Kernwaffentechnik

Kernwaffen, auch als Atomwaffen oder Nuklearwaffen bezeichnet, sind Bomben, die die Energie für eine Explosion aus Kernreaktionen, also Kernspaltungen oder -verschmelzungen, beziehen, siehe auch Atombombenexplosion. Die technische Entwicklung der Kernwaffen seit den 1940er Jahren hat eine große Vielfalt unterschiedlicher Varianten hervorgebracht.

Geschichte, Klassifizierung und weitere nicht-technische Aspekte werden in dem Artikel Kernwaffe behandelt.

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Wirkungsweise

Während sich konventionelle Explosivstoffe durch chemische Umwandlung des festen oder flüssigen Explosivstoffes in heiße Gase schlagartig ausdehnen, setzen Kernwaffen in Bruchteilen einer Sekunde ungeheure Energiemengen frei, die die Bombe und nähere Umgebung auf Temperaturen im Millionen-Kelvin-Bereich aufheizen. Damit wird jeder Feststoff zu einem besonders heißen Gas verdampft. Daraus resultiert eine um Größenordnungen stärkere Volumenexpansion. Die so erzeugte Druckwelle hat genügend Gewalt, um über Kilometerdistanzen hinweg alle Lebewesen zu töten.

Kernwaffen beziehen ihre enorme Energie aus den Unterschieden der Bindungsenergien von Atomkernen, die zu Energiefreisetzungen in den Reaktionen Kernspaltung und Kernfusion führen. Die Energiefreisetzungen sind millionenfach größer als die chemischen Bindungsenergien in Molekülen. Die in Form sehr schneller Erhitzung freiwerdende Energie treibt allerdings auch den nuklearen Sprengstoff auseinander. Deshalb muss die zugrundeliegende Kettenreaktion sehr schnell möglichst das gesamte Spaltmaterial erfassen, denn sonst würde dieses nur einen kleinen Teil der Energie freisetzen und die Bombe mit weit unter der angestrebten Zerstörungswirkung explodieren. Deshalb werden für Kernspaltungswaffen -- anders als für Kernreaktoren zur zivilen Energiegewinnung -- möglichst reine leicht spaltbare Nuklide wie hoch angereichertes Uran oder fast reines Plutonium-239 verwendet und bei der Konstruktion der rasche Eintritt der prompten Überkritikalität angestrebt.

Spaltungsbombe oder Fissionsbombe (Atombombe)

Eine klassische Kernspaltungsbombe (Atombombe) wird so konstruiert, 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 die kritische Masse erreicht ist, beginnt eine Neutronenquelle Neutronen zu emittieren, welche dann eine Kettenreaktion im spaltbaren Material auslöst. Die Anzahl der durch Kernspaltungen (Kernfission) 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 Neutronenquelle 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).

Ein chemischer Sprengstoff, der für eine Kernwaffe benutzt wird, heißt Octol. Er besteht aus HMX und TNT, welche in einem Verhältnis von 70 zu 30 gemischt werden.

Gun-Design

So kann ein unterkritischer hohler Uranzylinder auf einen unterkritischen Urandorn geschossen werden, dem im Inneren genau dieser Zylinder fehlt (Gun-Design; Kanonenprinzip). Der vervollständigte Zylinder überschreitet die notwendige kritische Masse und bringt die nukleare Kettenreaktion in Gang. Die Gesamt-Uranmenge ist in dieser Anordnung konstruktionsbedingt auf wenige Vielfache einer kritischen Masse beschränkt. Wegen eher länglicher Bauart eignet sich das Gun-Design für längliche Nuklearwaffen wie Bunker Buster (siehe unten) und Atomgranaten, die aus Rohrwaffen verschossen werden. Als chemischer Explosivstoff werden z. B. Treibmittel für Artilleriegeschosse verwendet, etwa Kordit.

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. Die Bombe enthielt 64 Kilogramm Uran, das auf 80 Prozent Uran-235-Anteil angereichert war. Die kritische Masse des Nuklearsprengkopfes wurde 25 Zentimeter oder 1,35 Millisekunden vor dem vollständigen Eindringen des Urandorns in den Uranzylinder erreicht, bei einer Endgeschwindigkeit von 300 m/s.

Der eigentliche Fissionssatz hat in der Regel eine angenäherte Kugelform. Das Spaltstoffgeschoss wird auf ein starres Spaltstoffziel geschossen. Bei einer anderen Konstruktion werden zwei Geschosse gegeneinander geschossen. Ein zusätzlicher, starrer und mittig gesetzter dritter Spaltstoffteil, bzw. eine implodierende Reaktionshilfe sind vermutlich fiktiv.

Implosionsbombe

Prinzipielles Design

Eine andere Bauweise zeigt die Implosionsbombe Fat Man, die über Nagasaki abgeworfen wurde. Dabei befindet sich in der Mitte das spaltbare Material (i. A. Plutonium, Uran235 oder eine Legierung beider Metalle) als nicht-kritische Masse, entweder als Voll- oder als Hohlkugel. Um das spaltbare Material herum befinden sich mehrere Schichten hochexplosiven Sprengstoffs, wie zum Beispiel TNT. Bei der Zündung richtet sich die Explosionsenergie ins Zentrum der Kugel und komprimiert das spaltbare Material so stark, dass die Masse kritisch wird. Die Implosionsbombe gilt als wirkungsvoller, weil sie schneller zündet als eine Bombe im Gun-Design und eine sehr große Menge spaltbaren Materials verwendet werden kann. Außerdem ist die Ausbeutung des atomaren Sprengstoffs höher, weil das Spaltmaterial während der Detonation zeitlich länger und in günstigerer Form zusammenbleibt.

Plutoniumwaffen sind aufgrund der höheren spontanen Spaltrate der verschiedenen Pu-Isotope und der damit einhergehenden vorzeitigen Zündung lediglich als Implosionswaffen denkbar. Die Bauweise selbst ist sprengstoff- und zündtechnisch gesehen wesentlich anspruchsvoller. Da man sich im Gegensatz zur Uranbombe Little-Boy nicht gänzlich sicher war, wurde die Implosionsanordnung vorab im Rahmen des „Trinity-Test“ (New Mexico) erprobt.

Aufbau von Sprengstoffen um den Kern

  Einfach nur eine Hülle aus einem Sprengstoff um den Kern zu bauen würde nicht ausreichen, da der Sprengstoff um den Zünder herum sphärisch abzubrennen beginnt. Man bräuchte also eine gigantische Anzahl Zünder, um eine einigermaßen akzeptable Verdichtung zu erreichen und die Hohlkugel nicht zu einem Sichelmond oder Stern zu pressen. Man steht also vor der Aufgabe eine sphärisch divergierende Stoßwelle in eine sphärisch konvergierende zu verwandeln. Hierzu braucht man zwei Sprengstoffe unterschiedlicher Brenngeschwindigkeit. Am Übergang der Sprengstoffe wird die Stoßwelle wie Licht an einer Linse gebrochen, weshalb im englischen auch von "explosive lens" (engl. für: Sprengstofflinse) gesprochen wird. Um den gewünschten Effekt für eine Implosionsbombe zu erreichen, muss eine solche Linse ein Rotationshyperboloid aus langsam expandierendem Sprengstoff in der Mitte haben und darum herum schnell expandierenden Sprengstoff. Analog zur Optik ist die Brechzahl der Linse größer, je mehr sich die Expansionsgeschwindigkeiten der verwendeten Sprengstoffe unterscheiden.

