Atomvåpenteknologi

Første atombombeeksplosjon Trinity , 16 ms etter tenning.

De kjernevåpenteknologi avtaler med våpen som energi til en eksplosjon av kjernefysiske reaksjoner -  fisjon eller -verschmelzungen  se -. Den tekniske utviklingen av atomvåpen siden 1940 har produsert et stort utvalg av forskjellige varianter.

Historie, klassifisering og andre ikke-tekniske aspekter er dekket i artikkelen atomvåpen .

Handlingsmåte

Mens konvensjonelle eksplosiver får energi fra den kjemiske omdannelsen av eksplosivet, frigjør atomvåpen store mengder energi på kortere tid fra kjerneprosesser som når temperaturer i million Kelvin- området. Som et resultat fordampes ethvert fast stoff i nærheten av en varm gass. Oppvarmingen av den omgivende luften og de fordampende faste stoffene resulterer i en plutselig volumutvidelse, som i tillegg til den utstrålte varmestrålingen fører til en sterk trykkbølge.

Både kjernefisjon og kjernefusjon oppnå deres energiomsetningen fra forskjellen i bindingsenergien til de nukleoner av atomkjernene er involvert før og etter kjernereaksjonen. Mens energi på opptil 14  MeV (jf. Fusjonsreaktor ) og per kjernefysisk fisjon til og med ca. 200 MeV (jf. Fisjonsvarme ) frigjøres per kjernefusjon , produserer kjemiske reaksjoner bare energi i området noen få eV, i tilfelle av TNT ca. 38,6 eV (se eksplosjonsparametere ) per molekyl.

Fisjonsbombe eller misjonsbombe

En klassisk kjernefysisk fisjoneringsbombe (atombombe) er konstruert på en slik måte at flere deler av det fissile materialet , hver for seg under den kritiske massen , på det tiltenkte tidspunktet blir samlet og dermed overskrider den kritiske massen. Samtidig som den kritiske massen er nådd, begynner en nøytronkilde å avgi nøytroner, som utløser fisjonskjedereaksjonen. Antall nøytroner som nylig er generert ved kjernefisjon (kjernefisjon) er følgelig større i hver fisjongenerering enn antall nøytroner som har rømt fra materialet og absorbert i materialet uten fisjon, slik at kjernereaksjonen øker raskt. Den kritiske massen kan reduseres ved å bruke en nøytronreflektor .

Energien som frigjøres i form av veldig rask oppvarming driver atomeksplosivene fra hverandre. Derfor må den underliggende kjedereaksjonen dekke hele det spaltbare materialet så raskt som mulig, ellers frigjøres bare en liten del av den mulige energien. Derfor, for splittelsesvåpen - i motsetning til atomreaktorer for sivil energiproduksjon - så rene som mulig, lett spaltbare nuklider som høyt beriket uran eller nesten rent 239 plutonium brukt i konstruksjonen og den raske begynnelsen av rask Überkritikalität ønsket.

Polonium - beryllium , som må blandes til rett tid, brukes ofte som en nøytronkilde . I denne blandingen reagerer alfapartikler som sendes ut av polonium med beryllium.

En av de kjemiske sprengstoffene som brukes til å raskt slå sammen de underkritiske delene er Octol . Den består av HMX og TNT blandet i et forhold på 7 til 3.

Kanonprinsipp

Skjematisk fremstilling av en kjernefysisk fissionsbombe i henhold til pistoldesignet:
1. Konvensjonelle eksplosiver (korditt) for å akselerere "prosjektilet"
2.
Tønne 3. Hul uranprosjektil
4. Sylindrisk "mål"

En subkritisk hul uransylinder kan skytes på en subkritisk urandorn som mangler fra innsiden av denne sylinderen (pistoldesign; kanonprinsipp). Den ferdige sylinderen overstiger den nødvendige kritiske massen og starter kjernekjedereaksjonen. På grunn av utformingen er den totale mengden uran i dette arrangementet begrenset til noen få multipler av en kritisk masse. På grunn av den ganske langstrakte utformingen, er kanonprinsippet egnet for langstrakte atomvåpen som "Bunker Buster" (se nedenfor) og kjernefysiske prosjektiler som avfyres fra rørvåpen. For eksempel brukes drivmidler til artilleriprosjektiler, slik som korditt, som et kjemisk eksplosivstoff .

Den uran bombe Little Boy , som ble droppet i løpet av Hiroshima , ble bygget i henhold til denne byggemåten. Det ble ansett som så pålitelig at en tidligere testtenning ble utelatt. Bomben inneholdt 64 kilo uran, som ble beriket til 80 prosent 235 U-innhold . Den kritiske massen til kjernefysisk stridshode ble nådd 25 centimeter eller 1,35 millisekunder før urandoren helt trengte inn i uranflasken, med en endelig hastighet på 300 m / s.

I andre konstruksjoner har selve fisjonssettet en omtrent sfærisk form. Den fissile materialkulen blir skutt mot et stivt mål for fissilt materiale, eller to kuler blir skutt mot hverandre. En ytterligere, stiv og sentralt plassert tredje spaltbar materialdel eller et imploderende reaksjonshjelpemiddel blir delvis diskutert.

Kanonprinsippet er ikke egnet for plutonium som har blitt inkubert i reaktoren til et konvensjonelt atomkraftverk. Dens 240 Pu- innhold (vanskeligere å dele og samtidig relativt sterk spontan splitting ) vil føre til fortenning og derfor til deflagrasjon hvis kanonprinsippet ble brukt. I motsetning til dette inneholder såkalte våpenplutonium, produsert i spesialdrevne reaktorer, svært lite 240 Pu.

Implosjonsbombe

Grunnleggende design

Skjematisk fremstilling av implosjonsmetoden

En annen konstruksjon viser implosjonsbomben. Fat Man- bomben som ble kastet på Nagasaki ble bygget på dette prinsippet. Det er i midten

Implosjonsbombe animert.gif
Skjema for eksplosjonen av en implosjonsbombe med eksplosive linser
X-Ray-Image-HE-Lens-Test-Shot.gif
Bildet tatt av en røntgenblits viser den sfærisk konvergerende detonasjonsfronten

det fissile materialet (som plutonium , 235 U eller en legering av begge metaller) som en ikke- kritisk masse , enten som en full (subkritisk masse) eller som en hul sfære (subkritisk når det gjelder geometri, siden det ikke er noen full sfære ). Rundt det fissile materialet er det flere lag med høyeksplosivt materiale som TNT . Under tenning rettes eksplosjonsenergien mot senteret og komprimerer det fissile materialet så sterkt at massen blir kritisk. Implosjonsbomben antas å være mer effektiv fordi den detonerer raskere enn en kanonbasert bombe og en veldig stor mengde spaltbart materiale kan brukes. I tillegg er utnyttelsen av det atomeksplosive stoffet høyere fordi det fissile materialet holder sammen lenger og i en gunstigere form under eksplosjonen.

Plutoniumvåpen kan bare tenkes som implosjonsvåpen på grunn av den høyere spontane fissionsgraden til de forskjellige Pu-isotoper og den resulterende for tidlige tenningen. Selve konstruksjonen er mye mer krevende når det gjelder eksplosiver og tenningsteknologi. Siden forskerne som var involvert i utviklingen ikke var helt sikre, i motsetning til uranbomben "Little Boy", ble implosjonsarrangementet testet på forhånd som en del av " Trinity Test " (New Mexico).

