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NachrichtenLexikonProtokolleBücherForenDienstag, 26. Juli 2016 

Atombombe (Technik)


Dieser Artikel von Wikipedia ist u.U. veraltet. Die neue Version gibt es hier.
Die technische Entwicklung der Atombombe seit den 1940er Jahren hat eine Vielfalt unterschiedlicher Varianten hervorgebracht die in diesem erläutert werden. Die Aspekte der Atombombe als werden in dem Artikel Atomwaffe diskutiert.

Inhaltsverzeichnis

Fissionsbombe

Eine klassische Atombombe wird im wesentlichen gebaut dass zum beabsichtigten Zeitpunkt mehrere Teile spaltbaren Materials zusammen kommen so dass sie die kritische Masse überschreiten jedes Teil für sich allein die kritische Masse unterschreitet. Sobald eine kritische erreicht ist beginnt eine Neutronenquelle Neutronen zu welche dann eine Kettenreaktion im spaltbaren Material die Anzahl der durch Kernspaltungen neu erzeugten ist dann in jeder Spaltungsgeneration größer als Anzahl der aus dem Material entkommenen und Material ohne Spaltung absorbierten Neutronen. Als Neutronenquellen oft Polonium -Beryllium verwendet das sich zum richtigen Zeitpunkt muss. Bei Polonium-Beryllium - Quellen reagieren Alphateilchen die von Polonium emittiert werden mit (siehe Neutron ).

Gun-Design

Schematische Darstellung einer Kernspaltungsbombe nach dem Gun-Design

So kann ein unterkritischer Uranzylinder in unterkritische Urankugel geschossen werden der im Inneren dieser Zylinder fehlt ( Gun-Design ). Die vervollständigte Kugel überschreitet die notwendige Masse und bringt die nukleare Kettenreaktion in Die Gesamtmasse dieser Anordnung ist konstruktionsbedingt auf kritische Massen beschränkt. Aufgrund der eher länglichen eignet sich das Gun-Design für Bunker Buster unten) eine der wenigen Anwendungen dieses Designs modernen Atomwaffen.

Die Uran -Bombe Little-Boy die über Hiroshima abgeworfen wurde war ähnlich konstruiert. Die galt als so sicher dass auf eine Testzündung verzichtet wurde. Sie enthielt 64 kg mit einem Anteil von 80% U-235. Die Masse des Nuklearsprengkopfes wurde 25 cm oder 35 Millisekunden vor dem vollständigen Eindringen des in die Urankugel erreicht bei einer Endgeschwindigkeit 300 m/s.

Implosionsbombe

Eine andere Bauweise ist die Implosionsbombe über Nagasaki abgeworfen wurde. Dabei befindet sich in Mitte das spaltbare Material (i. A. Plutonium ) als nicht- kritische Masse entweder als Voll- oder als Hohlkugel. das spaltbare Material herum befinden sich mehrere hochexplosiven Sprengstoffs. Bei der Zündung richtet sich Explosionsenergie ins Zentrum der Kugel und komprimiert spaltbare Material so stark dass die Masse wird. Diese Bauweise gilt als wirkungsvoller da einen die Implosion schneller abläuft als der beim Gun-Design zum anderen kann eine sehr Menge des spaltbaren Materials verwendet werden. Allerdings die Bauweise auch technisch wesentlich anspruchsvoller daher sie vorab in New Mexico getestet ("Trinity-Test" unten).

Schematische Darstellung einer geboosterten Kernspaltungsbombe nach dem

Entscheidend ist bei beiden Konstruktionsprinzipien dass Kettenreaktion erst dann einsetzen darf wenn der hinreichend überkritisch geworden ist. Denn die durch Kettenreaktion erzeugte Energie verdampft das Spaltmaterial und es damit auseinander wodurch die Kritikalität wieder wird. Würde die Kettenreaktion sofort beim Erreichen Kritikalität einsetzen würden nie ausreichend Neutronen gebildet große Mengen des Kernbrennstoffs umzusetzen. Folglich würde Sprengkraft einer solchen Bombe kaum über die verwendeten chemischen Zündsprengstoffs hinaus gehen. Erfolgt hingegen Zündung erst dann wenn das System stark ist bildet sich eine Neutronenlawine bevor die den Sprengsatz selber zerstört. Dabei verlässt man nicht auf die Neutronen aus der spontanen sondern es wird in dem Augenblick in die höchste Überkritikalität erreicht ist ein spezieller gestartet.