Die Anordnung im Trinity Gadget bestand aus 32 polygonalen Linsen, die wie bei einem Fußball angeordnet sind. Später wurden aber 40, 60, 72 und schließlich 92 Linsen verwendet. Alle diese Linsensysteme haben jedoch den Nachteil, dass sie polygonal sind und somit an den Ecken die Verdichtung nicht optimal ist. Es wäre prinzipiell möglich, einen Kern mit nur einer einzigen, kompliziert geformten Linse zu verdichten. Diese Linse wäre allerdings sehr groß und im Endeffekt schwerer und unhandlicher, als die verwendeten Konfigurationen auch wenn sie leichter zu zünden ist.

Reflektor

Moderne Kernwaffen besitzen zwischen dem konventionellen, hochexplosiven Sprengstoff und dem eigentlichen Kernbrennstoff noch eine zusätzliche Schicht aus meist Beryllium oder Uran U-238. Da diese Schicht Neutronen reflektiert, kann damit entsprechend folgender Tabelle die kritische Masse verringert werden:  

Zum anderen verzögert diese Schicht durch ihre Massenträgheit nach Beginn der Kettenreaktion die Expansion des Spaltmaterials. Das Spaltmaterial bleibt somit länger zusammen, die Kettenreaktion selbst wird durch die Neutronendichte heißer und die energetische Effizienz der Bombe nimmt zu.

Dichteanpassung

  Eine weitere Schicht aus Aluminium zwischen Sprengstoff und Reflektor dient der besseren Stoßübertragung des konventionellen Sprengstoffs auf das Schwermetall. Da der Sprengstoff eine sehr viel geringere Dichte besitzt als Reflektor und Spaltstoff, wird ein Teil der Explosions-Schockwelle des konventionellen Sprengstoffs an der Übergangsfläche reflektiert. Dieser Teil der Energie dient nicht der Kompression des Spaltmaterials. Wird zwischen dem konventionellen Sprengstoff und dem Reflektor eine Schicht mittlerer Dichte wie Aluminium eingefügt, verbessert dies die Energieübertragung auf das Spaltmaterial und damit dessen Kompression.

Schwebender Kern

Moderne Implosionskonstruktionen verwenden Spaltstoffanordnungen, bei denen der Spaltstoff in eine Schale und eine Hohlkugel aufgeteilt wird. Der Zwischenraum ist mit Gas gefüllt. Um die Hohlkugel im Zentrum der Schale zu halten, werden meist 6 Aluminiumbolzen als Abstandshalter montiert. Als Vorteil dieser Bauart muss nicht auf einmal die gesamte Hohlkugel zusammengedrückt werden. Statt dessen wird zunächst nur die geringe Masse der Schale beschleunigt. Sie erhält eine hohe kinetische Energie und prallt mit hoher Geschwindigkeit auf die Hohlkugel. Die Vervollständigung der kritischen Masse erfolgt anschließend in einer sehr kurzen Zeit; es muss lediglich die Hohlkugel unter dem Druck der beschleunigten Schale implodieren. Dieses Design kennt eine Vielzahl unterschiedlicher Varianten. So kann der Luftspalt auch zwischen Reflektor und Spaltmaterial angeordnet sein. Die innere Kugel kann als Hohlkugel oder aus Vollmaterial ausgeführt sein. Möglicherweise gibt es Konstruktionen mit zwei Zwischenräumen. Die Aluminiumbolzen können durch Schaum (Polyurethanschaum, Schaumpolystyrol usw.) ersetzt werden.

Nebenstehendes Bild zeigt die wesentlichen Merkmale einer modernen Gestaltung, das Dichteanpassung, Reflektor und einen schwebend aufgehängten Kern besitzt. Solche Konstruktionen bedürfen zur genauen Bestimmung optimaler Parameter komplexer mathematischer Berechnungen und somit eines hohen numerischen Berechnungsaufwands. Dies ist ein Grund, warum moderne Nuklearwaffen nur mit Hochleistungsrechnern konstruiert werden können und diese Rechner zum einen von den jeweiligen Rüstungsbehörden angeschafft werden, zum anderen mit Exportbeschränkungen belegt sind. Die Berechnungsergebnisse sind meist als geheim eingestuft und werden nur in den wenigsten Fällen publiziert – die veröffentlichten Zahlenwerte dürfen durchaus angezweifelt werden. Die grundsätzliche Bauweise moderner Nuklearwaffen mit den dargestellten Merkmalen ist jedoch plausibel und wurde von unterschiedlichen Quellen bestätigt.

Die Bauweise wird dem deutschen Atomspion Klaus Fuchs zugeordnet. Sie diente, neben oben aufgeführten Vorteilen während der späteren Explosion, der Entnahme bzw. Zugabe des eigentlichen Spaltstoffes. In einigen britischen wie amerikanischen Bombenkonstruktionen wurde der eigentliche Spaltstoff so außerhalb der Bombe gelagert, dass bei einem subkritischen Unfall nichts davon ins Freie gelangt wäre. Die Waffen- und Transportsicherheit war bei diesen Waffen folglich weiter verbessert.

Beispiele

Die größte jemals gezündete reine Kernspaltungsbombe (Fissionswaffe) wurde von den USA mit einer Sprengkraft von 500 kT gebaut. Sie funktionierte nach dem Implosionsdesign und hatte Uran als Kernsprengstoff.

Frankreich baute und stationierte von 1966 bis 1980 mit dem Sprengkopf MR-31 die größten bisher gebauten Plutoniumbomben mit einer Sprengkraft von rund 120 kT.

Die bekannteste Nuklearwaffe nach dem Implosionsdesign ist sicherlich die auf Nagasaki abgeworfene Bombe Fat Man, während die Uranbombe Little Boy nach dem Kanonenprinzip (Gun-Design) funktionierte.

Zündung

Grundsätzliches

Entscheidend ist bei allen Konstruktionsprinzipien, dass die Kettenreaktion nur solange stattfindet, wie die Anordnung überkritisch ist. Damit möglichst viele Kernspaltungen stattfinden, soll sie möglichst lange überkritisch gehalten werden. Aber sobald sich infolge einer größeren Zahl von Kernspaltungen genügend Energie gebildet hat, verdampft der Spaltstoff, expandiert und die Kettenreaktion bricht ab. Es kommt also auf den Zündzeitpunkt an, um das Spaltmaterial optimal auszunutzen.

Die Kanonenrohranordnung wird kritisch, wenn sich die beiden unterkritischen Uranhälften auf einen bestimmten Abstand angenähert haben (Zeitpunkt der ersten Kritikalität). Bei der Implosionsanordnung erfolgt zusätzlich auch eine Verdichtung des Materials. Bei weiterer Annäherung der Hälften im Fall der Kanonenrohranordnung, bzw. Verdichtung im Fall der Implosionsanordnung, wird die Anordnung überkritisch. Ohne Kettenreaktion würde die Anordnung nur aufgrund der eigenen Trägheit schließlich wieder expandieren. Die Kettenreaktion bricht ab, wenn sie unterkritisch wird (Zeitpunkt der zweiten Kritikalität). Die Expansion wird beschleunigt, wenn zusätzliche Energie aus Kernspaltungen frei wird, aber erst dann, wenn sie einen gewissen Wert überschreitet, nämlich wenn das Material verdampft. Man nennt diesen Wert Bethe-Tait-Energie. Erst wenn diese Mindestenergie erreicht ist, beschleunigt sich die Expansion. Aber bis dahin haben schon viele Generationen der Kettenreaktion stattgefunden. Auch während der Expansion läuft die Kettenreaktion noch weiter, und zwar so lange, bis der Zeitpunkt der 2. Kritikalität erreicht ist. Die meiste Energie wird während der letzten wenigen Neutronengenerationen freigesetzt.

