Kernwapen

Een kernwapen oftewel kernbom oftewel atoombom oftewel atoomwapen is een type wapen dat gebruik maakt van de energie die is opgeslagen in de kernen van atomen om een ontploffing te veroorzaken.

Hoewel alle kernwapens gebaseerd zijn op het in korte tijd ontketenen van kernreacties, zijn er een aantal soorten te onderscheiden.

Er wordt een onderscheid gemaakt tussen bommen die gebruikmaken van kernsplijting in een kettingreactie (U-bom en Pu-bom) en bommen die gebruikmaken van kernfusie (H-bom, de Waterstofbom). Voor beide typen kunnen verschillende elementen worden gebruikt.

Types

Kernsplijtingsbommen

Een uranium­bom is gebaseerd op het bijeenvoegen en lang genoeg bij elkaar houden van een voldoend grote massa verrijkt uranium. Dit is uranium waar de isotoop ²³⁵U in veel grotere mate in voorkomt dan in de natuur het geval is. 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. Mits er voldoende ²³⁵U aanwezig is (meer dan de kritische massa, dat is een massa waarin gemiddeld per splijtingsreactie precies één nieuwe splijting ontstaat), en er daardoor per splijting gemiddeld meer dan één nieuwe splijting wordt opgewekt (een superkritische hoeveelheid), ontstaat er dan door de uit de hand lopende kettingreactie een ontploffing. Bij deze ontploffing wordt de dichtheid van het materiaal snel kleiner, waardoor de benodigde dichtheid om de kettingreactie in stand te houden ook (zeer) snel weer verloren gaat! In kerncentrales houdt men de reactie precies kritisch zodat energie wordt vrijgemaakt zonder dat de zaak auit de hand loopt.

Als geen speciale maatregelen worden genomen, wordt slechts een klein percentage van de aanwezige splijtbare kernen ook daadwerkelijk gespleten gedurende de ca. 1000 nanoseconden dat de kritische massa bij elkaar is. Het zo hoog mogelijk maken van dit percentage en daarmee gerelateerd het zo lang mogelijk bij elkaar houden van de kritische massa is een van de belangrijkste technische problemen bij het ontwerp van een atoombom. De eerste atoombommen hadden een rendement van slechts 2%. Door inzet van beryllium als neutronenreflector en door het inspuiten van een klein beetje deuterium of tritium in het te splijten materiaal (bij de zo geïnduceerde kernfusie komen ook geschikte neutronen vrij) wordt in modernere atoombommen een veel hoger rendement (in de orde van 20%) gehaald, waardoor bovendien de benodigde hoeveelheid splijtbare isotoop kleiner wordt.

Een plutonium­bom werkt volgens hetzelfde principe als een uraniumbom, maar men gebruikt daarvoor sommige isotopen van het element plutonium, dat verkregen wordt door in een kernreactor een andere natuurlijke uraniumisotoop ²³⁸U aan neutronen bloot te stellen.

Het bereiken van de kritische massa kan op verschillende manieren. Eén manier is het inschieten van een kogel bestaande uit een subkritische hoeveelheid splijtstof in een andere subkritische massa waardoor de kritische massa wordt bereikt. 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), namelijk zodra de kogel 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.

Een 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 de neutronenefficiency toeneemt en de massa superkritisch wordt. Door het aanbrengen van een neutronenreflecterende laag van ijzer of kobalt om de bom heen wordt zowel de kritische massa langer bij elkaar gehouden als de benodigde splijtmassa kleiner gemaakt. 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 zijn een groot aantal zeer nauwkeurige elektrische ontstekers (detonators) met exact gelijke en bekende vertragingstijden nodig en springstoffen van nauwkeurig bepaalde vorm en explosieve eigenschappen. Zie ook de beschrijving bij Fat Man.

Kernfusiebommen

De waterstofbom werkt volgens een ander principe. Hier is niet kernsplijting maar kernversmelting van waterstofisotopen zoals deuterium en tritium tot zwaardere elementen de drijvende kracht. Dit is niet hetzelfde proces dat de zon doet stralen: daar is gewone waterstof het uitgangspunt; ook is dat proces te traag voor een bom. Overigens is de enige bekende manier om een voldoende hoge druk en temperatuur te bereiken om in een bom tot kernfusie te komen het ontsteken van een kernsplijtingsbom als detonator. 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 speciaal soort waterstofbom is de neutronenbom.

