Kernwaffentechnik
Die technische Entwicklung der Atombombe seit den 1940er Jahren hat eine große Vielfalt unterschiedlicher Varianten hervorgebracht, die in diesem Beitrag erläutert werden. Die Aspekte der Atombombe als Waffe werden in dem Artikel Atomwaffe diskutiert.
Fissionsbombe
Eine klassische Atombombe wird im wesentlichen so gebaut, dass zum beabsichtigten Zeitpunkt mehrere Teile des spaltbaren Materials zusammen kommen, so dass sie gemeinsam die kritische Masse überschreiten, jedes Teil für sich allein jedoch die kritische Masse unterschreitet. Sobald eine kritische Masse erreicht ist, beginnt eine Neutronenquelle Neutronen zu emittieren, welche dann eine Kettenreaktion im spaltbaren Material auslöst; die Anzahl der durch Kernspaltungen neu erzeugten Neutronen ist dann in jeder Spaltungsgeneration größer als die Anzahl der aus dem Material entkommenen und im Material ohne Spaltung absorbierten Neutronen. Als Neutronenquellen wird oft Polonium-Beryllium verwendet, das sich zum richtigen Zeitpunkt vermischen muss. Bei Polonium-Beryllium - Quellen reagieren Alphateilchen, die von Polonium emittiert werden, mit Beryllium (siehe Neutron).
Effizienz
Die Spaltung von 50 g 235U setzt hierbei die Explosionsstärke von 1 kt frei. Bei der Hiroshima-Bombe wurden somit ca. 650 g 235U gespalten, nur ein kleiner Bruchteil der insgesamt 64 kg Uran. Der übrige Nuklearsprengstoff wird in der Atmosphäre freigesetzt. Hierbei enthalten Fissionsbomben sehr viel mehr als eine Kritische Masse, um die gewünschte Explosionsstärke zu erzeugen. Bei einer Masse nur unmittelbar oberhalb der kritischen Masse würde sich nur eine marginale Explosionsstärke ergeben: bei einer 1,05 fachen kritischen Masse kann mit einer Sprengkraft von ca. 100 kg gerechnet werden. Beim 1,5 fachen der kritischen Masse ergeben sich ca. 500 t und bei der 2,4 fachen kritischen Masse der Hiroshima-Bombe ergab sich eine Sprengkraft von bereits 15 kt. Das Verhältnis von gespaltenem Nuklearsprengstoff zu dem gesamten Nuklearsprengstoff bezeichnet man als Effizienz.
U-238
Neben dem eigentlichen Spaltmaterial kann zusätzlich eine Umhüllung aus preiswertem 238U verwendet werden. Dieses Material wird ebenfalls durch die Neutronen aus dem Kernprozess gespalten und setzt Energie frei. Bei der bisher größten reinen Fissionsbombe Ivy King wurden durch Implosion von 235U ca. 425 kt Energie freigesetzt und durch die teilweise Spaltung der Hülle aus 238U zusätzlich 75 kt.
Gun-Design
So kann ein unterkritischer Uranzylinder in eine unterkritische Urankugel geschossen werden, der im Inneren genau dieser Zylinder fehlt (Gun-Design). Die vervollständigte Kugel überschreitet die notwendige kritische Masse und bringt die nukleare Kettenreaktion in Gang. Die Gesamtmasse dieser Anordnung ist konstruktionsbedingt auf wenige kritische Massen beschränkt. Aufgrund der eher länglichen Bauart eignet sich das Gun-Design für Bunker Buster (siehe unten), eine der wenigen Anwendungen dieses Designs bei modernen Atomwaffen.
Die Uran-Bombe Little-Boy, die über Hiroshima abgeworfen wurde, war ähnlich konstruiert. Die Bauweise galt als so sicher, dass auf eine vorausgehende Testzündung verzichtet wurde. Sie enthielt 64 kg Uran mit einem Anteil von 80% U-235. Die kritische Masse des Nuklearsprengkopfes wurde 25 cm oder 1,35 Millisekunden vor dem vollständigen Eindringen des Uranzylinders in die Urankugel erreicht, bei einer Endgeschwindigkeit von 300 m/s.
