית פיצוץ של התקן "טלר-אולם" בשם קיסוס מייק באטול אנווטאק שבאיי מרשל באוקיינוס השקט. במהלך הפיצוץ הוטס מטוס B-17 ללא טייס דרך הפטריה האטומית על מנת לבדוק את השפעת ההתפוצצות על הנמצא במטוס.
עוצמת ההרס והחורבן של פצצת המימן הראשונה, הייתה גדולה פי 700 מזו של פצצת האטום שהוטלה על הירושימה, והגיעה ל-10.4 מגהטון TNT. הפצצה, אשר מפאת ממדיה לא הייתה ניתנת להטלה ממטוס, אוכסנה בהאנגר גדול באי. לאחר הוכחת ההיתכנות של פצצת המימן, המשיך הצוות בפיתוח במטרה להקטין את ממדי הפצצה, כך שניתן יהיה להובילה במטוס.

פצצות מימן בפיתוח סובייטי

ב-12 באוגוסט 1953 פוצצה ברית המועצות פצצת מימן משלה, בעוצמה של 400 קילוטון. 
פצצת הצאר, שפותחה בראשותו של איגור קורצ'טוב ושבה מילא אנדרי סחרוב תפקיד מפתח, הייתה פצצת המימן הגדולה והחזקה ביותר שנוסתה אי פעם, והפיצוץ הגדול ביותר מעשי ידי אדם. הפצצה יצרה פיצוץ בעוצמה של כ-50 מגהטון (פי כ-3,300 מעוצמת הפצצה שהוטלה על הירושימה). הניסוי נערך ב-30 באוקטובר 1961 בנוביה זמליה, ארכיפלג באוקיינוס הקרח הצפוני. 
ההדף הורגש באי דיקסון, המרוחק כ-700 ק"מ משם. מעוצמת הפיצוץ, הקיף גל ההדף שלוש פעמים את כדור הארץ.
למעשה, עם הפצצה הזו ניתן היה להגיע לעוצמת פיצוץ של 100 מגה טון, אך המהנדסים נמנעו מהגעה לעוצמה זו בשל החשש מכמות נשורת רדיואקטיבית חריגה שתגרום לזיהום חמור בברית המועצות. הפצצה לא הייתה פונקציונלית אלא לצורכי תעמולה בלבד, משום שלא היה ניתן לעשות שימוש צבאי בפצצה – המטוס שישא אותה יוכל לשאת אותה בלבד ולטוס במהירות איטית מאוד.

מדינות נוספות

גם לממלכה המאוחדת ולרפובליקה העממית של סין יש פצצות מימן.
לפי ההערכות גם למדינת ישראל יש מספר לא ידוע של פצצות מימן. גורמים חיצוניים, כגון מדען הגרעין אדוארד טלר, טענו שלישראל יש פצצות מימן. תמונות שצילם מרגל האטום מרדכי ואנונו כללו דגם שעל פי הערכות מומחים הוא של פצצת מימן בת 1 מגהטון. ישראל מעולם לא אישרה זאת באופן רשמי ושומרת על עמימות מכוונת בנושא.