Bygg opp eksplosiver rundt kjernen

"Trinity Gadget" med 32 polygonale eksplosive linser rundt kjernen

Bare det å bygge et skall fra et eksplosivt stoff rundt kjernen førte ikke til ønsket resultat, ettersom eksplosivet sprenger sfærisk rundt detonatoren. Et veldig høyt antall detonatorer vil da være nødvendig for å oppnå akseptabel kompresjon og ikke for å presse den hule sfæren ned i en halvmåne eller stjerne.

Oppgaven var derfor å transformere flere sfærisk divergerende detonasjonsfronter til en enkelt sfærisk konvergerende. To eksplosiver med forskjellige detonasjonshastigheter er egnet for dette formålet. Ved krysset av eksplosiver brytes detonasjonsfronten som lys ved en linse, og det er derfor på engelsk av en "eksplosiv linse" ( sprengstoffobjektiv blir talt). For å oppnå den ønskede effekten for en implosjonsbombe, må en slik linse ha en rotasjonshyperboloid som langsomt detonerer eksplosiv i midten, omgitt av et raskt detonerende eksplosivstoff. Analogt med optikk, er linsens brytningsindeks større, jo mer detonasjonshastighetene til eksplosivene som brukes er forskjellige. De eksplosive linsene er polygonale slik at de kan settes sammen i en sfærisk form.

Arrangementet i "Trinity Gadget" besto av 32 eksplosive linser; senere ble 40, 60, 72 og til slutt 92 linser brukt. I prinsippet ville det være mulig å kondensere en kjerne med bare en enkelt, kompleksformet linse. Imidlertid ville denne linsen være større og tyngre enn de ovennevnte. Konfigurasjoner, selv om det er lettere å tenne.

reflektor

Moderne atomvåpen har et ekstra lag mellom de konvensjonelle, eksplosive eksplosivene og det kjernefysiske drivstoffet, vanligvis laget av beryllium eller rent uran 238 U (utarmet uran). Dette laget reflekterer nøytroner ( 9 beryllium fungerer til og med som en nøytronemitter); tidligere ble wolframkarbid brukt som reflektor . På denne måten kan den kritiske massen reduseres i henhold til følgende tabell:

Skjematisk fremstilling av en kjernefysisk fisjonbombe i henhold til implosjonsdesignet med reflektor
Andel av 235 U Uten reflektor Naturlig uran (10 cm) Beryllium (10 cm)
93,5% 48,0 kg 18,4 kg 14,1 kg
90,0% 53,8 kg 20,8 kg 15,5 kg
80,0% 68,0 kg 26,5 kg 19,3 kg
70,0% 86,0 kg 33,0 kg 24,1 kg

På den annen side, spesielt når uran brukes, forsinker dette laget utvidelsen av det fissile materialet på grunn av dets treghet etter begynnelsen av kjedereaksjonen. Det fissile materialet holder seg dermed sammen lenger, selve kjedereaksjonen blir varmere på grunn av nøytrontettheten og energieffektiviteten til bomben øker.

Når du bruker 238 U som jakke, kan den eksplosive kraften økes med 10 til 20 prosent.

Tetthetsjustering

Skjematisk fremstilling av en kjernefysisk fissionsbombe i henhold til implosjonsdesignet med reflektor og tetthetsjustering

Et annet lag aluminium mellom eksplosivet og reflektoren brukes til å overføre virkningen av konvensjonelle eksplosiver bedre til tungmetallet. Siden sprengstoffet har en mye lavere tetthet enn reflektor og spaltbart materiale, reflekteres en del av eksplosjonsstøtbølgen til det konvensjonelle sprengstoffet ved grensesnittet. Denne delen av energien brukes ikke til å komprimere sprekkematerialet. Hvis et lag med middels tetthet som aluminium settes inn mellom det konvensjonelle sprengstoffet og reflektoren, forbedrer dette energioverføringen til spaltematerialet og dermed dens kompresjon.

Flytende kjerne

Moderne implosjonskonstruksjoner bruker ordninger der det spaltbare materialet er delt inn i et skall og en hul sfære. Gapet er fylt med gass. For å holde den hule sfæren i midten av skallet, installeres vanligvis seks aluminiumbolter som avstandsstykker. Denne utformingen har fordelen at hele den hule sfæren ikke trenger å komprimeres på en gang. I stedet akselereres bare den lille massen av skallet. Den mottar høy kinetisk energi og treffer den hule ballen i høy hastighet. Fullføringen av den kritiske massen skjer da på veldig kort tid; alt som kreves er at den hule sfæren imploderer under trykket fra det akselererte skallet. Dette designet har et stort antall forskjellige varianter. Luftspalten kan således også ordnes mellom reflektoren og spaltematerialet. Den indre kulen kan utformes som en hulkule eller laget av solid materiale. Det kan være design med to mellomrom. Aluminiumsboltene kan erstattes av skum (polyuretanskum, ekspandert polystyren eller lignende materialer).

Skjematisk fremstilling av en kjernefysisk fisjonbombe basert på implosjonsdesignet med en flytende kjerne

Bildet motsatt viser de essensielle egenskapene til et moderne design, som har tetthetsjustering, reflektor og en flytende kjerne. Slike konstruksjoner krever komplekse matematiske beregninger, som bare kan utføres med spesielle dataprogrammer, for nøyaktig bestemmelse av optimale parametere. Beregningsmetodene og resultatene samt programmene som brukes er klassifisert som hemmelige av bevæpningsmyndighetene, og detaljer blir kun publisert i svært få tilfeller - de numeriske verdiene som er blitt kjent kan derfor settes spørsmålstegn ved. Dette er også grunnen til at høytytende datamaskiner tidligere var underlagt eksportrestriksjoner (for eksempel fra USA). Den grunnleggende utformingen av moderne atomvåpen med de viste funksjonene er imidlertid sannsynlig og har blitt bekreftet av forskjellige kilder.

Byggemetoden er tildelt den tyske atomspionen Klaus Fuchs . I tillegg til fordelene som er oppført ovenfor under den senere eksplosjonen, ble den brukt til å fjerne og tilsette det faktiske fissile materialet. I noen britiske og amerikanske bombeutforminger ble det faktiske spaltbare materialet lagret utenfor bomben på en slik måte at ingen av det ville ha blitt frigitt i tilfelle en subkritisk ulykke. Våpen- og transportsikkerheten for disse våpnene ble følgelig ytterligere forbedret.

Eksempler

Den største atomfisjoneringsbomben (misjonsvåpenet) som noensinne ble detonert, ble bygd av USA med en eksplosiv styrke på 500  kT . Det arbeidet med implosjonsdesignet og hadde uran som et kjernefysisk eksplosiv.

Fra 1966 til 1980 bygget Frankrike og stasjonerte MR-31 stridshodet, den største plutoniumbomben noensinne bygget med en eksplosiv kraft på rundt 120 kT.

Det mest kjente kjernefysiske våpen basert på implosjon design er absolutt Fat Man bomben falt på Nagasaki , mens Little Boy uranbomben var basert på pistolen utforming .

tenning

Grunnleggende

Med alle konstruksjonsprinsipper er det avgjørende at kjedereaksjonen bare finner sted så lenge ordningen er superkritisk. For at så mange kjernefysisk fisjon som mulig skal finne sted, bør det holdes superkritisk så lenge som mulig. Så snart tilstrekkelig energi har dannet seg som et resultat av et stort antall kjernefysisk fisjon, fordamper fisjonmaterialet, utvides og kjedereaksjonen bryter av. Det avhenger derfor av antennelsespunktet for å utnytte det fissile materialet optimalt.