Implosionsbombe
Eine andere Bauweise ist die Implosionsbombe, die über Nagasaki abgeworfen wurde. Dabei befindet sich in der Mitte das spaltbare Material (i. A. Plutonium) als nicht-kritische Masse, entweder als Voll- oder als Hohlkugel. Um das spaltbare Material herum befinden sich mehrere Schichten hochexplosiven Sprengstoffs. Bei der Zündung richtet sich die Explosionsenergie ins Zentrum der Kugel und komprimiert das spaltbare Material so stark, dass die Masse kritisch wird. Diese Bauweise gilt als wirkungsvoller, da zum einen die Implosion schneller abläuft als der Mechanismus beim Gun-Design, zum anderen kann eine sehr große Menge des spaltbaren Materials verwendet werden. Allerdings ist die Bauweise auch technisch wesentlich anspruchsvoller, daher wurde sie vorab in New Mexico getestet ("Trinity-Test", siehe unten).
Entscheidend ist bei beiden Konstruktionsprinzipien, dass die Kettenreaktion erst dann einsetzen darf, wenn der Kernbrennstoff hinreichend überkritisch geworden ist. Denn die durch die Kettenreaktion erzeugte Energie verdampft das Spaltmaterial und treibt es damit auseinander, wodurch die Kritikalität wieder zerstört wird. Würde die Kettenreaktion sofort beim Erreichen der Kritikalität einsetzen, würden nie ausreichend Neutronen gebildet, um große Mengen des Kernbrennstoffs umzusetzen. Folglich würde die Sprengkraft einer solchen Bombe kaum über die des verwendeten chemischen Zündsprengstoffs hinaus gehen. Erfolgt hingegen die Zündung erst dann, wenn das System stark überkritisch ist, bildet sich eine Neutronenlawine, bevor die Hitze den Sprengsatz selber zerstört. Dabei verlässt man sich nicht auf die Neutronen aus der spontanen Spaltung, sondern es wird in dem Augenblick, in dem die höchste Überkritikalität erreicht ist, ein spezieller Neutronengenerator gestartet.
Hinderlich für die Zündung im richtigen Zeitpunkt ist die Produktion von Neutronen durch den spontanen Zerfall des Spaltstoffs. Insbesondere bei Plutonium ist die Neutronen-Produktion wegen des unvermeidbaren Anteils von Plutonium-240 hoch, so dass die komplizierteren Implosionszünder verwendet werden müssen. Da 240Pu durch Neutroneneinfang aus 239Pu gebildet wird, das seinerseits durch Neutroneneinfang aus 238U entsteht, ist der Anteil an 240Pu umso größer, je höher der Abbrand des Kernbrennstoffes ist. Reaktoren, die waffenfähiges Plutonium herstellen sollen, werden deshalb mit geringem Abbrand betrieben. In Atomkraftwerken wird aus Gründen der Wirtschaftlichkeit mit einem hohen Abbrand gearbeitet. Dennoch ist auch in Atomkraftwerken erzeugtes Plutonium eingeschränkt geeignet für den Bau von Atomwaffen mit hoher Sprengkraft, nur ist hier die Wahrscheinlichkeit von Frühzündungen größer.
Wasserstoffbombe
Teller-Ulam-Design
Bei Kernfusionswaffen (Wasserstoffbomben) dient ein herkömmlicher Atomsprengsatz (Fissionssprengsatz) dazu, die Isotope Deuterium und Tritium zu fusionieren. Der primäre Fissionssprengsatz und der sekundäre Fusionssprengsatz befinden sich in einem Metallzylinder, der die Strahlungsenergie (Röntgenstrahlen) der Explosion des Fissionssprengsatzes auf den sekundären Sprengsatz reflektiert (Teller-Ulam-Design). Dabei verdampfen die äußeren Schichten des sekundären Sprengsatzes schlagartig, wodurch der Fusionssprengsatz stark komprimiert wird, etwa um einen Faktor 1000. Im Zentrum des sekundären Sprengsatzes befindet sich ein weiterer Fissionssprengsatz, um die zur Kernfusion erforderliche Temperatur zu erreichen. Möglicherweise wird in einigen H-Bomben statt des zweiten Fissionssprengsatzes ein Deuterium-Tritium-Gemisch eingesetzt, das sich schon bei der von der Implosions-Schockwelle erzeugten Temperatur entzündet.