Hinderlich für die Zündung im richtigen ist die Produktion von Neutronen durch den Zerfall des Spaltstoffs. Insbesondere bei Plutonium ist Neutronen-Produktion wegen des unvermeidbaren Anteils von Plutonium-240 so dass die komplizierteren Implosionszünder verwendet werden Da 240 Pu durch Neutroneneinfang aus 239 Pu gebildet wird das seinerseits durch Neutroneneinfang 238 U entsteht ist der Anteil an 240 Pu umso größer je höher der Abbrand Kernbrennstoffes ist. Reaktoren die waffenfähiges Plutonium herstellen werden deshalb mit geringem Abbrand betrieben. In wird aus Gründen der Wirtschaftlichkeit mit einem Abbrand gearbeitet. Dennoch ist auch in Atomkraftwerken Plutonium eingeschränkt geeignet für den Bau von mit hoher Sprengkraft nur ist hier die von Frühzündungen größer.

Effizienz

Die Spaltung von 50 g 235 U setzt hierbei die Explosionsstärke von 1 frei. Bei der Hiroshima-Bombe wurden somit ca. g 235 U gespalten nur ein kleiner Bruchteil der 64 kg Uran. Der übrige Nuklearsprengstoff wird der Atmosphäre freigesetzt. Hierbei enthalten Fissionsbomben sehr mehr als eine Kritische Masse um die Explosionsstärke zu erzeugen. Bei einer Masse nur oberhalb der kritischen Masse würde sich nur marginale Explosionsstärke ergeben: bei einer 1 05 kritischen Masse kann mit einer Sprengkraft von 100 kg gerechnet werden. Beim 1 5 der kritischen Masse ergeben sich ca. 500 und bei der 2 4 fachen kritischen der Hiroshima-Bombe ergab sich eine Sprengkraft von 15 kt. Das Verhältnis von gespaltenem Nuklearsprengstoff dem gesamten Nuklearsprengstoff bezeichnet man als Effizienz.

U-238

Neben dem eigentlichen Spaltmaterial kann zusätzlich Umhüllung aus preiswertem 238 U verwendet werden. Dieses Material wird ebenfalls die Neutronen aus dem Kernprozess gespalten und Energie frei. Bei der bisher größten reinen Ivy King wurden durch Implosion von 235 U ca. 425 kt Energie freigesetzt und die teilweise Spaltung der Hülle aus 238 U zusätzlich 75 kt.

Wasserstoffbombe

Schematische Darstellung einer Wasserstoffbombe nach dem Teller-Ulam-Design

Teller-Ulam-Design

Bei Kernfusionswaffen (Wasserstoffbomben) dient ein herkömmlicher (Fissionssprengsatz) dazu die Isotope Deuterium und Tritium zu fusionieren. Der primäre Fissionssprengsatz und sekundäre Fusionssprengsatz befinden sich in einem Metallzylinder die Strahlungsenergie ( Röntgenstrahlen ) der Explosion des Fissionssprengsatzes auf den Sprengsatz reflektiert ( Teller - Ulam -Design ). Dabei verdampfen die äußeren Schichten des Sprengsatzes schlagartig wodurch der Fusionssprengsatz stark komprimiert etwa um einen Faktor 1000. Im Zentrum sekundären Sprengsatzes befindet sich ein weiterer Fissionssprengsatz die zur Kernfusion erforderliche Temperatur zu erreichen. wird in einigen H-Bomben statt des zweiten ein Deuterium-Tritium-Gemisch eingesetzt das sich schon bei von der Implosions-Schockwelle erzeugten Temperatur entzündet.

Als Fusionssprengsatz kann Deuterium oder ein aus Deuterium und Tritium zum Einsatz kommen. Wasserstoffisotope sind jedoch sehr unhandlich weil sie stark gekühlt werden oder unter einem hohen stehen müssen damit sie eine ausreichende Dichte Außerdem ist Tritium instabil mit einer Halbwertszeit 12 3 Jahren und muss daher regelmäßig werden. Zur Produktion von Tritium in Kernreaktoren darüber hinaus Neutronen benötigt mit denen man Plutonium aus Uran erbrüten könnte das eine Energieausbeute hätte. Aus diesen Gründen wird abgesehen den ersten Versuchen Anfang der 1950er Jahre ausschließlich Lithiumdeuterid verwendet. Die in Frage kommenden Reaktionen Deuteriums sind:

D + D -> 3 He (0 8192 MeV) + n (2 MeV)

D + D -> T + p 4.0327 MeV

Das entstandene Tritium kann in einer Reaktion schnelle Neutronen erzeugen:

D + T -> 4 He (3 518 MeV) + n (14 MeV)

