Kernwaffentechnik

Die ersten Kernsprengkörper, die zwar schwerfällig und ineffizient waren, lieferten die Grundbausteine für alle künftigen Waffen. Das Bild zeigt die Gadget-Vorrichtung, die für den ersten Kernwaffentest, Trinity, vorbereitet wird. ⓘ

Kernwaffendesigns sind physikalische, chemische und technische Vorkehrungen, die das physikalische Paket einer Kernwaffe zur Detonation bringen. Es gibt drei grundlegende Waffentypen:

• Reine Kernspaltungswaffen, die einfachsten und technisch am wenigsten anspruchsvollen, waren die ersten Kernwaffen, die gebaut wurden, und sind bisher der einzige Typ, der jemals im Krieg eingesetzt wurde (von den Vereinigten Staaten gegen Japan im Zweiten Weltkrieg).
• Verstärkte Spaltungswaffen erhöhen die Ausbeute über die der Implosionswaffen hinaus, indem sie kleine Mengen an Fusionsbrennstoff zur Verstärkung der Spaltungskettenreaktion verwenden. Durch Boosten kann die Spaltungsenergieausbeute der Waffe mehr als verdoppelt werden.
• Gestufte thermonukleare Waffen bestehen im Wesentlichen aus zwei oder mehr "Stufen", in der Regel aus zwei. Die erste Stufe ist normalerweise eine verstärkte Spaltungswaffe wie oben beschrieben (mit Ausnahme der frühesten thermonuklearen Waffen, die stattdessen eine reine Spaltungswaffe verwendeten). Bei ihrer Detonation wird sie mit intensiver Röntgenstrahlung bestrahlt, die die mit einer großen Menge an Fusionsbrennstoff gefüllte zweite Stufe beleuchtet und implodieren lässt. Dadurch wird eine Abfolge von Ereignissen in Gang gesetzt, die zu einem thermonuklearen (Fusions-)Brand führt. Dieser Prozess ermöglicht eine hundertfache Ausbeute im Vergleich zu Spaltungswaffen. ⓘ

Eine vierte Art, reine Fusionswaffen, sind eine theoretische Möglichkeit. Solche Waffen würden weitaus weniger radioaktive Nebenprodukte erzeugen als die derzeitigen Konstruktionen, obwohl sie eine große Anzahl von Neutronen freisetzen würden. ⓘ

Reine Kernspaltungswaffen waren in der Vergangenheit der erste Waffentyp, der von neuen Atommächten gebaut wurde. Große Industriestaaten mit gut entwickelten Atomwaffenarsenalen verfügen über zweistufige thermonukleare Waffen, die die kompakteste, skalierbarste und kosteneffektivste Option darstellen, sobald die erforderliche technische Basis und industrielle Infrastruktur aufgebaut ist. ⓘ

Die meisten bekannten Innovationen bei der Entwicklung von Kernwaffen stammen aus den Vereinigten Staaten, obwohl einige später unabhängig von anderen Staaten entwickelt wurden. ⓘ

In frühen Berichten wurden reine Kernspaltungswaffen als Atombomben oder A-Bomben und Waffen mit Kernfusion als Wasserstoffbomben oder H-Bomben bezeichnet. Praktiker der Atompolitik bevorzugen jedoch die Begriffe nuklear bzw. thermonuklear. ⓘ

Erste 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. ⓘ

Nukleare Reaktionen

Werden die Fusions- und äußere Uranschicht vergleichsweise dick ausgeführt, setzt ein weiterer Mechanismus ein. 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 preiswerter herzustellen. 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 etwa 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. ⓘ

Bei der Kernspaltung werden schwerere Atome gespalten, um leichtere Atome zu bilden. Bei der Kernfusion werden leichtere Atome zu schwereren Atomen verbunden. Bei beiden Reaktionen wird etwa eine Million Mal mehr Energie erzeugt als bei vergleichbaren chemischen Reaktionen, so dass Atombomben eine Million Mal leistungsfähiger sind als nichtnukleare Bomben, wie ein französisches Patent vom Mai 1939 belegt. ⓘ

In gewisser Weise sind Kernspaltung und Kernfusion gegensätzliche und sich ergänzende Reaktionen, aber die Einzelheiten sind bei beiden einzigartig. Um zu verstehen, wie Kernwaffen konstruiert werden, ist es nützlich, die wichtigen Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Kernspaltung und Kernfusion zu kennen. In der folgenden Erklärung werden gerundete Zahlen und Näherungswerte verwendet. ⓘ

Spaltung

Wenn ein freies Neutron auf den Kern eines spaltbaren Atoms wie Uran-235 (²³⁵U) trifft, spaltet sich der Urankern in zwei kleinere Kerne, die so genannten Spaltfragmente, und weitere Neutronen (bei ²³⁵U drei so oft wie zwei; durchschnittlich 2,5 pro Spaltung). Die Spaltungskettenreaktion in einer überkritischen Brennstoffmasse kann sich selbst erhalten, da sie genügend überschüssige Neutronen erzeugt, um die Verluste der aus der überkritischen Anordnung entweichenden Neutronen auszugleichen. Die meisten dieser Neutronen haben die erforderliche Geschwindigkeit (kinetische Energie), um neue Spaltungen in benachbarten Urankernen auszulösen. ⓘ

Der U-235-Kern kann auf viele Arten gespalten werden, vorausgesetzt, die Summe der Ordnungszahlen ergibt 92 und die Summe der Atommassen 236 (Uran plus das zusätzliche Neutron). Die folgende Gleichung zeigt eine mögliche Spaltung, nämlich in Strontium-95 (⁹⁵Sr), Xenon-139 (¹³⁹Xe) und zwei Neutronen (n) plus Energie:

$\ {}^{235}\mathrm {U} +\mathrm {n} \longrightarrow {}^{95}\mathrm {Sr} +{}^{139}\mathrm {Xe} +2\ \mathrm {n} +180\ \mathrm {MeV}$ ⓘ

Die unmittelbare Energiefreisetzung pro Atom beträgt etwa 180 Millionen Elektronenvolt (MeV), d. h. 74 TJ/kg. Nur 7 % davon sind Gammastrahlung und kinetische Energie der Spaltneutronen. Die restlichen 93 % sind die kinetische Energie (oder Bewegungsenergie) der geladenen Spaltfragmente, die durch die positive Ladung ihrer Protonen (38 für Strontium, 54 für Xenon) voneinander wegfliegen und sich gegenseitig abstoßen. Diese anfängliche kinetische Energie beträgt 67 TJ/kg, was einer Anfangsgeschwindigkeit von etwa 12.000 Kilometern pro Sekunde entspricht. Die hohe elektrische Ladung der geladenen Fragmente führt zu zahlreichen unelastischen Coulomb-Kollisionen mit nahe gelegenen Kernen, und diese Fragmente bleiben im Spaltrohr der Bombe gefangen und tampern, bis ihre Bewegung in Wärme umgewandelt wird. Angesichts der Geschwindigkeit der Fragmente und der mittleren freien Weglänge zwischen den Kernen im komprimierten Brennelement (bei der Implosionskonstruktion) dauert dies etwa ein Millionstel einer Sekunde (eine Mikrosekunde), bis sich der Kern und der Tamper der Bombe zu einem Plasma von mehreren Metern Durchmesser mit einer Temperatur von mehreren zehn Millionen Grad Celsius ausgedehnt haben. ⓘ

Dies ist heiß genug, um Schwarzkörperstrahlung im Röntgenspektrum zu emittieren. Diese Röntgenstrahlen werden von der umgebenden Luft absorbiert und erzeugen den Feuerball und die Explosion einer Kernexplosion. ⓘ

Die meisten Spaltprodukte haben zu viele Neutronen, um stabil zu sein, so dass sie durch Betazerfall radioaktiv werden, indem sie Neutronen in Protonen umwandeln und dabei Betateilchen (Elektronen) und Gammastrahlen abwerfen. Ihre Halbwertszeit reicht von Millisekunden bis zu etwa 200.000 Jahren. Viele zerfallen in Isotope, die ihrerseits radioaktiv sind, so dass 1 bis 6 (durchschnittlich 3) Zerfälle erforderlich sein können, um Stabilität zu erreichen. In Reaktoren sind die radioaktiven Produkte der Atommüll im abgebrannten Brennstoff. In Bomben werden sie zu radioaktivem Fallout, sowohl lokal als auch global. ⓘ

In der explodierenden Bombe tragen die durch die Spaltung freigesetzten freien Neutronen etwa 3 % der ursprünglichen Spaltungsenergie mit sich fort. Die kinetische Energie der Neutronen trägt zur Explosionsenergie einer Bombe bei, allerdings nicht so effektiv wie die Energie geladener Fragmente, da Neutronen ihre kinetische Energie bei Kollisionen mit geladenen Kernen oder Elektronen nicht so schnell abgeben. Der wichtigste Beitrag der Spaltneutronen zur Leistung der Bombe ist die Auslösung der nachfolgenden Spaltungen. Mehr als die Hälfte der Neutronen entweicht aus dem Bombenkern, der Rest trifft auf ²³⁵U-Kerne, die in einer exponentiell wachsenden Kettenreaktion (1, 2, 4, 8, 16 usw.) gespalten werden. Ausgehend von einem Atom kann sich die Zahl der Spaltungen in einer Mikrosekunde theoretisch verhundertfachen, wodurch bis zum hundertsten Glied der Kette bis zu Hunderte von Tonnen Uran oder Plutonium verbraucht werden könnten. In der Regel enthält der Kern einer modernen Waffe 3,5 bis 4,5 Kilogramm Plutonium und erzeugt bei der Detonation eine Ausbeute von etwa 5 bis 10 Kilotonnen TNT (21 bis 42 TJ), was der Spaltung von etwa 0,5 Kilogramm Plutonium entspricht. ⓘ

Materialien, die eine Kettenreaktion auslösen können, werden als spaltbar bezeichnet. Die beiden spaltbaren Materialien, die in Kernwaffen verwendet werden, sind: ²³⁵U, auch bekannt als hochangereichertes Uran (HEU), oder Oak Ridge Alloy (Oy), oder 25 (die letzten Ziffern der Ordnungszahl, die bei Uran 92 ist, und das Atomgewicht, hier 235); und ²³⁹Pu, auch bekannt als Plutonium, oder 49 (aus 94 und 239). ⓘ

Das häufigste Isotop des Urans, ²³⁸U, ist spaltbar, aber nicht spaltbar, d. h. es kann keine Kettenreaktion auslösen, da die Neutronen der Tochterspaltung (im Durchschnitt) nicht energiereich genug sind, um weitere ²³⁸U-Spaltungen auszulösen. Die bei der Verschmelzung der schweren Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium freigesetzten Neutronen spalten jedoch ²³⁸U. Diese ²³⁸U-Spaltungsreaktion im äußeren Mantel der Sekundärgruppe einer zweistufigen thermonuklearen Bombe erzeugt den weitaus größten Teil der Energieausbeute der Bombe sowie den größten Teil der radioaktiven Trümmer. ⓘ

Für nationale Mächte, die sich in einem nuklearen Wettrüsten engagieren, ist diese Tatsache der Fähigkeit von ²³⁸U zur schnellen Spaltung unter thermonuklearem Neutronenbeschuss von zentraler Bedeutung. Da sowohl der trockene Fusionsbrennstoff (Lithiumdeuterid) als auch ²³⁸U (ein Nebenprodukt der Urananreicherung) reichlich vorhanden und billig sind, können im Vergleich zu reinen Spaltungswaffen, die die teuren Brennstoffe ²³⁵U oder ²³⁹Pu benötigen, sehr große Atomwaffenarsenale wirtschaftlich hergestellt werden. ⓘ

Fusion

Bei der Fusion werden Neutronen erzeugt, die die Energie der Reaktion abführen. Die für Waffen wichtigste Fusionsreaktion ist die D-T-Reaktion. Unter Ausnutzung der Hitze und des Drucks der Kernspaltung verschmilzt Wasserstoff-2 oder Deuterium (²D) mit Wasserstoff-3 oder Tritium (³T) zu Helium-4 (⁴He) plus einem Neutron (n) und Energie:

${}^{2}\mathrm {D} +{}^{3}\mathrm {T} \longrightarrow {}^{4}\mathrm {He} +n+17.6\ \mathrm {MeV}$ ⓘ

Die Gesamtenergieabgabe, 17,6 MeV, beträgt ein Zehntel derjenigen der Kernspaltung, aber die Bestandteile sind nur ein Fünfzigstel so massiv, so dass die Energieabgabe pro Masseneinheit etwa fünfmal so groß ist. Bei dieser Fusionsreaktion entfallen 14 der 17,6 MeV (80 % der bei der Reaktion freigesetzten Energie) auf die kinetische Energie des Neutrons, das, da es keine elektrische Ladung hat und fast so massiv ist wie die Wasserstoffkerne, die es erzeugt haben, den Schauplatz verlassen kann, ohne seine Energie zur Aufrechterhaltung der Reaktion - oder zur Erzeugung von Röntgenstrahlen für Explosionen und Feuer - zurückzulassen. ⓘ

Die einzige praktische Möglichkeit, den größten Teil der Fusionsenergie einzufangen, besteht darin, die Neutronen in einer massiven Flasche aus schwerem Material wie Blei, Uran oder Plutonium einzufangen. Wird das 14-MeV-Neutron von Uran (eines der beiden Isotope; 14 MeV sind hoch genug, um sowohl ²³⁵U als auch ²³⁸U zu spalten) oder Plutonium eingefangen, kommt es zur Spaltung und zur Freisetzung von 180 MeV Spaltungsenergie, was die Energieabgabe verzehnfacht. ⓘ

Für den Einsatz als Waffe ist die Spaltung notwendig, um die Fusion in Gang zu setzen, sie trägt zur Aufrechterhaltung der Fusion bei und fängt die von den Fusionsneutronen übertragene Energie ein und vervielfacht sie. Bei einer Neutronenbombe (siehe unten) entfällt der letztgenannte Faktor, da das Ziel darin besteht, das Entweichen der Neutronen zu erleichtern, und nicht, sie zur Erhöhung der Rohleistung der Waffe zu nutzen. ⓘ

Erzeugung von Tritium

Eine wesentliche Kernreaktion ist diejenige, bei der Tritium oder Wasserstoff-3 entsteht. Tritium wird auf zwei Arten verwendet. Zum einen wird reines Tritiumgas hergestellt, das in die Kerne von verstärkten Spaltgeräten eingebracht wird, um deren Energieausbeute zu erhöhen. Dies gilt insbesondere für die Spaltungskerne von thermonuklearen Waffen. Der zweite Weg ist indirekt und macht sich die Tatsache zunutze, dass die Neutronen, die von einer superkritischen Spaltungs-"Zündkerze" in der Sekundärbaugruppe einer zweistufigen thermonuklearen Bombe emittiert werden, in situ Tritium erzeugen, wenn diese Neutronen mit den Lithiumkernen im Lithiumdeuterid-Brennstoffvorrat der Bombe zusammenstoßen. ⓘ

Elementares, gasförmiges Tritium für Spaltprimäre wird auch durch Beschuss von Lithium-6 (⁶Li) mit Neutronen (n) hergestellt, allerdings in einem Kernreaktor. Dieser Neutronenbeschuss führt zur Spaltung des Lithium-6-Kerns, wobei ein Alphateilchen oder Helium-4 (⁴He) sowie ein Triton (³T) und Energie entstehen:

${}^{6}\mathrm {Li} +n\longrightarrow {}^{4}\mathrm {He} +{}^{3}\mathrm {T} +5\ \mathrm {MeV}$ ⓘ

Die Neutronen werden vom Kernreaktor auf ähnliche Weise geliefert wie bei der Herstellung von Plutonium ²³⁹Pu aus ²³⁸U-Einsatzmaterial: Zielstäbe mit ⁶Li-Einsatzmaterial sind um einen mit Uran betriebenen Kern angeordnet und werden zur Verarbeitung entfernt, sobald berechnet wurde, dass der größte Teil der Lithiumkerne in Tritium umgewandelt worden ist. ⓘ