Je größer die Überkritikalität, desto länger dauert die Phase zwischen Erreichen der Bethe-Tait-Energie und Erreichen des 2. Kritikalitätspunktes, und desto mehr Kernspaltungen können noch stattfinden.

Bei einer optimalen Ausnutzung des Brennstoffs sollte der Beginn der Kettenreaktion also so gelegt werden, dass der Zeitpunkt der Bethe-Tait-Energie mit der maximalen Überkritikalität zusammenfällt. Würde er früher erreicht, würden weniger Neutronen gebildet, und nur kleinere Mengen des Kernbrennstoffs umgesetzt.

Der schlechtmöglichste Zeitpunkt wäre ein Einsetzen der Kettenreaktion zum Zeitpunkt der ersten Kritikalität. Denn dann wird der Zeitpunkt der Bethe-Tait-Energie schon vor der maximalen Überkritikalität erreicht, und die Anordnung expandiert vorzeitig. Falls zu diesem Zeitpunkt die Anordnung nur schwach überkritisch ist, würde die Sprengenergie einer solchen Bombe kaum über die des verwendeten chemischen Zündsprengstoffs hinaus gehen.

Aber falls sie stark überkritisch ist, vergeht trotzdem noch einige Zeit, bis zu der sie wieder unterkritisch wird. Und in dieser Zeit können noch so viele Kernspaltungen stattfinden, dass die freigesetzte Energie die des chemischen Zündsprengstoffs um ein Vielfaches übersteigt. Zunächst setzt sich noch der Anstieg der Überkritikalität solange fort, bis die Bethe-Tait-Energie erreicht ist. Und in der darauffolgenden beschleunigten Expansion finden weitere Kernspaltungen statt.

So hätte laut Robert Oppenheimer die erste Explosion einer auf Plutonium beruhenden Implosionsbombe (16. Juli 1945, Test in New Mexico) auch im ungünstigsten Fall eine Explosionsenergie gehabt, die immerhin kaum unter 1000 Tonnen TNT gelegen hätte.

Eine Zündung vor dem optimalen Zeitpunkt bezeichnet man als Frühzündung, eine Zündung nach dem optimalen Zeitpunkt als Spätzündung. Um den optimalen Zündzeitpunkt zu erhalten, verlässt man sich nicht auf die Neutronen aus der spontanen Spaltung, sondern startet im richtigen Augenblick einen speziellen Neutronengenerator.

Frühzündung

Nachdem die kritische Masse erreicht ist, muss die Bombe durch initiale Neutronen gezündet werden. Diese Neutronen können durch spontanen Kernzerfall aus dem Spaltmaterial selbst kommen oder durch eine zusätzliche Neutronenquelle. In hochangereichertem U-235 zerfallen zwar pro Sekunde und Kilogramm ca. 80 Millionen Atomkerne unter Aussendung von alpha-Teilchen, es werden jedoch nur ca. zwei Neutronen produziert. In den 64 kg der Hiroshimabombe wurden somit zwischen dem Kritikalitätspunkt und dem vollständigen Zusammenfügen zu einer Kugel (1,38 ms) statistisch betrachtet 0,17 Neutronen frei.

Für die Hiroshimabombe wurde 1945 eine Wahrscheinlichkeit von 12 % für eine Frühzündung angegeben, entsprechend der Wahrscheinlichkeit für ein Neutron innerhalb der oben angegebenen 1,38 ms. Um eine Frühzündung von Bomben nach dem Gun-Design zu verhindern, muss das Nuklearbombendesign auch frei von sonstigen Neutronen-Emittern sein. So ist U-238 (mit 20 Neutronen pro Kilogramm und Sekunde) in der Umhüllung zu vermeiden, aber auch im selben Zielgebiet bereits explodierte Nuklearwaffen und deren Neutronenreststrahlung können einen Einsatz einer solchen Atombombe vereiteln.

Das Kanonenrohr-Prinzip wird in den heutigen Arsenalen nicht mehr verwendet. Die Sprengköpfe wären viel zu schwer für die modernen Trägersysteme. Südafrika hatte 6 Waffen nach dem Kanonenrohr-Prinzip gebaut, aber nach der Wende seiner Politik Anfang der 90er Jahre wieder verschrottet. Es ist das erste Land, das Kernwaffen vollständig abgerüstet hat.

Im Gegensatz zu Uran ist bei Plutonium die Neutronen-Produktion wegen des unvermeidbaren Anteils von Plutonium-240 hoch. Die Kompaktierung einer Kanonenrohranordnung erfolgt so langsam (in der Größenordnung von Millisekunden), dass die Kettenreaktion gleich bei der ersten Kritikalität einsetzen würde. Beim Erreichen des Bethe-Tait-Zeitpunktes wäre sie kaum überkritisch, und es käme nur zu einer Verpuffung. Die Kanonenrohranordnung kann daher nur mit hochangereichertem Uran verwendet werden, das einen geringen Neutronenhintergrund hat, nicht jedoch mit Plutonium.

Bei der Implosionsanordnung erfolgt die Kompaktierung dagegen viel schneller, in der Größenordnung von Mikrosekunden. Sie ist daher auch für Plutonium geeignet. Je nach Reinheitsgrad des Plutoniums entstehen zwischen ungefähr 50.000 (waffengrädiges Plutonium) und 500.000 (Reaktorplutonium) Neutronen pro Sekunde infolge spontanter Zerfälle.

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 Kernkraftwerken wird aus Gründen der Wirtschaftlichkeit mit einem hohen Abbrand gearbeitet. Dennoch ist auch in Kernkraftwerken erzeugtes Plutonium eingeschränkt für den Bau von Nuklearwaffen geeignet. Die Wahrscheinlichkeit von Frühzündungen ist zwar größer, aber auch die geringere Sprengenergie übersteigt bei weitem die von konventionellen Waffen. Technische Probleme bereiten allerdings die erhöhte Radioaktivität und die Erwärmung infolge des radioaktiven Zerfalls.

Spätzündung und Neutronenquelle

Neben der Frühzündung kann eine Nuklearwaffe nach dem Gun-Design auch vergleichsweise spät zünden, wenn – rein statistisch – das initiale Neutron spät die Kettenreaktion auslöst. Immerhin war die Wahrscheinlichkeit für die Hiroshimabombe, dann erst nach 200 ms zu zünden, bei 0,15 %. Wird eine Atombombe mit hoher Geschwindigkeit auf ihr Ziel geschossen, kann diese Verzögerung den gewünschten Explosionsort und die projektierte freigesetzte Energie signifikant verändern. Deshalb wurden Nuklearwaffen mit Neutronenquellen ausgestattet, die zeitgenau mit einer größeren Neutronenmenge die Kettenreaktion starten, sobald die kritische Masse gebildet wurde.