Effecten

De explosie van een kernwapen heeft onmiddellijke gevolgen: de hittestraling (ongeveer 4000°C) die gebouwen in brand zet, en bij mensen brandwonden veroorzaakt of hen soms zelfs volledig laat verdampen in enkele seconden; het ontstaan van een luchtdrukgolf, krachtiger en langduriger dan van een gewone bom; en de neutronen- en gammastraling, die op organismen, waaronder de mens, een dodelijk effect kunnen hebben, afhankelijk van de opgelopen dosis na een termijn van minuten tot weken. Een kernexplosie veroorzaakt een elektromagnetische puls, die op het menselijk lichaam geen uitwerking heeft, maar tot op grote afstand van de ontploffing alle elektrische apparatuur doet uitvallen. Op wat langere termijn (uren tot dagen) veroorzaakt een bovengrondse kernexplosie ook een fall-out die tot op grote afstand van de explosie de omgeving radioactief maakt. De straling (zowel direct als indirect) zorgt ook als de ontvangen dosis niet dodelijk was in de loop van jaren en tientallen jaren na de blootstelling voor een verhoogde kans op kanker of afwijkingen in het nageslacht.

De radioactiviteit op de plaats van de ontploffing neemt zeer snel af. Wanneer een kernwapen in de lucht is ontploft zal de omgeving al snel weer "schoon" zijn. Het kostte de Amerikanen enige dagen na de ontploffingen in Hiroshima moeite om nog verhoogde radioactiviteit op de grond te meten. De gevolgen van de fall-out, in het ernstigste geval binden radioactieve deeltjes van de bom zich aan stof uit de grond, zijn bijzonder gevaarlijk maar ook deze effecten nemen snel af.

De schade veroorzaakt door een kernexplosie hangt in grote mate af van de sterkte van het wapen en de hoogte waarop het wapen ontploft. Een kernwapen wordt vaak aan een parachute afgeworpen om te garanderen dat de bom op de juiste hoogte ontploft. Ook reflectie van de schokgolf door heuvels heeft een groot effect op de schade aan bebouwing.

De kracht van een kernwapen

De kracht van een kernbom wordt uitgedrukt als de massa springstof (TNT) die nodig zou zijn om een even grote energie te laten vrijkomen. De bom die boven Hiroshima werd afgeworpen, had een kracht die te vergelijken is met een hoeveelheid van 15000 ton (vijftien miljoen kilo) TNT, oftewel 15 kiloton.

Later werden kernwapens met een veel grotere explosieve kracht ontwikkeld. Hiervoor wordt de megaton gebruikt om de kracht aan te duiden. De zwaarste bom die ooit werd getest, de Tsar Bomba, had een effectieve kracht van 58 megaton, dus 58 000 000 ton TNT (dus 58 000 000 000 kilo), door een loden voorkant welke de explosieve kracht dempte (en de fall-out verminderde). De geschatte potentiële kracht in de Tsar Bomba bedroeg 100 Megaton.

Geschiedenis

Ontwikkeling

De eerste kernsplijtingsbommen werden gemaakt in de VS, waar in 1939 een project (het Manhattanproject) was gestart om een atoombom te ontwikkelen en om voldoende splijtbaar materiaal te produceren voor een bom. Het Los Alamos-laboratorium, of Project Y, werd begin 1943 voor slechts één doel opgezet: een atoombom ontwerpen en bouwen. Amerikaanse wetenschappers haastten zich om de kracht van het atoom te ontsluiten. Er werd gevreesd dat ook Nazi-Duitsland aan een kernbom werkte. Dit was inderdaad zo, maar hun project is, hoewel er aanzetten toe waren gedaan, nooit goed van de grond gekomen. Bovendien bleek na de oorlog, toen de geallieerden de Duitse geleerden die er aan werkten ondervroegen, dat de nazi's op een verkeerd spoor zaten en dat ze nog jaren verwijderd waren van een werkend prototype.

De eerste testontploffing (met de Trinity) vond op 16 juli 1945 om 5:29:45 plaats in de woestijn van New Mexico. De explosieve kracht bedroeg 20 tot 22 kiloton. In het team dat de bom ontwierp werkten de allerbeste wetenschappers, onder wie veel die ook bij een groter publiek bekend raakten, zoals Robert Oppenheimer, Richard Feynman, John von Neumann, Murray Gell-Mann en Edward Teller. Behalve deze kern van geniale wis- en natuurkundigen was het Manhattanproject ook een enorme industriële onderneming; de benodigde opwerkingsfabrieken en de investeringen daarvoor waren kolossaal.

De Nazi's wisten in Duitsland een Duits kernwapenprogramma op te zetten met veel minder middelen. Zij beschikten als eersten over een kritische kernreactor maar zij bezaten onvoldoende zwaar water, zuiver grafiet, plutonium en verrijkt uranium om een kernwapen te bouwen. De theoretische problemen konden de Duitse wetenschappers wel grotendeels oplossen.

