thumb|Karakteristieke paddenstoelwolk na explosie van een atoombom thumb|thumbtime=2|Video van het Rope trick effect, ofwel de bijzondere uitschietende vuurstralen net na de detonatie Een kernwapen (ook wel kernbom, atoombom of atoomwapen) is een type wapen dat gebruikmaakt van de energie die is opgeslagen in atoomkernen om een ontploffing te veroorzaken, in tegenstelling tot conventionele explosieven, die ontploffen door chemische reacties, waarbij de atoomkernen onveranderd blijven. Een kernkop is het eigenlijke kernwapen in een kernraket. De term kernbom wordt soms gereserveerd voor overige kernwapens, zoals die welke bedoeld zijn om door een bommenwerper (waaronder een daartoe uitgerust jachtvliegtuig) te worden afgeworpen, en voor kernexplosieven die als proef worden gedetoneerd, maar niet direct geschikt zijn als wapen. De termen met "atoom" gelden als minder toepasselijk en min of meer verouderd, en worden daarom vaak alleen in een historische context gebruikt, en/of, daarmee samenhangend, alleen voor pure kernsplijtwapens.
Hoewel alle kernwapens gebaseerd zijn op het in korte tijd ontketenen van kernreacties, is er een aantal soorten te onderscheiden.
Er wordt een onderscheid gemaakt naar werkingsmechanisme tussen kernwapens die uitsluitend gebruikmaken van kernsplijting in een nucleaire kettingreactie (met uranium of plutonium, ook wel A-bom genoemd) en kernwapens die ook gebruikmaken van kernfusie (waterstofbom, H-bom of thermonucleair wapen genoemd).
Naar soort van voorziene inzet kan men onderscheid maken tussen een strategisch kernwapen en een tactisch kernwapen. Strategische kernwapens zijn ontworpen voor inzet op verafgelegen strategische doelen. Zij worden bij het doel gebracht met een intercontinentale raket (vanuit een strategische raket-onderzeeboot, uit een raketsilo of een mobiele installatie op het land) of een bommenwerper. Tactische kernwapens zijn bedoeld voor gebruik op het slagveld, en kunnen gebruikt worden in bijvoorbeeld een dieptebom, raket (waaronder kruisvluchtwapen), artillerie, landmijn, of torpedo.
Volgens het rapport van 11 juli 2023 van het Stockholm International Peace Research Institute (SIPRI) zijn er negen kernmachten: Rusland, de Verenigde Staten, het Verenigd Koninkrijk, Frankrijk, China, India, Pakistan, Israël en Noord-Korea. Samen bezaten zij begin 2023 naar schatting 12.512 kernwapens.
Typen Kernsplijtwapen Bij een kernsplijtwapen is de gebruikte splijtstof verrijkt uranium of plutonium. Deze bevat een subkritische configuratie van splijtstof die bij detonatie "geassembleerd" wordt tot een superkritische massa, zodat deze explodeert. Deze "assemblage" bestaat uit het bij elkaar brengen van gedeelten (kanonmethode) of de verhoging van de dichtheid door samenpersing (implosiemethode).
Naargelang de splijtstof en de wijze van het superkritisch maken daarvan zijn er drie typen kernsplijtwapen: uraniumbom met kanonmethode uraniumbom met implosiemethode plutoniumbom (met altijd de implosiemethode)
Tegen het einde van de Tweede Wereldoorlog werd ook gewerkt aan een composite implosion bomb, een implosiebom met om en om concentrische lagen uranium en plutonium. Deze zouden met een hogere frequentie geproduceerd kunnen worden als dat nodig was.Did the U.S. plan to drop more than two atomic bombs on Japan?
Splijtstof In een uraniumbom is de werkzame splijtstof uraan-235. Na reactie van een atoomkern van deze isotoop met een vrij neutron ontstaat 236U, dat direct uiteenvalt, waarbij, naast een grote hoeveelheid energie, ook enige neutronen vrijkomen, die weer kunnen reageren met andere 235U-kernen. Benodigd is hoogverrijkt uranium, dat wil zeggen, uranium waarin de isotoop 235U in veel grotere hoeveelheden voorkomt dan in natuurlijk uranium.