Kanonløpsarrangementet blir kritisk når de to subkritiske uranhalvdelene har nærmet seg en viss avstand, tidspunktet for den første kritikken (overgang til superkritisk tilstand). Når det gjelder implosjonsarrangementet, komprimeres materialet også. Når halvdelene kommer nærmere hverandre når det gjelder kanonløpsarrangementet, eller kompresjon i tilfelle implosjonsarrangementet, blir arrangementet superkritisk. Selv uten en kjedereaksjon, ville arrangementet til slutt utvide seg igjen bare på grunn av tregheten til de konvensjonelt akselererte massene. Kjedereaksjonen bryter av når arrangementet blir underkritisk (tid for andre kritikk). Ekspansjonen akselereres når det spaltbare materialet fordamper. Dette er tilfelle når ekstra energi frigjøres fra kjernefisjon, men bare når den overstiger en viss verdi kjent som Bethe Tait-energi . Når denne minimumsenergien er nådd, akselererer utvidelsen av kjernefysisk drivstoff og ordningen blir raskere subkritisk igjen. Fram til dette tidspunktet hadde mange generasjoner av kjedereaksjonen allerede funnet sted. Kjedereaksjonen fortsetter også under utvidelsen, nemlig til tidspunktet for den andre kritikken (overgang til den subkritiske tilstanden) er nådd. Mesteparten av energien frigjøres i løpet av de siste generasjonene av nøytroner.

Jo større superkritikalitet, jo lenger er fasen mellom å nå Bethe Tait-energien og å nå det andre kritiske punktet, og jo mer kjernefysisk fisjon kan fortsatt finne sted.

For å oppnå en optimal utnyttelse av drivstoffet, bør begynnelsen av kjedereaksjonen derfor settes på en slik måte at Bethe-Tait energi og maksimal superkritikalitet oppnås samtidig. Hvis Bethe Tait-energien er nådd tidligere, ville det imidlertid dannes færre nøytroner og bare mindre mengder av kjernefysisk drivstoff ville bli konvertert.

Det verste tilfellet ville være utbruddet av kjedereaksjonen på tidspunktet for den første kritikken, siden tiden for Bethe Tait-energien er nådd før maksimal overkritikk, og arrangementet utvides for tidlig. Hvis arrangementet bare er litt superkritisk på dette tidspunktet, ville den eksplosive energien til en slik bombe neppe overstige den for det kjemiske sprengstoffet som ble brukt. Hvis det er sterkt overkritisk, vil det fortsatt ta litt tid før det blir underkritisk igjen. I løpet av denne tiden kan så mange kjernefysisk fisjon fortsatt finne sted at energien som frigjøres overstiger den kjemiske sprengstoffens mange ganger. Først av alt fortsetter økningen i superkritikalitet til Bethe Tait-energien er nådd. I den akselererte utvidelsen som fulgte, fant ytterligere atomdivisjoner sted.

Ifølge Robert Oppenheimer ville den første eksplosjonen av en plutoniumbasert implosjonsbombe (16. juli 1945, test i New Mexico), selv i verste fall, hatt en eksplosjonsenergi som neppe ville ha vært mindre enn 1000 tonn TNT .

En tenning før den optimale tiden er en gnist, en tenning etter den optimale tiden som sent tenning referert til. For å oppnå det optimale antenningspunktet, stoler man ikke på nøytronene fra den spontane fisjonen, men starter en spesiell nøytrongenerator i riktig øyeblikk .

Fortenning

Etter at den kritiske massen er nådd, må bomben detoneres av første nøytroner. Disse kan stamme fra selve det fissile materialet gjennom spontan kjernefysisk oppløsning eller kan leveres av en ekstra nøytronkilde. I høyt beriket 235 U forfaller rundt 80 millioner atomkjerner per sekund og kilo, og avgir alfapartikler, men statistisk genereres bare omtrent to nøytroner per sekund og kilo. I 64 kg av Hiroshima-bomben ble det statistisk sett frigitt 0,17 nøytroner mellom kritikkpunktet og fullstendig montering (1,38 ms).

For Hiroshima-bomben ble det gitt en sannsynlighet på 12 prosent for en pre-tenning i 1945, tilsvarende sannsynligheten for et innledende nøytron innenfor de 1,38 ms som er spesifisert ovenfor. For å forhindre fortenning av bomber i henhold til pistoldesignen, må kjernefysisk bombeutforming være fri for andre nøytronstrålere. Så 238 U (med 20 nøytroner per kilo og sekund) bør unngås i konvolutten; Selv atomvåpen som allerede har eksplodert i samme målområde og deres gjenværende nøytronstråling, kan forhindre bruk av en slik atombombe.

Kanonfatprinsippet brukes ikke lenger i dagens arsenaler. Stridshodene ville være altfor tunge for moderne leveringssystemer. Sør-Afrika hadde bygget seks kanonløpspistoler, men skrotet dem igjen etter endringen i politikken tidlig på 1990-tallet. Det er det første landet som har helt avvæpnede atomvåpen.

I motsetning til uran er nøytronproduksjonen av plutonium høy på grunn av den uunngåelige andelen 240 Pu. Montering av de enkelte fissile materialkomponentene i en kanonløpskonstruksjon foregår så sakte (i størrelsesorden millisekunder) at kjedereaksjonen vil starte med den første kritikken. Når Bethe Tait-tidspunktet ble nådd, ville det neppe være for kritisk, og det ville bare være en deflagrasjon. Kanonløpsarrangementet fungerer derfor bare med høyt beriket uran, som har lav nøytronbakgrunn, men ikke med plutonium.

Med implosjonsarrangementet skjer derimot komprimering mye raskere, i størrelsesorden mikrosekunder. Det er derfor også egnet for plutonium. Avhengig av renheten til plutonium, produseres mellom 50.000 (våpenkvalitet plutonium) og 500.000 (reaktor plutonium) nøytroner per sekund som et resultat av spontant forfall.

Siden 240 Pu er dannet av nøytronfangst fra 239 Pu, som igjen er dannet av nøytronfangst fra 238 U , jo høyere oppbrentning av kjernefysisk drivstoff, jo større er andelen 240 Pu. Reaktorer som skal produsere plutonium av våpen, opereres derfor med lite utbrenthet. Av økonomiske årsaker brukes en høy utbrenthet i atomkraftverk. Likevel er selv plutonium produsert i kjernekraftverk i begrenset grad egnet for bygging av atomvåpen. Sannsynligheten for førtenning er høyere, men den lavere eksplosive energien overgår langt den for konvensjonelle våpen. Imidlertid er tekniske problemer forårsaket av økt radioaktivitet og oppvarming som et resultat av det radioaktive forfallet.

Sen antenning og nøytronkilde

I tillegg til forhåndstenningen, kan et atomvåpen i henhold til pistoldesignet også antennes relativt sent hvis - rent statistisk - det første nøytronet utløser kjedereaksjonen sent. Tross alt var sannsynligheten for at Hiroshima-bomben ikke skulle antennes før etter 200 ms 0,15 prosent. Hvis en atombombe blir skutt mot målet i høy hastighet, kan denne forsinkelsen endre den eksplosjonens ønsket plassering og den projiserte frigitte energien betydelig. Av denne grunn har atomvåpen blitt utstyrt med nøytronkilder som starter kjedereaksjonen med en større mengde nøytroner nøyaktig samtidig som den kritiske massen er dannet.

Hiroshima uranbombe hadde også en slik nøytronkilde som en bombe detonator da den var planlagt. Det kunne ikke bestemmes om det ble installert til slutt; den naturlige radioaktiviteten til det fissile materialet ville trolig ha vært tilstrekkelig for eksplosjonen.