Auch die Uranbombe von Hiroshima hatte in der Planung eine derartige Neutronenquelle als Bomben- bzw. Fissionszünder. Ob sie letztlich eingebaut wurde, konnte nicht ermittelt werden, die natürliche Radioaktivität des Spaltmaterials hätte vermutlich auch zur Explosion ausgereicht.

Die Neutronenquelle bestand aus zwei Komponenten, Beryllium und Polonium 210, räumlich voneinander getrennt untergebracht. Die beiden Stoffe wurden beim Aufprall des Uranprojektils zusammengeführt, die Neutronenproduktion startete. Ähnliche Zweikomponentenquellen fanden sich später im Kern der frühen Implosionsbomben, getrennt durch eine dünne, bei der Implosion zerreißende Membran. Bei modernen Waffen wird stattdessen eine externe Quelle benutzt.

Effizienz, Größe, Sicherheit und Waffengewicht

Das Verhältnis von gespaltenem Nuklearsprengstoff zu dem gesamten Nuklearsprengstoff bezeichnet man als Effizienz.

Die Spaltung von 50 g ²³⁵U setzt 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 und bildet zusammen mit den Spaltstoffen und der durch Neutronen angeregten „sekundären“ Radioaktivität das Fallout.

Fissionsbomben enthalten also mehr als die zu spaltende kritische Masse um eine ausreichende, gewünschte Explosionsenergie zu erzeugen. Bei einer Masse unmittelbar oberhalb der kritischen Masse würde sich eine marginale Explosionsstärke ergeben, bei einer 1,05-fachen Masse kann mit einer Sprengkraft von etwa 100 t gerechnet werden.

Beim einfachen Kanonenrohrprinzip liegt die maximale mögliche Masse etwas unterhalb der doppelten (dreifachen) kritischen Masse. Beide Hälften der kritischen Masse müssen vor der Explosion unterkritisch bleiben, um Strahlungsunfälle und eine vorzeitige subkritische Explosion, eine sog. Verpuffung, zu verhindern. Die maximale Größe reiner Fissionsbomben nach dem einfachen Kanonenprinzip (Uranbomben) ist folglich durch die maximale subkritische Masse von zwei bzw. drei Spaltstoffteilen begrenzt.

Natürlich kann man 2 und mehr Kanonenrohre kombinieren, dann können auch mehr Ladungsteile aufeinander zugeschossen werden. Das ist jedoch mit erheblich erhöhtem Aufwand bei der gleichzeitigen Zündung der Treibsätze und anderen Problemen verbunden, da die Vereinigung aller Ladungsteile an der vorgesehenen Stelle zeitlich genau erfolgen muss.

Beim Implosionsprinzip wird das Spaltmaterial auch noch verdichtet. Dadurch reduziert sich die kritische Masse und höhere Überkritikalitäten und damit sind bessere Effizienzen möglich. Zudem ist die kugelförmige Anordnung auch geometrisch optimiert. Aber auch hier sind Grenzen gesetzt, da mit Hilfe chemischer Sprengstoffe nicht beliebig verdichtet werden kann und die Masse vorher unterkritisch sein muss. Außerdem ist es „sprengtechnisch“ eine anspruchsvolle Aufgabe, die Verdichtung möglichst kugelförmig (bzw. wie geplant, da es auch andere Formenvarianten z.B. Hohlzylinder gibt) durchzuführen.

Darin liegt letztlich auch ein erheblicher Sicherheitsvorteil des Implosionsprinzips. Um eine Kerndetonation auszulösen, muss der chemische Zündsprengstoff auf seiner Außenhülle an einer Vielzahl von Stellen zeitlich definiert gezündet werden, damit die Explosionsfront von außen nach innen auf die Kernladung zuläuft, um diese zusammenzupressen. Wenn durch einen Unfall der Sprengsatz nur an einer Stelle gezündet wird, findet allein die chemische Explosion und eine Umweltverseuchung durch das dann freigesetzte Spaltmaterial statt.

Da die Explosionsfront sich vom Zündungspunkt normalerweise convex entfernt, wird oft durch Schichten verschiedener Sprengstoffe mit unterschiedlicher Explosionsgeschwindigkeit, die Explosionsfront so geformt, dass die gewünschte Verdichtung des Spaltmaterials zustandekommt. Während frühere Systeme auf der gleichzeitigen Zündung an allen vorgesehenen Punkten basierten, baut man bei modernen Systemen gezielte Abweichungen ein, die durch leicht unterschiedliche Zeitpunkte der Zündung der einzelnen Zünder ausgeglichen werden müssen.

Diese Zeitpunktdifferenzen werden erst durch entsprechende Codes in die Waffenelektronik eingebracht, wenn der Einsatz beabsichtigt ist. Dadurch sind Risiken aus Diebstahl oder Verlust eines Sprengkopfes erheblich vermindert, da der Versuch einer missbräuchlichen Zündung meist erfolglos sein wird.

Die maximale Größe einer Waffe ist weiter durch die praktische Waffenhandhabung und die notwendige Handhabungssicherheit bestimmt. In der Praxis werden bei Fissionswaffen und Wasserstoffbombenzündern Booster eingesetzt, einer kleinen Fusion innerhalb der kritischen Fissionmasse. Die freiwerdenden Neutronen bewirken eine „heißere“ Explosion, die Effizienz der Waffe bzw. der Spaltstoffe wird gesteigert. Noch höhere Explosionsenergien werden nur mit mehrstufigen Waffen, etwa den Wasserstoffbomben, erreicht.

²³⁸U-Fission durch einen U-238 Reflektor / Mantel

Neben dem eigentlichen Spaltmaterial kann zusätzlich ein Reflektor aus preiswertem Natururan oder abgereichertem Uran (²³⁸U) verwendet werden. Dieses Material wird ebenfalls durch die Neutronen aus dem Kernprozess gespalten und setzt Energie frei. Freigesetzte Neutronen heizen zudem den primären Fissionsprozess ähnlich einem Booster weiter an. Die Effizienz des U-238 im Reflektor oder Bombenmantel liegt unter dem der eigentlich in der Bombe eingesetzten kritischen Masse.

Bei einer der stärksten reinen Fissionsbomben der Amerikaner (Ivy King) wurden durch Implosion von ²³⁵U ca. 425 kT Energie freigesetzt und zusätzlich 75 kT durch das zum Teil gespaltene ²³⁸U aus der Hülle. Eine Leistungssteigerung durch U-238 im Reflektor ist nur bei Bomben nach dem Implosionsdesign möglich, da das ²³⁸U durch spontane Spaltung sehr viele Neutronen freisetzt und deshalb beim Gun-Design mit einer hohen Wahrscheinlichkeit zu einer Frühzündung führen würde.

Wird eine kleine Atombombe, z. B. ein Bunker Buster nach dem Gun-Design und ²³⁵U als Spaltstoff konzipiert, ergibt sich das theoretische Problem, dass am Ort der Atomexplosion ²³⁵U zu gewinnen wäre. Um dies zu verhindern, kann einer solchen Nuklearwaffe ein Mantel oder Ballast aus ²³⁸U mitgegeben werden. Bei der Atomexplosion werden beide Urane vermischt, der Reinheitsgrad reduziert. Zur Vermeidung einer Frühzündung ist das ²³⁸U räumlich getrennt vom Sprengsatz zu montieren.