Schließlich kann auch das entstandene Helium-3 reagieren:

3 He + D -> 4 He + p + 18.353 MeV

Die in obigen Reaktionen produzierten Neutronen mit dem Lithium reagieren:

Li-6 + n -> T + 4 He + 4.7829 MeV

Li-7 + n -> T + 4 He + n - 2.4670 MeV

Neben den obigen wichtigen Gleichungen gibt eine Reihe unwichtigerer Reaktionen. Insgesamt bleibt von Reaktionen 4 He übrig nicht reagiertes Deuterium und eine Anzahl Neutronen. Das reaktionsfreudige Tritium wird in Reaktionen fast vollständig aufgebraucht. Pro MT Sprengkraft ca. 18 kg Lithiumdeuterid reagieren; da im nur ca. 50% des Materials ausgenützt werden ca. 36 kg nötig.

Heute wird ausschließlich das Teller-Ulam-Design verwendet. nach der Zündung ein selbständiges Wasserstoffbrennen durch hohe Wärmeentwicklung aufrechterhalten wird wird eine solche auch thermonukleare Bombe genannt.

Varianten des Teller-Ulam-Designs

Das Verhältnis der Sprengkräfte der ersten zweiten Stufe ist begrenzt auf maximal ca. üblich ist ein Faktor 20 bis 50. Fissionsbomben als erste Stufen auf mehrere hundert begrenzt sind ergibt sich eine maximale Sprengkraft zweiten Stufe von ca. 10 bis 25 Es gibt zwei Möglichkeiten die Sprengkraft einer Bombe zu erhöhen:
  • Man kann eine weitere Fusionsstufe hinzufügen d.h. durch die erste Fusionsstufe freigesetzte Energie wird um einen zweiten noch größeren Fusionssprengsatz zu Dieses Konstruktionsprinzip wurde bei der Zar-Bombe verfolgt.
  • Der umgebende Metallzylinder kann aus Uran 238 U gefertigt werden einem Abfallprodukt der Uran anreicherung . Dieses Uran wird durch die schnellen (14 MeV ) des Fusionssprengsatzes gespalten und liefert den Anteil der Gesamtenergie. In einer einfachen Atombombe wenige Kilogramm Uran oder Plutonium zur Kernspaltung. einer tertiären Wasserstoffbombe können es mehrere Tonnen sein. Es handelt sich also um drei der Fissionssprengsatz zum Zünden des Fusionssatzes der die Neutronen für die Fission des Urans der dritten Stufe produziert. Das Design wird auch als Fission-Fusion-Fission-Design bezeichnet. Die Spaltprodukte des in der dritten Stufe sind bei einer Bombe für einen Großteil der radioaktiven Verseuchung Nach diesem Prinzip wurde beispielsweise die US-Amerikanische Redwing Tewa gebaut die bei einer Gesamtsprengkraft ca. 5 Mt eine Sprengkraft von 4 Mt aus Kernspaltung bezog (Test am 20.7.1956).

Für beide Konstruktionsprinzipien wird der Begriff Wasserstoffbombe" oder "tertiäre Wasserstoffbombe" verwendet was leicht Verwechselungen führen kann. Die größte bislang gezündete die Zar-Bombe hatte zwei Fusionssprengsätze und eine Sprengkraft ca. 50-60 Megatonnen TNT-Äquivalent . Auf eine 238 U - Ummantelung wurde verzichtet um den gering zu halten. Mit Uran-Ummantelung hätte diese eine Sprengkraft von ca. 100 Megatonnen TNT

Hybride Atombomben

Hybride Atombomben beziehen einen Grossteil ihrer aus der Kernspaltung benötigen aber zum Verstärken Kernspaltung einen Fusionsanteil. Für diesen Fusionsanteil gibt verschiedene Bauweisen.

Geboosterte Fissionsbomben

Um die Neutronenproduktion zu steigern kann eine kleine Menge der Gase Deuterium und Tritium im Zentrum der Hohlkugel mit Nuklearsprengstoff typisch 2 - 3 g . Bedingt den bei der beginnenden Kettenreaktion entstehenden Druck die Hitze kommt es zur Kernfusion dieser wobei viele hochenergetische Neutronen erzeugt werden.