Nøytronkilden besto av to komponenter, beryllium og 210 polonium , plassert romlig skilt fra hverandre. De to stoffene smeltet sammen da uranprojektilet traff, og nøytronproduksjonen startet. Lignende to-komponentkilder ble senere funnet i kjernen av de tidlige implosjonsbombene, atskilt med en tynn membran som brøt under implosjonen. I moderne våpen brukes en ekstern kilde i stedet.

Effektivitet, størrelse, sikkerhet og pistolvekt

Forholdet mellom splittet atomeksplosiv og totalt atomeksplosiv kalles effektivitet.

Spaltingen på 50 g på 235 U frigjør eksplosjonsstyrken på 1 kT. I tilfellet med Hiroshima-bomben ble rundt 650 g 235 U delt, bare en liten brøkdel av totalt 64 kg uran. De gjenværende kjernefysiske eksplosivstoffene frigjøres i atmosfæren og danner sammenfallet med fisjonsproduktene og den "sekundære" radioaktiviteten som genereres av nøytroner .

Spaltningsbomber inneholder derfor mer enn den kritiske massen som skal spaltes for å generere tilstrekkelig, ønsket eksplosjonsenergi. En masse rett over den kritiske massen vil resultere i en marginal eksplosjonsstyrke, med en 1,05 ganger masse kan det forventes en eksplosiv kraft på rundt 100 t.

Med det enkle kanonløpsprinsippet er den maksimale mulige massen litt under den doble (tredoble) den kritiske massen. Begge halvdelene av den kritiske massen må forbli subkritiske før eksplosjonen for å forhindre strålingsulykker og en for tidlig subkritisk eksplosjon, en såkalt deflagrasjon. Maksimal størrelse på rene fisjonsbomber basert på det enkle kanonprinsippet (uranbomber) er derfor begrenset av den maksimale underkritiske massen på to eller tre stykker spaltbart materiale.

Mer enn tre kanonfat kunne også kombineres for å skyte flere deler av ladningen mot hverandre. Imidlertid er dette assosiert med betydelig økt innsats for samtidig antenning av drivladningene og andre synkroniseringsproblemer , siden foreningen av alle deler av ladningen må finne sted veldig presist for å faktisk kunne bidra til å øke den eksplosive kraften.

Med implosjonsprinsippet komprimeres materialet i tillegg. Dette reduserer den kritiske massen, og dermed er høyere superkritikaliteter og bedre effektiviteter mulig. I tillegg er det sfæriske arrangementet geometrisk optimalisert. Men også her er det grenser, da kjemiske eksplosiver ikke kan brukes til å komprimere etter ønske, og massen må være underkritisk på forhånd. I tillegg er det en krevende oppgave “fra et sprengningssynspunkt” å utføre komprimeringen så sfærisk som mulig. I tillegg til den sfæriske formen er hule sylindere og andre former teknisk kjent.

Til syvende og sist er dette en betydelig sikkerhetsfordel ved implosjonsprinsippet. For å utløse en kjernefysisk eksplosjon, må det kjemiske sprengstoffet på det ytre skallet detoneres på en definert tid på et stort antall punkter, slik at eksplosjonsfronten løper fra utsiden inn mot kjernefysikken for å komprimere den. Hvis den eksplosive enheten eksploderer på ett sted som et resultat av en ulykke, er det eneste som skjer den kjemiske eksplosjonen og forurensningen av miljøet fra det spaltbare materialet som deretter frigjøres.

Siden eksplosjonsfronten vanligvis beveger seg bort fra antennelsespunktet på en konveks måte, dannes eksplosjonsfronten ofte av lag med forskjellige eksplosiver med forskjellige eksplosjonshastigheter på en slik måte at ønsket kompresjon av det fissile materialet oppnås. Mens tidligere systemer var basert på samtidig tenning på alle punktene som er gitt, er det i moderne systemer innebygd spesifikke avvik som må kompenseres med litt forskjellige tenningstider for de enkelte detonatorene. Disse tidsforskjellene er bare innlemmet i våpenelektronikken ved hjelp av passende koder når distribusjonen er autorisert (såkalt “ Permissive Action Link ”). Dette reduserer risikoen for tyveri eller tap av et stridshode eller bruk av våpen i strid med instruksjonene, siden forsøk på å detonere det på feil måte mislykkes.

Den maksimale størrelsen på et våpen bestemmes videre av praktisk håndtering og håndteringssikkerhet. I praksis brukes boostere i fisjonsvåpen og hydrogenbomben-detonatorer, små mengder fusjonsmateriale innenfor den kritiske fisjonsmassen. Nøytronene som frigjøres under fusjonen forårsaker en "varmere" eksplosjon, slik at våpenets effektivitet økes gjennom bedre utnyttelse av det spaltbare materialet. Enda høyere eksplosive energier oppnås med flertrinns våpen som hydrogenbomber.

238 U fisjon gjennom en 238 U reflektor eller jakke

I tillegg til det faktiske spaltbare materialet, kan det også brukes en reflektor laget av billig naturlig uran eller utarmet uran ( 238 U). Dette materialet er også delt fra kjerneprosessen av nøytronene og frigjør energi. Utgivne nøytroner varmer også opp den primære fisjoneringsprosessen som ligner på en booster. Effektiviteten til 238 U i reflektoren eller bombejakken er under den kritiske massen som faktisk ble brukt i bomben.

I en av amerikanernes sterkeste rene fisjonsbomber ( Ivy King ) ble rundt 425 kT energi frigjort ved implosjon på 235 U og ytterligere 75 kT ved den delvis splittede 238 U fra skallet. En økning i ytelsen gjennom 238 U i reflektoren er bare mulig med bomber i henhold til implosjonsdesignet, siden 238 U frigjør et stort antall nøytroner gjennom spontan fisjon og derfor vil føre til en antenning med høy sannsynlighet i pistolen design.

Hvis en liten atombombe med 235 U er utformet som et fissilt materiale (for eksempel en "bunkerbuster" i henhold til pistoldesignet), oppstår det teoretiske problemet at 235 U ikke er fullstendig implementert i eksplosjonen i fiendens område, og Derfor er en ny atombombe tilgjengelig for konstruksjon. For å forhindre dette kan et slikt atomvåpen gis en jakke eller ballast laget av 238 U. I atomeksplosjonen blandes begge uranene, og så reduseres graden av renhet . For å unngå fortenning, må 238 U installeres separat fra eksplosjonsenheten.

Bomber med en jakke laget av 238 U (når du bruker en booster eller en hydrogenbombe) klassifiseres som tre-trinns våpen, og på grunn av den store mengden frigitt fissilt materiale blir de klassifisert som "skitne" bomber.

Hydrogenbombe

Hydrogenbombe Castle Bravo

I kjernefusjon våpen (hydrogenbomber), en konvensjonell atom eksplosiv innretning ( spalting er eksplosiv innretning) som benyttes for å få til den kjernefysiske fusjon av de hydrogenisotoper deuterium og tritium .

Den første, urealiserbare designen

Skjematisk fremstilling av en hydrogenbombe i henhold til klassisk superdesign

I den grunnleggende ideen om hydrogenbomben, som i amerikansk-amerikansk språk er referert til som Super og senere som Classical Super , er en stor mengde av hydrogenisotopene tritium eller deuterium ordnet ved siden av eller rundt en fisjon eksplosiv enhet som fungerer som en detonator. Eksplosjonen av spaltningseksplosjonsenheten skal varme opp hydrogenet til antennelsestemperaturen slik at fusjonseksplosivet tennes. Den fiktive konfigurasjonen ble kalt "alarm clock design" på grunn av dens geometriske utseende.