Bomben mit einem Mantel aus U-238 zählen (bei Einsatz eines Boosters oder einer Wasserstoffbombe) zu den dreistufigen Waffen bzw., aufgrund der großen Menge an freigesetzten Spaltstoffen, zu den sog. schmutzigen Bomben.

Wasserstoffbombe

Zündung

Die Wasserstoffbombe wird von einer Atombombe gezündet.

Motivation

Sowohl Kernspaltung als auch Kernfusion erzielen ihren Energieumsatz aufgrund des Massendefektes nach der Theorie der Äquivalenz von Masse und Energie nach Albert Einstein. Die Fusion kleiner Atomkerne ermöglicht jedoch deutlich größere Energieausbeute, bezogen auf die gesamte Masse, als die Spaltung von großen Kernen (Allerdings wird pro einzelner Spaltung von großen Atomkernen, z.B. Uran mehr Energie frei als z.B. bei einer einzelnen Fusion von zwei Wasserstoffatomen). Dadurch entstand die Motivation, diesen Effekt mit einer Fusionsbombe zu nutzen.

Probleme der ersten Wasserstoffbombe

  Bei Kernfusionswaffen (Wasserstoffbomben) dient ein herkömmlicher Atomsprengsatz (Fissionssprengsatz) dazu, die Isotope Deuterium und Tritium zu fusionieren.

Bei der im US-amerikanischen Sprachgebrauch als Super und später als Classical Super bezeichneten Grundüberlegung zur Wasserstoffbombe wird neben oder um einem als Zünder fungierenden Fissionssprengsatz eine große Menge der Wasserstoffisotope Tritium oder Deuterium angeordnet. Die Explosion des Fissionssprengsatzes soll den Wasserstoff auf Zündtemperatur erhitzen, sodass der Fusionssprengstoff zündet. Die fiktive Konfiguration wurde aufgrund der geometrischen Erscheinung auch als „alarm clock design“ bezeichnet.

Diese Anordnung funktioniert nicht mit Deuterium, da die Energie der Fissionsbombe zum größten Teil als Röntgenstrahlung ausgesandt wird und das Deuterium durchdringt. Zur Lösung des Problems könnte Tritium anstatt des Deuteriums verwendet werden, das eine sehr viel geringere Zündtemperatur besitzt. Allerdings ist Tritium vergleichsweise teuer – statt einer Wasserstoffbombe dieses Typs könnte bei geringeren Kosten eine sehr große Fissionsbombe gebaut werden. Als Ausweg erscheint eine Mischung von Tritium und Deuterium, wobei die Fusion des Tritiums die erforderliche Energie für die Zündung des preiswerten Deuteriums erzeugt. Allerdings führten Berechnungen zu einem hohen erforderlichen Tritiumanteil von 50 % und damit zu einer nur geringen Kostenersparnis.

Ein weiteres Problem des Classical Super ist die geringe Effizienz der Wasserstoffverbrennung – die Fusion erlischt sehr schnell, eine Zündung findet weitgehend nicht statt, ein Großteil des Wasserstoffs reagiert nicht. Die zweite Stufe der Konstruktion verpufft analog etwa eines subkritischen Fissionssprengsatzes mit der hohen Energie des Fissionszünders.

Das Design einer einfachen Fusionsmasse neben oder um einen Fissionskern ist deshalb für Wasserstoffbomben ungeeignet, eine Bombe dieses Typs wurde nie gebaut. Allerdings wird ein ähnliches Design für die Neutronenbombe verwendet, da dort nur eine sehr kleine Menge Tritium-Deuterium benötigt wird und deshalb die Kosten klein bleiben.

Teller-Ulam-Design

Beim Teller-Ulam-Design werden die Schwierigkeiten der Classical Super gelöst. Die Lösung, auf sowjetischer Seite von Sacharow gefunden, wurde auch als „Sacharows dritte Idee“ bekannt.

Der primäre Fissionssprengsatz und der sekundäre Fusionssprengsatz befinden sich in einem Gehäuse (physikalisch „Hohlraum“). Durch die Explosion des Fissionssprengsatzes, der dabei in Plasma verwandelt wird, entstehen so hohe Temperaturen, dass das Fissionsplasma im Röntgenbereich strahlt.

Das Gehäuse wird von der Röntgenstrahlung erfüllt und der kugel- oder röhrenförmige Mantel der zweiten Stufe wird auf die gleichen Temperaturen erhitzt. Diesen Vorgang nennt man „Thermalisierung“. Durch die Aufheizung verdampfen die äußeren Schichten des sekundären Sprengsatzes explosionsartig, wodurch eine Komprimierung und eine nach innen gerichtete Schockwelle ausgelöst werden.

Im Zentrum der zweiten Stufe kollabiert die Schockwelle. Die Geometrie des Sekundärteils ist möglichst symmetrisch (kugelförmig oder zylindrisch), damit dieser Kollaps der Schockwellen erfolgt (in einem Punkt oder in einer Geraden). Am Ort, wo die Schockwellen kollabieren, entstehen so hohe Temperaturen, dass Fissions- und Fusionsbedingungen, das heißt ausreichend hohe Temperatur und Druck, erzeugt werden und die ersten Reaktionen der zweiten Stufe stattfinden. Durch die Komprimierung und gleichzeitige Strahlungsaufheizung wird die zweite Stufe der Bombe, die Fusion, gezündet.

Durch die bei der Deuteriumfusion nun entstehenden hochenergetischen Alphateilchen wird das Deuterium in der Umgebung erhitzt, so dass es fusionieren kann; eine Brennwelle läuft also von innen nach außen.

Bevor Teller und Ulam das Konstruktionsprinzip der Strahlungsimplosion bzw. des umgebenden Mantels erfanden, gab es das Problem, dass ein Großteil des Deuteriums durch die Explosion des primären Fissionssprengsatzes auseinandergefegt würde, bevor es fusionieren kann. Bei dieser Anordnung erfolgt die Thermalisierung jedoch viel schneller als die Expansion des primären Fissionsplasmas. Bevor das expandierende Fissionsplasma den Sekundärteil erreicht, ist die Brennwelle bereits von innen nach außen gelaufen.

Zentral innerhalb des Sekundärteils befindet sich meist ein als „Sparkplug“ (engl. für Zündkerze) bezeichneter Hohlzylinder oder Kugelkern aus Plutonium oder angereichertem Uran, der durch die Schockwelle ebenfalls und gleichzeitig in einen kritischen Zustand gebracht und damit eine Fissionsexplosion ausgelöst wird. Die Fission dient als zusätzliche Zündquelle und Regulator der zweiten Stufe, die Effizienz und Gleichmäßigkeit der Explosion wird gesteigert. Mit dem Einbau von strahlungsverstärkendem Material im reflektierenden Hohlraum kann die Konfiguration weiter verkleinert werden.

Ein ähnliches, allerdings ziviles Fusions-Implosionsprinzip verfolgt auch die Trägheitseinschlussfusion (ICF – Inertial Confinement Fusion) ^[1].