Von den vier Grundtypen von Kernwaffen wird bei der ersten, der reinen Kernspaltung, die erste der drei oben genannten Kernreaktionen genutzt. Bei der zweiten, der fusionsunterstützten Kernspaltung, werden die ersten beiden eingesetzt. Die dritte, die zweistufige thermonukleare, nutzt alle drei. ⓘ

Reine Kernspaltungswaffen

Die erste Aufgabe bei der Entwicklung von Kernwaffen besteht darin, schnell eine überkritische Masse von spaltbarem (waffenfähigem) Uran oder Plutonium zu erzeugen. Eine überkritische Masse ist eine Masse, bei der der Prozentsatz der durch Spaltung erzeugten Neutronen, die von anderen benachbarten spaltbaren Kernen eingefangen werden, so groß ist, dass jeder Spaltvorgang im Durchschnitt mehr als einen nachfolgenden Spaltvorgang verursacht. Die durch die ersten Spaltungsereignisse freigesetzten Neutronen induzieren nachfolgende Spaltungsereignisse mit einer exponentiell ansteigenden Rate. Jede weitere Spaltung setzt eine Folge dieser Reaktionen fort, die sich durch die gesamte überkritische Masse der Brennstoffkerne zieht. Dieser Prozess wird umgangssprachlich als nukleare Kettenreaktion bezeichnet und beschrieben. ⓘ

Um die Kettenreaktion in einem überkritischen Brennelement in Gang zu setzen, muss mindestens ein freies Neutron injiziert werden und mit einem spaltbaren Brennstoffkern zusammenstoßen. Das Neutron verbindet sich mit dem Kern (technisch gesehen ein Fusionsereignis) und destabilisiert den Kern, der daraufhin in zwei mittelschwere Kernfragmente (durch die Aufhebung der starken Kernkraft, die die sich gegenseitig abstoßenden Protonen zusammenhält) und zwei oder drei freie Neutronen zerfällt. Diese rasen davon und stoßen mit benachbarten Brennstoffkernen zusammen. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis das Brennelement aufgrund der thermischen Ausdehnung unterkritisch wird und die Kettenreaktion abbricht, weil die Tochterneutronen keine neuen Brennstoffkerne mehr finden, die sie treffen können, bevor sie aus der weniger dichten Brennstoffmasse entkommen. Mit jedem weiteren Spaltungsereignis in der Kette verdoppelt sich die Neutronenpopulation ungefähr (netto, nach Verlusten durch einige Neutronen, die aus der Brennstoffmasse entkommen, und andere, die mit vorhandenen Nicht-Brennstoff-Verunreinigungskernen zusammenstoßen). ⓘ

Bei der Kanonenmontagemethode (siehe unten) der überkritischen Massebildung kann man sich darauf verlassen, dass der Brennstoff selbst die Kettenreaktion auslöst. Das liegt daran, dass selbst das beste waffenfähige Uran eine beträchtliche Anzahl von ²³⁸U-Kernen enthält. Diese sind anfällig für spontane Spaltvorgänge, die zufällig auftreten (es handelt sich um ein quantenmechanisches Phänomen). Da das spaltbare Material in der kritischen Masse eines Geschützes nicht komprimiert wird, muss die Konstruktion nur sicherstellen, dass die beiden unterkritischen Massen lange genug nahe beieinander bleiben, damit eine ²³⁸U-Spontanspaltung stattfindet, während sich die Waffe in der Nähe des Ziels befindet. Dies ist nicht schwer zu bewerkstelligen, da es bei einer Brennstoffmasse von typischer Größe nur ein oder zwei Sekunden dauert, bis dies geschieht. (Dennoch werden bei vielen Bomben, die für den Einsatz in der Luft bestimmt sind (Schwerkraftbombe, Artilleriegranate oder Rakete), injizierte Neutronen verwendet, um die genaue Detonationshöhe besser kontrollieren zu können, was für die zerstörerische Wirkung von Airbursts wichtig ist). ⓘ

Dieser Zustand der Spontanspaltung verdeutlicht die Notwendigkeit, die überkritische Masse des Brennstoffs sehr schnell aufzubauen. Die dafür erforderliche Zeit wird als kritische Einsetzzeit der Waffe bezeichnet. Würde die Spontanspaltung auftreten, wenn die überkritische Masse nur teilweise zusammengebaut ist, würde die Kettenreaktion vorzeitig beginnen. Neutronenverluste durch den Hohlraum zwischen den beiden unterkritischen Massen (Geschützbündel) oder die Hohlräume zwischen den nicht vollständig komprimierten Brennstoffkernen (Implosionsbündel) würden der Bombe die Anzahl der Spaltungsereignisse entziehen, die zum Erreichen der vollen Auslegungsleistung erforderlich sind. Außerdem würde die Wärme, die bei den auftretenden Spaltungen entsteht, durch die thermische Ausdehnung des Brennstoffs dem weiteren Zusammenbau der superkritischen Masse entgegenwirken. Dieses Versagen wird als Prädetonation bezeichnet. Die daraus resultierende Explosion wird von Bombeningenieuren und Waffennutzern als "Fizzle" bezeichnet. Die hohe Spontanspaltungsrate von Plutonium macht den Uranbrennstoff zu einer Notwendigkeit für Bomben mit Geschützmontage, die eine viel längere Einbringungszeit und eine viel größere Masse an Brennstoff erfordern (weil der Brennstoff nicht komprimiert wird). ⓘ

Es gibt noch eine weitere Quelle für freie Neutronen, die eine Spaltungsexplosion stören können. Alle Uran- und Plutoniumkerne haben einen Zerfallsmodus, bei dem energiereiche Alphateilchen entstehen. Enthält die Brennstoffmasse Verunreinigungselemente mit niedriger Ordnungszahl (Z), können diese geladenen Alphateilchen die Coulombbarriere dieser Verunreinigungskerne durchdringen und eine Reaktion eingehen, bei der ein freies Neutron entsteht. Die Alphastrahlungsrate spaltbarer Kerne ist ein- bis zweimillionenmal höher als bei der Spontanspaltung, weshalb die Waffentechniker darauf achten, hochreinen Brennstoff zu verwenden. ⓘ

Spaltwaffen, die in der Nähe von anderen Kernexplosionen eingesetzt werden, müssen vor dem Eindringen freier Neutronen von außen geschützt werden. Ein solches Abschirmungsmaterial wird jedoch fast immer durchdrungen, wenn der Neutronenfluss von außen stark genug ist. Wenn eine Waffe aufgrund der Auswirkungen anderer nuklearer Detonationen fehlzündet oder explodiert, spricht man von nuklearem Brudermord. ⓘ

Sobald die kritische Masse die maximale Dichte erreicht hat, muss ein Neutronenstoß zugeführt werden, um die Kettenreaktion in Gang zu setzen. Frühe Waffen verwendeten einen modulierten Neutronengenerator mit dem Codenamen "Urchin" innerhalb der Grube, die Polonium-210 und Beryllium enthält, die durch eine dünne Barriere getrennt sind. Bei der Implosion der Grube wird der Neutronengenerator zerdrückt, wodurch sich die beiden Metalle vermischen und Alphateilchen aus dem Polonium mit Beryllium in Wechselwirkung treten können, um freie Neutronen zu erzeugen. In modernen Waffen ist der Neutronengenerator eine Hochspannungs-Vakuumröhre, die einen Teilchenbeschleuniger enthält, der ein Deuterium/Tritium-Metallhydrid-Target mit Deuterium- und Tritium-Ionen beschießt. Die dabei entstehende Fusion in kleinem Maßstab erzeugt Neutronen an einem geschützten Ort außerhalb des Physikpakets, von wo aus sie in die Grube eindringen. Mit dieser Methode lassen sich die ersten Spaltungsereignisse in der Kettenreaktion, die im Idealfall am Punkt maximaler Kompression/Überkritikalität stattfinden sollten, besser timen. Das Timing der Neutroneninjektion ist ein wichtigerer Parameter als die Anzahl der injizierten Neutronen: Die ersten Generationen der Kettenreaktion sind aufgrund der Exponentialfunktion, mit der sich die Neutronenvervielfachung entwickelt, wesentlich effektiver. ⓘ

Die kritische Masse einer unkomprimierten Kugel aus blankem Metall beträgt 50 kg (110 lb) für Uran-235 und 16 kg (35 lb) für Plutonium-239 in der Delta-Phase. In praktischen Anwendungen hängt die für die Kritikalität erforderliche Materialmenge von Form, Reinheit, Dichte und der Nähe zu neutronenreflektierendem Material ab, die alle das Entweichen oder Einfangen von Neutronen beeinflussen. ⓘ

Um eine vorzeitige Kettenreaktion bei der Handhabung zu vermeiden, muss das spaltbare Material in der Waffe unterkritisch gehalten werden. Es kann aus einer oder mehreren Komponenten bestehen, die jeweils weniger als eine unkomprimierte kritische Masse enthalten. Ein dünner Hohlkörper kann mehr als die kritische Masse einer bloßen Kugel haben, ebenso wie ein Zylinder, der beliebig lang sein kann, ohne jemals kritisch zu werden. Eine andere Methode zur Verringerung des Kritikalitätsrisikos besteht darin, Material mit einem großen Querschnitt für den Neutroneneinfang zu verwenden, wie z. B. Bor (insbesondere ¹⁰B mit 20 % natürlichem Bor). Natürlich muss dieser Neutronenabsorber vor der Detonation der Waffe entfernt werden. Bei einer mit einer Kanone bestückten Bombe ist dies einfach: Die Projektilmasse schiebt den Absorber durch die Kraft ihrer Bewegung einfach aus dem Hohlraum zwischen den beiden unterkritischen Massen heraus. ⓘ

Die Verwendung von Plutonium beeinflusst die Waffenkonstruktion aufgrund seiner hohen Alphastrahlungsrate. Dies führt dazu, dass Pu-Metall spontan erhebliche Wärme erzeugt; eine Masse von 5 Kilogramm erzeugt eine Wärmeleistung von 9,68 Watt. Ein solches Stück würde sich warm anfühlen, was kein Problem ist, wenn diese Wärme sofort abgeleitet wird und sich die Temperatur nicht aufbaut. Aber in einer Atombombe ist das ein Problem. Aus diesem Grund werden bei Bomben, die mit Pu-Treibstoff betrieben werden, Aluminiumteile verwendet, um die überschüssige Wärme abzuleiten, was die Konstruktion der Bombe erschwert, da Aluminium bei den Explosionsprozessen keine aktive Rolle spielt. ⓘ

Ein Tamper ist eine optionale Schicht aus dichtem Material, die das spaltbare Material umgibt. Aufgrund ihrer Trägheit verzögert sie die thermische Ausdehnung des spaltbaren Brennstoffs und hält ihn so länger überkritisch. Oft dient die gleiche Schicht sowohl als Tamper als auch als Neutronenreflektor. ⓘ

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

Die Spaltung von 50 g ²³⁵U setzt die Explosionsstärke von 1 kT frei. Bei der Hiroshima-Bombe wurden somit rund 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 Spaltprodukten und der durch Neutronen erzeugten „sekundären“ Radioaktivität den 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 sogenannte Verpuffung, zu verhindern. Die maximale Größe reiner Fissionsbomben nach dem einfachen Kanonenprinzip (Uranbomben) ist folglich durch die maximale subkritische Masse von zwei beziehungsweise drei Spaltstoffteilen begrenzt. ⓘ

Es könnten auch mehr als drei Kanonenrohre kombiniert werden, um entsprechend mehr Ladungsteile aufeinander zu schießen. Das ist jedoch mit erheblich erhöhtem Aufwand für die gleichzeitige Zündung der Treibsätze und anderen Synchronisationsproblemen verbunden, da die Vereinigung aller Ladungsteile sehr genau erfolgen muss, um zur Erhöhung der Sprengkraft tatsächlich beizutragen. ⓘ

Beim Implosionsprinzip wird das Spaltmaterial zusätzlich verdichtet. Dadurch reduziert sich die kritische Masse und damit sind höhere Überkritikalitäten und bessere Effizienzen möglich. Zudem ist die kugelförmige Anordnung 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 durchzuführen. Neben der Kugelform sind Hohlzylinder und weitere Formgebungen technisch bekannt. ⓘ

Darin liegt letztlich ein erheblicher Sicherheitsvorteil des Implosionsprinzips. Um eine Kernexplosion 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 Kontamination der Umwelt durch das dann freigesetzte Spaltmaterial statt. ⓘ

Da die Explosionsfront sich vom Zündungspunkt normalerweise konvex entfernt, wird oft durch Schichten verschiedener Sprengstoffe mit unterschiedlicher Explosionsgeschwindigkeit die Explosionsfront so geformt, dass die gewünschte Verdichtung des Spaltmaterials zustande kommt. Während frühere Systeme auf der gleichzeitigen Zündung an allen vorgesehenen Punkten basierten, werden bei modernen Systemen gezielte Abweichungen eingebaut, 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 autorisiert ist (sogenannte „Permissive Action Link“). Dadurch sind Risiken aus Diebstahl oder Verlust eines Sprengkopfes oder befehlswidrigem Waffeneinsatz erheblich vermindert, da der Versuch einer missbräuchlichen Zündung erfolglos bleibt. ⓘ

Die maximale Größe einer Waffe ist weiter durch die praktische Handhabung und Handhabungssicherheit bestimmt. In der Praxis werden bei Fissionswaffen und Wasserstoffbombenzündern Booster eingesetzt, kleine Fusionsmaterialmengen innerhalb der kritischen Fissionsmasse. Die bei der Fusion freiwerdenden Neutronen bewirken eine „heißere“ Explosion, die Effizienz der Waffe wird also durch bessere Ausnutzung des Spaltstoffs gesteigert. Noch höhere Explosionsenergien werden mit mehrstufigen Waffen, etwa den Wasserstoffbomben, erreicht. ⓘ

Geschützter Aufbau

Schema einer Kernspaltungswaffe vom Typ Kanone ⓘ

Little Boy, die Hiroshima-Bombe, verwendete 64 kg Uran mit einer durchschnittlichen Anreicherung von ca. 80 %, d. h. 51 kg U-235, was in etwa der kritischen Masse von blankem Metall entspricht. (Eine detaillierte Zeichnung finden Sie im Artikel Little Boy.) Im Inneren des Tamper/Reflektors aus Wolframkarbid zusammengebaut, waren die 64 kg mehr als doppelt so schwer wie die kritische Masse. Vor der Detonation wurde das Uran-235 in zwei unterkritische Stücke geformt, von denen eines später in ein Geschützrohr geschossen wurde, um sich mit dem anderen zu verbinden und die Kernexplosion auszulösen. Die Analyse zeigt, dass weniger als 2 % der Uranmasse gespalten wurde; der Rest, der den größten Teil der gesamten Kriegsproduktion der riesigen Y-12-Fabriken in Oak Ridge ausmachte, wurde nutzlos verstreut. ⓘ

Die Ineffizienz wurde durch die Geschwindigkeit verursacht, mit der sich das nicht komprimierte, spaltende Uran ausdehnte und aufgrund der geringeren Dichte unterkritisch wurde. Trotz seiner Ineffizienz wurde dieses Design aufgrund seiner Form für die Verwendung in zylindrischen Artilleriegranaten mit kleinem Durchmesser (ein waffenartiger Gefechtskopf, der aus dem Rohr einer viel größeren Waffe abgefeuert wird) angepasst. Solche Sprengköpfe wurden von den Vereinigten Staaten bis 1992 eingesetzt und machten einen beträchtlichen Teil des U-235 im Arsenal aus; sie gehörten zu den ersten Waffen, die demontiert wurden, um den Verträgen zur Begrenzung der Sprengkopfzahl zu entsprechen. Der Grund für diese Entscheidung war zweifellos eine Kombination aus der geringeren Ausbeute und den schwerwiegenden Sicherheitsproblemen, die mit der Kanonenbauweise verbunden sind. ⓘ