Denne ordningen vil ikke fungere med rent deuterium, fordi det meste av energien fra fisjoneringsbomben genereres som termiske røntgenstråler som trenger inn i deuterium. Temperaturen ville være tilstrekkelig for deuterium-tritium-reaksjonen, men tritium er relativt dyrt - i stedet for en hydrogenbombe av denne typen, kunne en veldig stor fissionsbombe ha blitt bygget til lavere pris.

Et annet problem med Classical Super er drivstoffets lave tetthet, fordi hydrogenisotopene er gassformede under normale forhold. Før nok drivstoff hadde blitt brukt, ville eksplosjonen av den primære splittelseseksplosjonen ha sprengt alt fra hverandre.

Utformingen av en "fusjonsmasse" av deuterium og tritium ved siden av eller rundt en fisjonskjerne er derfor uegnet, en bombe av denne typen ble aldri bygget. Imidlertid brukes en lignende design for nøytronbomben , siden bare en veldig liten mengde tritium-deuterium er nødvendig der, og derfor er kostnadene lave.

Teller-Ulam-Design

Skjematisk fremstilling av en hydrogenbombe i henhold til Teller-Ulam-designet:
A - primær kjernefysisk eksplosjonsanordning
B - sekundær fusjonseksplosiv enhet
1 - kjemisk eksplosiv
2 - 238 U-kappe
3 - hulrom
4 - tritiumgass innesluttet i plutonium eller urankule
5 - polystyren
6 - 238 U- Skjede
7 - litium 6-deuterid
8 - plutonium
9 - reflekterende skjede
Representasjon av de enkelte trinnene i eksplosjonen av en Teller-Ulam-bombe:
A - bombe før tenning; over den primære kjernefysiske fisjoneringsbomben; under den sekundære fusjonsladningen; begge innebygd i polystyrenskum.
B - Det konvensjonelle sprengstoffet komprimerer plutoniumkjernen til en superkritisk masse, og initierer dermed en kjernefysisk fisjonreaksjon.
C - Kjernefisjoneringsbomben avgir røntgenstråler som reflekteres fra innsiden av huset. Dette vil termisere polystyren.
D - Polystyrenskummet blir til plasma og komprimerer fusjonstrinnet. Kjernefysisk fisjonskjedereaksjon finner sted i plutoniumstangen.
E - Som et resultat av kompresjon og oppvarming begynner litium-6-deuteridet å smelte. I den andre fasen deler nøytronstrålingen 238 U. En ildkule begynner å danne seg.

Med Teller-Ulam-Design, oppkalt etter Edward Teller og Stanisław Ulam , er vanskelighetene med Classical Super løst. Løsningen, funnet på sovjetisk side av Andrei Dmitrijewitsch Sakharov , ble også kjent som "Sakharovs tredje idé". Når det gjelder uavhengig utvikling i Frankrike, tilskrives ideen Michel Carayol , for Storbritannia er spørsmålet om opphavsmannen mindre tydelig (se John Clive Ward ).

Den primære fisjoneksplosive enheten og den sekundære fusjonseksplosive enheten er plassert i et hus fylt med skum (vanligvis ekspandert polystyren ). Strålingen fra spaltningseksplosjonsenheten absorberes av husveggen og skaper et tynt lag med sterkt ionisert plasma som ikke bare absorberer primærstrålingen mer effektivt, men også utstråler i røntgenområdet. Det samme skjer med den ytre overflaten av den sekundære eksplosive enheten. Strålingsutvekslingen mellom de tre overflatene - det tynne plasmaet som dannes fra skummet absorberer knapt - er proporsjonalt med T 4 og kompenserer derfor raskt for temperaturforskjeller; det sies at " hulrommet " (også kalt på engelsk) termiserer .

Nå spres ikke bare plasmaet i fisjonstrinnet, men også de overfladiske plasmalagene. Deres enorme trykk forårsaker en innadrettet sjokkfront , bak hvilken materialet også endrer seg i plasmatilstand og beveger seg innover. Dette er også kjent som en strålingsimplosjon.

Geometrien til den sekundære delen er sfærisk eller sylindrisk, slik at sjokkbølgen konvergerer konsentrisk på et punkt eller en rett linje. Ekstreme forhold (trykk og temperatur) oppstår der, som detonerer den andre fasen av bomben, fusjon. De høyenergiske alfapartiklene som produseres under deuteriumfusjonen øker temperaturen ytterligere, slik at kjernereaksjonen forplanter seg utover som en flammefront.

I midten av den sekundære delen er det vanligvis en "tennplugg" kalt en hul sylinder eller sfærisk kjerne laget av plutonium eller beriket uran, som også samtidig bringes i en superkritisk tilstand ved kompresjonen. Spaltingen fungerer som en ekstra tenningskilde og regulator for andre trinn, eksplosjonenes effektivitet og ensartethet økes. Med inkorporering av strålingsforbedrende materiale på overflatene i hulrommet, kan konfigurasjonen reduseres ytterligere i størrelse.

Et lignende fusjonsimplosjonsprinsipp følger også inertial confinement fusion (ICF - inertial confinement fusion).

Fusjonseksplosiver

Frossen flytende deuterium ble brukt som fusjonseksplosjonsanordning i den første og eneste bomben som brukte rent deuterium ( Ivy Mike ) . Dette er uegnet for militære atombomber, siden kjøleinnsatsen er veldig stor og derfor veldig dyr. I tillegg er høytrykkslagring av deuteriumgassen ved normal temperatur vanskelig og omfangsrik og derfor også uegnet for atomvåpen. De samme hensyn gjelder for en blanding av deuterium og tritium. I tillegg er tritium ustabilt med en halveringstid på 12,3 år og må derfor skiftes ut regelmessig. For produksjon av tritium i atomreaktorer kreves også nøytroner, som plutonium også kan produseres fra uran, som har et høyere energiutbytte.

Av disse grunner blir deuterium nå brukt i kjemisk bundet form i et fast stoff som også genererer det nødvendige tritium når det bestråles med nøytroner. Av alle faste hydrogenforbindelser viste litiumdeuterid (LiD) , som er fast ved normal temperatur, seg å være den beste løsningen. Den inneholder mer deuterium per volumsenhet enn flytende deuterium og samtidig mer enn 20 prosent masse deuterium. Litiumet deltar også i atomreaksjonene og produserer ekstra energi. USAs første forsøk med en slik "tørr" bombe var Castle Bravo- testen 28. februar 1954 med en total eksplosiv kraft på 15 MT. Allerede 12. august 1953 antennet Sovjetunionen en transportabel LiD-konstruksjon i sin første test. Reaksjonene til deuterium det er snakk om er:

Det resulterende tritiumet kan generere raske nøytroner i en ytterligere reaksjon:

Til slutt kan 3 produserte helium også fortsette å reagere:

Nøytronene produsert i reaksjonene ovenfor kan reagere med litium:

I tillegg skjer andre kjernefysiske reaksjoner, men de bidrar relativt lite til den totale reaksjonen. Begge litiumisotoper, 6 Li og 7 Li, kan brukes til termonukleære våpen . De totale reaksjonene med deuterium er:

Hvis det kreves mange (langsommere) nøytroner i en tretrinns hydrogenbombe for fisjon i en 238 U-mantel, er 7 Li billigere. På den annen side er 6 Li fordelaktig for et høyere energiutbytte . Naturlig litium består av 92,5% 7 Li og 7,5% 6 Li. Litium beriket med 6 Li oppnås ved isotopseparasjonsprosesser .

Alt i alt 4 Han forblir fra reaksjonene , ureagerte deuterium og mange nøytroner. Det reaktive tritium er nesten fullstendig brukt opp i reaksjonene. For hver megatonne eksplosiv kraft - hvis ren 6 Li brukes og forutsatt at hvert atom reagerer - må 15,6 kg litiumdeuterid reagere. Siden bare omtrent halvparten av materialet brukes i praksis, kreves 36 kg.