Als Fusionssprengsatz kann Deuterium oder ein Gemisch aus Deuterium und Tritium zum Einsatz kommen. Diese Wasserstoffisotope sind jedoch sehr unhandlich, weil sie entweder stark gekühlt werden oder unter einem hohen Druck stehen müssen, damit sie eine ausreichende Dichte haben. Außerdem ist Tritium instabil mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren und muss daher regelmäßig ausgewechselt werden. Zur Produktion von Tritium in Kernreaktoren werden darüber hinaus Neutronen benötigt, mit denen man ebenso Plutonium aus Uran erbrüten könnte, das eine höhere Energieausbeute hätte. Aus diesen Gründen wird abgesehen von den ersten Versuchen Anfang der 1950er Jahre ausschließlich Lithiumdeuterid verwendet. Die in Frage kommenden Reaktionen des Deuteriums sind:
Das entstandene Tritium kann in einer weiteren Reaktion schnelle Neutronen erzeugen:
Schließlich kann auch das entstandene Helium-3 weiter reagieren:
Die in obigen Reaktionen produzierten Neutronen können mit dem Lithium reagieren:
Neben den obigen, wichtigen Gleichungen gibt es eine Reihe unwichtigerer Reaktionen. Insgesamt bleibt von den Reaktionen 4He übrig, nicht reagiertes Deuterium und eine große Anzahl Neutronen. Das reaktionsfreudige Tritium wird in den Reaktionen fast vollständig aufgebraucht. Pro MT Sprengkraft müssen ca. 18 kg Lithiumdeuterid reagieren; da im Allgemeinen nur ca. 50% des Materials ausgenützt werden, sind ca. 36 kg nötig.
Heute wird ausschließlich das Teller-Ulam-Design verwendet. Da nach der Zündung ein selbständiges Wasserstoffbrennen durch die hohe Wärmeentwicklung aufrechterhalten wird, wird eine solche Wasserstoffbombe auch thermonukleare Bombe genannt.
Varianten des Teller-Ulam-Designs
Das Verhältnis der Sprengkräfte der ersten und zweiten Stufe ist begrenzt auf maximal ca. 200, üblich ist ein Faktor 20 bis 50. Da Fissionsbomben als erste Stufen auf mehrere hundert kt begrenzt sind, ergibt sich eine maximale Sprengkraft der zweiten Stufe von ca. 10 bis 25 Mt. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Sprengkraft einer themonuklearen Bombe zu erhöhen:
- Man kann eine weitere Fusionsstufe hinzufügen, d.h. die durch die erste Fusionsstufe freigesetzte Energie wird verwendet, um einen zweiten, noch größeren Fusionssprengsatz zu zünden. Dieses Konstruktionsprinzip wurde bei der Zar-Bombe verfolgt.
- Der umgebende Metallzylinder kann aus Uran 238U gefertigt werden, einem Abfallprodukt der Urananreicherung. Dieses Uran wird durch die schnellen Neutronen (14 MeV) des Fusionssprengsatzes gespalten und liefert den größten Anteil der Gesamtenergie. In einer einfachen Atombombe kommen wenige Kilogramm Uran oder Plutonium zur Kernspaltung. In einer tertiären Wasserstoffbombe können es mehrere Tonnen Uran sein. Es handelt sich also um drei Stufen: der Fissionssprengsatz zum Zünden des Fusionssatzes, der wiederum die Neutronen für die Fission des Urans in der dritten Stufe produziert. Das Design wird deshalb auch als Fission-Fusion-Fission-Design bezeichnet. Die Spaltprodukte des Urans in der dritten Stufe sind bei einer solchen Bombe für einen Großteil der radioaktiven Verseuchung verantwortlich. Nach diesem Prinzip wurde beispielsweise die US-Amerikanische Testbombe Redwing Tewa gebaut, die bei einer Gesamtsprengkraft von ca. 5 Mt eine Sprengkraft von 4,35 Mt aus Kernspaltung bezog (Test am 20.7.1956).