Implosionssprengkopf

Sowohl für den Trinity-Sprengkopf als auch für die Fat-Man-Bombe, die Nagasaki-Bombe, wurden nahezu identische Plutoniumspaltungssprengköpfe durch Implosion verwendet. Die Fat-Man-Bombe verwendete 6,2 kg (14 lb), etwa 350 ml oder 12 US fl oz an Pu-239, was nur 41 % der kritischen Masse der bloßen Kugel entspricht. (Umgeben von einem U-238-Reflektor/Dämpfer wurde der Kern des Fat Man durch die neutronenreflektierenden Eigenschaften des U-238 nahe an die kritische Masse gebracht. Während der Detonation wurde die Kritikalität durch Implosion erreicht. Die Plutoniumgrube wurde zusammengedrückt, um ihre Dichte durch die gleichzeitige Detonation von konventionellem Sprengstoff, der gleichmäßig um die Grube herum platziert war, zu erhöhen, wie bei der "Trinity"-Testsprengung drei Wochen zuvor. Der Sprengstoff wurde durch mehrere Sprengdrahtzünder zur Explosion gebracht. Es wird geschätzt, dass nur etwa 20 % des Plutoniums gespalten wurde; der Rest, etwa 5 kg, wurde verstreut. ⓘ

Flash-Röntgenbilder der konvergierenden Schockwellen, die sich bei einem Test des hochexplosiven Linsensystems bildeten. ⓘ

Eine Implosionsstoßwelle kann von so kurzer Dauer sein, dass nur ein Teil der Grube zu jedem Zeitpunkt komprimiert wird, wenn die Welle sie durchläuft. Um dies zu verhindern, kann eine Schieberschale erforderlich sein. Der Pusher befindet sich zwischen der Sprengstofflinse und dem Tamper. Er reflektiert einen Teil der Stoßwelle nach hinten und verlängert so deren Dauer. Er besteht aus einem Metall mit geringer Dichte, z. B. Aluminium, Beryllium oder einer Legierung aus diesen beiden Metallen (Aluminium ist leichter und sicherer zu formen und um zwei Größenordnungen billiger; Beryllium hat eine hohe Neutronenreflexionsfähigkeit). Fat Man verwendete einen Aluminium-Schieber. ⓘ

Die von Juli 1944 bis Februar 1945 im Los Alamos Laboratory und an einem abgelegenen Standort 14,3 km östlich davon im Bayo Canyon durchgeführte Testreihe des RaLa-Experiments zur Erprobung von Implosionswaffenkonzepten bewies die Praxistauglichkeit des Implosionsdesigns für eine Spaltanlage, wobei die Tests vom Februar 1945 die Verwendbarkeit für das endgültige Trinity/Fat-Man-Plutonium-Implosionsdesign positiv beeinflussten. ⓘ

Der Schlüssel zur höheren Effizienz von Fat Man war der nach innen gerichtete Schwung des massiven U-238-Stampfers. (Der Tamper aus natürlichem Uran wurde nicht durch thermische Neutronen gespalten, trug aber vielleicht 20 % zur Gesamtausbeute der Spaltung durch schnelle Neutronen bei). Sobald die Kettenreaktion im Plutonium begonnen hatte, musste der Impuls der Implosion umgekehrt werden, bevor die Expansion die Spaltung stoppen konnte. Indem man alles für ein paar hundert Nanosekunden länger zusammenhielt, konnte man die Effizienz erhöhen. ⓘ

Plutonium-Grube

Der Kern einer Implosionswaffe - das spaltbare Material und ein daran befestigter Reflektor oder Tamper - wird als Pit bezeichnet. Bei einigen Waffen, die in den 1950er Jahren getestet wurden, wurden Pits verwendet, die nur aus U-235 oder in Verbindung mit Plutonium hergestellt wurden, doch die Pits aus reinem Plutonium haben den kleinsten Durchmesser und sind seit den frühen 1960er Jahren die Norm. ⓘ

Das Gießen und anschließende Bearbeiten von Plutonium ist nicht nur wegen seiner Toxizität schwierig, sondern auch, weil Plutonium viele verschiedene metallische Phasen aufweist. Wenn Plutonium abkühlt, führen die Phasenwechsel zu Verformungen und Rissen. Diese Verformung wird in der Regel durch Legierung mit 30-35 mMol (0,9-1,0 Gew.-%) Gallium überwunden, wodurch eine Plutonium-Gallium-Legierung entsteht, die das Plutonium dazu veranlasst, seine Delta-Phase über einen großen Temperaturbereich anzunehmen. Beim Abkühlen aus der Schmelze vollzieht es dann nur einen einzigen Phasenwechsel, nämlich von Epsilon zu Delta, anstatt der vier Phasenwechsel, die es sonst durchlaufen würde. Andere dreiwertige Metalle würden ebenfalls funktionieren, aber Gallium hat einen geringen Neutronenabsorptionsquerschnitt und hilft, das Plutonium vor Korrosion zu schützen. Ein Nachteil ist, dass Galliumverbindungen korrosiv sind. Wird das Plutonium also aus demontierten Waffen zur Umwandlung in Plutoniumdioxid für Leistungsreaktoren zurückgewonnen, besteht die Schwierigkeit, das Gallium zu entfernen. ⓘ

Da Plutonium chemisch reaktiv ist, ist es üblich, die fertige Grube mit einer dünnen Schicht aus inertem Metall zu überziehen, was ebenfalls die toxische Gefahr verringert. Für die Vorrichtung wurde eine galvanische Silberbeschichtung verwendet; später wurde Nickel aus Nickeltetracarbonyl-Dämpfen verwendet, und viele Jahre lang wurde Gold bevorzugt. Neuere Konstruktionen verbessern die Sicherheit, indem sie die Gruben mit Vanadium beschichten, um sie feuerfester zu machen. ⓘ

Implosion mit schwebender Grube

Die erste Verbesserung der Fat-Man-Konstruktion bestand darin, einen Luftraum zwischen den Stampfer und die Grube zu legen, um einen Hammer-auf-Nagel-Aufprall zu erzeugen. Die Grube, die auf einem hohlen Kegel im Inneren des Tamper-Hohlraums ruht, sollte in der Schwebe gehalten werden. Bei den drei Tests der Operation Sandstone im Jahr 1948 wurden Fat-Man-Konstruktionen mit schwebenden Schächten verwendet. Die größte Sprengkraft betrug 49 Kilotonnen, mehr als das Doppelte der Sprengkraft der nicht levitierten Fat Man. ⓘ

Es war sofort klar, dass die Implosion die beste Konstruktion für eine Spaltungswaffe war. Ihr einziger Nachteil schien ihr Durchmesser zu sein. Fat Man war 1,5 Meter breit, Little Boy dagegen 61 Zentimeter. ⓘ

Die Pu-239-Grube von Fat Man hatte einen Durchmesser von nur 9,1 Zentimetern (3,6 Zoll), also die Größe eines Softballs. Der größte Teil des Umfangs von Fat Man war der Implosionsmechanismus, d. h. konzentrische Schichten aus U-238, Aluminium und Hochexplosivstoffen. Der Schlüssel zur Verringerung des Umfangs war die Zwei-Punkt-Implosionskonstruktion. ⓘ

Lineare Zwei-Punkt-Implosion

Bei der linearen Zwei-Punkt-Implosion wird der Kernbrennstoff in eine feste Form gegossen und in der Mitte eines Zylinders mit hochexplosivem Sprengstoff platziert. An beiden Enden des Explosivstoffzylinders werden Zünder angebracht, und ein plattenförmiger Einsatz, der sogenannte Shaper, wird in den Explosivstoff direkt innerhalb der Zünder eingesetzt. Wenn die Sprengkapseln gezündet werden, wird die anfängliche Detonation zwischen dem Formstück und dem Ende des Zylinders eingeschlossen, so dass sie sich zu den Rändern des Formstücks ausbreitet, wo sie um die Ränder herum in die Hauptmasse des Sprengstoffs gebrochen wird. Dadurch bildet die Detonation einen Ring, der sich von der Sprengkapsel aus nach innen verlagert. ⓘ

Da ein Stopfer oder Linsen zur Formung des Verlaufs fehlen, erreicht die Detonation die Grube nicht in einer kugelförmigen Form. Um die gewünschte kugelförmige Implosion zu erzeugen, wird das spaltbare Material selbst so geformt, dass es denselben Effekt erzielt. Aufgrund der physikalischen Gegebenheiten bei der Ausbreitung der Stoßwelle in der Explosivstoffmasse muss die Sprenggrube die Form eines Prolate Spheroids haben, d. h. etwa die Form eines Eis. Die Schockwelle erreicht die Grube zuerst an ihren Spitzen, treibt diese nach innen und bewirkt, dass die Masse kugelförmig wird. Der Schock kann das Plutonium auch von der Delta- in die Alpha-Phase überführen und seine Dichte um 23 % erhöhen, allerdings ohne den nach innen gerichteten Schwung einer echten Implosion. ⓘ

Die fehlende Kompression macht solche Konstruktionen ineffizient, aber die Einfachheit und der kleine Durchmesser machen sie geeignet für den Einsatz in Artilleriegranaten und atomaren Sprengkörpern - auch bekannt als Rucksack- oder Kofferbomben; ein Beispiel ist die Artilleriegranate W48, die kleinste jemals gebaute oder eingesetzte Atomwaffe. Alle diese Gefechtsfeldwaffen mit niedrigem Wirkungsgrad, egal ob es sich um U-235-Geschütze oder Pu-239-Implosionswaffen handelt, haben einen hohen Preis an spaltbarem Material, um einen Durchmesser von 15 bis 25 cm zu erreichen. ⓘ

Liste der US-Linearimplosionswaffen

Artillerie

• W48 (1963-1992)
• W74 (gestrichen)
• W75 (gestrichen)
• W79 Mod. 1 (1981-1992)
• W82 Mod 1 (abgebrochen) ⓘ

Hohlgruben-Implosion

Ein effizienteres Implosionssystem verwendet eine hohle Grube. ⓘ

Eine hohle Plutoniumgrube war der ursprüngliche Plan für die Fat-Man-Bombe von 1945, aber es gab nicht genug Zeit, um das Implosionssystem dafür zu entwickeln und zu testen. Eine einfachere Konstruktion mit festem Schacht wurde angesichts des Zeitdrucks als zuverlässiger angesehen, erforderte aber einen schweren U-238-Stampfer, einen dicken Aluminiumschieber und drei Tonnen Sprengstoff. ⓘ

Nach dem Krieg wurde das Interesse an der Hohlgrubenbauweise wiederbelebt. Ihr offensichtlicher Vorteil besteht darin, dass eine hohle Plutoniumhülle, die durch Stöße verformt und nach innen in ihr leeres Zentrum getrieben wird, ihren Schwung in ihre gewaltsame Montage als feste Kugel mitnehmen würde. Sie wäre selbststopfend und würde einen kleineren U-238-Stampfer, keinen Aluminiumstößel und weniger Hochexplosivstoff erfordern. ⓘ

Fusionsverstärkte Spaltung

Der nächste Schritt in der Miniaturisierung bestand darin, die Spaltung des Kerns zu beschleunigen, um die Mindestzeit des Trägheitseinschlusses zu verkürzen. Dies würde eine effiziente Spaltung des Brennstoffs mit weniger Masse in Form von Stöpseln oder des Brennstoffs selbst ermöglichen. Der Schlüssel zum Erreichen einer schnelleren Spaltung wäre die Zufuhr von mehr Neutronen, und unter den vielen Möglichkeiten, dies zu erreichen, war die Hinzufügung einer Fusionsreaktion im Falle einer hohlen Grube relativ einfach. ⓘ

Am einfachsten lässt sich eine Fusionsreaktion in einer 50:50-Mischung aus Tritium und Deuterium erreichen. Für Fusionsenergieexperimente muss dieses Gemisch relativ lange bei hohen Temperaturen gehalten werden, um eine effiziente Reaktion zu ermöglichen. Bei der Verwendung als Sprengstoff geht es jedoch nicht um eine effiziente Fusion, sondern lediglich um die Bereitstellung zusätzlicher Neutronen in einem frühen Stadium des Prozesses. Da eine Kernexplosion überkritisch ist, werden alle zusätzlichen Neutronen durch die Kettenreaktion vervielfacht, so dass selbst winzige Mengen, die zu einem frühen Zeitpunkt zugeführt werden, große Auswirkungen auf das Endergebnis haben können. Aus diesem Grund reichen selbst die relativ niedrigen Kompressionsdrücke und -zeiten (in Bezug auf die Fusion), die im Zentrum eines hohlen Sprengkopfes herrschen, aus, um den gewünschten Effekt zu erzielen. ⓘ

Bei der verstärkten Ausführung wird der gasförmige Fusionsbrennstoff beim Scharfmachen in die Grube gepumpt. Dieser verschmilzt zu Helium und setzt kurz nach Beginn der Spaltung freie Neutronen frei. Die Neutronen setzen eine große Zahl neuer Kettenreaktionen in Gang, während die Grube noch kritisch oder nahezu kritisch ist. Wenn die Hohlgrube erst einmal perfektioniert ist, gibt es kaum einen Grund, nicht zu boosten; Deuterium und Tritium lassen sich leicht in den benötigten geringen Mengen herstellen, und die technischen Aspekte sind trivial. ⓘ

Das Konzept der fusionsgestützten Kernspaltung wurde erstmals am 25. Mai 1951 im Rahmen der Operation Greenhouse auf Eniwetok mit einer Sprengkraft von 45,5 Kilotonnen getestet. ⓘ

Die Verstärkung reduziert den Durchmesser auf drei Arten, die alle das Ergebnis einer schnelleren Spaltung sind:

• Da die komprimierte Grube nicht so lange zusammengehalten werden muss, kann der massive U-238-Stampfer durch eine leichte Berylliumhülle ersetzt werden (um entweichende Neutronen zurück in die Grube zu reflektieren). Der Durchmesser wird verringert.
• Die Masse der Grube kann um die Hälfte reduziert werden, ohne die Ausbeute zu verringern. Der Durchmesser wird erneut verringert.
• Da die Masse des implodierenden Metalls (Tamper plus Pit) reduziert wird, ist eine geringere Ladung an hochexplosivem Sprengstoff erforderlich, was den Durchmesser noch weiter verringert. ⓘ

Der erste Sprengkörper, dessen Abmessungen auf die Verwendung all dieser Merkmale schließen lassen (Zwei-Punkt-Implosion, Hohlraumimplosion, fusionsunterstützte Implosion), war der Swan-Sprengkörper. Er hatte eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von 29 cm (11,6 in) und einer Länge von 58 cm (22,8 in). ⓘ

Er wurde zunächst als eigenständiger Sprengsatz und dann als Primärteil eines zweistufigen thermonuklearen Sprengsatzes während der Operation Redwing getestet. Sie wurde als Robin-Primärsprengkopf waffentauglich gemacht und war der erste handelsübliche Mehrzweck-Primärsprengkopf und der Prototyp für alle folgenden. ⓘ

Nach dem Erfolg von Swan schienen 11 oder 12 Zoll (28 oder 30 cm) der Standarddurchmesser von verstärkten einstufigen Sprengkörpern zu werden, die in den 1950er Jahren getestet wurden. Die Länge betrug in der Regel das Doppelte des Durchmessers, aber ein solches Gerät, aus dem der W54-Gefechtskopf hervorging, war mit einer Länge von nur 38 cm (15 Zoll) eher eine Kugel. ⓘ