Een van de mogelijke reacties is
Ook andere splijtingsproducten zijn mogelijk; gemiddeld komen ca. 2,5 neutronen per reactie vrij. De eindprodukten van bovenstaande reactie wegen kg minder dan het isotoop en neutron aan het begin van de nucleaire reactie. thumb|Model van de bom "Little Boy" die op Hiroshima is geworpen thumb|Model van de bom "Fat Man" die op Nagasaki is geworpen
In een plutoniumbom gebruikt men sommige isotopen van het element plutonium, dat verkregen wordt door in een kernreactor een andere natuurlijke uraanisotoop 238U aan neutronen bloot te stellen.
Superkritisch maken van de splijtstof Het superkritisch maken van de splijtstof kan op twee manieren. De ene manier is de kanonmethode: het inschieten van een subkritische hoeveelheid splijtstof in een andere subkritische hoeveelheid. Deze methode is alleen mogelijk met uranium. Bij plutonium zou de kettingreactie namelijk te vroeg op gang komen en daardoor uiteindelijk veel minder krachtig zijn (predetonatie, fizzle), namelijk zodra het afgeschoten gedeelte voldoende dicht bij het doel is om samen een kritische massa te vormen. Dit komt doordat in plutonium meer spontane kernsplijtingen voorkomen, die het proces starten.
De andere methode is de implosie: een subkritische massa wordt door een conventionele explosie van explosief materiaal dat om die massa heen is geplaatst sterk samengedrukt waardoor het neutronenrendement toeneemt en de massa superkritisch wordt. Door het aanbrengen van een neutronenreflector om de bom heen (eventueel ook dienend om de bom langer bij elkaar te houden) wordt de kritische massa extra verlaagd zodat minder splijtstof nodig is, of de bom krachtiger wordt. De efficiëntie en het succes van de reactie hangen in dit type bom in hoge mate af van de gelijkmatigheid waarmee de conventionele comprimerende ontploffing plaatsvindt. Hiervoor is een groot aantal zeer nauwkeurige elektrische detonatoren met exact gelijke en bekende vertragingstijden nodig en springstoffen van nauwkeurig bepaalde vorm en explosieve eigenschappen. Zie ook de beschrijving bij Fat Man.
Als eerste trap van een meertrapswapen (zie onder) is en wordt alleen de implosiemethode toegepast. Technologisch geavanceerde staten gebruiken ook als ze eventueel (nog) pure kernsplijtwapens hebben, voor zover bekend alleen (nog) de implosiemethode.
Verloop van de explosie De snelheid van de vrijgekomen neutronen is in de orde van grootte van en de af te leggen afstand tot een nieuwe kernreactie wordt veroorzaakt in de orde van grootte van 10 cm. Een "generatie" duurt dus ongeveer 10 ns (10 nanoseconde, ook een shake genoemd), en binnen 1 μs (1 microseconde, 100 shakes) stopt de kettingreactie. Het aantal kernreacties stijgt in het begin van deze microseconde exponentieel, maar de configuratie van de splijtstof verandert door de vrijgekomen energie zeer snel door smelten en verdampen van de splijtstof en zijn omhulling, waardoor de reactie stopt. De efficiëntie van het kernwapen kan worden uitgedrukt als percentage van de aanwezige splijtbare kernen dat ook daadwerkelijk splijt. Bij een extreem efficiënt kernwapen zouden de kernreacties pas wezenlijk afgeremd worden door het opraken van de splijtstof. Bij een fizzle (mislukte kernexplosie) stoppen de kernreacties al als maar een zeer klein deel van de splijtstof gespleten is. Bij een realistisch kernsplijtwapen is de efficiëntie maximaal 20 tot 40%.
Het zo hoog mogelijk maken van de efficiëntie en daarmee gerelateerd het zo lang mogelijk bij elkaar houden van de splijtstof in superkritische toestand is een van de belangrijkste technische problemen bij het ontwerp van een kernsplijtwapen. De eerste kernsplijtwapens hadden een rendement van slechts 2%. Door inzet van beryllium als neutronenreflector en door het inspuiten van een paar gram deuterium of tritium in het te splijten materiaal (bij de zo geïnduceerde kernfusie komen ook geschikte neutronen vrij) wordt in modernere kernsplijtwapens (meestal als eerste trap van een meertrapswapen, zie hieronder) een veel hoger rendement (in de orde van 20%) gehaald, wat bij een meertrapswapen niet zozeer nuttig is voor het in absolute zin vergroten van de explosieve kracht (want daarvoor is er de tweede trap), maar meer omdat er dan minder splijtstof nodig is voor het in werking stellen van de tweede trap.