Siden hydrogenfusjonen i Teller-Ulam-designen utløses av høyt trykk og høy temperatur og ikke - som med den eldre Sloika-designen  - første nøytronbombardement fra fisjonstrinnet er nødvendig, kalles denne typen atombombe en termonukleær bombe.

Atomvåpen basert på Teller-Ulam-designet blir eufemistisk referert til som rene atombomber fordi de henter en stor andel av sin eksplosive kraft fra kjernefusjon. Kjernefusjon, dvs. andre trinn, produserer mye mindre og mer kortvarig radioaktivitet enn kjernefisjon, nemlig bare tritium (se formler ovenfor). Det som gjenstår, er imidlertid fisjonsproduktene fra første trinn, fisjonsbomben som ble brukt til å tenne fusjonen, og de omkringliggende materialene omdannet til radioaktive isotoper gjennom nøytronfangst , som sammen danner nedfallet. Bomben er bare “ren” i forhold til en ren kjernefysisk fisjoneringsbombe med samme eksplosive effekt.

Tre-trinns hydrogenbombe

Forholdet mellom eksplosive krefter fra første til andre trinn er begrenset til maksimalt ca. 1: 200, et forhold på 1:20 til 1:50 er vanlig. Siden fisjonsbomber som første trinn er begrenset til flere hundre kT, er den maksimale eksplosive kraften i andre trinn opp til omtrent 100 MT, men vanligvis ikke mer enn omtrent 10 til 25 MT. Det er flere måter å øke den eksplosive kraften til en termonukleær bombe:

  • Det ville være mulig å øke massen til andre eller tredje trinn på bekostning av effektiviteten og antennbarheten til dette trinnet. Dette kan oppnås ved et konisk implosjonsarrangement på dette trinnet og en lineær tenningsoverføring. Prinsippet ble ikke brukt, men kan bli funnet eksternt i andre trinn "Tennplugg".
  • Teoretisk sett kunne et geometrisk arrangement av flere detonatorbomber detonere et stort andre og tredje trinn. En av de første hydrogenbombene hadde sannsynligvis en slik konfigurasjon, effektiviteten til andre trinn var relativt lav på grunn av "ubalansen" i detonatorene. Problemene og kostnadene ved en slik ordning oppveier problemene.
  • Et annet Teller-Ulam-trinn kan legges til et eksisterende, det vil si at energien som frigjøres av det første fusjonstrinnet brukes til å detonere den neste, enda større, eksplosive enheten (tredje trinn). I tilfelle en utvidet Teller-Ulam-konfigurasjon, kan den tredje fasen, som den andre fasen, bestå av et fusjons- eller fisjonstrinn.
  • Den omkringliggende metallsylinderen kan være laget av uran 238 U, et avfallsprodukt fra uranberikelse . Dette uranet deles av de raske nøytronene (14  MeV ) til fusjonseksplosjonsenheten og gir på grunn av sin mengde en stor andel av den totale energien. I en enkel atombombe blir noen kilo uran eller plutonium splittet. I en såkalt ”tertiær hydrogenbombe” kan det være flere tonn uran. Så det er tre trinn: Fisjonens eksplosive ladning for å antenne fusjonsladningen, som igjen produserer nøytronene for fisjon av uran i tredje trinn. Designet blir derfor også referert til som en fisjon-fusjon-fisjon-design eller "trefasebombe" (FFF-bombe). Spaltingsproduktene til uran i tredje trinn er ansvarlige for en stor del av den radioaktive forurensningen i en slik bombe, det er en usedvanlig skitten bombe. Den amerikanske testbomben " Redwing Tewa " ble for eksempel bygget etter dette prinsippet. Med en total eksplosiv kraft på ca 5 MT oppnådde den en eksplosiv kraft på 4,35 MT fra kjernefysisk fisjon i første og tredje trinn (test i juli 20, 1956).

Begrepet "tre-trinns hydrogenbombe" eller "tertiær hydrogenbombe" brukes om disse designprinsippene, noe som lett kan føre til forvirring. Det største atomvåpenet hittil detonert, tsarbomben , hadde to fusjonseksplosive enheter og en eksplosiv styrke på rundt 50 til 60 megaton TNT-ekvivalent . Et 238 U-belegg er utelatt for å begrense gitt av den allerede sterke nedfallet av den eksplosive kraften. Med uranmantling som fjerde trinn , ville denne bomben hatt en estimert eksplosiv kraft på minst 100 megaton TNT, og forurensningen ville ha vært ødeleggende.

Hybrid atombomber

Hybrid atombomber får en stor del av sin eksplosjonsenergi fra kjernefisjon, men krever en fusjonskomponent for å intensivere kjernefisjonen. Det er forskjellige konstruksjonsmetoder for denne fusjonsdelen.

Økte sprekkebomber

For å øke nøytronproduksjonen kan en liten mengde hydrogenisotoper deuterium og tritium introduseres som et fusjonsbrensel i midten av den hule sfæren laget av kjernefysiske eksplosiver; i motsetning til nøytronbomben der drivstoffet er anordnet utenfor eksplosjonsanordningen for fisjon. Typiske mengder av en deuterium-tritiumblanding er to til tre gram. Kjernefysisk fisjonskjedereaksjon fører til at kjernefusjonen av disse stoffene antennes gjennom trykk og varme, med mange høyenergineutroner som genereres:

Skjematisk fremstilling av en forsterket kjernefysisk fisjonsbombe basert på implosjonsdesignet

Fusjonen av deuterium eller tritium gir bare et lite bidrag til energiproduksjonen, fordi ett gram tritium frigjør mindre enn 0,2 kT eksplosiv kraft. Imidlertid deler nøytronene som frigjøres fra fusjonen en større andel av fisjoneringsdrivstoffet, og dermed blir effektiviteten multiplisert sammenlignet med en ren fisjoneksplosjon. Nøytronene fra ett gram tritium kan dele 80 gram plutonium. Siden nøytronene som frigjøres fra kjernefusjon er veldig raske, frigjøres et spesielt stort antall raske nøytroner når plutonium deles, som igjen splitter andre plutoniumkjerner. Totalt er rundt 450 gram plutonium delt med ett gram tritium - sammenlignet med en strukturelt identisk fisjoneringsbombe uten å øke - og de frigjør rundt 7,5 kT ekstra energi. Ved å øke kan den eksplosive kraften til fisjonsbomber dobles omtrent.

Teknisk sett kan blandingen av tritium og deuterium være tilstede som en komprimert gass, ved lave temperaturer som en væske eller som en kjemisk forbindelse. Det første forsterkede atomvåpenet til USAs drivhusgjenstand (detonert 25. mai 1951, Eniwetok Atoll), en frossen, flytende blanding av tritium og deuterium ble brukt til å øke den eksplosive kraften til en misjonsbombe fra den forventede verdien (20 kT) til 45,5 kT mer enn dobbelt. For å unngå teknisk kompleks avkjøling velges antagelig kompresjon av gassene i dag. Økningen gjør lagring av atomvåpen vanskeligere fordi tritium er radioaktivt og forfaller med en halveringstid på 12,32 år. Derfor må den produseres kontinuerlig i atomreaktorer og erstattes i atomvåpen. Til tross for denne vanskeligheten blir de fleste misjonsbomber - uansett om de brukes som detonatorer for en hydrogenbombe - forsterket i dag. Eksplosivkraften til noen våpnetyper kan justeres ved å legge til forskjellige mengder boosting materiale; Engelsk "dial-a-yield".

