mini|Feuerball der ersten Atombomben-Explosion Trinity, 16 ms nach der Zündung, 200 m hoch, ca. 300 m Durchmesser Die Kernwaffentechnik beschäftigt sich mit Waffen, welche die Energie für eine Explosion aus Kernreaktionen – Kernspaltungen oder -verschmelzungen – beziehen. Die technische Entwicklung der Kernwaffen seit 1940 hat eine große Vielfalt unterschiedlicher Varianten hervorgebracht.
Geschichte, Klassifizierung und weitere nichttechnische Aspekte werden im Artikel Kernwaffe behandelt.
Wirkungsweise Während konventionelle Explosivstoffe ihre Energie aus der chemischen Umsetzung des Explosivstoffes beziehen, setzen Kernwaffen große Energiemengen in kürzerer Zeit aus Kernprozessen frei, die Temperaturen im Millionen-Kelvin-Bereich erreichen. Dadurch wird jeder Feststoff in unmittelbarer Nähe zu einem heißen Gas verdampft. Durch die Erwärmung der umgebenden Luft und durch die verdampfenden Feststoffe kommt es zu einer schlagartigen Volumenexpansion, was neben der abgegebenen Hitzestrahlung zu einer starken Druckwelle führt.
Sowohl Kernspaltung als auch Kernfusion erzielen ihren Energieumsatz aus der Differenz der Bindungsenergie der Nukleonen der beteiligten Atomkerne vor und nach der Kernreaktion. Während pro Kernfusion Energien von bis zu 14 MeV (vgl. Fusionsreaktor) und pro Kernspaltung sogar ca. 200 MeV (vgl. Spaltungswärme) freigesetzt werden, ergeben chemische Reaktionen nur Energie im Bereich einiger eV, im Falle von TNT ca. 38,6 eV (siehe Explosionskenngrößen) pro Molekül.
Spaltungs-(Fissions-)Bombe Eine klassische Kernspaltungsbombe (Atombombe) wird so konstruiert, dass zum beabsichtigten Zeitpunkt mehrere Teile des spaltbaren Materials, jeder für sich allein unterhalb der kritischen Masse, zusammengebracht werden und so die kritische Masse überschreiten. Gleichzeitig mit dem Erreichen der kritischen Masse beginnt eine Neutronenquelle Neutronen zu emittieren, welche die Spaltungskettenreaktion auslösen. Die Anzahl der durch Kernspaltungen (Kernfission) neu erzeugten Neutronen ist in Folge in jeder Spaltungsgeneration größer als die Anzahl der aus dem Material entkommenen und im Material ohne Spaltung absorbierten Neutronen, sodass die Kernreaktionsrate schnell ansteigt. Die kritische Masse kann durch Verwendung eines Neutronenreflektors verringert werden.
Die in Form sehr schneller Erhitzung freiwerdende Energie treibt den nuklearen Sprengstoff auseinander. Deshalb muss die zugrundeliegende Kettenreaktion sehr schnell möglichst das gesamte Spaltmaterial erfassen, da andernfalls nur ein kleiner Teil der möglichen Energie freigesetzt wird. Deshalb werden für Kernspaltungswaffen – anders als für Kernreaktoren zur zivilen Energiegewinnung – möglichst reine, leicht spaltbare Nuklide wie hoch angereichertes Uran oder fast reines 239Plutonium verwendet und bei der Konstruktion der rasche Eintritt der prompten Überkritikalität angestrebt. Das Uran-Isotop 235U und das Plutonium-Isotop 239Pu können eine Kernspaltungs-Kettenreaktion aufrechterhalten. Das Uran-Isotop 238U kann durch ein schnelles Neutron (welches z. B. durch die Fusion von Deuterium und Tritium entsteht) gespalten werden. 238U kann aber keine Kernspaltungs-Kettenreaktion aufrechterhalten, da die erzeugten Neutronen (im Durchschnitt) zu langsam für weitere Kernspaltungen sind. 238U hat folglich auch keine kritische Masse. Da es zudem als Neutronenreflektor verwendet werden kann, werden abgereichertes und Natururan (beide haben einen sehr hohen 238U-Anteil) häufig in Kernwaffen verwendet.
