Inleiding

We hebben dus uranium-235 die spontaan splijt en energie (onder de vorm van warmte en straling) produceert. Het leuke is dat er ook neutronen vrijkomen bij de splijting, en die neutronen kunnen op hun beurt nieuwe splijtingen veroorzaken. Vanaf een bepaalde massa zorgen de vrijgekomen neutronen ervoor dat er meer uranium atomen splijten, zodat er meer neutrone vrijkomen, die nog meer splijtingen veroorzaken, waardoor er een kettingreactie ontstaat.

De massa waarbij de kettingreactie kan starten hangt af van de vorm van het voorwerp (bij een bol kan de kettingreactie starten bij een lagere massa), de concentratie aan aktief materiaal en de dichtheid van het voorwerp (de kettingreactie kan bijvoorbeeld gestart worden door de bom sterk samen te drukken). Ook de aanwezigheid van een neutronenspiegel kan de kettingreactie doen starten.

Ook bij normale kerncentrales gebeurt er een kettingreactie, maar de reactor wordt subcritisch gehouden en gebruikt de vertraagde neutronen om de reactie onder controle te houden. De vertraagde neutronen zijn de neutronen die ontstaan uit de splijting van de instabiele produkten afkomstig uit de primaire kernsplijting. Deze vertraagde neutronen komen pas vrij minuten en zelfs uren na de splijting van uranium zodat de systemen voldoende tijd hebben om de reacties te stabiliseren, zie werking van een kerncentrale.

Atoombom (uranium)

Dat is één van de reden waarom men heel geconcentreerd U-235 moet gebruiken. Een andere reden om U235 te gebruiken is dat men de bom kleiner kan maken. De bom moet rond zijn, zodat zoveel mogelijk brandstof bij de reaktie betrokken wordt. We hebben dus een bol met een kritische hoeveelheid U-235, maar die ontploft niet. De meeste neutronen verlaten immers de bol zonder opgenomen te worden door een uraniumatoom.

Wat we nodig hebben is een spiegel om de neutronen te weerkaatsen naar de bol toe. Als dat gebeurt hebben we een explosieve kernreactie. Er zijn twee dergelijke ongevallen gebeurd met de "demon core" een plutoniumbal die voorzien was om gebruikt te worden in de derde kernontploffing boven Japan. Er was geen derde kernbom nodig en de demon core werd later gebruikt in testen.

Maar uiteindelijk zal men deze methode niet gebruiken. De massa van de bol ligt immers dicht bij de kritieke massa, waardoor de kernreactie maar (relatief) traag op gang komt. In beide incidenten kon men de kernreactie stoppen door de reflector te verwijderen. De onderzoekers in de buurt van de bol gingen wel na een paar dagen dood, maar de kernreactie kon gewoon gestopt worden. Bij een kernexplosie zou het kernmateriaal gewoon uit elkaar vallen door de hitte nog voor dat er voldoende kernmateriaal gesplijt zou zijn (een dergelijke halfslachtige reactie wordt een "fizzle" genoemd).

Het systeem dat wel gebruikt zal worden zijn twee delen die dicht bij hun kritieke massa zijn. Men gebruikt de benaming projectiel voor het bewegende deel en doel voor het vaste deel. Als de twee delen snel tegen elkaar gedrukt worden samen met reflecterend materiaal, dan ontstaan er een hevige kettingreactie. De reactie is snel genoeg om voldoende brandstof te "verbranden" vooralleer de bom uit elkaar spat. Het duurde 10ms om het projectiel tegen het doel te projecteren, de kettingreactie duurde 1µs.

Dit was het ontwerp van de eerste kernbom die op Hiroshima gelanceerd werd. Als splijtstof werd sterk verrijkt uranium gebruikt. Het projectief heeft een massan boven de kritieke massa, maar er gebeurt geen kettingreactie omdat er geen reflekterende oppervakte aanwezig is. Het projectiel is ook hol, waardoor er veel neutronen kunnen ontsnappen. Het doel heeft een massa juist onder de kritieke massa. Als beide delen in elkaar geschoven zijn (zie afbeelding) dan in het kernmateriaal volledig omgeven door een spigelende oppervlakte zodat de kettingreactie exponentieel kan toenemen.

