سلاح انشطاري من نوع البندقية

الأسلحة الانشطارية من نوع المدفع هي أسلحة نووية تعتمد على الانشطار ، حيث يُجمّع تصميمها المادة الانشطارية في كتلة فوق حرجة باستخدام طريقة "المدفع": إطلاق قطعة من مادة دون حرجة داخل قطعة أخرى. على الرغم من أن هذه الطريقة تُصوّر أحيانًا على أنها نصفا كرة دون حرجة تُدفعان معًا لتكوين كرة فوق حرجة، إلا أنه في الواقع، يُطلق مقذوف مجوف على أسطوانة مدببة، تملأ الفتحة الموجودة في مركزها. يُشير اسمها إلى أنها تُطلق المادة عبر ماسورة مدفعية كما لو كانت مقذوفًا. طُوّرت هذه الأسلحة ونُشرت ضمن مشروع مانهاتن ، وسرعان ما استُبدلت بأسلحة الانفجار الداخلي الأكثر كفاءة .

استخدمت جميع أسلحة الانشطار النووي المعروفة من نوع المدفع اليورانيوم عالي التخصيب . إلا أن معدلات الانشطار التلقائي العالية لنظائر البلوتونيوم تجعل استخدامها غير عملي في تصميمات المدفع، كما في تصميم "الرجل النحيف" المهجور . إضافةً إلى ذلك، فإن كفاءتها منخفضة، مما يزيد من كمية اليورانيوم عالي التخصيب المطلوبة ووزن السلاح. والسبب الرئيسي في ذلك هو أن المادة الانشطارية لا تخضع للضغط (وما ينتج عنه من زيادة في الكثافة ) كما هو الحال في تصميم الانفجار الداخلي. بدلاً من ذلك، تُجمّع قنابل المدفع الكتلة فوق الحرجة عن طريق تكديس كمية كبيرة من اليورانيوم بحيث يتعين على النيوترونات الناتجة أن تقطع مسافات طويلة كافية لتصطدم بأكثر من نواة واحدة من اليورانيوم ^-235 في المتوسط، قبل أن تخرج من الكتلة فوق الحرجة. ويمكن استخدام اليورانيوم عالي التخصيب بكفاءة أكبر في النوى المركبة لأسلحة الانفجار الداخلي المبكرة.

نوقشت أسلحة الانشطار النووي من نوع المدفع لأول مرة ضمن برنامج تطوير القنبلة النووية البريطانية " تيوب ألويز" ، وهو أول برنامج لتطوير القنبلة النووية في العالم. ^{[ 1 ]} وقد أوضح تقرير "مود" البريطاني ^{[ 2 ]} الصادر عام 1941 كيف أن "قنبلة يورانيوم فعالة، تحتوي على حوالي 25 رطلاً من المادة الفعالة، ستكون مكافئة من حيث التأثير التدميري لـ 1800 طن من مادة تي إن تي". ^{[ 3 ]} وستستخدم القنبلة تصميم المدفع "لتقريب نصفيها معًا بسرعة عالية، ويُقترح القيام بذلك عن طريق إطلاقهما معًا بشحنات من المتفجرات العادية على شكل مدفع مزدوج". ^{[ 4 ]}

طُبقت هذه الطريقة في أربعة برامج أمريكية معروفة. أولها، سلاح " ليتل بوي " الذي فُجّر فوق هيروشيما ، بالإضافة إلى عدة وحدات أخرى من التصميم نفسه جُهزت بعد الحرب العالمية الثانية، في 40 قنبلة من طراز مارك 8 ، وبديلها، 40 قنبلة من طراز مارك 11. صُممت قنبلتا مارك 8 ومارك 11 للاستخدام كقنابل خارقة للأرض (انظر: قنبلة نووية خارقة للتحصينات )، ولذلك فُضّلت طريقة المدفعية لفترة من الزمن من قِبل المصممين الذين لم يكونوا متأكدين من نجاح تفجير الأسلحة المبكرة من نوع الانفجار الداخلي بعد الاصطدام. أما البرنامج الثاني فكان عبارة عن عائلة من قذائف المدفعية النووية  عيار 11 بوصة (280 ملم) ، وهي W9 ومشتقها W19 ، بالإضافة إلى نسخة مُعاد تغليفها من W19 في قذيفة عيار 16 بوصة (406 ملم) لسفن حربية تابعة للبحرية الأمريكية، وهي W23 . وكانت العائلة الثالثة عبارة عن قذيفة مدفعية عيار 8 بوصات (203 ملم)، وهي W33 .  