Eine der Anwendungen des W54 war das rückstoßfreie Gewehrprojektil Davy Crockett XM-388. Es hatte eine Größe von nur 28 cm (11 Zoll) und ist hier im Vergleich zu seinem Vorgänger Fat Man (150 cm) abgebildet. ⓘ

Ein weiterer Vorteil der Aufladung besteht darin, dass sie die Waffen nicht nur kleiner und leichter macht und weniger spaltbares Material für eine gegebene Ausbeute benötigt, sondern dass sie auch immun gegen Prädetonation ist. Mitte der 1950er Jahre wurde entdeckt, dass Plutoniumkerne besonders anfällig für eine partielle Prädetonation sind, wenn sie der intensiven Strahlung einer nahe gelegenen Kernexplosion ausgesetzt werden (auch die Elektronik könnte beschädigt werden, aber das war ein anderes Problem). RI war ein besonderes Problem, als es noch keine wirksamen Frühwarnradarsysteme gab, da ein Erstschlag die Vergeltungswaffen unbrauchbar machen könnte. Durch das Boosten wird die in einer Waffe benötigte Plutoniummenge unter die Menge gesenkt, die für diesen Effekt anfällig wäre. ⓘ

Zweistufige thermonukleare Waffen

Reine Spaltungswaffen oder fusionsverstärkte Spaltungswaffen können mit großem Aufwand an spaltbarem Material und Tritium auf eine Leistung von Hunderten von Kilotonnen gebracht werden, aber die bei weitem effizienteste Art, die Leistung von Kernwaffen über zehn oder mehr Kilotonnen hinaus zu steigern, ist die Hinzufügung einer zweiten unabhängigen Stufe, der so genannten Sekundärstufe. ⓘ

Ivy Mike, die erste zweistufige thermonukleare Detonation, 10,4 Megatonnen, 1. November 1952. ⓘ

In den 1940er Jahren dachten die Bombenkonstrukteure in Los Alamos, dass die Sekundärstufe ein Kanister mit Deuterium in verflüssigter oder Hydridform sein würde. Die Fusionsreaktion würde D-D sein, schwieriger zu erreichen als D-T, aber erschwinglicher. Eine Spaltbombe an einem Ende würde das nahe Ende schockverdichten und erhitzen, und die Fusion würde sich durch den Kanister bis zum anderen Ende ausbreiten. Mathematische Simulationen zeigten, dass dies nicht funktionieren würde, selbst wenn man große Mengen an teurem Tritium hinzufügt. ⓘ

Der gesamte Fusionsbrennstoffbehälter müsste von Spaltungsenergie umhüllt werden, um ihn sowohl zu komprimieren als auch zu erhitzen, ähnlich wie die Booster-Ladung in einer verstärkten Primärstufe. Der Durchbruch gelang im Januar 1951, als Edward Teller und Stanislaw Ulam die Strahlenimplosion erfanden - fast drei Jahrzehnte lang war sie in der Öffentlichkeit nur als das Geheimnis der H-Bombe von Teller und Ulam bekannt. ⓘ

Das Konzept der Strahlenimplosion wurde erstmals am 9. Mai 1951 in der George-Sprengung der Operation Greenhouse, Eniwetok, mit einer Sprengkraft von 225 Kilotonnen getestet. Der erste vollständige Test wurde am 1. November 1952 mit dem Mike-Schuss der Operation Ivy auf Eniwetok mit einer Sprengkraft von 10,4 Megatonnen durchgeführt. ⓘ

Bei der Strahlungsimplosion wird die Röntgenenergie des explodierenden Primärkerns in einem undurchsichtigen Strahlungskanal eingefangen und eingeschlossen, der die Kernenergiekomponenten des Sekundärkerns umgibt. Die Strahlung verwandelt den Kunststoffschaum, der den Kanal füllte, rasch in ein für Röntgenstrahlen weitgehend transparentes Plasma, und die Strahlung wird in den äußersten Schichten des den Sekundärkern umgebenden Stößels/Dämpfers absorbiert, der sich ablöst und eine enorme Kraft ausübt (ähnlich wie ein von innen nach außen arbeitender Raketenmotor), so dass die Fusionsbrennstoffkapsel ähnlich wie der Kern des Primärkerns implodiert. Während die Sekundärkapsel implodiert, entzündet sich eine spaltbare "Zündkerze" in ihrem Zentrum und liefert Neutronen und Wärme, die es dem Lithium-Deuterid-Fusionsbrennstoff ermöglichen, Tritium zu erzeugen und sich ebenfalls zu entzünden. Die Kettenreaktionen von Kernspaltung und Kernfusion tauschen Neutronen untereinander aus und erhöhen die Effizienz der beiden Reaktionen. Die größere Implosionskraft, die verbesserte Effizienz der spaltbaren "Zündkerze" aufgrund der Verstärkung durch die Fusionsneutronen und die Fusionsexplosion selbst sorgen für eine deutlich höhere Explosionsausbeute der Sekundärreaktion, obwohl diese oft nicht viel größer ist als die Primärreaktion. ⓘ

Zündungssequenz des Ablationsmechanismus.

1. Gefechtskopf vor dem Abfeuern. Die ineinander verschachtelten Kugeln oben sind der Spaltprimärkopf, die Zylinder darunter der Fusionssekundärkopf.
2. Der Sprengstoff des Spaltprimärteils ist detoniert und hat den Spaltpilz des Primärteils zum Einsturz gebracht.
3. Die Spaltungsreaktion des Primärgeräts ist abgeschlossen, und das Primärgerät hat jetzt eine Temperatur von mehreren Millionen Grad und strahlt Gamma- und harte Röntgenstrahlen ab, die das Innere des Hohlraums, den Schild und den Tamper des Sekundärgeräts aufheizen.
4. Die Reaktion des Primärteils ist beendet und es hat sich ausgedehnt. Die Oberfläche des Schiebers für den Sekundärkern ist nun so heiß, dass sie ebenfalls ablatiert oder sich ausdehnt und den Rest des Sekundärkerns (Tamper, Fusionsbrennstoff und spaltbare Zündkerze) nach innen drückt. Die Zündkerze beginnt zu spalten. Nicht abgebildet: Die Strahlungshülse blättert ebenfalls ab und dehnt sich nach außen aus (aus Gründen der Übersichtlichkeit des Diagramms weggelassen).
5. Der Brennstoff des Sekundärteils hat die Fusionsreaktion gestartet und wird in Kürze verglühen. Ein Feuerball beginnt sich zu bilden. ⓘ

Beim Redwing-Mohawk-Test am 3. Juli 1956 wurde zum Beispiel eine Sekundärsonde namens Flute an die Swan-Primärsonde angeschlossen. Die Flute hatte einen Durchmesser von 38 cm (15 Zoll) und eine Länge von 59 cm (23,4 Zoll), also etwa die Größe der Swan. Aber sie wog zehnmal so viel und lieferte 24-mal so viel Energie (355 Kilotonnen gegenüber 15 Kilotonnen). ⓘ

Ebenso wichtig ist, dass die aktiven Bestandteile der Flöte wahrscheinlich nicht mehr kosteten als die des Schwans. Der Großteil der Spaltung stammt aus billigem U-238, und das Tritium wurde während der Explosion an Ort und Stelle hergestellt. Nur die Zündkerze in der Achse des Sekundärteils musste spaltbar sein. ⓘ

Mit einem kugelförmigen Sekundärteil können höhere Implosionsdichten erreicht werden als mit einem zylindrischen Sekundärteil, da die kugelförmige Implosion aus allen Richtungen auf dieselbe Stelle einwirkt. Bei Sprengköpfen mit einer Leistung von mehr als einer Megatonne wäre der Durchmesser eines kugelförmigen Sekundärteils jedoch für die meisten Anwendungen zu groß. In solchen Fällen ist ein zylindrisches Sekundärteil erforderlich. Die kleinen, kegelförmigen Wiedereintrittskörper in ballistischen Raketen mit mehreren Sprengköpfen nach 1970 hatten in der Regel Sprengköpfe mit kugelförmigen Sekundärköpfen und einer Sprengkraft von einigen hundert Kilotonnen. ⓘ

Wie beim Boosten sind die Vorteile der zweistufigen thermonuklearen Bauweise so groß, dass es kaum einen Anreiz gibt, sie nicht zu nutzen, sobald eine Nation die Technologie beherrscht. ⓘ

In technischer Hinsicht ermöglicht die Strahlenimplosion die Nutzung mehrerer bekannter Eigenschaften von Atombombenmaterialien, die sich bisher der praktischen Anwendung entzogen haben. Ein Beispiel:

• Der optimale Weg, Deuterium in einem einigermaßen dichten Zustand zu speichern, besteht darin, es chemisch mit Lithium zu verbinden, als Lithiumdeuterid. Aber das Lithium-6-Isotop ist auch der Rohstoff für die Tritiumproduktion, und eine explodierende Bombe ist ein Kernreaktor. Die Strahlenimplosion wird alles lange genug zusammenhalten, um die vollständige Umwandlung von Lithium-6 in Tritium zu ermöglichen, während die Bombe explodiert. Das Bindemittel für Deuterium ermöglicht also die Nutzung der D-T-Fusionsreaktion, ohne dass vorgefertigtes Tritium in der Sekundärbombe gelagert wird. Der Zwang zur Tritiumproduktion entfällt.
• Damit das Sekundärteilchen durch das heiße, strahlungsinduzierte Plasma, das es umgibt, implodieren kann, muss es in der ersten Mikrosekunde kühl bleiben, d. h. es muss von einem massiven Strahlungsschild (Hitzeschild) umschlossen sein. Die Masse des Schildes ermöglicht eine doppelte Funktion als Stopper, der die Implosion beschleunigt und verlängert. Kein Material ist für diese beiden Aufgaben besser geeignet als gewöhnliches, billiges Uran-238, das auch spaltet, wenn es von den bei der D-T-Fusion erzeugten Neutronen getroffen wird. Diese Hülle, der sogenannte Pusher, hat also drei Aufgaben: den Sekundärstoff kühl zu halten, ihn träge in einem hochkomprimierten Zustand zu halten und schließlich als Hauptenergiequelle für die gesamte Bombe zu dienen. Durch den Verbrauchsstoffschieber ist die Bombe eher eine Uranspaltbombe als eine Wasserstofffusionsbombe. Insider haben nie den Begriff "Wasserstoffbombe" verwendet.
• Schließlich kommt die Wärme für die Zündung der Fusion nicht von der Primärbombe, sondern von einer zweiten Spaltbombe, der so genannten Zündkerze, die in das Herz der Sekundärbombe eingebettet ist. Die Implosion der Sekundärbombe lässt diese Zündkerze implodieren, wodurch sie detoniert und die Fusion in dem sie umgebenden Material zündet, aber die Zündkerze spaltet sich dann in der neutronenreichen Umgebung weiter, bis sie vollständig verbraucht ist, was die Ausbeute erheblich erhöht. ⓘ

In den darauffolgenden fünfzig Jahren hat niemand eine effizientere Methode zum Bau einer Atombombe erfunden. Die fünf thermonuklearen Mächte USA, Russland, Vereinigtes Königreich, China und Frankreich haben sich für diese Bauweise entschieden. Am 3. September 2017 führte Nordkorea einen Test durch, den es als seinen ersten "zweistufigen thermonuklearen Waffentest" bezeichnete. Laut Dr. Theodore Taylor, der sich durchgesickerte Fotos von zerlegten Waffenkomponenten aus der Zeit vor 1986 angesehen hat, verfügt Israel über hochgerüstete Waffen und würde Supercomputer aus dieser Zeit benötigen, um ohne Nukleartest-Detonationen zu vollständigen zweistufigen Waffen im Megatonnenbereich zu gelangen. Die anderen nuklear bewaffneten Nationen, Indien und Pakistan, verfügen wahrscheinlich über einstufige Waffen, möglicherweise mit Verstärkung. ⓘ

Zwischenstufen

Bei einer zweistufigen thermonuklearen Waffe wirkt die Energie der Primärstufe auf die Sekundärstufe ein. Ein wichtiger Energietransfermodulator, die so genannte Zwischenstufe, zwischen der Primär- und der Sekundärstufe schützt den Fusionsbrennstoff der Sekundärstufe davor, sich zu schnell zu erhitzen, was dazu führen könnte, dass er in einer konventionellen (und kleinen) Hitzeexplosion explodiert, bevor die Fusions- und Spaltungsreaktionen in Gang kommen können. ⓘ

In der Fachliteratur finden sich nur sehr wenige Informationen über den Mechanismus der Zwischenstufe. Die erste Erwähnung in einem offiziell der Öffentlichkeit zugänglichen Dokument der US-Regierung scheint eine Bildunterschrift in einer Grafik zu sein, die 2007 für das "Reliable Replacement Warhead Program" wirbt. Sollte diese neue Konstruktion gebaut werden, würde sie "giftiges, sprödes Material" und "teures 'Spezialmaterial'" in der Zwischenstufe ersetzen. Diese Aussage deutet darauf hin, dass die Zwischenstufe Beryllium enthalten könnte, um den Neutronenfluss aus der Primärstufe abzumildern, und vielleicht auch etwas, um die Röntgenstrahlen auf besondere Weise zu absorbieren und wieder abzustrahlen. Es gibt auch Spekulationen, dass dieses Zwischenstufenmaterial, das möglicherweise den Codenamen Fogbank trägt, ein Aerogel sein könnte, das möglicherweise mit Beryllium und/oder anderen Stoffen dotiert ist. ⓘ

Die Zwischenstufe und die Sekundärstufe sind zusammen in einer Edelstahlmembran eingeschlossen und bilden die Canning Subassembly (CSA), eine Anordnung, die nie in einer Zeichnung mit offener Quelle dargestellt wurde. Die detaillierteste Abbildung einer Zwischenstufe zeigt eine britische thermonukleare Waffe mit einem Bündel von Teilen zwischen der Primär- und der zylindrischen Sekundärstufe. Sie sind mit "Endkappe und Neutronenfokuslinse", "Reflektor/Neutronenkanonenwagen" und "Reflektorumhüllung" beschriftet. Der Ursprung der Zeichnung, die von Greenpeace ins Internet gestellt wurde, ist ungewiss, und es gibt keine begleitende Erklärung. ⓘ

Spezifische Entwürfe

Während alle Kernwaffenkonstruktionen in eine der oben genannten Kategorien fallen, sind bestimmte Konstruktionen gelegentlich Gegenstand von Nachrichtenberichten und öffentlichen Diskussionen geworden, oft mit falschen Beschreibungen ihrer Funktionsweise und ihrer Aufgaben. Beispiele: ⓘ

Wecker/Sloika

Der erste Versuch, die symbiotische Beziehung zwischen Kernspaltung und Kernfusion zu nutzen, war ein Entwurf aus den 1940er Jahren, bei dem Spaltungs- und Fusionsbrennstoff in abwechselnd dünnen Schichten gemischt wurden. Als einstufiges Gerät wäre es eine umständliche Anwendung der verstärkten Kernspaltung gewesen. Praktisch wurde sie erst, als sie in die Sekundärstufe einer zweistufigen thermonuklearen Waffe eingebaut wurde. ⓘ

Der US-amerikanische Name Alarm Clock stammt von Teller: Er nannte ihn so, weil er "die Welt aufwecken" könnte, um das Potenzial des Super zu erkennen. Der russische Name für dasselbe Design war anschaulicher: Sloika (russisch: Слойка), eine geschichtete Torte. Eine einstufige sowjetische Sloika wurde am 12. August 1953 getestet. Eine einstufige US-Version wurde nicht getestet, aber der Unionsschlag der Operation Castle am 26. April 1954 war eine zweistufige thermonukleare Vorrichtung mit dem Codenamen Alarm Clock. Seine Sprengkraft in Bikini betrug 6,9 Megatonnen. ⓘ