Für beide Konstruktionsprinzipien wird der Begriff "dreistufige Wasserstoffbombe" oder "tertiäre Wasserstoffbombe" verwendet, was leicht zu Verwechselungen führen kann. Die größte bislang gezündete Atomwaffe, die Zar-Bombe, hatte zwei Fusionssprengsätze und eine Sprengkraft von ca. 50-60 Megatonnen TNT-Äquivalent. Auf eine 238U - Ummantelung wurde verzichtet, um den Fallout gering zu halten. Mit Uran-Ummantelung hätte diese Bombe eine Sprengkraft von ca. 100 Megatonnen TNT gehabt.
Hybride Atombomben
Hybride Atombomben beziehen einen Grossteil ihrer Explosionsenergie aus der Kernspaltung, benötigen aber zum Verstärken der Kernspaltung einen Fusionsanteil. Für diesen Fusionsanteil gibt es verschiedene Bauweisen.
Geboosterte Fissionsbomben
Um die Neutronenproduktion zu steigern, kann man eine kleine Menge der Gase Deuterium und Tritium im Zentrum der Hohlkugel mit Nuklearsprengstoff anbringen, typisch 2 - 3 g . Bedingt durch den bei der beginnenden Kettenreaktion entstehenden Druck und die Hitze kommt es zur Kernfusion dieser Stoffe, wobei viele, hochenergetische Neutronen erzeugt werden.
Die Fusion des Deuteriums oder Tritiums liefert hierbei nur einen geringen Beitrag zur Energieproduktion, 1 g Tritium setzt hierbei weniger als 0,2 kt Sprengkraft frei. Allerdings wird durch die freiwerdenden Neutronen aus der Fusion ein größerer Anteil des Fissionsbrennstoffs gespalten und setzt eine vergleichsweise hohe Energie frei. Die Neutronen aus 1 g Tritium können 80 g Plutonium spalten. Da die aus der Kernfusion freigesetzten Neutronen sehr schnell sind, werden bei der Spaltung des Plutoniums besonders viele schnelle Neutronen frei, die ihrerseits weitere andere Plutoniumkerne spalten. Insgesamt werden so durch 1 g Tritium ca. 450 g Plutonium zusätzlich gespalten im Vergleich zu einer baugleichen Fissionsbombe ohne Booster und setzen ca. 7,5 kt zusätzliche Energie frei. Durch Booster kann die Sprengkraft von Fissionsbomben in etwa verdoppelt werden.
Die Boosterung macht die Lagerung von Atomwaffen schwieriger, da Tritium radioaktiv ist und mit der Zeit zerfällt. Technisch kann das Gemisch aus Tritium und Deuterium als komprimiertes Gas, bei tiefen Temperaturen als Flüssigkeit oder als chemische Verbindung vorliegen. Bei der ersten geboosterten Atomwaffe der USA Greenhouse Item am 25. Mai 1951 (oder 24. ?) wurde ein tiefgekühltes, flüssiges Gemisch aus Tritium und Deuterium verwendet, um die Sprengkraft einer Fissionsbombe von dem vorausgesagten Wert auf 45,5 kt zu verdoppeln. Um die technisch aufwändige Kühlung zu vermeiden, wird heute vermutlich die Kompression der Gase gewählt.
Unklar ist, ob auch Lithium-Deuterid als Boostermaterial geeignet ist, da dieses anfangs eine neutronenabsorbierende Wirkung hat.