كما طورت جنوب أفريقيا ست قنابل نووية تعتمد على مبدأ المدفع، وكانت تعمل على رؤوس حربية صاروخية باستخدام نفس التصميم الأساسي - انظر جنوب أفريقيا وأسلحة الدمار الشامل .

لا توجد حاليًا أي أسلحة نووية معروفة من نوع المدفع قيد الاستخدام: فقد اتجهت الدول المتقدمة في مجال الأسلحة النووية إلى التخلي عن هذا التصميم لصالح أسلحة الانفجار الداخلي ، والتي استُخدمت أيضًا في صنع أسلحة الانشطار المعززة والأسلحة النووية الحرارية . وقد تم تفكيك جميع الأسلحة النووية المعروفة من نوع المدفع التي بُنيت سابقًا في جميع أنحاء العالم.

تعتمد آلية عمل قنبلة "ليتل بوي"، التي فُجِّرت فوق هيروشيما ، على طريقة "المدفع"، حيث استُخدم اليورانيوم-235 كمادة انشطارية. في تصميم "ليتل بوي"، كانت كتلة "رصاصة" اليورانيوم-235 حوالي 39 كيلوغرامًا ، وطولها 17.8 سنتيمترًا ، وقطرها 15.9 سنتيمترًا . شكلها الأسطواني المجوف جعلها دون مستوى الحرج. وكانت تعمل بشحنة من الكوردايت . أما هدف اليورانيوم فكان يزن حوالي 26 كيلوغرامًا . ويتكون كل من الرصاصة والهدف من حلقات متعددة مكدسة فوق بعضها.    

كان لاستخدام "الحلقات" ميزتان: فقد سمحت للرصاصة الأكبر حجماً بالبقاء دون مستوى حرج بثقة (حيث عمل العمود المجوف على منع المادة من الاحتكاك المفرط بالمواد الأخرى)، كما سمحت باختبار التجميعات دون المستوى الحرج باستخدام نفس الرصاصة ولكن بحلقة واحدة فقط.

كان قطر الماسورة الداخلي 6.5 بوصة (16.5 سم) . وكان طولها 70.8 بوصة (1.8 متر) ، مما سمح للرصاصة بالتسارع إلى سرعتها النهائية التي تبلغ حوالي 1000 قدم في الثانية (300 متر/ثانية) ^{[ 5 ]} قبل أن تصطدم بالهدف.   

عندما تكون الرصاصة على بُعد 25 سم (9.8 بوصة) ، يصبح التفاعل حرجًا. وهذا يعني أن بعض النيوترونات الحرة قد تتسبب في حدوث التفاعل المتسلسل قبل أن تتحد المادة بالكامل (انظر التفاعل النووي المتسلسل ). 

عادةً ما تستغرق سلسلة التفاعلات أقل من 1 ميكروثانية (100 هزة )، وخلال هذه الفترة لا تقطع الرصاصة سوى 0.3  ملم ( 1/85 بوصة ). ورغم أن سلسلة التفاعلات تكون أبطأ عندما تكون درجة الحرارة فوق الحرجة منخفضة، إلا أنها لا تزال تحدث في فترة وجيزة للغاية لدرجة أن الرصاصة بالكاد تتحرك خلالها.