D + T -> 4 He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)

Die Fusion des Deuteriums oder Tritiums hierbei nur einen geringen Beitrag zur Energieproduktion g Tritium setzt hierbei weniger als 0 kt Sprengkraft frei. Allerdings wird durch die Neutronen aus der Fusion ein größerer Anteil Fissionsbrennstoffs gespalten und setzt eine vergleichsweise hohe frei. Die Neutronen aus 1 g Tritium 80 g Plutonium spalten. Da die aus Kernfusion freigesetzten Neutronen sehr schnell sind werden der Spaltung des Plutoniums besonders viele schnelle frei die ihrerseits weitere andere Plutoniumkerne spalten. werden so durch 1 g Tritium ca. g Plutonium zusätzlich gespalten im Vergleich zu baugleichen Fissionsbombe ohne Booster und setzen ca. 5 kt zusätzliche Energie frei. Durch Booster die Sprengkraft von Fissionsbomben in etwa verdoppelt

Die Boosterung macht die Lagerung von schwieriger da Tritium radioaktiv ist und mit Zeit zerfällt. Technisch kann das Gemisch aus und Deuterium als komprimiertes Gas bei tiefen als Flüssigkeit oder als chemische Verbindung vorliegen. der ersten geboosterten Atomwaffe der USA Greenhouse Item am 25. Mai 1951 (oder 24. wurde ein tiefgekühltes flüssiges Gemisch aus Tritium Deuterium verwendet um die Sprengkraft einer Fissionsbombe dem vorausgesagten Wert auf 45 5 kt verdoppeln. Um die technisch aufwändige Kühlung zu wird heute vermutlich die Kompression der Gase

Unklar ist ob auch Lithium-Deuterid als geeignet ist da dieses anfangs eine neutronenabsorbierende hat.

Sloika-Design

Neben dem Teller-Ulam-Design kann eine Fusionsbombe zu etwa 700 kT Sprengkraft auch nach Sloika-Design gebaut werden. Hier wird ein Fissionssprengsatz einer Lithiumdeuterid-Schicht umgeben die wiederum von einer umgeben ist. Die äußere Uranschicht besteht im zum primären Fissionssprengsatz aus Natururan oder abgereichertem hat also einen hohen 238 U-Anteil. Beim Sloika-Design gibt es zwei unterschiedliche

Variante I

Nach Zünden des Fissionssprengsatzes werden in Fissionsstufe Neutronen erzeugt die in der Lithiumdeuterid-Schicht Kernreaktion ergeben:

Li-6 + n -> T + 4 He + 4.78 MeV

Das enstandene Tritium T reagiert mit Deuterium in einer weiteren Reaktion:

D + T -> 4 He + n + 17 6 MeV

Im Ergebnis wird jeweils ein langsames ein Lithium-6 und ein Deuterium-Atom zu 2 Energie und einem schnellen Neutron verwandelt. Diese Neutronen können die 238 U Kerne in der äußeren Schicht spalten dadurch wiederum Energie freisetzen. Atombomben dieser Bauweise insbesondere von Großbritannien entwickelt und getestet beispielsweise der Testexplosion Grapple 2 am 31. Mai Eine primäre Fissionsstufe mit einer Sprengkraft von kt führte durch die zusätzlichen Schichten zu Explosion mit einer Gesamtstärke von 720 kt.

Variante II

Werden die Fusions- und äußere Uranschicht dick ausgeführt setzt ein weiterer Mechanismus ein. aus der Kernspaltung in der äußeren Uranschicht viele Neutronen zurück in die Fusionsschicht geschossen erzeugen dort eine zweite Generation Tritium. Durch Rückwirkung der 238 U-Schicht in die Fusionsschicht entsteht ein kombiniertes beider Schichten. Da bei dieser Variante auch aus der äußeren Uranschicht zum Beschuss der beitragen kann die erste Fissionstufe sehr viel ausgeführt werden. Diese Variante benötigt deshalb weniger 235 U oder 239 Pu in der ersten Stufe und ist preiswert. Dieses Design wurde in dem sowjetischen Joe-4 am 12. 8. 1953 gewählt. Bei Atomtest wurden durch die innere Fissionsstufe aus 235 U 40 kt erzeugt aus der Kernfusion zweiten Schicht ca. 70 kt und aus Kernspaltung in der dritten Schicht 290 kt.

Es handelt sich bei dieser Bauweise um eine thermonukleare Bombe weil es kein Wasserstoffbrennen gibt sondern einen kombinierten Fissions-Fusions-Prozess: Die des Urans der äußeren Schicht dient der und die Fusion dient der Neutronenbeschleunigung. (Es nicht ein individuelles Neutron beschleunigt sondern im des Fusionsprozesses wird ein langsames Neutron verbraucht ein schnelles erzeugt.) Die Neutronenbeschleunigung ist notwendig 238 U erst mit Neutronen mit einer Mindestenergie 1 5 MeV spaltbar ist.