Da beim sowjetischen Sloika-Test acht Monate vor dem ersten US-Test (Castle Bravo, 1. März 1954) trockenes Lithium-6-Deuterid verwendet wurde, wurde manchmal behauptet, die UdSSR habe das Rennen um die Wasserstoffbombe gewonnen, obwohl die Vereinigten Staaten die erste Wasserstoffbombe getestet und entwickelt hatten: den Ivy-Mike-H-Bombentest. Beim Ivy-Mike-Test der USA von 1952 wurde kryogenisch gekühltes flüssiges Deuterium als Fusionsbrennstoff in der Sekundärzelle verwendet und die D-D-Fusionsreaktion eingesetzt. Der erste sowjetische Test mit einem strahlungsimplodierten Sekundärteil, dem wesentlichen Merkmal einer echten H-Bombe, fand jedoch am 23. November 1955 statt, drei Jahre nach Ivy Mike. Die eigentliche Arbeit am Implosionsschema begann in der Sowjetunion erst Anfang 1953, mehrere Monate nach dem erfolgreichen Test von Sloika. ⓘ

Saubere Bomben

Fagott, der Prototyp für eine saubere 9,3-Megatonnen-Bombe oder eine schmutzige 25-Megatonnen-Bombe. Die hier gezeigte schmutzige Version vor ihrem Test 1956. Bei den beiden Aufsätzen links handelt es sich um Lichtrohre; siehe unten. ⓘ

Am 1. März 1954 führte die bisher größte US-Atomtestexplosion, der 15-Megatonnen-Bravo-Schuss der Operation Castle auf dem Bikini-Atoll, zu einer sofortigen tödlichen Dosis von Spaltprodukt-Fallout auf einer Fläche von mehr als 16.000 km² des Pazifischen Ozeans. Strahlenschäden bei Einwohnern der Marshallinseln und japanischen Fischern machten diese Tatsache publik und enthüllten die Rolle der Kernspaltung in Wasserstoffbomben. ⓘ

Als Reaktion auf die Beunruhigung der Öffentlichkeit über den radioaktiven Niederschlag wurden Anstrengungen unternommen, eine saubere Multimegatonnenwaffe zu entwickeln, die fast ausschließlich auf Kernfusion beruht. Die Energie, die durch die Spaltung von nicht angereichertem Natururan erzeugt wird, kann, wenn sie in der Sekundär- und den nachfolgenden Stufen des Teller-Ulam-Designs als Stopfmaterial verwendet wird, die durch Fusion freigesetzte Energie bei weitem übertreffen, wie es beim Castle-Bravo-Test der Fall war. Um eine "saubere" Bombe herzustellen, muss das spaltbare Material im Stopfer durch ein anderes Material ersetzt werden. In einer solchen Bombe liefert der Stopfer keine Energie mehr, so dass eine saubere Bombe bei gleichem Gewicht eine geringere Ausbeute hat. Der früheste bekannte Test eines dreistufigen Sprengkörpers, bei dem die dritte Stufe, die so genannte Tertiärstufe, von der Sekundärstufe gezündet wird, fand am 27. Mai 1956 mit der Fagott-Bombe statt. Dieser Sprengsatz wurde im Rahmen der Operation Redwing mit dem Zuni-Schuss getestet. Bei diesem Versuch wurden nicht spaltbare Tampons verwendet, sondern ein inertes Ersatzmaterial wie Wolfram oder Blei. Die Ausbeute betrug 3,5 Megatonnen, 85 % Fusion und nur 15 % Spaltung. ⓘ

Die öffentlichen Rekorde für Sprengkörper, die den höchsten Anteil ihrer Leistung durch Fusionsreaktionen erzielten, sind die friedlichen Kernexplosionen der 1970er Jahre. Dazu gehören die 50-Megatonnen-Zar-Bomba mit 97 % Fusion, der 9,3-Megatonnen-Hardtack-Pappel-Test mit 95 % und der 4,5-Megatonnen-Redwing-Navajo-Test mit 95 % Fusion. ⓘ

Die ehrgeizigste friedliche Anwendung von Nuklearexplosionen verfolgte die UdSSR mit dem Ziel, einen 112 km langen Kanal zwischen dem Pechora-Flussbecken und dem Kama-Flussbecken zu schaffen, von dem etwa die Hälfte durch eine Reihe von unterirdischen Nuklearexplosionen gebaut werden sollte. Es wurde berichtet, dass etwa 250 nukleare Sprengsätze eingesetzt werden könnten, um das Endziel zu erreichen. Der Taiga-Test sollte die Durchführbarkeit des Projekts demonstrieren. Drei dieser "sauberen" Sprengsätze mit einer Sprengkraft von je 15 Kilotonnen wurden in separaten Bohrlöchern im Abstand von 165 m in 127 m Tiefe platziert. Sie wurden am 23. März 1971 gleichzeitig gezündet, wobei eine radioaktive Wolke in die Luft geschleudert wurde, die vom Wind nach Osten getragen wurde. Der so entstandene Graben war etwa 700 m lang und 340 m breit, mit einer unscheinbaren Tiefe von nur 10-15 m. Trotz ihrer "sauberen" Beschaffenheit weist das Gebiet immer noch eine merklich höhere (wenn auch meist harmlose) Konzentration von Spaltprodukten auf. Der intensive Neutronenbeschuss des Bodens, des Geräts selbst und der Stützstrukturen aktivierte auch deren stabile Elemente, so dass eine beträchtliche Menge an künstlichen radioaktiven Elementen wie ⁶⁰Co entstand. Die Gesamtgefahr, die von der durch diese drei Geräte verursachten Konzentration radioaktiver Elemente am Standort ausgeht, ist immer noch vernachlässigbar, aber ein Projekt größeren Ausmaßes, wie es geplant war, hätte sowohl durch den Fallout der radioaktiven Wolke als auch durch die durch den Neutronenbeschuss erzeugten radioaktiven Elemente erhebliche Folgen gehabt. ⓘ

Am 19. Juli 1956 sagte der AEC-Vorsitzende Lewis Strauss, dass der Test der Redwing Zuni Shot Clean Bombe "in humanitärer Hinsicht viel Wichtiges hervorgebracht hat...". Weniger als zwei Tage nach dieser Ankündigung wurde jedoch die schmutzige Version von Bassoon, Bassoon Prime genannt, mit einem Uran-238-Zwischenstück auf einem Lastkahn vor der Küste des Bikini-Atolls als Redwing Tewa-Bombe getestet. Der Bassoon Prime hatte eine Sprengkraft von 5 Megatonnen, wovon 87 % auf Spaltung entfielen. Die aus diesem und anderen Tests gewonnenen Daten führten schließlich zum Einsatz der ertragreichsten bekannten US-Atomwaffe und der Waffe mit dem höchsten Ertrags-Gewichts-Verhältnis, die jemals hergestellt wurde: eine dreistufige thermonukleare Waffe mit einer maximalen "schmutzigen" Sprengkraft von 25 Megatonnen, die als B41-Atombombe bezeichnet wurde und bis zu ihrer Außerdienststellung von Bombern der US Air Force getragen werden sollte; diese Waffe wurde nie vollständig getestet. ⓘ

Dritte Generation

Kernwaffen der ersten und zweiten Generation setzen Energie in Form von Rundumschlägen frei. Bei den Kernwaffen der dritten Generation handelt es sich um experimentelle Spezialsprengköpfe und -vorrichtungen, die Energie gezielt freisetzen können und von denen einige während des Kalten Krieges getestet, aber nie eingesetzt wurden. Dazu gehören:

• Projekt Prometheus, auch bekannt als "Nuclear Shotgun", bei dem eine nukleare Explosion zur Beschleunigung von kinetischen Penetratoren gegen Interkontinentalraketen eingesetzt worden wäre.
• Projekt Excalibur, ein nuklear gepumpter Röntgenlaser zur Zerstörung ballistischer Flugkörper.
• Nukleare Hohlladungen, die ihre Energie in bestimmte Richtungen lenken.
• Das Projekt Orion erforschte den Einsatz von Nuklearsprengstoffen für den Raketenantrieb. ⓘ

Vierte Generation

Neuere Kernwaffenkonzepte der vierten Generation, darunter reine Fusionswaffen und Antimaterie-katalysierte Kernimpulsantriebe, werden von den fünf größten Kernwaffenstaaten untersucht. ⓘ

Kobaltbomben

Eine Weltuntergangsbombe, die durch Nevil Shutes Roman von 1957 und den darauf folgenden Film On the Beach von 1959 populär wurde, ist eine Wasserstoffbombe mit einem Mantel aus Kobalt. Das neutronenaktivierte Kobalt hätte die Umweltschäden durch den radioaktiven Niederschlag maximiert. Diese Bomben wurden 1964 in dem Film Dr. Strangelove oder: How I Learned to Stop Worrying and Love the Bomb" populär gemacht; das den Bomben beigefügte Material wird in dem Film als "Kobalt-Thorium G" bezeichnet. ⓘ

Solche "gesalzenen" Waffen wurden von der U.S. Air Force angefordert und ernsthaft untersucht, möglicherweise gebaut und getestet, aber nicht eingesetzt. In der 1964 erschienenen Ausgabe des DOD/AEC-Buches "The Effects of Nuclear Weapons" (Die Auswirkungen von Kernwaffen) wurde ein neuer Abschnitt mit dem Titel "Radiological Warfare" (Radiologische Kriegsführung) aufgenommen, der die Frage klärt. Spaltprodukte sind ebenso tödlich wie neutronenaktiviertes Kobalt. Die thermonukleare Standardwaffe mit hoher Spaltleistung ist automatisch eine Waffe der radiologischen Kriegsführung, die genauso schmutzig ist wie eine Kobaltbombe. ⓘ

Anfangs ist die Gammastrahlung der Spaltprodukte einer gleich großen Fusions-Fusions-Spaltbombe viel intensiver als die von Co-60: 15.000-mal intensiver nach einer Stunde, 35-mal intensiver nach einer Woche, 5-mal intensiver nach einem Monat und etwa gleich stark nach sechs Monaten. Danach nimmt die Intensität der Spaltung rasch ab, so dass die Intensität des Co-60-Fallouts nach 1 Jahr 8-mal höher ist als die der Spaltung und nach 5 Jahren 150-mal höher. Die sehr langlebigen Isotope, die durch die Kernspaltung erzeugt werden, würden das ⁶⁰Co nach etwa 75 Jahren wieder überholen. ⓘ

Der dreifache "Taiga"-Nuklearsalventest im Rahmen des Vorprojekts für den Pechora-Kama-Kanal im März 1971 erzeugte eine geringe Menge an Spaltprodukten und damit eine vergleichsweise große Menge an aktivierten Produkten des Fallmaterials, die heute für den Großteil der Restaktivität am Standort verantwortlich sind, nämlich Co-60. Im Jahr 2011 war die fusionsbedingte Neutronenaktivierung für etwa die Hälfte der Gammadosis auf dem Testgelände verantwortlich. Diese Dosis ist zu gering, um schädliche Auswirkungen zu verursachen, und rund um den entstandenen See gibt es eine normale grüne Vegetation. ⓘ

Willkürlich große mehrstufige Geräte

Die Idee einer Vorrichtung mit einer beliebig großen Anzahl von Teller-Ulam-Stufen, wobei jede Stufe eine größere strahlengetriebene Implosion auslöst als die vorhergehende, wird häufig vorgeschlagen, ist aber technisch umstritten. Es gibt "bekannte Skizzen und einige vernünftig aussehende Berechnungen in der offenen Literatur über zweistufige Waffen, aber keine ähnlich genauen Beschreibungen von echten dreistufigen Konzepten". ⓘ

Laut George Lemmers 1967 erschienenem Aufsatz Air Force and Strategic Deterrence 1951-1960 erklärte das LANL 1957, dass ein 1.000-Megatonnen-Sprengkopf gebaut werden könne. Offenbar gab es drei dieser US-Entwürfe, die im Gigatonnenbereich (1.000 Megatonnen) analysiert wurden: LLNLs GNOMON und SUNDIAL - Objekte, die Schatten werfen - und LANLs "TAV". SUNDIAL versucht, eine Ausbeute von 10 Gt zu erreichen, während die Entwürfe Gnomon und TAV eine Ausbeute von 1 Gt anstreben. Es wurde ein Antrag auf Informationsfreiheit (FOIA 13-00049-K) gestellt, um Informationen über die drei oben genannten US-Konzepte zu erhalten. Der Antrag wurde unter Berufung auf gesetzliche Ausnahmeregelungen in Bezug auf Verschlusssachen abgelehnt; gegen die Ablehnung wurde Berufung eingelegt, aber im April 2016 wurde der Antrag schließlich erneut abgelehnt. ⓘ

Nachdem die geschätzten Gigatonnen des Kometen Shoemaker-Levy 9, der 1994 auf dem Planeten Jupiter einschlug, Besorgnis ausgelöst hatten, schlug Edward Teller 1995 bei einem Treffen im Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) einer Gruppe von amerikanischen und russischen Waffenkonstrukteuren aus der Zeit des Kalten Krieges vor, gemeinsam einen 1000-Megatonnen-Kernsprengsatz zur Ablenkung von Asteroiden der Extinktionsklasse (mit einem Durchmesser von mehr als 10 km) zu entwickeln, der zum Einsatz käme, wenn einer dieser Asteroiden auf die Erde treffen würde. ⓘ

Lowell Wood, Tellers Schützling, hat 1979 Berechnungen angestellt, wonach Tellers ursprünglich nicht funktionsfähiger "klassischer Super"-Entwurf, der der Zündung einer Kerze mit Deuteriumbrennstoff entspricht, möglicherweise zuverlässig gezündet werden könnte, wenn er von einem ausreichend großen Teller-Ulam-Gerät ausgelöst würde und nicht von der im ursprünglichen Entwurf verwendeten kanonenartigen Spaltungswaffe. ⓘ

Neutronenbomben

Schematische Darstellung einer Neutronenbombe ⓘ

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. Insgesamt 700 Neutronensprengköpfe wurden gebaut. Im Juni 1980 stellte auch der französische Staatspräsident Giscard d’Estaing die Entwicklung einer Neutronenbombe durch Frankreich in Aussicht, am 21. Juni wurde die erste Waffe auf dem Moruroa-Atoll getestet. 1988 testete die Volksrepublik China ihre erste Neutronenwaffe mit 1–5 kT Sprengkraft. Die US-amerikanischen Neutronenbomben wurden 1992 bis 2003 unter den Regierungen von George H. W. Bush, Bill Clinton und George W. Bush demontiert. Auch Frankreich demontierte seine Neutronenbomben nach Ende des Kalten Krieges. ⓘ

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 etwa 10 kg Spaltmaterial und wenige Gramm Deuterium-Tritium-Gas. ⓘ

Im Gegensatz zu einer geboosteten Atombombe befindet sich das Deuterium-Tritium-Gas nicht innerhalb der Kernspaltungsanordnung, 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, kann 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 (und einige vermutlich unmögliche) Bauformen für Neutronenwaffen diskutiert. Die real verwendete Bauform von Neutronenbomben ist weiter geheim. ⓘ

Die Neutronenwaffe gilt als taktische Waffe, die Menschen und andere Lebewesen durch Strahlung töten, aber Gebäude weitgehend intakt lassen soll. Die höhere Tödlichkeit bei geringeren strukturellen Schäden ist aber nur relativ zu anderen Kernwaffen zu verstehen. So werden auch bei einer Neutronenbombe noch rund 30 Prozent der Energie als Druckwelle und weitere 20 Prozent als thermische Strahlung abgegeben (bei Atomwaffen herkömmlicher Bauart liegen diese Werte bei etwa 50 Prozent und 35 Prozent). Eine Neutronenwaffe wäre etwa mit der Sprengkraft der Bombe von Hiroshima oder Nagasaki denkbar, allerdings mit weit erhöhten Strahlungsdosen. Die biologische Wirkung von starker Neutronenstrahlung ist weiterhin kaum erforscht. ⓘ