Det er uklart om litiumdeuterid også er egnet som et booster-materiale, da dette i utgangspunktet har en nøytronabsorberende effekt.

Sloika design (løkskinn)

I tillegg til Teller-Ulam-designet, kan en fusjonsbombe med en eksplosiv kraft på opptil 700 kT også bygges i henhold til Sloika-designet . Her er en fisjoneksplosjonsanordning omgitt av et litiumdeuteridlag, som igjen er omgitt av et uranlag (løkeskinnprinsipp). I motsetning til den primære fisjoneksplosjonsenheten består det ytre uranlaget av naturlig uran eller utarmet uran, så det har et høyt 238 U-innhold.

Løkskinnkonstruksjonsprinsippet ("sloika" eller "butterdeig") er nær den opprinnelige "Classical Super", som bare omgir en atombombe. Det fungerer til slutt som en boosterbombe, med den ekstra uranjakken som fungerer som en skitten tredje fase. Avhengig av tykkelsen på det andre og det tredje laget, "lyser" disse lagene sammen og med forskjellige grader av effektivitet. Den relativt komplekse konstruksjonen, i likhet med den amerikanske “Super”, kan sees på som et russisk innledende stadium eller utviklingsstadium til Teller-Ulam-konfigurasjonen.

Det er to forskjellige versjoner av Sloika-designet:

Variant I (tynn strøk)

Etter at fyringssprengstoffet er tent, genereres nøytroner i fisjonstrinnet, noe som resulterer i følgende kjernefysiske reaksjon i litiumdeuteridlaget:

Det resulterende tritium T reagerer med deuterium i en ytterligere reaksjon:

Som et resultat, langsomt nøytron, er hver et 6 litium og et deuteriumatom som frigjør energi til to heliumkjerner og en rask nøytron transformert. Den samlede reaksjonen forbruker derfor og produserer ett nøytron om gangen. Siden noen av nøytronene rømmer til utsiden, kan ikke reaksjonen opprettholde seg selv og går ut etter kort tid. For de andre reaksjonene som er beskrevet i Teller-Ulam-designet, er trykket og temperaturen i Sloika-designen for lav. Imidlertid kan de rømte raske nøytronene dele 238 U-kjernene i det ytre laget og i sin tur frigjøre energi. Atombomber av dette designet ble utviklet og testet spesielt av Storbritannia, for eksempel i testeksplosjonen "Grapple 2" 31. mai 1957. Et primær fisjonstrinn med en eksplosiv kraft på 300 kT førte gjennom de ekstra lagene til en eksplosjon. med en total styrke på 720 kT.

Variant II (tykk strøk)

Hvis fusjonen og de ytre uranlagene er laget relativt tykke, kommer en annen mekanisme inn i bildet. Fra kjernefisjonen i det ytre uranlaget skytes mange nøytroner tilbake i fusjonslaget, der de genererer en andre generasjon tritium. Reaksjonen av 238 U-laget i fusjonslaget skaper en kombinert forbrenning av begge lag. Siden med denne varianten nøytroner fra det ytre uranlaget også bidrar til bombingen av litiumdeuteridlaget, kan det første fisjonstrinnet gjøres mye mindre. Denne varianten krever derfor mindre gap 235 U eller 239 Pu i første trinn og er derfor billigere å produsere. Dette designet ble valgt i den sovjetiske atomprøven "Joe-4" 12. august 1953. I denne atomprøven produserte det indre fisjonstrinnet 40 kT fra 235 U, omtrent 70 kT fra kjernefusjonen i det andre laget og 290 kT fra kjernefisjonen i det tredje laget.

Denne konstruksjonen er ikke et rent termonukleært andre trinn, det er ingen uavhengig hydrogenforbrenning. Denne kombinerte fisjon-fusjonsreaksjonen ligner den tennende "tennpluggen" til en Teller-Ulam-konfigurasjon: kjernefisjonering av uran i det ytre laget tjener til å multiplisere nøytroner, fusjonen tjener til å akselerere nøytroner. Imidlertid er det ikke et individuelt nøytron som akselereres, men det konsumeres en langsom nøytron og en rask genereres i løpet av fusjonsprosessen. Nøytronakselerasjonen er nødvendig fordi 238 U bare kan deles med nøytroner med en minimumsenergi på 1,5  MeV .

Andre varianter

I tillegg til de grunnleggende typene som er skissert ovenfor, er det andre varianter som bare har blitt delvis implementert:

  • I alle totrinnsbomber kan den første fasen utføres som en boosted misjonsbombe , som ofte brukes i dag.
  • Den to-trinns fisjoneringsbomben har en lignende struktur som Teller-Ulam-hydrogenbomben, men i stedet for den hydrogeneksplosive enheten brukes et andre fisjonstrinn basert på implosjonsdesignet. Så dette andre trinnet imploderes ikke av kjemiske eksplosiver, men av det første trinnet. Denne atombomben ble sannsynligvis aldri implementert militært. Designet ble utviklet av Ulam for atombomber med stor eksplosjonsstyrke; Det ble først senere anerkjent at hydrogenbomber også kunne bygges med den. En slik to-trinns misjonsbombe ble detonert i "Nectar" -testen ( Operation Castle ) 13. mai 1954. Som i den første fasen gjelder forholdene knyttet til den kritiske massen.
  • I alle H-bomber (delvis også uran- eller plutoniumbomber) med et ytre uranlag, kan dette også utføres med 235 U eller 239 Pu. Den amerikanske testbomben "Cherokee" ( Operasjon Redwing ) fra 20. mai 1956 var en termonukleær bombe i henhold til Teller-Ulam-designet, men konvolutten til litiumdeuterid var laget av høyt beriket uran.
  • En sylindrisk design av uranimplosjon ser ut til å være mulig og ble kort testet av den amerikanske siden under H-bomben.
  • Det ødelagte tårnet fra Test Ruth
    Modererte atomvåpen består av en normal fisjonsbombe der fisjonsmaterialet imidlertid ikke består av anriket uran eller plutonium, men av et metallhydrid av disse stoffene som UH 3 . Hydrogenet i materialet fungerer som moderator på nøytronene; det bremser dem, og øker sannsynligheten for at de vil splitte andre atomer i drivstoffet. Dette reduserer den kritiske massen betydelig, for uran til mindre enn ett kilo. Tettheten av det fissile materialet er imidlertid betydelig lavere, og det er grunnen til at bomben mister sin kritikk veldig raskt når kjedereaksjonen har startet. Flere amerikanske forsøk med denne konstruksjonsmetoden lyktes ikke: I testen "Ruth" ( Operation Upshot-Knothole ) 31. mars 1953 oppnådde en atombombe estimert til 1,5 til 3 kT bare en eksplosiv kraft på 0,2 kT og ødela ikke engang den 100 m høye masten den ble montert på. Eksperimentet "Ray" 11. april 1953, der uranhydrid også ble brukt, men sammen med deuterium, gikk på en lignende måte.

Atomvåpen med spesialeffekter

Neutronvåpen

Skjematisk fremstilling av en nøytronbombe

Et nøytronvåpen (forbedret strålingsvåpen) er en hydrogenbombe med deuterium-tritium drivstoff, hvis konstruksjon i det vesentlige ligner Teller-Ulam-designet. Våpenets design er optimalisert for maksimal nøytronutslipp og et relativt lavt nedfall. Amerikaneren Samuel T. Cohen utviklet dette våpenet tilbake i 1958 og kjempet tungt for produksjonen. Så han kunne ikke seire før 1981 under president Ronald Reagan . Totalt ble 700 nøytronstridshoder bygget. I juni 1980 kunngjorde den franske presidenten Giscard d'Estaing at Frankrike ville utvikle en nøytronbombe, og 21. juni ble det første våpenet testet på Moruroa- atollen. I 1988 testet Folkerepublikken Kina sitt første nøytronvåpen med en eksplosiv kraft på 1–5 kT. De amerikanske nøytronbombene ble demontert fra 1992 til 2003 under regjeringene til George HW Bush , Bill Clinton og George W. Bush . Frankrike demonterte også sine nøytronbomber etter slutten av den kalde krigen.