Op de afbeelding zijn volgende elementen van belang:

• W scheikundige explosieven om het projectiel tegen het doel te stuwen
• T wolfram-carbide schijf, dient om de schok van de ontploffing te absorberen en heeft ook neutronen-reflecterende eigenschappen
• S de holle lading kernmateriaal (sterk verrijkt U235), juist boven de kritieke massa
• I wolfram-carbide omhulsel
• H cylindervormige lading kernmateriaal, er is geen kettingreactie mogelijk, zelfs met de wolfram-carbide schild omdat de kritieke massa niet bereikt is.

Om de reactie nog te versnellen is er een neutronenbron aanwezig die pas aktief wordt als de twee uraniumdelen elkaar raken. Het bestaat uit twee schijven, één van polonium en één van beryllium die tegen elkaar gedrukt worden. Polonium zend constant alfa-straling uit, maar de straling wordt tegengehouden door enkele centimeters lucht. Het is enkel als de twee delen elkaar raken dat de alfa straling het beryllium kan raken. Beryllium zet de alfastraling in een sterke neutronenstraling. De neutronenbron was niet strikt noodzakelijk voor een uraniumbom, maar werd voor de zekerheid toch gebruikt.

Bij de ontploffing wordt slechts 2% van het kernmateriaal gesplitst, dan valt de bom uit elkaar door de enorme hitte die geproduceerd wordt. De volgende ontwerpen zullen meer efficient zijn door het kernmateriaal langer samen te houden.

Het probleem met uranium is dat er niet veel uranium beschikbaar is, en dat die zeer sterk verrijkt moet worden. Tijdens de tweede wereldoorlog was het niet mogelijk om voldoende uranium te verrijken om twee bommen te maken. Maar in plaats van uranium-235 kan men ook plutonium gebruiken. Plutonium ontstaat als U-238 gebombardeerd wordt met neutronen. Het is een element die normaal niet voorkomt in de natuur.

Atoombom (plutonium)

Maar plutonium heeft enkele nadelen. Aanwezige verontreinigingen zijn een bron van neutronen, waardoor plutonium sterker de neiging heeft om spontaan over te gaan tot een kernreactie. Een massa plutonium voelt ook warmer aan dan een gelijkaardige massa uranium door de hogere natuurlijke splijting. De massa van de verschillende delen moet dus zeker onder de kritieke massa zijn, en een systeem met twee delen zoals de uraniumbom is niet betrouwbaar genoeg.

Bij plutonium moet men werken met een bolvormige constructie met aan de buitenkant verschillende lagen explosieven en in het midden een plutoniumbol. Door de implosie wordt de plutoniumbol sterk samengedrukt (bepaalde plutoniumvormen zijn elastisch). Door de compressie wordt de kritieke massa snel bereikt en de kettingreactie kan starten. In het midden van de plutoniumbom is er een neutronenbron om de reactie snel te starten (beryllium + polonium).

Tussen de explosieven en de plutoniumbol is er een dikke laag verarmd uranium (uranium 238). Verarmd uranium heeft een zeer hoge massa, het wordt gebruikt in bepaalde projectielen om het doel gemakkelijker te doorboren (militaire schepen en tanks) maar het wordt eveneens gebruikt als bepansering omdat het een zo hoge dichtheid heeft.

Door de implosie wordt de uraniumschild naar binnen gedrukt en door de hoge massa wordt de kernreactie voldoende lang samen gehouden tot dat er voldoende "brandstof" is opgebrand.

Door de zeer intensieve neutronenbombardement wordt een deel van het uranium omgezet in plutonium, die op zijn beurt ook deelneemt aan de kernreactie. Ongeveer 30% van de energie die vrijkomt is afkomstig van het uranium.

Belangrijke componenten van de bom:

• A Ontstekingsmechanismes (er zijn 1773 ontstekers)
• B C D Explosieven met een verschillende samenstelling om een perfekte implosie te bekomen
• F Aluminium stootkussen om de energie van de explosieven naar de kern te richten
• G Verarmd uranium halve bollen, door hun hoge massa zullen ze ervoor zorgen dat de kern lang genoeg samengehouden wordt.
• H Plutonium halve bollen (in het rood)
• L neutronenbron (in het midden van de plutonium halve bollen)

Het is belangrijk dat de explosieven gelijkmatig tot ontploffing gebracht worden, anders onstaat er geen mooie implosie en schiet de plutomiumbol gewoon uit de bom zonder te reageren. Men gebruikt speciale ontstekers die bestaan uit een metalen draad waardoor er een zeer hoge stroom gestuurd wordt (tot 1000A bij een spanning van meerdere kV). De draad verdampt ogenblikkelijk en er ontstaat een plasma die de classieke scheikundige explosieven aktiveert. Bij gewone ontstekers (die ook een metalen draag gebruiken) is er te veel variatie in ontstekingstijd.