Sloika-Design
Neben dem Teller-Ulam-Design kann eine Fusionsbombe bis zu etwa 700 kT Sprengkraft auch nach dem Sloika-Design gebaut werden. Hier wird ein Fissionssprengsatz von einer Lithiumdeuterid-Schicht umgeben, die wiederum von einer Uran-Schicht umgeben ist. Die äußere Uranschicht besteht im Gegensatz zum primären Fissionssprengsatz aus Natururan oder abgereichertem Uran, hat also einen hohen 238U-Anteil. Beim Sloika-Design gibt es zwei unterschiedliche Varianten:
Variante I
Nach Zünden des Fissionssprengsatzes werden in der Fissionsstufe Neutronen erzeugt, die in der Lithiumdeuterid-Schicht folgende Kernreaktion ergeben:
Das enstandene Tritium T reagiert mit dem Deuterium in einer weiteren Reaktion:
Im Ergebnis wird jeweils ein langsames Neutron, ein Lithium-6 und ein Deuterium-Atom zu 2 Heliumkernen, Energie und einem schnellen Neutron verwandelt. Diese schnellen Neutronen können die 238U Kerne in der äußeren Schicht spalten und dadurch wiederum Energie freisetzen. Atombomben dieser Bauweise wurden insbesondere von Großbritannien entwickelt und getestet, beispielsweise bei der Testexplosion Grapple 2 am 31. Mai 1957. Eine primäre Fissionsstufe mit einer Sprengkraft von 300 kt führte durch die zusätzlichen Schichten zu einer Explosion mit einer Gesamtstärke von 720 kt.
Variante II
Werden die Fusions- und äußere Uranschicht vergleichsweise dick ausgeführt, setzt ein weiterer Mechanismus ein. Auch aus der Kernspaltung in der äußeren Uranschicht werden viele Neutronen zurück in die Fusionsschicht geschossen und erzeugen dort eine zweite Generation Tritium. Durch die Rückwirkung der 238U-Schicht in die Fusionsschicht entsteht ein kombiniertes Brennen beider Schichten. Da bei dieser Variante auch Neutonen aus der äußeren Uranschicht zum Beschuss der Lithiumdeuterid-Schicht beitragen, kann die erste Fissionstufe sehr viel kleiner ausgeführt werden. Diese Variante benötigt deshalb weniger Spaltmaterial 235U oder 239Pu in der ersten Stufe und ist dadurch preiswert. Dieses Design wurde in dem sowjetischen Atomtest Joe-4 am 12. 8. 1953 gewählt. Bei diesem Atomtest wurden durch die innere Fissionsstufe aus 235U 40 kt erzeugt, aus der Kernfusion der zweiten Schicht ca. 70 kt und aus der Kernspaltung in der dritten Schicht 290 kt.
Es handelt sich bei dieser Bauweise nicht um eine thermonukleare Bombe, weil es kein eigenständiges Wasserstoffbrennen gibt, sondern einen kombinierten Fissions-Fusions-Prozess: Die Kernspaltung des Urans der äußeren Schicht dient der Neutronenmultiplikation und die Fusion dient der Neutronenbeschleunigung. (Es wird nicht ein individuelles Neutron beschleunigt, sondern im Verlauf des Fusionsprozesses wird ein langsames Neutron verbraucht und ein schnelles erzeugt.) Die Neutronenbeschleunigung ist notwendig, weil 238U erst mit Neutronen mit einer Mindestenergie von 1,5 MeV spaltbar ist.
Neutronenbombe
Eine Neutronenbombe ist eine Wasserstoffbombe mit Deuterium-Tritium-Brennstoff, grundsätzlich entspricht ihre Bauweise dem Teller-Ulam Design. Allerdings werden Neutronenbomben meist mit sehr kleiner Sprengkraft gebaut, beispielsweise hatte der amerikanische Sprengkopf Mk79 eine Sprengkraft von 1 kt, wobei 0,25 kt durch Kernspaltung von Plutonium und 0,75 kt durch Kernfusion freigesetzt wurden. Eine solche Bombe ist vergleichsweise klein, dieser Sprengkopf enthält nur ca. 10 kg Spaltmaterial und wenige Gramm Deuterium-Tritium-Gas. Um möglichst viel Neutronenstrahlung zu erzeugen, werden besonders Bauteile aus Materialien eingesetzt, die schnelle Neutronen wenig absorbieren, wie z. B. Chrom oder Nickel. Genannt werden mehrere Gründe für den Einsatz einer Neutronenbombe:
- Menschliches Leben soll durch die Strahlung getötet werden, ohne die Infrastruktur im Zielgebiet zu zerstören.