Neutronenbombe

Eine Neutronenbombe ist eine Wasserstoffbombe mit grundsätzlich entspricht ihre Bauweise dem Teller-Ulam Design. werden Neutronenbomben meist mit sehr kleiner Sprengkraft beispielsweise hatte der amerikanische Sprengkopf Mk79 eine von 1 kt wobei 0 25 kt Kernspaltung von Plutonium und 0 75 kt Kernfusion freigesetzt wurden. Eine solche Bombe ist klein dieser Sprengkopf enthält nur ca. 10 Spaltmaterial und wenige Gramm Deuterium-Tritium-Gas. Um möglichst Neutronenstrahlung zu erzeugen werden besonders Bauteile aus eingesetzt die schnelle Neutronen wenig absorbieren wie B. Chrom oder Nickel . Genannt werden mehrere Gründe für den einer Neutronenbombe:

  • Menschliches Leben soll durch die Strahlung getötet ohne die Infrastruktur im Zielgebiet zu zerstören.
  • Es ist schwierig Panzer mit Atomwaffen zu außer durch sehr nahe Explosionen. Die Besatzung jedoch durch Neutronen die die Panzerung durchdringen kampfunfähig gemacht werden. Die betroffenen Soldaten sterben kurzer Zeit.
  • Durch einen hohen Neutronenfluss können gegnerische Atomwaffen B. in anfliegenden Raketen unbrauchbar gemacht werden.

Oft wird vergessen dass die intensive geeignet ist durch Neutroneneinfang eine großflächige radioaktive zu bewirken. Anders als bei der Atombombe vor allem der Fallout strahlt der sich zumindest theoretisch einsammeln abwaschen lässt wird bei der Neutronenbombe alles was der Neutronenstrahlung ausgesetzt ist. Dort wo Strahlung besonders intensiv ist kommt es außerdem Entzündung des bestrahlten Materials und folglich zu unterhalb des Explosionszentrums. Auch die Neutronenbombe ist alles andere als "sauber".

In den USA wurden seit 1974 etwa 800 Neutronensprengsätze gebaut. Die letzten 1992 verschrottet.

Weitere Varianten

Neben den oben skizzierten Grundtypen existieren andere Varianten die teilweise nie umgesetzt wurden.

  • In allen zweistufigen Bomben kann die erste als geboosterte Fissionsbombe ausgeführt werden was heute angewandt wird.
  • Die zweistufige Fissionsbombe hat einen ähnlichen Aufbau wie die Wasserstoffbombe. Statt dem Wasserstoff-Sprengsatz wird jedoch eine Fissionsstufe nach dem Implosionsdesign verwendet. Diese zweite wird nicht durch chemischen Sprengstoff implodiert sondern die erste Stufe. Dieses Atombombendesign wurde vermutlich umgesetzt. Diese Bauart wurde von Ulam für großer Explosionsstärke entwickelt. Erst nachträglich wurde erkannt sich damit auch Wasserstoffbomben konstruieren lassen.
  • In der zweistufigen Fissionsbombe kann die zweite ebenfalls als geboosterte Fissionsbombe ausgeführt werden; dieses wurde in dem Test Castle Nectar am Mai 1954 verwendet.
  • In allen Atombomben mit äußerer Uran kann diese auch mit 235 U oder 239 Pu ausgeführt werden.

Cobaltbombe

Die Cobaltbombe (auch "schmutzige Bombe" genannt) soll ein möglichst lange radioaktiv verseuchen um das Überleben Bunkern zu verhindern. Dazu werden große Mengen in einer Fissionsbombe Bombe verbaut. Das natürlich Isotop 59 Co wird durch die bei der Kettenreaktion Neutronen in 60 Co umgewandelt.

Schmutzige Bomben

Unter 'schmutzigen Bomben' (engl.: 'dirty bomb') man hypothetische atomare Waffen die entweder nicht spaltbares Material enthalten um nuklear zu zünden keinen Zündmechanismus enthalten sondern deren Wirkung darauf soll radioaktives Material mittels konventioneller Sprengstoffe am zu verteilen um die Umgebung zu verseuchen. Wirkung einer 'schmutzigen' Plutonium-Bombe wäre theoretisch in Lage zehntausende von Menschen zu töten oder erkranken zu lassen und das Zielgebiet unbewohnbar machen. Eine 'Schmutzige Bombe' wäre besonders für interessant die zwar einerseits Plutonium beschaffen können aber aus technischer Sicht nicht in der sind den komplizierten Zündmechanismus zu bauen oder ungenügende Mengen unterhalb der kritischen Masse davon




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