Ten tijde van het begin van de Tweede Werldoorlog waren alle regeringen van hoogontwikkelde staten op de hoogte van de mogelijkheden om atoomenergie te gebruiken. Ook de bouw van een atoombom werd in brede kring besproken en atoombommen kwamen in populaire stripverhalen en cartoons voor.

In het Verenigd Koninkrijk, Nazi-Duitsland, Rusland, Frankrijk en Japan werd na 1938 onderzoek gedaan naar kernenergie en kernwapens. Geen van deze landen heeft de research van de Verenigde Staten kunnen bijbenen. Nederland verzamelde al voor de oorlog uranium voor onderzoek, voornamelijk omdat alle landen uranium tot "strategisch materiaal" verklaarden en de in-en uitvoer streng gingen controleren. De Nederlandse uraniumvoorraad werd tijdens de oorlog voor de bezetter verborgen gehouden.

Eerste gebruik

Het eerste kernwapen dat in oorlogstijd werd ingezet was de uraniumbom Little Boy, die tijdens de Tweede Wereldoorlog door de Verenigde Staten op 6 augustus 1945 boven de Japanse stad Hiroshima tot ontploffing werd gebracht. Het vliegtuig waarmee de bom naar Hiroshima werd gevlogen heette Enola Gay. De bom had een explosieve kracht die equivalent was aan ongeveer 15 kiloton TNT en maakte 78.000 directe slachtoffers. Door de naeffecten als gevolg van de ioniserende straling liep het dodental uiteindelijk op tot ongeveer 140.000 eind 1945. Op 9 augustus 1945 werd Nagasaki aangevallen met een plutoniumbom: Fat Man. De explosieve kracht van deze tweede bom was groter (21 kiloton). Er vielen 27.000 directe doden. Dat was minder dan bij de eerste bom, doordat de bom wegens te veel bewolking niet boven het oorspronkelijk geplande punt was afgeworpen. Het dodental in deze stad liep uiteindelijk op tot zeker 70.000 eind 1945.
Bij beide explosies kwam ook een grote hoeveelheid radioactiviteit vrij, die nog tot lang na de Tweede Wereldoorlog stralingsziekten veroorzaakte, waardoor vele doden zijn gevallen. Volgens opgave van de Japanse autoriteiten, die ook de slachtoffers registreerden die jaren later vielen door bijvoorbeeld kanker als gevolg van straling, kostten de bommen aan totaal ruim 240.000 mensen het leven.

Tot heden zijn dit de enige kernwapens die ooit effectief gebruikt zijn. Wel zijn er nadien, vooral in de jaren '60 en '70, nog ruim 2000 tot ontploffing gebracht, maar slechts bij wijze van proef, zonder het doel slachtoffers en/of schade te veroorzaken (zie: kernproef).

Verdere ontwikkeling

De later ontwikkelde waterstofbom heeft een nog veel grotere vernietigende kracht. Bovendien komt bij de ontploffing veel radioactiviteit vrij in de vorm van directe ioniserende straling, maar ook in de vorm van langlevende isotopen die zeer schadelijk voor de gezondheid zijn. Dit zijn de redenen dat de beide supermogendheden, de Verenigde Staten en de Sovjet-Unie, bij de wapenwedloop tijdens de koude oorlog wel veel atoombommen produceerden, maar afzagen van het voeren van een directe oorlog. Dit noemt men de afschrikkende werking van kernwapens (in het Engels: mutually assured destruction).
Volgens voorstanders van kernwapens is door deze dreiging het gevaar van een grote oorlog sterk verminderd. Anderen vrezen echter dat er ooit een kernoorlog uitbreekt, met de vernietiging van de mensheid tot gevolg.

Vuile bom (dirty bomb)

Een dirty bomb is een wapen dat voor zijn explosie niet van kernsplitsing of -fusie gebruik maakt, maar met behulp van een conventioneel explosief een hoeveelheid radioactief materiaal verspreidt. Omdat een dirty bomb veel eenvoudiger te construeren is dan een echt kernwapen wordt vooral van dit wapen gevreesd dat het door terroristen gebruikt zou kunnen worden.

Literatuur

• Rhodes, Richard - The Making of the Atomic Bomb
• Coster-Mullen, John - Atom Bombs: The Top Secret Inside Story of Little Boy and Fat Man

Zie ook

• Kernmacht
• Kernwapenontmanteling
• MAD - SALT - START
• Bulava-raket

Externe links

• (en) IPS Inter Press Service