Boosted kernsplijtwapen Een boosted kernsplijtwapen (boosted fission weapon) is een tussenvorm tussen een kernsplijtwapen en een kernfusiewapen. Er vindt wel kernfusie plaats, met behulp van deuterium en tritium, maar niet in een kettingreactie. De kernfusie levert (naast een relatief zeer beperkte hoeveelheid extra energie uit de kernfusie zelf) wel extra neutronen die ervoor zorgen dat een groter deel van het kernsplijtingsmateriaal daadwerkelijk splijt. Ook de eerste trap van een meertrapswapen is vaak boosted.
Kernfusiewapen De details van het ontwerp van kernfusiewapens zijn militair geheim, maar de grote lijn is voor zover bekend als volgt.
In een thermonucleair wapen (waterstofbom) zijn er dicht bij elkaar in een gemeenschappelijke omhulling een eerste trap en een aparte capsule met de tweede trap. De eerste trap is een (vaak boosted) kernsplijtbom. De gemeenschappelijke omhulling en de buitenkant van de tweede trap, beide van een element met een hoog atoomnummer, laten geen röntgenstraling door. De ruimte tussen de gemeenschappelijke omhulling en de eerste en tweede trap is gevuld met een speciaal, mysterieus licht materiaal dat in ieder geval röntgenstraling goed doorlaat. Dit tussentrapsmateriaal wordt wel aangeduid met de codenaam Fogbank.https://www.motherjones.com/politics/2009/05/fogbank-america-forgot-how-make-nuclear-bombs. Gearchiveerd op 15 juni 2023.
Door de zeer hoge temperatuur produceert de eerste trap bij detonatie als warmtestraling intense röntgenstraling. De gemeenschappelijke omhulling zorgt voor een soort reflectie van de röntgenstraling, in die zin dat deze zeer heet wordt en zelf inwaarts röntgenstraling als warmtestraling gaat uitzenden. Alle röntgenstraling zorgt voor intense verhitting vanaf de buitenkant van de tweede trap, die zorgt voor implosie daarvan. Dit wordt stralingsimplosie genoemd, maar de grootste kracht is niet direct de kracht van de straling, maar de kracht van het uiteenvallen van de omhulling van de tweede trap, een soort explosie van die omhulling, met als inwaartse kracht mede de reactiekracht van de uitwaartse kracht.
In de tweede trap vindt kernfusie plaats, van waterstofisotopen zoals deuterium (2H) en tritium (3H) tot zwaardere elementen, maar is ook nog een spark plug van splijtstof.
Onderscheiden worden een splijting-fusiewapen en een splijting-fusie-splijtingwapen. In het laatste geval veroorzaakt de kernfusie op zijn beurt ook weer veel kernsplijting, van aan de bom toegevoegd natuurlijk of verarmd uranium; dit geeft veel extra radioactiviteit. Nog een variant is een splijting-fusie-fusiewapen, met drie aparte trappen (theoretisch kunnen er ook nog meer zijn).
De kernfusie in een waterstofbom is niet hetzelfde proces dat de zon doet stralen: daar wordt het gewone protium (1H) gefuseerd in de proton-protoncyclus. Dat proces is te traag voor een bom. De exacte configuratie van een waterstofbom is nog steeds geheim, hoewel op grond van in de loop der decennia uitgelekte gegevens inmiddels tamelijk goed bekend is hoe een dergelijke bom in elkaar zit (het Teller-Ulam-ontwerp).
Een neutronenbom is een splijting-fusiewapen dat vooral veel neutronenstraling genereert, en relatief weinig explosieve kracht heeft.
Kernwapens met instelbare explosieve kracht Bij moderne thermonucleaire wapens kan de explosieve kracht vaak kort voor gebruik tussen een minimum en een maximum ingesteld worden. Een van de mogelijkheden om de explosieve kracht te beperken kan daarbij zijn het buiten werking stellen van het fusiestadium, waardoor het effectief een kernsplijtwapen wordt. De explosieve kracht daarvan kan ook beperkt worden, onder meer door het bovengenoemde boosten buiten werking te stellen.
Salted kernwapen