Fusionssprengstoff

Als Fusionssprengsatz in der ersten Bombe dieses Typs Ivy Mike wurde tiefgekühltes, flüssiges Deuterium verwendet. Für militärische Atombomben ist dies ungeeignet, da der Kühlaufwand sehr groß und damit sehr teuer ist. Auch die Hochdruck-Lagerung des Deuteriumgases bei Normaltemperatur ist schwer und voluminös und deshalb für Nuklearwaffen ungeeignet. Dieselben Überlegungen gelten für ein Gemisch aus Deuterium und Tritium. 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 das Deuterium in einem Feststoff chemisch gebunden. Von allen festen chemischen Wasserstoffverbindungen erwies sich das bei Normaltemperatur feste Lithiumdeuterid als beste Lösung. Es enthält pro Volumeneinheit mehr Deuterium als flüssiges Deuterium und gleichzeitig mehr als 20 % Massenanteil Deuterium. Des weiteren nimmt das Lithium auch an den Kernprozessen teil und produziert Energie. Der erste Versuch der USA mit einer derartigen, 'trockenen' Bombe war der Test Castle Bravo am 28. Februar 1954 mit einer Sprengkraft von insgesamt 15 MT. Die UdSSR zündete bereits am 12. August 1953 in ihrem ersten Test eine transportable LiD Konstruktion. 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:

Daneben existiert noch eine erhebliche Anzahl weiterer Kernreaktionen, die aber vergleichsweise selten stattfinden und deshalb wenig zur Gesamtreaktion beitragen. Beim Bau thermonuklearer Waffen können sowohl das Lithiumisotop ⁶Li als auch das Isotop ⁷Li verwendet werden. Die Summenreaktionen mit Deuterium lauten:

Werden in einer dreistufigen Wasserstoffbombe für die Fission eines U-238-Mantels Neutronen benötigt, wird ⁷Li verwendet. Ist man an einer höheren Energieausbeute interessiert, verwendet man ⁶Li. Diese Isotope werden durch Anreicherung aus natürlichem Lithium isoliert.

Neben den obigen Gleichungen wichtiger Umsetzungen 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 rechnerisch – bei Verwendung reines ⁶Li und wenn jedes Atom reagiert – 15,6 kg Lithiumdeuterid reagieren; da in der Praxis nur etwa die Hälfte des Materials ausgenutzt wird, sind 36 kg nötig.

Da die Wasserstofffusion beim Teller-Ulam-Design rein durch hohen Druck und hohe Temperatur ausgelöst wird und nicht – wie bei dem älteren Sloika-Design – zunächst Neutronenbeschuss aus der Fissionsstufe nötig ist, wird dieser Atombombentyp auch als thermonukleare Bombe bezeichnet.

Kernwaffen nach dem Teller-Ulam-Design werden euphemistisch auch als saubere Atombomben bezeichnet, wenn sie einen hohen Anteil ihrer Sprengkraft aus der Kernfusion beziehen. Da die Kernfusion im Vergleich zur Kernspaltung weniger und kurzlebigere radioaktive Stoffe produziert, erzeugen solche Nuklearwaffen innerhalb ihrer zweiten Stufe vergleichsweise wenige radioaktive Spaltstoffe. Es verbleiben allerdings die Spaltstoffe der ersten „Zündstufe“, also der Fissionsbombe, sowie die Spaltstoffe der durch Neutronen induzierten Radioaktivität der Umgebung, die zusammen das Fallout bilden. „Sauber“ ist die Bombe insofern, als dass bei Erreichung der gleichen Sprengwirkung durch reine Kernspaltungsbomben viel mehr radioaktive Substanzen entstehen würden.

Dreistufige Wasserstoffbombe

Das Verhältnis der Sprengkräfte der ersten und zweiten Stufe ist auf maximal ca. 200 begrenzt, 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 mehrere Möglichkeiten, die Sprengkraft einer thermonuklearen Bombe zu erhöhen:

• Man könnte versuchen, die Masse der zweiten bzw. dritten Stufe auf Kosten der Effizienz und Zündfähigkeit dieser Stufe zu erhöhen. Dies könnte durch eine kegelförmige Implosionsanordnung dieser Stufe und eine linienförmige Zündübertragung erreicht werden. Das Prinzip wurde nicht angewandt, findet sich aber entfernt beim „Sparkplug“ der zweiten Stufe wieder.

• Theoretisch könnte eine geometrische Anordnung aus mehreren Zünderbomben eine große zweite bzw. dritte Stufe zünden. Eine der ersten Wasserstoffbomben hatte vermutlich eine solche Konfiguration, die Effizienz der zweiten Stufe war durch die „Unwucht“ der Zünder vergleichsweise gering. Die Probleme und der Aufwand einer solchen Anordnung überwiegen.

• Man kann eine weitere Teller-Ulam-Stufe hinzufügen, d. h. die durch die erste Fusionsstufe freigesetzte Energie wird verwendet, um den nächsten, noch größeren Sprengsatz, die dritte Stufe, zu zünden. Die dritte Stufe kann bei einer erweiterten Teller-Ulam-Konfiguration ebenso wie die zweite Stufe aus einer Fusions- oder Fissionsstufe bestehen.

• Der umgebende Metallzylinder kann aus Uran ²³⁸U gefertigt werden, einem Abfallprodukt der Uran-Anreicherung. Dieses Uran wird durch die schnellen Neutronen (14 MeV) des Fusionssprengsatzes gespalten und liefert, auch auf Grund seiner Größe, einen großen 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 Verstrahlung verantwortlich, es handelt sich um eine schmutzige Bombe. 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 der ersten und dritten Stufe bezog (Test am 20. Juli 1956).

Für diese Konstruktionsprinzipien wird der Begriff „dreistufige Wasserstoffbombe“ oder „tertiäre Wasserstoffbombe“ verwendet, was leicht zu Verwechselungen führen kann. Die größte bislang gezündete Nuklearwaffe, die Zar-Bombe, hatte zwei Fusionssprengsätze und eine Sprengkraft von ca. 50–60 Megatonnen TNT-Äquivalent. Auf eine ²³⁸U - Ummantelung wurde verzichtet, um den durch die Explosionskraft ohnehin gegebenen großen Fallout gering zu halten. Mit Uran-Ummantelung als vierter Stufe hätte diese Bombe eine geschätzte Sprengkraft von mindestens 100 Megatonnen TNT gehabt, die Verstrahlung wäre verheerend ausgefallen.

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.

Geboostete Spaltbomben

Um die Neutronenproduktion zu steigern, kann man eine kleine Menge der Gase Deuterium und Tritium im Zentrum der Hohlkugel mit Nuklearsprengstoff anbringen, im Gegensatz zur Neutronenbombe, bei der das Deuterium-Tritium-Gemisch neben dem Fissionssprengsatz angeordnet ist. Typische Mengen an Deuterium-Tritium-Gemisch sind 2 bis 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 Boosting) und setzen ca. 7,5 kT zusätzliche Energie frei. Durch Boosting kann so die Sprengkraft von Fissionsbomben in etwa verdoppelt werden.

