Verbeteringen van de splijtingsbom
De splijtingswapens Little Boy en Fat Man, worden na WO II verbeterd tot steeds lichtere en compactere ontwerpen.
Na WO II stopt het Manhattan Project. Toch blijven wetenschappers bezig de wapens te verbeteren. Het verbeteren kent meerdere doelen: het verhogen van de ‘opbrengst’ (de explosieve kracht), het verkleinen van de omvang of massa, het verlagen van de kosten, en het vergroten van de veiligheid (dat de wapens niet per ongeluk afgaan of lekken etc.). Deze doelen gaan meestal samen omdat bijvoorbeeld de technologie die de efficiëntie van de splijting verhoogt, ook kan worden gebruikt om de opbrengst te verhogen of de hoeveelheid splijtstof te verminderen.
De splijtingsbom van het pistooltype is inefficiënt. Van het type van de Little Boy worden er nog een handvol gebouwd, maar ze worden snel ontmanteld – de splijtstof wordt in tientallen andere kernkoppen hergebruikt. Het is duidelijk dat implosie het beste design is voor een splijtingswapen. Het enige nadeel is de diameter van het implosiewapen: de Fat Man is 1,5 m breed en de Little Boy 60 cm.
§1 DE MARK 4
Van het Fat Man-ontwerp, ook wel Mark 3 genoemd, worden er meer dan honderd gebouwd tot ongeveer 1949. Daarna wordt de bom vervangen door de Mark 4. De Mark 4 is qua grootte en massa vergelijkbaar met de Mark 3, maar bevat een paar vernieuwingen. Deze innovaties worden getest als onderdeel van de operatie ‘Sandstone’.
De pit van de Mark 4 is niet langer van puur plutonium of puur uranium, maar een mengsel van ongeveer 2/3 uranium en 1/3 plutonium. Ze maken zo goed mogelijk gebruik van de materialen waarover ze beschikken, en vooral plutonium is schaars.
De pit wordt ‘zwevend’: er komt een luchtspleet tussen de pit en de uranium tamper.
Hierdoor kan de tamper tijdens de implosie meer vaart krijgen voordat hij met de kern in botsing komt. Het effect hiervan is een toename van de algehele compressie en dus een hogere efficiëntie in het wapen bij de explosie. Informatie over deze luchtspleten is geheim tot 1980.
§2 DE OPKOMST VAN DE KERNMACHTEN
Ook andere landen gaan nucleaire technologie ontwikkelen. In 1949 brengt de Sovjet-Unie haar eerste wapen tot ontploffing.
In 1952 treedt het VK toe tot de club. Later worden ze vergezeld door Frankrijk, China, Israël, India, Zuid-Afrika, Pakistan en recentelijk Noord-Korea. Ze hebben allemaal hun eigen wapens gebouwd en getest. Maar in alle gevallen is de geheimhouding hoog, en gedetailleerde informatie mager.
§3 HET VERBETEREN VAN HET IMPLOSIESYSYEEM
Het verkleinen van de kernwapens is grotendeels het gevolg van het verkleinen van het implosiesysteem.
Terwijl de pit in de Fat Man slechts 9 cm breed is, is de bom wel 1,5 m in diameter – voornamelijk door de explosieven. De eerste grote vermindering hiervan was de Mark 7 (of Mk-7) atoombom die in 1951 werd getest.
In 1995 wordt de Mk-12 atoombom getest, die nog maar 40 cm in diameter is.
Uiteindelijk is een van de meest significante stappen in de richting van moderne kernwapens het gebruik van andere types implosiesystemen (two-point linear implosion, two-point hollow-pit implosion). Dit leidt tot bijvoorbeeld de W54 bom, die nog maar 38 cm in diameter meet.
§4 HET OPTIMALISEREN VAN DE HOLLE PIT
De pit is de kern van splijtstof van een implosie-atoomwapen. De vroegste atoomwapens hebben een pit met een kleine holte in het midden voor de neutronengenerator.
Een pit met een holte tussen de neutronengenerator en plutonium biedt het voordeel dat de samendrukking sneller verloopt, wat resulteert in een hogere compressie en een hogere opbrengst aan neutronen.
Een grotere holle kern vermindert de dichtheid en vergroot het oppervlak van de splijtbare kern. Hierdoor kan een wapen meer splijtstof bevatten zonder kritisch te worden. Dit is essentieel voor het vergroten van de kracht van splijtingswapens. Het krachtigste splijtingswapen ooit getest was de Mark 18 SOB, de Super Oralloy Bomb (Or staat voor Oak Ridge Enrichment Facility). De bom heeft een kracht van ongeveer 500 kiloton.
De Mark 18 weegt 3900 kg. De pit heeft naar schatting 75 kg hoogverrijkt uranium en is minimaal 24 cm in diameter.
Het bereiken van zo’n hoge opbrengst blijkt alleen mogelijk met verrijkt uranium. Met plutonium komt men dezelfde problemen tegen als met de Thin Man: de neutronen uit de spontane splijting van plutonium-240 zijn te talrijk bij deze hoeveelheden splijtstof om niet onbedoeld kritisch te worden.
Ook met zoveel verrijkt uranium in een wapen, wordt de kans dat het wapen onbedoeld kritisch wordt groter. Voor de veiligheid wordt de pit gevuld met een borium-aluminiumlegering. Het metaalmengsel kan een implosie remmen en neutronen absorberen. In het Verenigd Koninkrijk wordt de holte met kogellagers gevuld, en wordt leeggemaakt voordat het wapen wordt klaargemaakt voor gebruik.
Ten slotte worden de holle pitten ook gevuld met een mengsel van deuterium met tritium (zie boosted splijtingswapens).
§5 VEILIGHEID VOOR DE WERKNEMERS
Sommige experimenten met plutonium pitten stonden bekend als ‘het kietelen van de staart van een draak’. Bij de eerste testen om de efficiëntie te vergroten zijn dodelijke slachtoffers gevallen. De wetenschappers wilden bijvoorbeeld bepalen wanneer en onder welke voorwaarden een pit van subkritische in kritische toestand over zou gaan en dus een kettingreactie zou starten. Hierbij werd de kern op allerlei manieren gestimuleerd om dit kritieke punt vast te kunnen stellen. Harry Daghlian liet een blok wolfraamcarbide, een materiaal dat neutronen reflecteert, op een pit vallen. Hij kreeg een fatale dosis neutronenstraling. Bij Louis Slotin gleed een schroevendraaier uit waardoor hij dodelijk bestraald werd. De pit waarbij deze ongelukken plaatsvonden heette ‘Rufus’, en kreeg na de ongelukken de bijnaam de ‘Demon Core’. In eerste instantie was hij bedoeld om als derde atoombom op Japan gebruikt te worden. Toen Japan zich overgaf is de kern uiteindelijk omgesmolten voor het gebruik in andere kernbommen.