Om heel snel een hoge stroom te genereren worden zware elko's ontladen. Het schakelelement is een speciale buis, een krytron. Omdat zo'n implosiebom complexer te maken was, werd er een testexplosie uitgevoerd (Trinity) voordat de tweede bom op Nagasaki gedropt werd. De kernbrandstof in beide gevallen was plutonium. Rechts een afbeelding van een reklame voor krytrons. Deze speciale buizen konden in verschillende vermogens geleverd worden.

Kernfusie (watersofbom)

In plaats van splijting kan men ook fusie gebruiken om energie te produceren. Splijting gebeurt met zware elementen zoals uranium en plutonium, fusie gebeurt met lichte elementen zoals waterstof, deuterum en tritium (drie isotopen van waterstof).

Om fusie mogelijk te maken is er een extreem hoge druk en temperatuur nodig, juist wat we hebben in een kernbom. Het is dan ook redelijk eenvoudig een waterstofbom (H-bom) te maken op basis van een kernbom (A-bom): gewoon een extra reservoir deuterum voorzien in een drukvat samen met de A-bom.

• A Eerste trap (spijting)
• B Secundaire trap (fusie)
• 1 Scheikundige explosieven
• 2 Uraniumschild (U238) met neutronenreflector
• 3 Lucht (de kernbom wordt opgehangen)
• - Plutonium (grijs gedeelte)
• 4 Booster (neutronenbron en tritium of deuteriumgas)
• 5 Inerte vulling (in het rood de straling die uit de A-bom vrijkomt)
• 6 Verarmd uranium
• 7 Lithium deuteride (deterium gebonden aan lithium zodat die voldoende geconcentreerd is)
• 8 Plutonium ontsteker
• 9 Behuizing

Verbeteringen

Deze verbetering was reeds aanwezig bij de eerste waterstofbom, maar ondertussen is het gas vervangen door lithium deuteride, zodat deuterium als een vaste stof aanwezig is in de bom. Zowel waterstof, deuterium als tritium kunnen gebruikt worden bij een kernfusie, maar tritium heeft een hoger neutronisch rendement (de kern bevat meer neutronen). Tritium is echter radioactief (halwaardetijd van 12 jaar), waardoor de tritiumlading regelmatig vervangen moet worden. Deuterium scheikundig gebonden aan lithium blijft de beste oplossing.

Omdat de fusiereacties enorme hoeveelheden neutronen produceren is het niet verwonderlijk dat men drietraps atoombommen heeft gemaakt: eerst een kernsplijting die een kernfusie start, die op zijn beurt de kernsplijting van een uraniummantel aan de gang brengt. De russische Tsar Bomba is een drietraps bom. De bom die in 1961 tot ontploffing werd gebracht had een vermogen van 50Mt die uitbreidbaar was tot 100Mt door een extra omhulsel van natuurlijk uranium te voorzien (3000 maal zo sterk als de bom op Hiroshima en tien keer de kracht van alle explosieven die tijdens de tweede wereldoorlog gebruikt werden). De bom bestond uit drie "componenten", een A-bom die voor een vermogen van 1.5Mt zorgde, een waterstofbom met een vermogen van 50Mt en een uranium omhulsel die op zijn beurt 50Mt vermogen zou leveren.

Bij de test werd de uranium omhulsel vervangen door een niet aktieve loden omhulsel om de fall-out te beperken. Toch was de lichtflits van de bom zo sterk dat die derdegraad brandwonden kon veroorzaken op 100km afstand. Zelfs zonder de derde trap was de bom de krachtigste kernbom die ooit tot ontploffing werd gebracht. Er werden geen complete drietrapsbommen gebouwd, de fall-out (radioactief afval) zou zo intens zijn dat een volledig continent besmet zou zijn geweest. Door de westenwinden zou een explosie boven Europa de radioactieve deeltjes naar de USSR gebracht hebben, waardoor de hele russische bevolking na een paar dagen ook zou sterven ten gevolge van de radioactieve neerslag.

Men kan de tweetraps kernbom (zonder de uraniumomhulsel) aanpassen tot een neutronenbom die de mensen doodt over een zeer grote afstand (door de neutronenstraling), maar slechts weinig schade aan de infrastructuur aanricht en relatief weinig fallout genereert. De ideale bom voor de aanvaller, die al na een paar dagen (als iedereen dood is) het gebied zonder slag of stoot kan veroveren.