قد يتسبب ذلك في حدوث انفجار أولي ، وهو انفجار يُفتت المادة قبل حدوث انفجار كبير. لذا، من المهم الحفاظ على معدل منخفض لظهور النيوترونات الحرة، مقارنةً بزمن التجميع من هذه النقطة. وهذا يعني أيضًا ضرورة أن تكون سرعة المقذوف عالية بما يكفي؛ إذ يمكن زيادة سرعته، لكن ذلك يتطلب ماسورة أطول وأثقل، أو ضغطًا أعلى لغاز الدفع لتسريع كتلة الرصاصة دون الحرجة بشكل أكبر.

في حالة تجربة "ليتل بوي"، كان اليورانيوم ^-238 الموجود بنسبة 20% في اليورانيوم يُحدث 70 انشطارًا تلقائيًا في الثانية. ونظرًا لوجود المادة القابلة للانشطار في حالة فوق حرجة، فإن كل انشطار يُعطي احتمالًا كبيرًا للانفجار: إذ يُنتج كل انشطار في المتوسط ​​2.52 نيوترون، ولكل نيوترون احتمال يزيد عن 1:2.52 لإحداث انشطار آخر. وخلال فترة الـ 1.35 مللي ثانية من الحالة فوق الحرجة قبل اكتمال التجميع، كان هناك احتمال بنسبة 10% لحدوث انشطار، مع احتمال أقل لحدوث انفجار مسبق.

في البداية، ركز مشروع مانهاتن على صنع سلاح ناري يستخدم البلوتونيوم كمصدر للمواد الانشطارية، عُرف باسم " الرجل النحيف " لطوله الشديد. كان يُعتقد أنه إذا أمكن صنع قنبلة نارية من البلوتونيوم، فسيكون صنع قنبلة نارية من اليورانيوم أسهل بكثير بالمقارنة. إلا أنه في أبريل 1944، اكتُشف أن البلوتونيوم المُنتَج في المفاعلات ( Pu-239 ) مُلوَّث بنظير آخر من البلوتونيوم، وهو Pu-240 ، مما يزيد من معدل إطلاق النيوترونات التلقائي للمادة، ويجعل الانفجار المُسبق أمرًا لا مفر منه. لهذا السبب، يُعتقد أن القنبلة النارية لا يُمكن استخدامها إلا مع وقود اليورانيوم المُخصَّب . مع ذلك، لا يُعرف حتى الآن إمكانية صنع تصميم مُركَّب باستخدام البلوتونيوم عالي الجودة في الرصاصة فقط.

بعد اكتشاف فشل برنامج "الرجل النحيف"، حوّل مختبر لوس ألاموس جهوده نحو ابتكار سلاح بلوتونيوم من نوع الانفجار الداخلي: " الرجل البدين ". وتحوّل برنامج السلاح بالكامل إلى تطوير قنبلة يورانيوم.

على الرغم من أنه في عملية "ليتل بوي" تم استخدام 132 رطلاً (60 كجم) من اليورانيوم ²³⁵ من الدرجة 80٪ (وبالتالي 106 أرطال أو 48 كجم )، فإن الحد الأدنى هو حوالي 44 إلى 55 رطلاً (20 إلى 25 كجم)، مقابل 33 رطلاً (15 كجم) لطريقة الانفجار الداخلي.   

وُضِعَت الكتلة دون الحرجة المستهدفة في مفاعل "ليتل بوي" داخل عاكس نيوتروني مصنوع من كربيد التنجستن (WC). قلّل وجود هذا العاكس من فقدان النيوترونات أثناء التفاعل المتسلسل، وبالتالي قلّل من كمية وقود اليورانيوم اللازمة. كان من الممكن أن يكون البريليوم المعدني مادة عاكسة أكثر فعالية، لكن هذا لم يكن معروفًا إلا في سنوات ما بعد الحرب عندما طوّر تيد تايلور تصميمًا للانفجار الداخلي يُعرف باسم "سكوربيون".