Einige Isotope der Elemente Protactinium, Neptunium, Americium, Curium und Berkelium können ebenfalls eine Kernspaltungs-Kettenreaktion aufrechterhalten. Jedoch sind diese aufgrund ihrer hohen kritischen Masse, ihrer hohen spontanen Spaltrate (erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Frühzündung), ihrer hohen Radioaktivität (erschwert die Handhabung, durch die niedrigere Halbwertszeit häufigere Auswechselung des Spaltmaterials) oder ihrer hohen Herstellungs- bzw. Gewinnungskosten zur Herstellung von Nuklearwaffen ungeeignet.
Als Neutronenquelle wird oft Polonium-Beryllium verwendet, das sich zum richtigen Zeitpunkt vermischen muss. Bei diesem Gemisch reagieren Alphateilchen, die von Polonium emittiert werden, mit Beryllium.
Einer der chemischen Sprengstoffe, die zum schnellen Zusammenführen der unterkritischen Teilstücke benutzt wird, ist Octol. Er besteht aus HMX und TNT, die in einem Verhältnis von 7 zu 3 gemischt werden.
Kanonenprinzip
Das Kanonenprinzip wurde erstmals im Frisch-Peierls-Memorandum erwähnt und in Tube Alloys diskutiert.
Ein unterkritischer hohler Uranzylinder wird auf einen unterkritischen Urandorn geschossen, der im Inneren genau dieses Zylinders 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 der länglichen Bauart eignet sich das Kanonenprinzip für Bunker Buster und Artilleriegeschosse, wie z. B. die W9 und W19/W23. Little Boy verwendete Kordit als Treibladung.
Die Uran-Bombe Little Boy, die über Hiroshima abgeworfen wurde, war nach dieser Bauweise konstruiert. Sie galt als so zuverlässig, dass auf eine vorausgehende Testzündung verzichtet wurde. Die Bombe enthielt 64 Kilogramm Uran, das auf 80 Prozent 235U-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.
Bei anderen Konstruktionen hat der eigentliche Fissionssatz eine angenäherte Kugelform. Das Spaltstoffgeschoss wird auf ein starres Spaltstoffziel geschossen, oder zwei Geschosse werden gegeneinander geschossen. Ein zusätzlicher, starrer und mittig gesetzter dritter Spaltstoffteil oder eine implodierende Reaktionshilfe werden teilweise diskutiert.
Das Kanonenprinzip eignet sich nicht für Plutonium, das im Reaktor eines herkömmlichen Kernkraftwerks erbrütet wurde. Dessen Gehalt an 240Pu (schlechter spaltbar und zugleich relativ stark spontan spaltend) würde beim Kanonenprinzip zu einer Frühzündung (fizzle) und somit zu einem Verpuffen führen. Sogenanntes Waffenplutonium, eigens in entsprechend betriebenen Reaktoren hergestellt, enthält dagegen nur sehr wenig 240Pu.
Implosionsbombe Prinzipielle Formgebung mini|links|Schematische Darstellung der Implosions-Methode mini|The Gadget – die erste gezündete Kernwaffe Eine andere Bauweise zeigt die Implosionsbombe. Die über Nagasaki abgeworfene Bombe Fat Man war nach diesem Prinzip gebaut. Dabei befindet sich in der Mitte das spaltbare Material (etwa Plutonium, 235U oder eine Legierung beider Metalle) als nicht-kritische Masse, entweder als Voll- (unterkritische Masse) oder als Hohlkugel (unterkritisch bezüglich der Geometrie, da keine Vollkugel). 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 mit Kanonenprinzip und eine sehr große Menge spaltbaren Materials verwendet werden kann. Außerdem ist die Ausbeutung des atomaren Sprengstoffs höher, weil das Spaltmaterial während der Explosion zeitlich länger und in günstigerer Form zusammenbleibt.
Plutoniumwaffen sind aufgrund der höheren spontanen Spaltrate der verschiedenen Pu-Isotope und der dadurch hervorgerufenen vorzeitigen Zündung ausschließlich als Implosionswaffen denkbar. Die Bauweise selbst ist sprengstoff- und zündtechnisch gesehen wesentlich anspruchsvoller. Da sich die an der Entwicklung beteiligten Wissenschaftler im Gegensatz zur Uranbombe „Little Boy“ nicht gänzlich sicher waren, wurde die Implosionsanordnung vorab im Rahmen des „Trinity-Tests“ (New Mexico) erprobt.