- Es ist schwierig, Panzer mit Atomwaffen zu zerstören, außer durch sehr nahe Explosionen. Die Besatzung kann jedoch durch Neutronen, die die Panzerung durchdringen können, kampfunfähig gemacht werden. Die betroffenen Soldaten sterben nach kurzer Zeit.
- Durch einen hohen Neutronenfluss können gegnerische Atomwaffen, z. B. in anfliegenden Raketen, unbrauchbar gemacht werden.
Oft wird vergessen, dass die intensive Neutronenstrahlung geeignet ist, durch Neutroneneinfang eine großflächige radioaktive Verstrahlung zu bewirken. Anders als bei der Atombombe, wo vor allem der Fallout strahlt, der sich zumindest theoretisch einsammeln und abwaschen lässt, wird bei der Neutronenbombe alles verstrahlt, was der Neutronenstrahlung ausgesetzt ist. Dort, wo die Strahlung besonders intensiv ist, kommt es außerdem zur Entzündung des bestrahlten Materials und folglich zu Großbränden unterhalb des Explosionszentrums. Auch die Neutronenbombe ist also alles andere als "sauber".
In den USA wurden seit 1974 etwa 800 Neutronensprengsätze gebaut. Die letzten wurden 1992 verschrottet.
Weitere Varianten
Neben den oben skizzierten Grundtypen existieren auch andere Varianten, die teilweise nie umgesetzt wurden.
- In allen zweistufigen Bomben kann die erste Stufe als geboosterte Fissionsbombe ausgeführt werden, was heute allgemein angewandt wird.
- Die zweistufige Fissionsbombe hat einen ähnlichen Aufbau wie die Teller-Ulam Wasserstoffbombe. Statt dem Wasserstoff-Sprengsatz wird jedoch eine zweite Fissionsstufe nach dem Implosionsdesign verwendet. Diese zweite Stufe wird nicht durch chemischen Sprengstoff implodiert, sondern durch die erste Stufe. Dieses Atombombendesign wurde vermutlich nie umgesetzt. Diese Bauart wurde von Ulam für Atombomben großer Explosionsstärke entwickelt. Erst nachträglich wurde erkannt, dass sich damit auch Wasserstoffbomben konstruieren lassen.
- In der zweistufigen Fissionsbombe kann die zweite Stufe ebenfalls als geboosterte Fissionsbombe ausgeführt werden; dieses Design wurde in dem Test Castle Nectar am 13. Mai 1954 verwendet.
- In allen Atombomben mit äußerer Uran Schicht kann diese auch mit 235U oder 239Pu ausgeführt werden.
Cobaltbombe
Die Cobaltbombe (auch "schmutzige Bombe" genannt) soll ein Gebiet möglichst lange radioaktiv verseuchen, um das Überleben in Bunkern zu verhindern. Dazu werden große Mengen Cobalt in einer Fissionsbombe Bombe verbaut. Das natürlich vorkommende Isotop 59Co wird durch die bei der Kettenreaktion entstehenden Neutronen in 60Co umgewandelt.
Schmutzige Bomben
Unter 'schmutzigen Bomben' (engl.: 'dirty bomb') versteht man hypothetische atomare Waffen, die entweder nicht genügend spaltbares Material enthalten, um nuklear zu zünden, oder keinen Zündmechanismus enthalten, sondern deren Wirkung darauf beruhen soll, radioaktives Material mittels konventioneller Sprengstoffe am Angriffsziel zu verteilen, um die Umgebung zu verseuchen. Die Wirkung einer 'schmutzigen' Plutonium-Bombe wäre theoretisch in der Lage zehntausende von Menschen zu töten oder schwer erkranken zu lassen und das Zielgebiet unbewohnbar zu machen. Eine 'Schmutzige Bombe' wäre besonders für Terroristen interessant, die zwar einerseits Plutonium beschaffen können, andererseits aber aus technischer Sicht nicht in der Lage sind, den komplizierten Zündmechanismus zu bauen oder nur ungenügende Mengen unterhalb der kritischen Masse davon besitzen.