كان العلماء الذين صمموا سلاح "ليتل بوي" واثقين من نجاحه لدرجة أنهم لم يجروا أي اختبارات ميدانية قبل استخدامه في الحرب (مع أن علماء مثل لويس سلوتين أجروا اختبارات غير تدميرية على أجزاء دون حرجة، وهي تجارب خطيرة أُطلق عليها اسم " مداعبة ذيل التنين "). على أي حال، لم يكن من الممكن اختباره قبل نشره، إذ لم تكن كمية اليورانيوم-235 المتوفرة كافية إلا لجهاز واحد. ورغم أن التصميم لم يُختبر فعليًا، فقد اعتُقد أنه لا يوجد خطر من وقوعه في أيدي العدو في حال تعطل. حتى أدنى عطل كان كفيلاً بتدميره بالكامل، بينما تعني أنظمة النسخ الاحتياطي المتعددة في تصميم "ليتل بوي" أن احتمالية سقوطه على الأرض دون انفجار ضئيلة للغاية، إن وُجدت أصلاً.

لبدء التفاعل المتسلسل بسرعة في اللحظة المناسبة، يُستخدم مُحفِّز/مُشغِّل نيوتروني . ليس المُشغِّل ضروريًا تمامًا لتصميم مدفع فعال، ^{[ 6 ] [ 5 ]} طالما أن التصميم يستخدم "التقاط الهدف" (أي ضمان عدم انفصال الكتلتين دون الحرجة، بمجرد إطلاقهما معًا، حتى تنفجرا). بالنظر إلى 70 انشطارًا تلقائيًا في الثانية، فإن هذا لا يُسبب سوى تأخير بسيط جدًا، لا يتجاوز 1/70 من الثانية، وهو أمر غير مهم في هذه الحالة. أُضيفت المُشغِّلات إلى مدفع " ليتل بوي" في مراحل متأخرة من تصميمه.

فيما يتعلق بخطر انتشارها واستخدامها من قبل الإرهابيين ، يُثير التصميم البسيط نسبياً قلقاً، إذ لا يتطلب هندسة أو تصنيعاً دقيقاً كما هو الحال في الطرق الأخرى. وباستخدام كميات كافية من اليورانيوم عالي التخصيب، يُمكن لدول أو جماعات ذات مستويات تكنولوجية منخفضة نسبياً أن تُصنع سلاحاً نووياً غير فعال، وإن كان لا يزال قوياً، من نوع المدفع.

بالنسبة للدول المتقدمة تكنولوجيًا، أصبحت طريقة المدفع النووي عتيقة الطراز، لأسباب تتعلق بالكفاءة والسلامة (كما سيتم توضيحه لاحقًا). تخلت الولايات المتحدة إلى حد كبير عن طريقة المدفع النووي بمجرد إتقان تقنية الانفجار الداخلي، مع أنها احتفظت بها لفترة من الزمن في دور متخصص هو المدفعية النووية . أما القوى النووية الأخرى، كالمملكة المتحدة والاتحاد السوفيتي ، فلم تُصنّع أي نموذج من هذا النوع من الأسلحة. فإلى جانب اشتراط استخدام اليورانيوم-235 عالي التخصيب، تُعاني هذه التقنية من قيود أخرى خطيرة. تُعد تقنية الانفجار الداخلي أكثر ملاءمةً للطرق المختلفة المُستخدمة لتقليل كتلة السلاح وزيادة نسبة المادة التي تنشطر. صنعت جنوب أفريقيا إبان نظام الفصل العنصري حوالي خمسة أسلحة من نوع المدفع النووي، ولم تصنع أي أسلحة من نوع الانفجار الداخلي. ثم تخلت لاحقًا عن برنامجها النووي بالكامل. كانت جنوب أفريقيا فريدة من نوعها في تخليها عن الأسلحة النووية، وربما أيضًا في بناء أسلحة من نوع المدفع النووي بدلًا من أسلحة الانفجار الداخلي.

