อาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์

ระเบิดแบบเทลเลอร์–อูลาม
อาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์ (Thermonuclear weapon)  หรือ ระเบิดไฮโดรเจน (Hydrogen bomb) ซึ่งในภาษาอังกฤษเรียกขานตามภาษาปากว่า เอชบอมบ์ เป็นอาวุธนิวเคลียร์ที่ใช้พลังงานฟิวชั่นเป็นหลักซึ่งต้องใช้ความร้อนถึงร้อยล้านองศาจึงเป็นที่มาของชื่อเทอร์โมนิวเคลียร์  โดยใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันในขั้นตอนแรก  เพื่อจุดระเบิด ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นในขั้นตอนที่สอง ผลลัพธ์ทำให้อำนาจระเบิดเพิ่มขึ้นมหาศาลเมื่อเทียบกับอาวุธฟิชชันแบบเก่าที่ใช้แค่ขั้นตอนเดียวอย่างระเบิดปรมาณู (atomic bomb)
การฟิวชั่น คือการรวมตัวของธาตุเบาไปเป็นธาตุที่หนักขึ้น ระเบิดจะใช้อะตอมไฮโดรเจน (ดิวเทอเรียมหลอมรวมกับทริเทียม) ไปเป็นฮีเลียมและปลดปล่อยพลังงานออกมา นี้เป็นปฏิกิริยาแบบเดียวกับที่เกิดในแกนกลางดวงอาทิตย์ซึ่งต้องใช้ความกดดันสูงกับอุณหภูมินับสิบล้านองศาเพื่อให้เกิดปฏิกิริยานี้ แต่สภาพบนผิวโลกนั้นมีความกดดันน้อยกว่าแกนดวงอาทิตย์เป็นอย่างมาก ดังนั้นจึงทำให้ต้องใช้อุณหภูมิมากกว่าที่แกนกลางของดวงอาทิตย์ซะอีก ต้องใช้ถึงหลักร้อยล้านองศาเพื่อให้อะตอมไฮโดรเจนรวมตัวกัน และการที่จะทำให้อุณหภูมิถึงระดับนั้นได้นั้นเลยจำเป็นต้องใช้ระเบิดนิวเคลียร์แบบเก่า (Atomic bomb) ในอาวุธนี้ก่อนเพื่อกระตุ้นให้อุณหภูมิถึงขั้นที่จะเกิดการฟิวชั่นซึ้งเกิดในอาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์
สหรัฐอเมริกาเป็นชาติแรกที่มีอาวุธชนิดนี้ โดยทำการทดสอบระเบิดเทอร์โมนิวเคลียร์ลูกแรกของโลกในปี ค.ศ. 1952 มีโค้ดเนมคือ (Ivy Mike) นับแต่นั้น ต้นแบบดังกล่าวจึงมีหลายชาตินิวเคลียร์ส่วนใหญ่ของโลกลอกแบบไปใช้ในออกแบบอาวุธของตน การออกแบบอาวุธนิวเคลียร์ชนิดใหม่ที่เกิดขึ้นในสหรัฐนี้จะเรียกว่า โครงแบบเทลเลอร์–อูลาม (Teller–Ulam configuration) ตามชื่อผู้มีส่วนสำคัญสองคน คือ เอ็ดเวิร์ด เทลเลอร์และสแตนิสลอว์ อูลามและมีบางอย่างในต้นแบบนี้ได้ถูกพัฒนาต่อโดยการมีส่วนร่วมของ จอห์น ฟอน นอยมันน์ ซึ่งพัฒนาใน ค.ศ. 1951 ให้สหรัฐอเมริกา สหภาพโซเวียดเป็นชาติที่สองที่มีอาวุธชนิดนี้ โดยทำการทดสอบระเบิดเทอร์โมนิวเคลียร์ของตนเองลูกแรก ใช้ชื่อว่า "RDS-6s (Joe 4)" เมื่อวันที่ 12 สิงหาคม ค.ศ. 1953 จากนั้นจึงตามมาด้วย สหราชอาณาจักร จีนและฝรั่งเศสตามลำดับ ซึ้งต่างก็พัฒนาอุปกรณ์คล้ายกันนี้ อาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์เป็นระเบิดนิวเคลียร์ชนิดที่ออกแบบได้ทรงประสิทธิภาพที่สุดสำหรับผลและพลังงานในระเบิดที่มีผลเกิน 50 กิโลตันขึ้นไป จึงทำให้อาวุธนิวเคลียร์แทบทั้งหมดที่ห้าประเทศนิวเคลียร์ใช้อยู่ในปัจจุบันภายใต้สนธิสัญญาไม่แพร่ขยายอาวุธนิวเคลียร์ล้วนเป็นอาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ใช้การออกแบบของเทลเลอร์-อูลามทั้งสิ้น
คุณลักษณะสำคัญในการออกแบบอาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์นั้นถูกเก็บเป็นความลับในขั้นสูงสุดได้เกือบสามทศวรรษก่อนที่จะถูกเปิดเผยในภายหลัง ซึ่งคุณลักษณะที่ว่านี้ คือ