Nøytronvåpen er vanligvis bygget med en veldig liten primær eksplosiv enhet. For eksempel hadde det amerikanske Mk79-stridshodet en eksplosiv kraft på 1 kT, hvor 0,25 kT ble frigitt ved kjernefisjonering av plutonium og 0,75 kT ved kjernefusjon. En slik bombe er også relativt liten. Stridshodet inneholder bare ca. 10 kg spaltbart materiale og noen få gram deuterium-tritiumgass.

Sammenlignet med en forsterket atombombe er ikke deuterium-tritiumgassen inne i fisjonen, men utenfor den. Som et resultat traff bare en liten del av nøytronene som kjemefusjonen slipper ut, sprekkematerialet, og en større del kan unnslippe. For å absorbere så lite nøytronstråling som mulig, brukes ikke uran som kledning for fusjonseksplosjonen, men wolfram . Andre komponenter er også fortrinnsvis laget av materialer som ikke absorberer raske nøytroner, slik som krom eller nikkel . Sekundære nøytronkilder kan også brukes.

Siden kjernefusjon frigjør et spesielt stort antall nøytroner i forhold til kjernefisjon, kan denne ordningen brukes til å bygge en bombe som med en gitt eksplosiv kraft frigjør mange flere nøytroner enn en vanlig fusjonsbombe - derav navnet. Teknisk sett ville deuterium-tritiumgassen lagres under høyt trykk i en liten kapsel - noen få centimeter i diameter. På grunn av høytrykkslagring trenger ikke gassen å fryses ned.

Ulike, inkludert noen mulige (og noen antagelig umulige) design for nøytronvåpen, blir diskutert i litteraturen. Den faktiske utformingen som brukes av nøytronbomber er fortsatt en hemmelighet.

Nøytronvåpenet regnes som et taktisk våpen som dreper mennesker og andre levende ting gjennom stråling, men skal etterlate bygninger stort sett intakte. Den høyere dødeligheten med lavere strukturelle skader kan bare forstås i forhold til andre atomvåpen. Selv med en nøytronbombe slippes rundt 30 prosent av energien ut som trykkbølger og ytterligere 20 prosent som termisk stråling (med konvensjonelle atomvåpen er disse verdiene rundt 50 prosent og 35 prosent). Et nøytronvåpen kan tenkes med den eksplosive kraften til Hiroshima- eller Nagasaki-bomben, men med mye høyere stråledoser. De biologiske effektene av sterk nøytronstråling er fortsatt knapt undersøkt.

Når det gjelder taktiske nøytronvåpen med vanligvis lav eksplosiv kraft, kan det antas at de fleste sivile (ikke-forsterkede) bygninger blir ødelagt i området med dødelig stråling. Effektiviteten til større nøytronvåpen er kontroversiell fordi nøytronstrålingen (spesielt i fuktige klima) dempes kraftig av vanndampen i luften.

En annen anvendelse av nøytronvåpenet var som anti-ballistisk rakett . Den Sprint missilet var utstyrt med en W66 nøytron våpen og er beregnet på å ødelegge nærmer stridshoder i atmosfæren. Prinsippet bak var at nøytronstrømmen som ble generert på denne måten raskt skulle varme opp sprekkematerialet i målstridshodet og derved deformere det til det var ubrukelig for å forhindre antenning.

For de taktiske og politiske aspektene av nøytronbomber, se også atomvåpen . For et stasjoneringssted i Tyskland på 1980-tallet, se et spesielt ammunisjonslager Gießen .

Koboltbombe

En koboltbombe er en form for den saltede bomben . Store mengder av en stabil isotop (i dette tilfellet 59 Co ) er bygd inn i skallet på en fisjon- eller fusjonsbombe. De nøytroner frigjøres under eksplosjonen konvertere den 59 Co inn i radioaktiv 60 Co. Dette har en halveringstid på 5,26 år, og dets radioaktivitet reduseres følgelig i løpet av 50 år til omtrent en tusendel av den opprinnelige verdien. 60 Co avgir to gamma-kvanta med høy permeabilitet per kjerneforfall . For eksempel bør et område være forurenset radioaktivt så sterkt og i en lengre periode som mulig for å utelukke menneskers overlevelse utenfor bunkere . Det er ikke kjent om en slik bombe noen gang ble bygget.

Skitne bomber

Uttrykket " skitten bombe " (engelsk. Dirty bomb ) eller "radiologisk bombe" refererer til våpen hvis effekt er basert på distribusjon av radioaktivt materiale av konvensjonelle eksplosiver i angrepsmålet for å forurense miljøet uten å ha hatt en atomreaksjon. Disse våpnene har enten ikke nok spaltbart materiale for den kritiske massen , har ikke en egnet tenningsmekanisme, eller bruker radioaktive isotoper som er lettere å oppnå og som i utgangspunktet er uegnet for kjernefysiske reaksjoner.

En “skitten” bombe fylt med plutonium vil teoretisk kunne gjøre et målområde ubeboelig i lang tid på grunn av forurensningen. Det kan være av interesse for terrorister som faktisk kunne anskaffe plutonium, men bare i et beløp under den kritiske massen, eller som av tekniske årsaker ikke ville være i stand til å bygge den komplekse tenningsmekanismen.

Det er imidlertid omstridt om plutoniumbaserte skitne bomber virkelig ville være effektive i praksis, siden aktiviteten til 239 plutonium er lav på grunn av dens lange halveringstid (rundt 24 000 år); kortvarige isotoper som 137 cesium eller 192 iridium viser en betydelig høyere aktivitet med samme mengde.

Begrepet "skitten bombe" ble også brukt tidligere om koboltbomber, bomber med en "skitten" andre eller tredje etappe, og bomber detonert nær bakken.

litteratur

weblenker

Commons : Nuclear Weapons and Technology  - Samling av bilder, videoer og lydfiler
Wiktionary: atomvåpen  - forklaringer på betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser
Wiktionary: Atomwaffe  - forklaringer på betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser
Wiktionary: Atomvåpen  - forklaringer på betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

hovne opp

  1. Nuclear Weapon Archive , FAQ, Elements of Fission Weapon Design, Figure 4.1.7.1.1., Carey Sublette
  2. ^ A. Schaper: Arms Control at the Stadium of Research and Development? - Saken om inertial confinement fusion. ( Memento fra 19. mai 2005 i Internet Archive ). Science & Global Security, Vol. 2, s. 1-22, 1991.
  3. Kina - Atomvåpen. På: globalsecurity.org.
  4. Christopher Ruddy: Intervju med nøytronbombeoppfinneren Sam Cohen. Bomb oppfinner sier at USAs forsvar lider på grunn av politikk. I: www.manuelsweb.com. 15. juni 1997, åpnet 27. september 2020 .
  5. ↑ Den kalde krigen: Hva skjedde med nøytronbomben? I: SPIEGEL ONLINE. Hentet 17. januar 2016 .
  6. ^ Liste over alle amerikanske atomvåpen. (Liste over alle amerikanske atomvåpen), Nuclear Weapons Archive.
Denne versjonen ble lagt til listen over artikler som er verdt å lese 29. august 2005 .