تُثير الأسلحة النارية أيضًا مخاوف تتعلق بالسلامة. فعلى سبيل المثال، يُعدّ امتلاك سلاح يحتوي على كمية وشكل من المواد الانشطارية التي يُمكن أن تُشكّل كتلة حرجة نتيجة حادث بسيط نسبيًا أمرًا بالغ الخطورة. علاوة على ذلك، إذا أُسقط السلاح من طائرة في البحر، فإن تأثير مياه البحر المُهدئة قد يُؤدي إلى حادث حرج دون أن يتضرر السلاح ماديًا. لا يُمكن أن يحدث أيٌّ من هذين الأمرين مع الأسلحة التي تعمل بالانفجار الداخلي، نظرًا لعدم كفاية المواد الانشطارية عادةً لتشكيل كتلة حرجة دون تفجير العدسات المتفجرة بشكل صحيح.

وقد تم تطبيق طريقة المدفع أيضًا على قذائف المدفعية النووية ، نظرًا لأن التصميم الأبسط يمكن هندسته بسهولة أكبر لتحمل التسارع السريع وقوى الجاذبية التي يسببها مدفع المدفعية، ولأن القطر الأصغر لتصميم المدفع يمكن تركيبه بسهولة نسبية على المقذوفات التي يمكن إطلاقها من المدفعية الموجودة.

تم اختبار سلاح مدفعي نووي أمريكي من نوع W9 في 25 مايو 1953 في موقع نيفادا للاختبارات النووية . أُطلق هذا السلاح ضمن عملية "أبشوت-كنوثول" وكان يُعرف بالاسم الرمزي " شوت غريبل" . أُطلقت قذيفة عيار 280 ملم (11 بوصة) لمسافة 10,000 متر (33,000 قدم) وانفجرت على ارتفاع 160 مترًا (520 قدمًا) فوق سطح الأرض بقوة تفجيرية تُقدر بـ 15 كيلوطنًا . هذه القوة التفجيرية تُقارب قوة تفجير "ليتل بوي" ، على الرغم من أن وزن W9 كان أقل من عُشر وزن " ليتل بوي" (365 كجم مقابل 4,000 كجم، أو 805 أرطال مقابل 8,819 رطلًا). بلغ طول القذيفة 1,384 ملم (54.5 بوصة) .            

كانت هذه القذيفة النووية الوحيدة التي أُطلقت فعلياً (من مدفع) في برنامج الاختبار الأمريكي. أُطلقت من قطعة مدفعية مصممة خصيصاً، أُطلق عليها اسم " آني الذرية" . تم إنتاج ثمانين قذيفة بين عامي 1952 و1953، ثم أُخرجت من الخدمة عام 1957.

كانت W19 أيضًا قذيفة نووية من نوع المدفع عيار 280 ملم  ، وهي نسخة أطول من W-9. تم إنتاج ثمانين رأسًا حربيًا وتم إيقاف النظام في عام 1963.

كانت قذيفة W33 قذيفة مدفعية نووية أصغر حجماً، عيار 8 بوصات (203  ملم)، تم إنتاجها بدءاً من عام 1957 وظلت في الخدمة حتى عام 1992. تم إطلاق اثنتين منها تجريبياً (تفجيرهما، وليس إطلاقهما من مدفع)، وتم تعليق واحدة تحت بالون في الهواء الطلق، وواحدة في نفق. ^{[ 7 ]}

استندت الإصدارات اللاحقة إلى تصميم الانفجار الداخلي.

لم يتم اختبار الأسلحة من نوع البنادق إلا ثلاث مرات، باستثناء مارك 1 المستخدم في الهجوم على هيروشيما.

• محاكاة "الولد الصغير": محاكاة تفاعلية للقنبلة الذرية "الولد الصغير" المصممة على شكل مدفع.