ภายในลูกระเบิดจะประกอบไปด้วย2ส่วนหลัก ระเบิดแบบฟิชชั่นอยู่ด้านบน ส่วนล่างคือส่วนที่เกิดการฟิวชั่น ตัวเทมเปอร์ทำด้วยยูเรเนียม 238 ภายในเทมเปอร์คือ ลิเทียม-ดิวเทอเรท อยู่ในสถานะของแข็งผสม  (ดิวเทอเรียมกับลิเทียมปกติทริเทียมนั้นจะอยู่ในสถานะของแก๊ซซึ่งจัดเก็บและดูแลรักษาได้ยากมากอีกทั้งทริเทียมหาได้ยากมากและมีครึ่งชีวิตที่สั้น ดังนั้นเชื้อเพลิงในลูกระเบิดประเภทนี้จึงต้องเติมใหม่อยู่เสมอ นักวิทยาศาสตร์จึงแก้ปัญหาโดยการใช้ ลิเทียมที่เป็นของแข็ง แทน ก๊าซทริเทียมลิเทียม-6 บวกกับนิวตรอนได้ทริเทียมกับฮีเลียม-4 หรือลิเทียม-7 บวกกับนิวตรอนได้ทริเทียมกับฮีเลียม-4 ทั้งสองปฏิกิริยาได้นิวตรอนออกมาด้วย) และแท่งแกนกลางทำจากพลูโตเนียม 239 ช่องว่างทั้งหมดอัดโฟม ขั้นตอนการระเบิดเป็นดังนี้

A) หัวรบในสภาพก่อนจุดระเบิด ส่วนบนคือลูกระเบิดฟิชชั่น และส่วนล่างคือแหล่งพลังงานสำหรับปฏิกิริยาฟิวชั่น
B) เริ่มต้นจุดระเบิดธรรมดาที่ส่วนบน แรงระเบิดไปบีบแกนพลูโตเนียมให้เหนือจุดวิกฤต ส่วนบนเริ่มต้นปฏิกิริยาฟิชชั่น
C) ปฏิกิริยาฟิชชั่นปลดปล่อยรังสีเอกซ์กระจายไปตามกระบอกเพื่อฉายรังสีแก่โฟมโพลิสไตรีน
D) โฟมโพลิสไตรีนกลายเป็นของเหลวยุบตัวบีบอัดแท่งหัวเทียนพลูโตเนียมที่แก่นกลางอย่างรุนแรงจนแท่งพลูโตเนียมที่แกนกลางเริ่มปฏิกิริยาฟิชชั่น
E) เร่งความร้อนจนถึงจุดหนึ่ง เชื้อเพลิงดิวเทอเรียมลิเธียม-6 จะสร้างทริเทียม และเกิดปฏิกิริยาฟิวชั่น การไหลของนิวตรอนทำให้แท่งยูเรเนียม-238เกิดปฏิกิริยาฟิชชั่น เกิดการระเบิดตัวโดยเริ่มก่อตัวเป็นบอลไฟขนาดยักษ์ กระบวนการทั้งหมดเกิดขึ้นโดยใช้เวลาเพียง  1/600,000,000,000 วินาที โดย 1/550,000,000,000 วินาทีเป็นกระบวนการฟิชชั่น  และ 1/50,000,000,000 วินาทีเป็นกระบวนการฟิวชั่น
กลไกการยุบเข้าในที่เกิดจากรังสีเป็นเสมือนเครื่องยนต์ความร้อนซึ่งใช้ความแตกต่างของอุณหภูมิความร้อนระหว่างช่องรับรังสีด้านนอกกับ ภายในที่ค่อนข้างเย็น ความแตกต่างของอุณหภูมิจะต้องถูกรักษาไว้ชั่วครู่โดยแผ่นเกราะกั้นความร้อนขนาดใหญ่เรียก "พุชเชอร์-เทมเปอร์" (pusher-tamper) เพื่อเป็นตัวป้องกันไม่ให้เกิดการยุบเข้าในเร็วจนเกินไป เพื่อยืดเวลาการบีบอัดให้เกิดการฟิวชั่น และหากแผ่นเกราะกั้นความร้อนนั้นทำจากยูเรเนียม-238 ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นกรณีนี้แทบทั้งหมด แผ่นเกราะยูเรเนียมนั้นถือเป็นโลหะที่แข็งแกร่งมากอีกทั้งยังสามารถจับนิวตรอนที่ผลิตจากปฏิกิริยาแล้วดำเนินฟิสชั่นเองด้วยจึงช่วยทำให้เพิ่มผลของแรงระเบิดโดยรวมให้มากขึ้นไปอีกในอาวุธแบบเทลเลอร์–อูลาม
โดยปกติปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นนั้นเป็นพลังงานสะอาดที่จะไม่ก่อให้เกิดสารกัมมันตรังสีตกค้าง แต่เนื่องจากการฟิวชั่นจะเกิดขึ้นได้นั้นก็ต้องผ่านขั้นตอนการฟิชชั่นมาเสียก่อน เนื่องด้วยเหตุนี้เองจึงทำให้ระเบิดไฮโดรเจนยังคงมีฝุ่นรังสีนิวเคลียร์ตกค้างหลังการระเบิดจึงมีความอันตรายไม่ต่างจากระเบิดปรมณูแบบเก่าเลย