Bei den taktischen Neutronenwaffen mit für gewöhnlich geringer Sprengkraft ist davon auszugehen, dass im Bereich der tödlichen Strahlung 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. ⓘ

Eine andere Anwendung der Neutronenwaffen war die Raketenabwehr (Anti-Ballistic Missile). Die Sprint-Rakete war mit einer Neutronenwaffe vom Typ W66 ausgestattet und sollte anfliegende nukleare Sprengköpfe in der Atmosphäre zerstören. Das Prinzip dahinter war, dass der hierdurch erzeugte Neutronenfluss das Spaltmaterial im Ziel-Sprengkopf seinerseits rapide aufheizen und dadurch bis zur Unbrauchbarkeit verformen sollte, um so eine Zündung zu verhindern. ⓘ

Zu den taktischen und politischen Aspekten von Neutronenbomben siehe auch Kernwaffe. Zu einem Stationierungsort in Deutschland in den 1980er Jahren siehe Sondermunitionslager Gießen. ⓘ

Eine Neutronenbombe, in der Fachsprache als Enhanced Radiation Weapon (ERW) bezeichnet, ist eine taktische Kernwaffe, die einen Großteil ihrer Energie als energiereiche Neutronenstrahlung freisetzt. Dies steht im Gegensatz zu thermonuklearen Standardwaffen, die darauf ausgelegt sind, diese intensive Neutronenstrahlung einzufangen, um die Gesamtexplosionskraft zu erhöhen. Die Sprengkraft von ERWs beträgt in der Regel etwa ein Zehntel der Sprengkraft von Atomwaffen des Typs Kernspaltung. Trotz ihrer deutlich geringeren Sprengkraft sind ERWs immer noch in der Lage, eine viel größere Zerstörung anzurichten als jede konventionelle Bombe. Im Vergleich zu anderen Nuklearwaffen konzentrieren sich die Schäden eher auf biologisches Material als auf die materielle Infrastruktur (obwohl extreme Explosions- und Hitzeeffekte nicht ausgeschlossen sind). ⓘ

Diese Bomben werden häufig fälschlicherweise für eine Waffe gehalten, die die Bevölkerung töten und die Infrastruktur unversehrt lassen soll, sind aber (wie bereits erwähnt) sehr wohl in der Lage, Gebäude in einem großen Umkreis zu zerstören. Die Absicht ihrer Konstruktion war es, Panzerbesatzungen zu töten - Panzer bieten einen ausgezeichneten Schutz gegen Explosion und Hitze und überleben (relativ) nah an der Detonation. Angesichts der riesigen sowjetischen Panzerkräfte während des Kalten Krieges war dies die perfekte Waffe, um sie zu bekämpfen. Die Neutronenstrahlung konnte eine Panzerbesatzung in etwa der gleichen Entfernung außer Gefecht setzen, in der Hitze und Explosion einen ungeschützten Menschen außer Gefecht setzen würden (je nach Konstruktion). Auch das Fahrgestell des Panzers würde hochradioaktiv werden, so dass es von einer neuen Besatzung vorübergehend nicht mehr verwendet werden könnte. ⓘ

ERWs waren zweistufige Thermonukleare, bei denen alles nicht benötigte Uran entfernt wurde, um die Spaltausbeute zu minimieren. Die Neutronen lieferte die Fusion. Sie wurden in den 1950er Jahren entwickelt und erstmals in den 1970er Jahren von den US-Streitkräften in Europa eingesetzt. Die letzten wurden in den 1990er Jahren außer Dienst gestellt. ⓘ

Eine Neutronenbombe ist nur dann realisierbar, wenn die Ausbeute so hoch ist, dass eine effiziente Zündung der Fusionsstufe möglich ist, und wenn die Ausbeute so gering ist, dass die Gehäusedicke nicht zu viele Neutronen absorbiert. Das bedeutet, dass Neutronenbomben eine Ergiebigkeit zwischen 1 und 10 Kilotonnen haben, wobei der Anteil der Spaltung zwischen 50 % bei 1 Kilotonne und 25 % bei 10 Kilotonnen variiert (der gesamte Anteil stammt aus der Primärstufe). Der Neutronenausstoß pro Kilotonne ist dann 10-15 mal höher als bei einer reinen Spaltimplosionswaffe oder einem strategischen Sprengkopf wie W87 oder W88. ⓘ

Waffenkonstruktionslabors

Alle in diesem Artikel besprochenen Innovationen bei der Entwicklung von Kernwaffen stammen in der beschriebenen Weise aus den folgenden drei Labors. Andere Nuklearwaffenentwicklungslabors in anderen Ländern haben diese Innovationen unabhängig voneinander kopiert, sie aus Fallout-Analysen zurückentwickelt oder sie durch Spionage erworben. ⓘ

Lawrence Berkeley

Die erste systematische Erforschung von Kernwaffenkonzepten fand Mitte 1942 an der University of California, Berkeley, statt. Im benachbarten Lawrence Berkeley Laboratory waren bereits wichtige erste Entdeckungen gemacht worden, wie etwa 1940 die Herstellung und Isolierung von Plutonium mit einem Zyklotron. Ein Berkeley-Professor, J. Robert Oppenheimer, war gerade eingestellt worden, um die geheimen Bemühungen der Nation zur Entwicklung der Bombe zu leiten. Seine erste Amtshandlung war die Einberufung der Sommerkonferenz 1942. ⓘ

Als er im Frühjahr 1943 seine Tätigkeit in die neue geheime Stadt Los Alamos, New Mexico, verlegte, bestand das gesammelte Wissen über die Entwicklung von Kernwaffen aus fünf Vorlesungen des Berkeley-Professors Robert Serber, die als Los Alamos Primer niedergeschrieben und verteilt wurden. Die Fibel befasste sich mit Spaltungsenergie, Neutronenproduktion und -einfang, nuklearen Kettenreaktionen, kritischer Masse, Tampern, Prädetonation und drei Methoden zum Zusammenbau einer Bombe: Kanonenbau, Implosion und "autokatalytische Methoden", die sich als Sackgasse erwiesen. ⓘ

Los Alamos

In Los Alamos stellte Emilio Segrè im April 1944 fest, dass die vorgeschlagene Bombe vom Typ Thin Man Gun Assembly für Plutonium nicht funktionieren würde, da es Probleme mit der Prädetonation aufgrund von Pu-240-Verunreinigungen gab. Daher wurde Fat Man, die Implosionsbombe, als einzige Option für Plutonium mit hoher Priorität behandelt. Die Diskussionen in Berkeley hatten zu theoretischen Schätzungen der kritischen Masse geführt, aber nichts Genaues. Die Hauptaufgabe in Los Alamos während des Krieges war die experimentelle Bestimmung der kritischen Masse, die warten musste, bis ausreichende Mengen an spaltbarem Material aus den Produktionsanlagen eintrafen: Uran aus Oak Ridge, Tennessee, und Plutonium aus der Hanford Site in Washington. ⓘ

Auf der Grundlage der Ergebnisse der Experimente zur kritischen Masse fertigten und montierten Techniker in Los Alamos 1945 Komponenten für vier Bomben: die Trinity Gadget, Little Boy, Fat Man und eine unbenutzte Ersatzbombe Fat Man. Nach dem Krieg kehrten diejenigen, die dazu in der Lage waren, einschließlich Oppenheimer, an die Universitäten zurück. Diejenigen, die blieben, arbeiteten an schwebenden und hohlen Gruben und führten Waffeneffekttests wie Crossroads Able und Baker auf dem Bikini-Atoll im Jahr 1946 durch. ⓘ

Alle wesentlichen Ideen für den Einsatz der Kernfusion in Kernwaffen wurden zwischen 1946 und 1952 in Los Alamos entwickelt. Nach dem Durchbruch der Teller-Ulam-Strahlenimplosion im Jahr 1951 wurden die technischen Implikationen und Möglichkeiten umfassend erforscht, aber Ideen, die nicht unmittelbar für die Herstellung der größtmöglichen Bomben für Langstreckenbomber der Air Force relevant waren, wurden auf Eis gelegt. ⓘ

Aufgrund der anfänglichen Position Oppenheimers in der H-Bomben-Debatte, der sich gegen große thermonukleare Waffen aussprach, und der Annahme, dass er trotz seines Weggangs immer noch Einfluss auf Los Alamos hatte, entschieden politische Verbündete von Edward Teller, dass er sein eigenes Labor benötigte, um H-Bomben zu entwickeln. Als es 1952 in Livermore, Kalifornien, eröffnet wurde, hatte Los Alamos die Aufgabe, für die Livermore konzipiert war, bereits erledigt. ⓘ

Lawrence Livermore

Da der ursprüngliche Auftrag nicht mehr zur Verfügung stand, versuchte das Livermore-Labor radikale Neukonstruktionen, die jedoch scheiterten. Die ersten drei Atomtests waren Fehlschläge: 1953 zwei einstufige Spaltvorrichtungen mit Uranhydridgruben und 1954 eine zweistufige thermonukleare Vorrichtung, bei der sich die Sekundärseite zu früh erhitzte, so dass die Strahlungsimplosion nicht richtig funktionieren konnte. ⓘ

Livermore verlegte sich darauf, Ideen, die Los Alamos auf Eis gelegt hatte, für die Armee und die Marine zu entwickeln. Dies führte dazu, dass sich Livermore auf taktische Waffen mit kleinem Durchmesser spezialisierte, insbesondere auf solche, die Zwei-Punkt-Implosionssysteme wie den Swan verwenden. Taktische Waffen mit kleinem Durchmesser wurden zu Primärwaffen für Sekundärwaffen mit kleinem Durchmesser. Um 1960, als das Wettrüsten der Supermächte zu einem Wettlauf der ballistischen Raketen wurde, waren die Sprengköpfe aus Livermore nützlicher als die großen, schweren Sprengköpfe aus Los Alamos. Los Alamos-Sprengköpfe wurden für die ersten ballistischen Mittelstreckenraketen (IRBM) verwendet, aber kleinere Livermore-Sprengköpfe wurden für die ersten ballistischen Interkontinentalraketen (ICBM) und U-Boot-gestützten ballistischen Raketen (SLBM) sowie für die ersten Mehrfachsprengkopfsysteme auf solchen Raketen verwendet. ⓘ

In den Jahren 1957 und 1958 bauten und testeten beide Labors so viele Entwürfe wie möglich, in der Erwartung, dass ein geplantes Testverbot von 1958 dauerhaft werden könnte. Als die Tests 1961 wieder aufgenommen wurden, waren die beiden Labors zu Doppelgängern geworden, und die Konstruktionsaufträge wurden eher nach dem Arbeitsaufwand als nach dem Spezialgebiet des Labors vergeben. Einige Entwürfe wurden als Kuhhandel gehandelt. Der W38-Gefechtskopf für die Titan I-Rakete beispielsweise war ursprünglich ein Livermore-Projekt, wurde dann nach Los Alamos gegeben, wo er zum Gefechtskopf für die Atlas-Rakete wurde, und 1959 wieder nach Livermore zurückgegeben, im Austausch gegen den W54 Davy Crockett-Gefechtskopf, der von Livermore nach Los Alamos ging. ⓘ

Die Gefechtskopfentwürfe nach 1960 nahmen den Charakter von Modelländerungen an, wobei jede neue Rakete aus Marketinggründen einen neuen Gefechtskopf erhielt. Die wichtigste wesentliche Änderung bestand darin, mehr spaltbares Uran-235 in den Sekundärsprengkopf zu packen, da dieses durch die fortgesetzte Urananreicherung und den Abbau der großen Hochenergiebomben verfügbar wurde. ⓘ

Beginnend mit der Nova-Anlage in Livermore Mitte der 1980er Jahre wurde die nukleare Entwicklung im Bereich der strahlungsgetriebenen Implosion durch die Forschung zur Laserfusion mit indirektem Antrieb unterstützt. Diese Arbeiten waren Teil der Bemühungen zur Erforschung der Trägheitsfusion (Inertial Confinement Fusion). Ähnliche Arbeiten werden in der leistungsfähigeren National Ignition Facility fortgesetzt. Auch das Stockpile Stewardship and Management Program profitierte von der Forschung an der NIF. ⓘ

Explosive Tests

Kernwaffen werden zu einem großen Teil durch Versuch und Irrtum entwickelt. Die Erprobung erfolgt häufig durch die Testexplosion eines Prototyps. ⓘ

Bei einer Nuklearexplosion summiert sich eine große Anzahl diskreter Ereignisse mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten zu kurzlebigen, chaotischen Energieströmen innerhalb des Gehäuses der Vorrichtung. Zur Annäherung an diese Vorgänge sind komplexe mathematische Modelle erforderlich, und in den 1950er Jahren gab es keine Computer, die leistungsfähig genug waren, um sie richtig auszuführen. Auch die heutigen Computer und Simulationssoftware sind nicht ausreichend. ⓘ

Es war einfach genug, zuverlässige Waffen für den Vorrat zu entwickeln. Wenn der Prototyp funktionierte, konnte er zur Waffe gemacht und in Serie produziert werden. ⓘ

Viel schwieriger war es, zu verstehen, wie sie funktionierte oder warum sie versagte. Die Konstrukteure sammelten so viele Daten wie möglich während der Explosion, bevor der Sprengkörper sich selbst zerstörte, und nutzten die Daten zur Kalibrierung ihrer Modelle, indem sie häufig Korrekturfaktoren in die Gleichungen einfügten, damit die Simulationen mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmten. Sie analysierten auch die Waffentrümmer im Fallout, um festzustellen, wie viel von einer möglichen Kernreaktion stattgefunden hatte. ⓘ

Lichtleiter

Ein wichtiges Instrument für die Testanalyse war der diagnostische Lichtleiter. Eine Sonde im Inneren eines Testgeräts konnte Informationen übertragen, indem sie eine Metallplatte bis zur Glut erhitzte, ein Ereignis, das von Instrumenten am anderen Ende eines langen, sehr geraden Rohrs aufgezeichnet werden konnte. ⓘ

Das Bild unten zeigt den Shrimp-Sprengsatz, der am 1. März 1954 in Bikini als Castle-Bravo-Test gezündet wurde. Die 15-Megatonnen-Explosion war die größte, die jemals von den Vereinigten Staaten gezündet wurde. Zur Veranschaulichung ist die Silhouette eines Mannes dargestellt. Die Vorrichtung wird von unten, an den Enden, gestützt. Die Rohre, die in die Decke der Schusskabine führen und wie Stützen aussehen, sind in Wirklichkeit Diagnoselichtleiter. Die acht Rohre am rechten Ende (1) lieferten Informationen über die Detonation des Primärzünders. Zwei in der Mitte (2) markierten den Zeitpunkt, zu dem die Röntgenstrahlen aus dem Primärteil den Strahlungskanal um den Sekundärteil erreichten. Die letzten beiden Rohre (3) notierten den Zeitpunkt, zu dem die Strahlung das hintere Ende des Strahlungskanals erreichte, wobei die Differenz zwischen (2) und (3) die Strahlungsdurchgangszeit für den Kanal darstellt. ⓘ

Von der Schusskabine aus drehten sich die Rohre horizontal und wanderten 2,3 km (7500 Fuß) entlang eines auf dem Bikini-Riff errichteten Dammes zu einem ferngesteuerten Datenerfassungsbunker auf der Insel Namu. ⓘ