Technisch kann das Gemisch aus Tritium und Deuterium als komprimiertes Gas, bei tiefen Temperaturen als Flüssigkeit oder als chemische Verbindung vorliegen. Bei der ersten geboosteten Nuklearwaffe der USA Greenhouse Item (gezündet am 25. Mai 1951, Eniwetok-Atoll) wurde ein tiefgekühltes, flüssiges Gemisch aus Tritium und Deuterium verwendet, um die Sprengkraft einer Fissionsbombe von dem vorausgesagten Wert (20 kT) auf 45,5 kT mehr als zu verdoppeln. Um die technisch aufwendige Kühlung zu vermeiden, wird heute vermutlich die Kompression der Gase gewählt. Das Boosting macht die Lagerung von Nuklearwaffen schwieriger, da Tritium radioaktiv ist und mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahren zerfällt. Deshalb muss es kontinuierlich in Kernreaktoren nachproduziert und in den Nuklearwaffen ausgewechselt werden. Trotz dieser Schwierigkeit werden heute die meisten Fissionsbomben – ob als Zünder für eine Wasserstoffbombe oder nicht – geboostet.

Unklar ist, ob auch Lithiumdeuterid als Boostermaterial geeignet ist, da dieses anfangs eine neutronenabsorbierende Wirkung hat.

Sloika-Design (Zwiebelschale)

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 (Zwiebelschalenprinzip). Die äußere Uranschicht besteht im Gegensatz zum primären Fissionssprengsatz aus Natururan oder abgereichertem Uran, hat also einen hohen ²³⁸U-Anteil.

Das Zwiebelschalen-Konstruktionsprinzip („Sloika“ bzw. „layer cake“) liegt in der Konstruktion nahe bei der ursprünglichen, eine Atombombe nur umgebenden „Classical Super“. Es wirkt letztendlich wie eine Boosterbombe, bei der der zusätzliche Uranmantel ähnlich einer schmutzigen dritten Stufe wirkt. Je nach Dicke der zweiten und dritten Schicht „glühen“ diese Schichten zusammen und unterschiedlich effizient. Die vergleichsweise komplexe Konstruktion kann, ähnlich der amerikanischen „Super“, als russische Vorstufe bzw. Entwicklungsstufe zur Teller-Ulam-Konfiguration gesehen werden.

Beim Sloika-Design gibt es zwei unterschiedliche Varianten:

Variante I (dünner Mantel)

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

Das entstandene Tritium T reagiert mit dem Deuterium in einer weiteren Reaktion:

Im Ergebnis werden jeweils ein langsames Neutron, ein Lithium-6 und ein Deuterium-Atom zu 2 Heliumkernen, Energie und einem schnellen Neutron verwandelt. Die Gesamtreaktion verbraucht und produziert also jeweils ein Neutron. Da ein Teil der Neutronen nach außen entweicht, kann sich die Reaktion nicht von alleine aufrechterhalten und erlischt nach kurzer Zeit. Für die anderen, beim Teller-Ulam-Design beschriebenen Reaktionen sind Druck und Temperatur beim Sloika-Design zu gering. Allerdings können die entwichenen, schnellen Neutronen 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 (dicker Mantel)

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 Neutronen 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. August 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 reine thermonukleare zweite Stufe, es findet kein eigenständiges Wasserstoffbrennen statt. Diese kombinierte Fissions-Fusions-Reaktion ähnelt dem zündenden „Spark-Plug“ einer Teller-Ulam-Konfiguration: Die Kernspaltung des Urans der äußeren Schicht dient der Neutronenmultiplikation, die Fusion dient der Neutronenbeschleunigung.

Es wird jedoch 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.

Weitere Varianten

Neben den oben skizzierten Grundtypen existieren auch andere Varianten, die aber nur teilweise 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 des Wasserstoff-Sprengsatzes wird jedoch eine zweite Fissionsstufe nach dem Implosionsdesign verwendet. Diese zweite Stufe wird also nicht durch chemischen Sprengstoff implodiert, sondern durch die erste Stufe. Dieses Atombombendesign wurde militärisch vermutlich nie umgesetzt. Die Bauart wurde von Ulam für Atombomben großer Explosionsstärke entwickelt; erst nachträglich wurde erkannt, dass sich damit auch Wasserstoffbomben konstruieren lassen. Eine solche zweistufige Fissionsbombe wurde beim Castle Nectar Test am 13. Mai 1954 gezündet. Wie bei der ersten Stufe gelten die Bedingungen betreffend der kritischen Masse.
• In allen H-Bomben (teils auch A-Bomben) mit äußerer Uranschicht kann diese auch mit ²³⁵U oder ²³⁹Pu ausgeführt werden. So war die US-amerikanische Testbombe Cherokee vom 20. Mai 1956 eine thermonukleare Bombe entsprechend dem Teller-Ulam-Design, jedoch wurde die Umhüllung des Lithiumdeuterids aus hochangereichertem Uran gefertigt.
• Ein zylindrisches Uran-Implosionsdesign erscheint möglich und wurde von amerikanischer Seite während der H-Bomben-Entwicklung kurz getestet.
• Moderierte Kernwaffen bestehen aus einer normalen Fissionsbombe, in der allerdings der Spaltstoff nicht aus angereichertem Uran oder Plutonium besteht, sondern aus einem Metallhydrid dieser Stoffe wie UH₃. Der in dem Material enthaltene Wasserstoff wirkt auf die Neutronen als Moderator, d. h. er bremst sie ab und erhöht damit die Wahrscheinlichkeit, dass sie weitere Atome des Brennstoffs spalten. Dadurch sinkt die kritische Masse erheblich, bei Uran auf bis unter 1 kg. Allerdings ist die Dichte des Spaltstoffs erheblich geringer, weshalb die Bombe ihre Kritikalität nach Einsetzen der Kettenreaktion sehr schnell verliert. Mehrere amerikanische Versuche mit dieser Bauweise waren Fehlschläge: In dem Test Ruth (Operation Upshot-Knothole) am 31. März 1953 erreichte eine auf 1,5 bis 3 kT geschätzte Atombombe nur eine Sprengkraft von 0,2 kT und zerstörte nicht einmal den 100 Meter hohen Mast, auf dem sie montiert war. Ähnlich verlief der Versuch Ray am 11. April 1953, in dem ebenfalls Uranhydrid verwendet wurde, jedoch gemeinsam mit Deuterium.

Kernwaffen mit spezieller Wirkung

Neutronenwaffe

  Eine Neutronenwaffe („enhanced radiation weapon“) ist eine Wasserstoffbombe mit Deuterium-Tritium-Brennstoff, deren Bauweise im Wesentlichen dem Teller-Ulam Design ähnelt. Die Bauart der Waffe ist auf eine maximale Neutronenausstrahlung und einen vergleichsweise geringen Fallout optimiert. Der Amerikaner Samuel T. Cohen entwickelte diese Waffe bereits 1958 und setzte sich massiv für deren Herstellung ein. Damit konnte er sich erst 1981 unter Präsident Ronald Reagan durchsetzen. 700 Neutronensprengköpfe wurden gebaut und unter Reagans Nachfolger George H. W. Bush wieder vernichtet. Im Juni 1980 stellte auch der französische Staatspräsident Giscard d'Estaing die Entwicklung einer Neutronenbombe durch Frankreich in Aussicht. 1999 verkündete die Volksrepublik China, technisch in der Lage zum Bau von Neutronenbomben zu sein.