Aufbau von Sprengstoffen um den Kern mini|Funktion einer Sprengstofflinse: und detonierende Sprengstoffe formen eine konvexe Detonationsfront zu einer konkaven. Für die Trinity-Bombe und Fat Man wurden Baratol und Composition B verwendet. links|mini|32 polygonale Sprengstofflinsen um den Kern des Trinity Gadgets ergeben einen Ikosaederstumpf. links|mini|Sprengstofflinsen um den Kern von Fat Man mini|Sprengstofflinsen komprimieren eine Halbkugelschale. Nur eine Hülle aus einem Sprengstoff um den Kern zu bauen, führt nicht zum gewünschten Ergebnis, da der Sprengstoff vom Zünder ausgehend sphärisch divergierend detoniert. Der Kern wird dadurch ungleichmäßig deformiert. Man bräuchte daher sehr viele Zünder, um eine akzeptable gleichförmige Verdichtung zu erreichen.
Die Aufgabe lautete daher, mehrere sphärisch divergierende Detonationsfronten in eine einzige sphärisch konvergierende zu verwandeln. Hierzu verwendet man zwei Sprengstoffe mit unterschiedlichen Detonationsgeschwindigkeiten. Am Übergang der Sprengstoffe wird die Detonationsfront wie Licht an einer Linse gebrochen, weshalb im Englischen von einer explosive lens (Sprengstofflinse) gesprochen wird. Die Detonationsgeschwindigkeiten der Sprengstoffe sind dabei das Analogon zu den unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten des Lichts in unterschiedlichen Medien. Um den gewünschten Effekt für eine Implosionsbombe zu erreichen, muss eine solche Linse ein Rotationsparaboloid aus langsam detonierendem Sprengstoff in der Mitte haben, umschlossen von einem schnell detonierendem Sprengstoff. Analog zur Optik ist der Brechungsindex der Linse größer, je mehr sich die Detonationsgeschwindigkeiten der verwendeten Sprengstoffe unterscheiden. Die Sprengstofflinsen sind polygonal, damit sie kugelförmig zusammengefügt werden können.
Die Anordnung im „Trinity Gadget“ bestand aus 32 Sprengstofflinsen; später wurden 40, 60, 72 und schließlich 92 Linsen (Ivy King) verwendet. Die USA testeten Sprengstofflinsen in den RaLa-Experimenten von 1944 bis 1962. Moderne Sprengstofflinsen bestehen aus Polymer-gebundenen Sprengstoff.
Swan Device mini|Swan Device: Schnell detonierender umhüllt langsam detonierenden Sprengstoff. Die als Swan Device bezeichnete Anordnung verwendet nur 2 Zünder, was die Synchronisation vereinfacht und damit die Zuverlässigkeit erhöht. Eine äußere Schicht schnell detonierenden Sprengstoffs hat dabei die Form zweier spiegelsymmetrischer rotierender logarithmischer Spiralen und umgibt dabei den inneren, langsam detonierenden Sprengstoff (siehe auch Plane-Wave-Generator). Damit die Detonationsfronten sphärisch konvergieren, muss folgender Zusammenhang gelten: . Dabei ist der Steigungswinkel der Spirale (siehe Formeln); L(angsam) und S(chnell) sind die Detonationgeschwindigkeiten der Sprengstoffe. Der Anstieg der Spirale ergibt damit . In der nebenstehenden Abbildung ist und damit . Eine Anordnung mit nur einem Zünder ist theoretisch ebenfalls möglich. Dazu müsste der Ausschnitt der Spirale 180° betragen.Swan (nuclear weapon design) auf YouTube, 5. Januar 2025, abgerufen am 16. Januar 2025
Sprengköpfe vom Typ Swan kamen unter anderem in den Kernwaffentests Redwing Inca und Mohawk zum Einsatz. Später wurden sie im MADM-Sprengkopf XW-45 verwendet. Eine Konzeptstudie einer schwedischen Atombombe aus dem Jahr 1956 verwendete ein ähnliches Design.
Reflektor Moderne Kernwaffen besitzen zwischen dem konventionellen, hochexplosiven Sprengstoff und dem eigentlichen Kernbrennstoff eine zusätzliche Schicht, meist aus Beryllium oder reinem Uran 238U (abgereichertes Uran). Diese Schicht reflektiert Neutronen (9Beryllium fungiert sogar als Neutronenemitter); früher wurde als Reflektor Wolframcarbid verwendet. Damit kann entsprechend folgender Tabelle die kritische Masse verringert werden:Nuclear Weapon Archive, FAQ, Elements of Fission Weapon Design, Figure 4.1.7.1.1., Carey Sublette.