Während sich Röntgenstrahlen normalerweise mit Lichtgeschwindigkeit durch ein Material mit geringer Dichte wie den Kunststoffschaum-Kanalfüller zwischen (2) und (3) ausbreiten würden, erzeugt die Strahlungsintensität des explodierenden Primärteils eine relativ undurchsichtige Strahlungsfront im Kanalfüller, die wie ein sich langsam bewegender Stau wirkt und den Durchgang der Strahlungsenergie verzögert. Während der Sekundärteil durch strahleninduzierte Ablation komprimiert wird, holen die Neutronen aus dem Primärteil die Röntgenstrahlen ein, dringen in den Sekundärteil ein und beginnen mit der Züchtung von Tritium über die dritte Reaktion, die im ersten Abschnitt oben beschrieben wurde. Diese Li-6 + n-Reaktion ist exotherm und erzeugt 5 MeV pro Ereignis. Die Zündkerze ist noch nicht komprimiert worden und bleibt daher unterkritisch, so dass keine nennenswerte Spaltung oder Fusion stattfindet. Wenn jedoch genügend Neutronen eintreffen, bevor die Implosion des Sekundärteils abgeschlossen ist, kann der entscheidende Temperaturunterschied zwischen dem äußeren und dem inneren Teil des Sekundärteils abgebaut werden, was dazu führen kann, dass das Sekundärteil nicht zündet. Die erste in Livermore entwickelte thermonukleare Waffe, die Morgenstern-Vorrichtung, versagte auf diese Weise, als sie am 7. April 1954 als Castle Koon getestet wurde. Die Primärwaffe zündete, aber die Sekundärwaffe, die durch die Neutronenwelle der Primärwaffe vorgewärmt wurde, erlitt eine so genannte ineffiziente Detonation; eine Waffe mit einer vorausgesagten Sprengkraft von einer Megatonne erzeugte daher nur 110 Kilotonnen, von denen lediglich 10 Kilotonnen auf die Fusion zurückzuführen waren. ⓘ

Diese Timing-Effekte und die von ihnen verursachten Probleme werden anhand von Light-Pipe-Daten gemessen. Die mathematischen Simulationen, die sie kalibrieren, werden Strahlungsfluss-Hydrodynamik-Codes oder Kanal-Codes genannt. Sie werden verwendet, um die Auswirkungen künftiger Konstruktionsänderungen vorherzusagen. ⓘ

Aus den öffentlichen Aufzeichnungen geht nicht hervor, wie erfolgreich die Shrimp-Lichtleiter waren. Der unbemannte Datenbunker lag weit genug zurück, um außerhalb des kilometerbreiten Kraters zu bleiben, aber die 15-Megatonnen-Explosion, die zweieinhalb Mal so stark war wie erwartet, durchbrach den Bunker, indem sie seine 20 Tonnen schwere Tür aus den Angeln hob und quer durch das Innere des Bunkers sprengte. (Die nächsten Menschen befanden sich zwanzig Meilen (32 km) weiter entfernt in einem Bunker, der unversehrt blieb). ⓘ

Fallout-Analyse

Die interessantesten Daten aus Castle Bravo stammen aus der radiochemischen Analyse von Waffentrümmern im Fallout. Aufgrund eines Mangels an angereichertem Lithium-6 waren 60 % des Lithiums in der Shrimp-Sekundärwaffe gewöhnliches Lithium-7, das nicht so leicht Tritium erzeugt wie Lithium-6. Es bildet jedoch Lithium-6 als Produkt einer (n, 2n)-Reaktion (ein Neutron rein, zwei Neutronen raus), eine bekannte Tatsache, aber mit unbekannter Wahrscheinlichkeit. Die Wahrscheinlichkeit erwies sich als hoch. ⓘ

Die Fallout-Analyse zeigte den Konstrukteuren, dass der Shrimp-Sekundärreaktor bei der (n, 2n)-Reaktion tatsächlich zweieinhalb Mal so viel Lithium-6 enthielt wie erwartet. Das Tritium, die Fusionsausbeute, die Neutronen und die Spaltausbeute wurden entsprechend erhöht. ⓘ

Wie bereits erwähnt, hat die Fallout-Analyse von Bravo der Weltöffentlichkeit zum ersten Mal gezeigt, dass thermonukleare Bomben eher Spaltungs- als Fusionsbomben sind. Ein japanisches Fischerboot, die Daigo Fukuryū Maru, segelte mit genügend Fallout an Deck nach Hause, so dass Wissenschaftler in Japan und anderswo feststellen und verkünden konnten, dass der größte Teil des Fallouts aus der Spaltung von U-238 durch fusionserzeugte 14-MeV-Neutronen stammte. ⓘ

Unterirdische Tests

Senkungskrater in Yucca Flat, Testgelände in Nevada. ⓘ

Die weltweite Beunruhigung über den radioaktiven Niederschlag, die mit dem Castle-Bravo-Ereignis begann, führte schließlich dazu, dass die Atomtests buchstäblich in den Untergrund verlegt wurden. Der letzte oberirdische Test der USA fand am 4. November 1962 auf Johnston Island statt. Während der nächsten drei Jahrzehnte, bis zum 23. September 1992, führten die Vereinigten Staaten durchschnittlich 2,4 unterirdische Nuklearexplosionen pro Monat durch, alle bis auf einige wenige auf dem Nevada-Testgelände (NTS) nordwestlich von Las Vegas. ⓘ

Der Yucca-Flat-Abschnitt des NTS ist mit Senkungskratern übersät, die durch den Einsturz des Geländes über den durch die Nuklearexplosionen entstandenen radioaktiven Kavernen entstanden sind (siehe Foto). ⓘ

Nach dem Vertrag über das Verbot von Schwellentests (TTBT) von 1974, der unterirdische Explosionen auf 150 Kilotonnen oder weniger begrenzte, mussten Sprengköpfe wie der Halb-Megatonnen-Sprengkopf W88 mit weniger als der vollen Sprengkraft getestet werden. Da der primäre Sprengkopf mit voller Sprengkraft gezündet werden muss, um Daten über die Implosion des sekundären Sprengkopfes zu erhalten, musste die Verringerung der Sprengkraft durch den sekundären Sprengkopf erfolgen. Durch das Ersetzen eines Großteils des Lithium-6-Deuterid-Fusionsbrennstoffs durch Lithium-7-Hydrid wurde das für die Fusion verfügbare Tritium und damit die Gesamtausbeute begrenzt, ohne die Dynamik der Implosion zu verändern. Die Funktionsweise des Geräts konnte mit Hilfe von Lichtleitern, anderen Messgeräten und der Analyse von eingeschlossenen Waffentrümmern bewertet werden. Die Gesamtausbeute der gelagerten Waffe könnte durch Extrapolation berechnet werden. ⓘ

Produktionsanlagen

Als in den frühen 1950er Jahren zweistufige Waffen zum Standard wurden, bestimmte die Waffenkonstruktion die Anordnung der neuen, weit verstreuten US-Produktionsanlagen und umgekehrt. ⓘ

Da Primärelemente in der Regel sperrig sind, vor allem im Durchmesser, ist Plutonium das bevorzugte spaltbare Material für Pits mit Berylliumreflektoren. Es hat eine geringere kritische Masse als Uran. Die Anlage Rocky Flats in der Nähe von Boulder, Colorado, wurde 1952 für die Herstellung von Pits gebaut und diente in der Folge als Produktionsstätte für Plutonium und Beryllium. ⓘ

Die Anlage Y-12 in Oak Ridge, Tennessee, in der Massenspektrometer, so genannte Kalutronen, Uran für das Manhattan-Projekt angereichert hatten, wurde für die Herstellung von Sekundärstoffen umgestaltet. Spaltbares U-235 eignet sich am besten als Zündkerze, da seine kritische Masse größer ist, insbesondere in der zylindrischen Form der frühen thermonuklearen Sekundärkerne. In frühen Experimenten wurden die beiden spaltbaren Materialien in Kombination verwendet, als zusammengesetzte Pu-Oy-Gruben und -Zündkerzen, aber für die Massenproduktion war es einfacher, die Fabriken zu spezialisieren: Plutonium-Gruben in Primärreaktoren, Uran-Zündkerzen und -Stößel in Sekundärreaktoren. ⓘ

Y-12 stellte Lithium-6-Deuterid-Fusionsbrennstoff und U-238-Teile her, die beiden anderen Bestandteile der Sekundärstoffe. ⓘ

Die Hanford Site in der Nähe von Richland WA betrieb während des Zweiten Weltkriegs und des Kalten Krieges Kernreaktoren zur Plutoniumproduktion und Trennungsanlagen. Neun Plutoniumproduktionsreaktoren wurden dort gebaut und betrieben. Der erste war der B-Reaktor, der im September 1944 in Betrieb genommen wurde, und der letzte war der N-Reaktor, der im Januar 1987 seinen Betrieb einstellte. ⓘ

Die ebenfalls 1952 errichtete Savannah River Site in Aiken, South Carolina, betrieb Kernreaktoren, die U-238 in Pu-239 für Gruben umwandelten und Lithium-6 (hergestellt in Y-12) in Tritium für Booster-Gas umwandelten. Da die Reaktoren mit schwerem Wasser (Deuteriumoxid) moderiert wurden, wurde dort auch Deuterium für Booster-Gas und für Y-12 zur Herstellung von Lithium-6-Deuterid hergestellt. ⓘ

Sicherheit der Sprengkopfkonstruktion

Da selbst Nuklearsprengköpfe mit geringer Sprengkraft eine erstaunliche Zerstörungskraft besitzen, haben die Waffenkonstrukteure stets die Notwendigkeit erkannt, Mechanismen und entsprechende Verfahren einzubauen, die eine versehentliche Detonation verhindern sollen. ⓘ

Ein Diagramm der Stahlkugelsicherheitsvorrichtung des Green Grass-Sprengkopfs, links mit gefüllten (sicheren) und rechts mit leeren (scharfen) Kugeln dargestellt. Die Stahlkugeln wurden vor dem Flug in einen Trichter unter dem Flugzeug entleert und konnten mit Hilfe eines Trichters wieder eingefüllt werden, indem die Bombe auf ihrem Wagen gedreht und der Trichter angehoben wurde. ⓘ

Gewehrtyp

Es ist von Natur aus gefährlich, eine Waffe zu haben, die eine Menge und Form von spaltbarem Material enthält, das durch einen relativ einfachen Unfall eine kritische Masse bilden kann. Aufgrund dieser Gefahr wurde der Treibstoff in Little Boy (vier Säcke Kordit) während des Fluges, kurz nach dem Start am 6. August 1945, in die Bombe eingebracht. Dies war das erste Mal, dass eine kanonenartige Atomwaffe vollständig zusammengebaut wurde. ⓘ

Wenn die Waffe ins Wasser fällt, kann die moderierende Wirkung des Wassers ebenfalls einen Kritikalitätsunfall verursachen, auch wenn die Waffe nicht physisch beschädigt wird. Ebenso könnte ein durch einen Flugzeugabsturz verursachtes Feuer den Treibsatz leicht entzünden, was katastrophale Folgen hätte. Geschützartige Waffen waren schon immer von Natur aus unsicher. ⓘ

Boxeneinbau während des Fluges

Bei Implosionswaffen ist keiner dieser Effekte wahrscheinlich, da normalerweise nicht genügend spaltbares Material vorhanden ist, um ohne die richtige Detonation der Linsen eine kritische Masse zu bilden. Die ersten Implosionswaffen hatten jedoch Gruben, die so nahe an der Kritikalität lagen, dass eine versehentliche Detonation mit einer gewissen nuklearen Ausbeute zu befürchten war. ⓘ

Am 9. August 1945 wurde Fat Man vollständig zusammengebaut in das Flugzeug verladen, doch später, als die schwebenden Sprengkapseln einen Zwischenraum zwischen der Sprengkapsel und dem Stopfer bildeten, war es möglich, die Sprengkapsel während des Fluges einzubauen. Der Bomber würde ohne spaltbares Material in der Bombe abheben. Einige ältere Implosionsbomben, wie die US Mark 4 und Mark 5, verwendeten dieses System. ⓘ

Das Einsetzen von Gruben während des Fluges funktioniert nicht, wenn eine hohle Grube in Kontakt mit dem Tamper ist. ⓘ

Sicherheitsmethode mit Stahlkugeln

Wie in der obigen Abbildung dargestellt, wurde eine Methode zur Verringerung der Wahrscheinlichkeit einer versehentlichen Detonation mit Metallkugeln angewandt. Die Kugeln wurden in die Grube entleert: Dies verhinderte eine Detonation, indem die Dichte der hohlen Grube erhöht wurde, wodurch eine symmetrische Implosion im Falle eines Unfalls verhindert wurde. Diese Konstruktion wurde in der Green Grass-Waffe verwendet, die auch als Interim-Megatonnen-Waffe bekannt ist und in den Bomben Violet Club und Yellow Sun Mk.1 eingesetzt wurde. ⓘ

Methode der Kettensicherung

Alternativ kann der Schacht "gesichert" werden, indem sein normalerweise hohler Kern mit einem inerten Material wie einer feinen Metallkette gefüllt wird, die möglicherweise aus Cadmium besteht, um Neutronen zu absorbieren. Solange sich die Kette in der Mitte der Grube befindet, kann die Grube nicht in eine für die Spaltung geeignete Form komprimiert werden; wenn die Waffe scharf gemacht werden soll, wird die Kette entfernt. Ein schwerer Brand könnte zwar den Sprengstoff zur Explosion bringen, die Grube zerstören und das Plutonium in der Umgebung verseuchen, wie es bei mehreren Unfällen mit Waffen der Fall war, aber er könnte keine nukleare Explosion auslösen. ⓘ

Ein-Punkt-Sicherheit

Auch wenn die Zündung einer von vielen Sprengkapseln nicht zu einer kritischen Explosion führt, vor allem nicht bei einem Hohlraum mit geringer Masse, der verstärkt werden muss, wurde diese Möglichkeit mit der Einführung von Zweipunkt-Implosionssystemen zu einem echten Problem. ⓘ

Wenn bei einem Zweipunktsystem ein Zünder ausgelöst wird, implodiert wie vorgesehen eine ganze Halbkugel der Grube. Die hochexplosive Ladung, die die andere Halbkugel umgibt, explodiert schrittweise vom Äquator zum gegenüberliegenden Pol. Im Idealfall wird dabei der Äquator eingeklemmt und die zweite Hemisphäre von der ersten weggedrückt, wie Zahnpasta in einer Tube. Wenn die Explosion die zweite Hemisphäre umhüllt, wird ihre Implosion sowohl zeitlich als auch räumlich von der Implosion der ersten Hemisphäre getrennt sein. Die sich daraus ergebende Hantelform, bei der jedes Ende die maximale Dichte zu einem anderen Zeitpunkt erreicht, könnte unkritisch werden. ⓘ

Leider ist es nicht möglich, auf dem Reißbrett zu sagen, wie sich dies entwickeln wird. Auch ist es nicht möglich, eine Dummy-Grube mit U-238 und Hochgeschwindigkeits-Röntgenkameras zu verwenden, obwohl solche Tests hilfreich sind. Für eine endgültige Bestimmung muss ein Test mit echtem spaltbarem Material durchgeführt werden. Daher begannen beide Labors 1957, ein Jahr nach Swan, mit Ein-Punkt-Sicherheitstests. ⓘ

Von den 25 Ein-Punkt-Sicherheitstests, die 1957 und 1958 durchgeführt wurden, hatten sieben keine oder nur eine geringe Ausbeute (Erfolg), drei hatten eine hohe Ausbeute von 300 t bis 500 t (schweres Versagen), und der Rest hatte inakzeptable Ausbeuten zwischen diesen Extremen. ⓘ

Besonders besorgniserregend war die W47 von Livermore, die bei Ein-Punkt-Tests eine unannehmbar hohe Ergiebigkeit aufwies. Um eine versehentliche Detonation zu verhindern, beschloss Livermore, den W47 mechanisch zu sichern. Das unten beschriebene Drahtsicherungssystem war das Ergebnis. ⓘ

Als die Tests 1961 wieder aufgenommen und drei Jahrzehnte lang fortgesetzt wurden, war genügend Zeit vorhanden, um alle Sprengkopfkonstruktionen von Natur aus sicher zu machen, ohne dass eine mechanische Sicherung erforderlich war. ⓘ