Neutronenwaffen werden meist mit einem sehr kleinen primären Fissionssprengsatz 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 auch vergleichsweise klein. Der Sprengkopf enthält nur ca. 10 kg Spaltmaterial und wenige Gramm Deuterium-Tritium-Gas.

Im Vergleich zu einer geboosteten Atombombe befindet sich das Deuterium-Tritium-Gas nicht innerhalb der Kernspaltungsbombe, sondern außerhalb. Dadurch treffen die von der Kernfusion ausgehenden Neutronen nur zu einem kleinen Teil das Spaltmaterial und können zu einem größeren Teil ungehindert entweichen. Um möglichst wenig Neutronenstrahlung zu absorbieren, wird als Umhüllung des Fusionssprengstoffs kein Uran verwendet, sondern Wolfram. Auch andere Bauteile werden bevorzugt aus Materialien gefertigt, die schnelle Neutronen wenig absorbieren, wie Chrom oder Nickel. Auch sekundäre Neutronenquellen können Verwendung finden.

Da aus der Kernfusion im Vergleich zur Kernspaltung besonders viele Neutronen frei werden, könnte durch diese Anordnung eine Bombe gebaut werden, die bei vorgegebener Sprengkraft sehr viel mehr Neutronen freisetzt als eine normale Fusionsbombe – daher der Name. Technisch würde das Deuterium-Tritium-Gas unter hohem Druck in einer kleinen Kapsel aufbewahrt – mit wenigen Zentimetern Durchmesser. Das Gas muss aufgrund der Hochdrucklagerung nicht tiefgekühlt werden.

In der Literatur werden verschiedene, darunter einige mögliche (oder vermutlich einige unmögliche) Bauformen für Neutronenwaffen diskutiert. Die real verwendete Bauform von Neutronenbomben ist weiter geheim.

Die Neutronenwaffe gilt als taktische Waffe, tötet Menschen und andere Lebewesen durch Strahlung, kann aber Gebäude weitgehend intakt lassen. Die höhere Tödlichkeit bei geringeren strukturellen Schäden ist aber nur relativ zu anderen Kernwaffen zu verstehen. So wird auch bei einer Neutronenbombe noch ca. 30 % der Energie als Druckwelle und weitere 20 % als Wärmestrahlung abgegeben (Sonst ca. 50 % und 35 % ^[2]). Eine Neutronenwaffe wäre etwa mit der Sprengkraft der Bombe von Hiroshima oder Nagasaki denkbar, allerdings mit weit erhöhten Strahlungsdosen.

Bei den taktischen Neutronenwaffen mit für gewöhnlich geringer Sprengkraft ist davon auszugehen, dass im Bereich der tödlichen Strahlung auch die meisten zivilen (nicht verstärkten) Gebäude zerstört werden. Die Effektivität größerer Neutronenwaffen ist umstritten, da die Neutronenstrahlung (vor allem in feuchtem Klima) durch den in der Luft enthaltenen Wasserdampf stark gedämpft wird.

Zu den taktischen und politischen Aspekten von Neutronenbomben siehe auch Kernwaffe.

Kobaltbombe

Die Kobaltbombe (auch „salted bomb“) soll ein Gebiet möglichst stark radioaktiv kontaminieren, um das Überleben in Bunkern bzw. nach deren Verlassen dauerhaft auszuschließen. Dazu werden große Mengen Cobalt im Mantel einer Fissions- oder Fusionsbombe verbaut.

Das natürlich vorkommende ⁵⁹Co wird durch die bei der Explosion entstehenden Neutronen in ⁶⁰Co umgewandelt. Dieses Isotop hat eine Halbwertszeit von 5,26 Jahren und emittiert pro Kernzerfall zwei Gammaquanten hoher Durchdringungsfähigkeit, verstrahlt also ein Gebiet sehr stark und schädigt alles Leben. Es ist jedoch nicht bekannt, dass eine solche Bombe gebaut wurde.

Neben Cobalt wurde auch das natürlich vorkommende Tantal 181 diskutiert, das durch Neutronenbeschuss in Tantal 182 mit einer Halbwertszeit von 115 Tagen überführt wird; es würde somit ebenfalls für wenige Jahre extrem starke Strahlung erzeugen. Daneben führt auch Zink-64 durch Neutronenbeschuss zu dem radioaktiven Zink-65 mit einer Halbwertszeit von 244 Tagen und Gold-197 zu dem radioaktiven Gold-198 mit einer Halbwertszeit von nur 2,69 Tagen. Eine Goldbombe würde deshalb nur eine vergleichsweise kurzzeitige Kontamination verursachen.

Schmutzige Bomben

Unter schmutzigen Bomben (engl.: „Dirty Bomb“) versteht man Waffen, die entweder nicht genügend spaltbares Material für die kritische Masse oder keinen Zündmechanismus enthalten, sondern deren Wirkung darauf beruhen soll, radioaktives Material mittels konventioneller Sprengstoffe am Angriffsziel zu verteilen, um die Umgebung zu kontaminieren.

Eine „schmutzige“ Plutonium-Bombe wäre theoretisch in der Lage, zehntausende von Menschen schwer erkranken zu lassen und das Zielgebiet unbewohnbar zu machen. Sie wäre vermutlich für Terroristen interessant, die zwar Plutonium beschaffen können, jedoch nur in einer Menge unterhalb der kritischen Masse und aus technischer Sicht nicht in der Lage wären, den komplizierten Zündmechanismus zu bauen.

Hierbei ist teils strittig, ob plutoniumbasierte „Dirty Bombs“ in der Praxis wirklich effektiv wären, da die Aktivität von Plutonium-239 auf Grund der langen Halbwertszeit gering ist; kurzlebige Isotope wie Cs-137 oder Ir-192 weisen bei gleicher Menge eine deutlich größere Aktivität auf.

Der Begriff „Schmutzige Bombe“ wurde früher auch für Kobaltbomben, Bomben mit „schmutziger“ zweiter bzw. dritter Stufe sowie für in Bodennähe gezündete Bomben verwendet.

Literatur

• Smyth, Henry DeWolf. Atomic Energy for Military Purposes, Princeton University Press, 1945. (Der erste offene Bericht der Regierung der USA über Nuklearwaffen) (Smyth Report)
• Egbert Kankeleit, Christian Küppers, Ulrich Imkeller: Bericht zur Waffentauglichkeit von Reaktorplutonium Report IANUS-1/1989.
• Carson Mark, Explosive Properties of Reactor-Grade Plutonium, Science & Global Security, Vol. 4, p.111, 1993

Quellen

1. ↑ A. Schaper, Arms Control at the Stage of Research and Development? – The Case of Inertial Confinement Fusion Science & Global Security, Vol. 2, S. 1–22, 1991
2. ↑ [1]

• http://nuclearweaponarchive.org Nuclear Weapons Archive, das ehemalige High Energy Weapons Archive. Eine Seite über Nuklearwaffen im Internet.
• Nuclear Weapons Frequently Asked Questions Siehe insbesondere Section 4.0 'Engineering and Design of Nuclear Weapons'
• http://www.cddc.vt.edu/host/atomic/ Trinity Site, Schwesterprojekt des HEWA über Geschichte, Technik, und Konsequenzen der Atomaren Rüstung
• Die Effekte einer nuklearen Explosion
• [2] deutsche Dokumentation zur Atombombe