Draht-Sicherheitsverfahren

Beim letzten Test vor dem Moratorium von 1958 wurde festgestellt, dass der W47-Sprengkopf für den Polaris-SLBM nicht punktsicher war und eine unannehmbar hohe nukleare Ausbeute von TNT-Äquivalent (Hardtack II Titania) erzeugte. Da das Testmoratorium in Kraft war, gab es keine Möglichkeit, die Konstruktion zu verfeinern und den Sprengkopf von Haus aus sicher zu machen. Es wurde eine Lösung gefunden, die aus einem borhaltigen Draht bestand, der bei der Herstellung in den Hohlraum der Waffe eingeführt wurde. Der Gefechtskopf wurde durch Herausziehen des Drahtes auf eine von einem Elektromotor angetriebene Spule scharf gemacht. Einmal herausgezogen, konnte der Draht nicht wieder eingezogen werden. Der Draht neigte dazu, während der Lagerung spröde zu werden und beim Scharfmachen zu brechen oder stecken zu bleiben, so dass er nicht mehr vollständig herausgezogen werden konnte und der Sprengkopf ein Blindgänger war. Man schätzte, dass 50-75 % der Gefechtsköpfe ausfallen würden. Dies erforderte eine vollständige Erneuerung aller W47-Zündköpfe. Das für die Schmierung der Drähte verwendete Öl förderte zudem die Korrosion der Grube. ⓘ

Starkes Glied/schwaches Glied

Im Rahmen des Strong Link/Wak Link-Systems werden "schwache Glieder" zwischen kritischen Kernwaffenkomponenten (den "Hard Links") konstruiert. Im Falle eines Unfalls sind die schwachen Glieder so ausgelegt, dass sie zuerst versagen, so dass eine Energieübertragung zwischen ihnen nicht möglich ist. Wenn dann ein hartes Glied in einer Weise ausfällt, die Energie überträgt oder freisetzt, kann die Energie nicht auf andere Waffensysteme übertragen werden, wodurch möglicherweise eine nukleare Detonation ausgelöst wird. Bei Hard Links handelt es sich in der Regel um kritische Waffenkomponenten, die gehärtet wurden, um extremen Umgebungsbedingungen standzuhalten, während es sich bei Weak Links sowohl um Komponenten handeln kann, die absichtlich in das System eingefügt wurden, um als Weak Link zu fungieren, als auch um kritische nukleare Komponenten, die vorhersehbar ausfallen können. ⓘ

Ein Beispiel für ein schwaches Glied wäre ein elektrischer Steckverbinder, der elektrische Drähte aus einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt enthält. Bei einem Brand würden diese Drähte schmelzen und die elektrische Verbindung unterbrechen. ⓘ

Erlaubte Aktionsverbindung

Ein Permissive Action Link ist eine Zugangskontrollvorrichtung, die den unbefugten Einsatz von Kernwaffen verhindern soll. Frühe PALs waren einfache elektromechanische Schalter und haben sich zu komplexen Scharfschaltungssystemen entwickelt, die integrierte Ertragskontrolloptionen, Verriegelungsvorrichtungen und Anti-Manipulationsvorrichtungen umfassen. ⓘ

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. ⓘ

Spaltungsbombe oder Fissionsbombe

Kanonenprinzip

Schematische Darstellung einer Kernspaltungsbombe nach dem Gun-Design:
1. Konventioneller Sprengstoff (Kordit) zum Beschleunigen des „Geschosses“
2. Lauf
3. Hohles Urangeschoss
4. Zylindrisches „Ziel“ ⓘ

Ein unterkritischer hohler Uranzylinder kann auf einen unterkritischen Urandorn geschossen werden, 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 eher länglichen Bauart eignet sich das Kanonenprinzip für längliche Nuklearwaffen wie „Bunker Buster“ (siehe unten) und Atomgeschosse, die aus Rohrwaffen verschossen werden. Als chemischer Explosivstoff werden zum Beispiel Treibmittel für Artilleriegeschosse verwendet, etwa Kordit. ⓘ

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 und somit zu einem Verpuffen führen. Sogenanntes Waffenplutonium, eigens in entsprechend betriebenen Reaktoren hergestellt, enthält dagegen nur sehr wenig ²⁴⁰Pu. ⓘ

Implosionsbombe

Aufbau von Sprengstoffen um den Kern

„Trinity Gadget“ mit 32 polygonalen Sprengstofflinsen um den Kern ⓘ

Nur eine Hülle aus einem Sprengstoff um den Kern zu bauen, führte nicht zum gewünschten Ergebnis, da der Sprengstoff um den Zünder herum sphärisch detoniert. Man bräuchte dann eine sehr hohe Anzahl Zünder, um eine akzeptable Verdichtung zu erreichen und die Hohlkugel nicht zu einem Sichelmond oder Stern zu pressen. ⓘ

Die Aufgabe lautete daher, mehrere sphärisch divergierende Detonationsfronten in eine einzige sphärisch konvergierende zu verwandeln. Hierzu sind zwei Sprengstoffe unterschiedlicher Detonationsgeschwindigkeit geeignet. Am Übergang der Sprengstoffe wird die Detonationsfront wie Licht an einer Linse gebrochen, weshalb im englischen von einer „explosive lens“ (Sprengstofflinse) gesprochen wird. Um den gewünschten Effekt für eine Implosionsbombe zu erreichen, muss eine solche Linse ein Rotationshyperboloid 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 verwendet. Es wäre prinzipiell möglich, einen Kern mit nur einer einzigen, komplex geformten Linse zu verdichten. Diese Linse wäre allerdings größer und schwerer als die o. g. Konfigurationen, auch wenn sie leichter zu zünden ist. ⓘ

Dichteanpassung

Schematische Darstellung einer Kernspaltungsbombe nach dem Implosionsdesign mit Reflektor und 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 Anordnungen, 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 sechs Aluminiumbolzen als Abstandshalter montiert. Diese Bauart hat den Vorteil, dass die gesamte Hohlkugel nicht auf einmal zusammengedrückt werden muss. Stattdessen 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 oder ähnliche Materialien) ersetzt werden. ⓘ

Schematische Darstellung einer Kernspaltungsbombe nach dem Implosionsdesign mit schwebendem Kern ⓘ

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, die nur mit speziellen Computerprogrammen durchgeführt werden können. Die Berechnungsverfahren und -ergebnisse sowie die verwendeten Programme werden von den Rüstungsbehörden als geheim eingestuft und nur in den wenigsten Fällen werden Einzelheiten veröffentlicht – die bekanntgewordenen Zahlenwerte dürfen daher angezweifelt werden. Dies ist auch der Grund, warum in der Vergangenheit Hochleistungsrechner mit Exportbeschränkungen (zum Beispiel seitens der USA) belegt wurden. 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 und 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

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 Prozent. Wird eine Atombombe mit hoher Geschwindigkeit auf ihr Ziel geschossen, kann diese Verzögerung den gewünschten Explosionsort und die projektierte freigesetzte Energie erheblich 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 Bombenzünder. 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 ²¹⁰Polonium, 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. ⓘ

Wasserstoffbombe

Wasserstoffbombe Castle Bravo ⓘ

Bei Kernfusionswaffen (Wasserstoffbomben) dient ein herkömmlicher Atomsprengsatz (Fissionssprengsatz) dazu, die Kernverschmelzung der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium herbeizuführen. ⓘ

Das erste, nicht realisierbare Design

Schematische Darstellung einer Wasserstoffbombe nach dem Classical-Super-Design

Bei der im US-amerikanischen Sprachgebrauch als Super und später als Classical Super bezeichneten Grundüberlegung zur Wasserstoffbombe wird neben oder um einen 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 als „alarm clock design“ bezeichnet. ⓘ

Diese Anordnung würde mit reinem Deuterium nicht funktionieren, denn die Energie der Fissionsbombe entsteht zum größten Teil als thermische Röntgenstrahlung, die das Deuterium durchdringt. Für die Deuterium-Tritium-Reaktion würde die Temperatur ausreichen, allerdings ist Tritium vergleichsweise teuer – statt einer Wasserstoffbombe dieses Typs hätte bei geringeren Kosten eine sehr große Fissionsbombe gebaut werden können. ⓘ

Ein weiteres Problem des Classical Super ist die geringe Dichte des Brennstoffs, denn die Wasserstoffisotope sind bei Normalbedingungen gasförmig. Bevor genügend Brennstoff umgesetzt wäre, hätte die Explosion des primären Fissionssprengsatzes alles auseinandergetrieben. ⓘ

Das Design einer „Fusionsmasse“ aus Deuterium und Tritium neben oder um einen Fissionskern ist deshalb ungeeignet, eine Bombe dieses Typs wurde nie gebaut. Dennoch 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

Schematische Darstellung einer Wasserstoffbombe nach dem Teller-Ulam-Design:
A – primärer Kernspaltungssprengsatz
B – sekundärer Fusionssprengsatz
1 – chemischer Sprengstoff
2 – ²³⁸U-Mantel
3 – Hohlraum
4 – in Plutonium- oder Urankugel ein­geschlossenes Tritiumgas
5 – Polystyrol
6 – ²³⁸U-Mantel
7 – Lithium-6-deuterid
8 – Plutonium
9 – reflektierender Mantel ⓘ

Darstellung der einzelnen Explosionsschritte einer Teller-Ulam-Bombe:
A – Bombe vor der Zündung; oben die primäre Kernspaltungsbombe; unten die sekundäre Fusionsladung; beides eingebettet in Polystyrolschaum.
B – Der konventionelle Sprengstoff komprimiert den Plutoniumkern zu einer überkritischen Masse und leitet so eine Kernspaltungsreaktion ein.
C – Die Kernspaltungsbombe emittiert Röntgenstrahlung, die an der Innenseite des Gehäuses reflektiert wird. Dadurch wird das Polystyrol thermalisiert.
D – Der Polystyrolschaum wird in Plasma verwandelt und komprimiert die Fusionsstufe. Im Plutoniumstab läuft die Kernspaltungs-Kettenreaktion ab.
E – Durch die Kompression und Erhitzung beginnt das Lithium-6-deuterid zu fusionieren. In der 2. Stufe spaltet die Neutronenstrahlung das ²³⁸U. Es beginnt sich ein Feuerball zu bilden. ⓘ

Beim Teller-Ulam-Design, benannt nach Edward Teller und Stanisław Ulam, werden die Schwierigkeiten der Classical Super gelöst. Die Lösung, auf sowjetischer Seite von Andrei Dmitrijewitsch Sacharow gefunden, wurde auch als „Sacharows dritte Idee“ bekannt. Bei der unabhängigen Entwicklung in Frankreich wird Michel Carayol die Idee zugeschrieben, für Großbritannien ist die Frage der Urheber weniger klar (siehe John Clive Ward). ⓘ

Der primäre Fissionssprengsatz und der sekundäre Fusionssprengsatz befinden sich in einem mit Schaumstoff (meist aufgeschäumtes Polystyrol) gefüllten Gehäuse. Die Strahlung des Fissionssprengsatzes wird von der Gehäusewand absorbiert und lässt dort eine dünne Schicht hoch ionisierten Plasmas entstehen, die nicht nur die Primärstrahlung noch effizienter absorbiert, sondern ihrerseits im Röntgenbereich strahlt. Gleiches geschieht mit der äußeren Oberfläche des sekundären Sprengsatzes. Der Strahlungsaustausch zwischen den drei Oberflächen – das dünne aus dem Schaumstoff gebildete Plasma absorbiert kaum – ist proportional zu T⁴ und gleicht deshalb Temperaturunterschiede rasch aus; man sagt, der (auch im Englischen so genannte) „Hohlraum“ thermalisiert. ⓘ

Nun breitet sich nicht nur das Plasma der Fissionsstufe aus, sondern auch die oberflächlichen Plasmaschichten. Deren immenser Druck bewirkt eine nach innen gerichtete Stoßfront, hinter der das Material ebenfalls in den Plasmazustand übergeht und sich nach innen bewegt. Dies bezeichnet man auch als Strahlungsimplosion. ⓘ

Die Geometrie des Sekundärteils ist kugelförmig oder zylindrisch, damit die Stoßwelle konzentrisch auf einen Punkt bzw. eine Gerade zusammenläuft. Dort entstehen dann extreme Bedingungen (Druck und Temperatur), die die zweite Stufe der Bombe, die Fusion, zünden. Die bei der Deuteriumfusion entstehenden hochenergetischen Alphateilchen erhöhen die Temperatur weiter, sodass die Kernreaktion sich wie eine Flammenfront nach außen fortpflanzt. ⓘ

Zentral innerhalb des Sekundärteils befindet sich meist ein als „Spark Plug“ (engl. für Zündkerze) bezeichneter Hohlzylinder oder Kugelkern aus Plutonium oder angereichertem Uran, der durch die Kompression ebenfalls und gleichzeitig in einen überkritischen Zustand gebracht 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 auf den Oberflächen des Hohlraums kann die Konfiguration weiter verkleinert werden. ⓘ

Ein ähnliches Fusions-Implosions-Prinzip verfolgt auch die Trägheitsfusion (ICF – Inertial Confinement Fusion). ⓘ

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. ⓘ

Kernwaffen mit spezieller Wirkung

Kobaltbombe

Eine Kobaltbombe ist eine Form der salted bomb (Englisch für „gesalzene Bombe“). Dabei werden große Mengen eines stabilen Isotops (in diesem Fall ⁵⁹Co) im Mantel einer Fissions- oder Fusionsbombe verbaut. Durch die bei der Explosion freigesetzten Neutronen wird das ⁵⁹Co in das radioaktive ⁶⁰Co umgewandelt. Dieses hat eine Halbwertszeit von 5,26 Jahren, seine Radioaktivität nimmt demgemäß im Lauf von 50 Jahren auf etwa ein Tausendstel des anfänglichen Wertes ab. ⁶⁰Co emittiert pro Kernzerfall zwei Gammaquanten hoher Durchdringungsfähigkeit. So soll ein Gebiet möglichst stark und längerfristig radioaktiv kontaminiert werden, um menschliches Überleben außerhalb von Bunkern auszuschließen. Es ist nicht bekannt, ob je eine solche Bombe gebaut wurde. ⓘ

Schmutzige Bomben

Die Bezeichnung „schmutzige Bombe“ (engl. dirty bomb) oder „radiologische Bombe“ bezieht sich auf Waffen, deren Wirkung darauf beruhen soll, radioaktives Material mittels konventioneller Sprengstoffe am Angriffsziel zu verteilen, um die Umgebung zu kontaminieren, ohne dass eine Kernreaktion stattfindet. Diese Waffen haben entweder nicht genügend spaltbares Material für die kritische Masse, keinen geeigneten Zündmechanismus, oder nutzen leichter zu beschaffende radioaktive Isotope, die für Kernreaktionen prinzipiell ungeeignet sind. ⓘ

Eine „schmutzige“ Bombe mit Plutoniumfüllung wäre theoretisch in der Lage, ein Zielgebiet aufgrund der Kontamination für lange Zeit unbewohnbar zu machen. Sie wäre ggf. für Terroristen interessant, die zwar Plutonium beschaffen könnten, jedoch nur in einer Menge unterhalb der kritischen Masse, oder aus technischen Gründen nicht in der Lage wären, den komplexen Zündmechanismus zu bauen. ⓘ

Jedoch ist strittig, ob plutoniumbasierte dirty bombs in der Praxis wirklich effektiv wären, da die Aktivität von ²³⁹Plutonium auf Grund der langen Halbwertszeit (etwa 24.000 Jahre) gering ist; kurzlebige Isotope wie ¹³⁷Cäsium oder ¹⁹²Iridium weisen bei gleicher Menge eine deutlich größere Aktivität auf. ⓘ

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