Fusiebom - waterstofbom
De splijtingsbom met boosting wordt door wetenschappers naar een hoger niveau getild met het ontwerp van de waterstofbom. De explosieve kracht van een waterstofbom is wel duizend keer groter.
Een waterstofbom of H-bom is een atoombom die veel van zijn explosieve energie uit de kernfusie van waterstof haalt. Een waterstofbom wordt ook wel een thermonucleaire bom genoemd. Het woorddeel thermo verwijst naar de zeer hoge temperatuur die nodig is om het fusieproces te starten (meer dan 1 miljoen graden Celsius).
Eerder is beschreven hoe kernfusie in boosted splijtingswapens wordt gebruikt. De neutronen die bij de fusiereactie ontstaan vergroten (boosten) de splijtingsreactie. De explosieve kracht die de fusiereactie afgeeft is in verhouding met de totale kracht van de bom niet groot. Kernfusie kan meer explosieve kracht veroorzaken dan kernsplijting. Wetenschappers zoeken naar een manier om de fusiereactie in verhouding te vergroten om hiermee krachtiger bommen te kunnen maken.
Edward Teller, later bekend als de ‘vader van de waterstofbom’, begint al tijdens de Tweede Wereldoorlog met het werken aan een superwapen met de kracht van megatonnen. Hij is zo gefocust op dit wapen dat hij het project van splijtingswapens overlaat aan Klaus Fuchs. Deze bekent later te werken als spion voor de Sovjets.
Het eigenlijke mechanisme van de waterstofbom is nog steeds een van de belangrijkste atoomgeheimen. Er is slechts een klein aantal officiële verklaringen afgelegd. Dit artikel is gebaseerd op basis van deze kleine hoeveelheid publieke kennis waar de meeste kenners het over eens zijn.
§ 1 DE H-BOM MET DEUTERIUM
In het begin wordt in het onderzoek naar een thermonucleaire bom in de VS deuterium als fusiebrandstof gebruikt. De uitdaging hierbij is hoe een aanzienlijke hoeveelheid hiervan verhit en samengedrukt kan worden. Met het simpelweg plaatsen van een deuteriumreservoir naast een explosief lukt dit niet.
Eerst denkt Teller de fusiebrandstof met de schokgolf van een explosie te verhitten en samen te drukken. In de VS wordt dit ontwerp nooit getest, maar het wordt wel gebruikt voor de eerste waterstofbom van de Sovjet-Unie, ook wel de ‘Sloika’ (laagjescake) genoemd.
In de VS komt Stanislav Ulam met een ander mechanisme om de fusiebrandstof te ontsteken: een tweetraps ontwerp (two-stage design). Bij het ontploffen van een ‘primary’, meestal een boosted splijtingsbom, ontstaat een intense fotonenstroom. Dit is een enorme hoeveelheid elektromagnetische straling, fotonen, voornamelijk röntgenstralen. Deze straling wordt benut voor het ontsteken van de ‘secondary’, de fusiebom.
De fotonen bereiken de secondary eerder dan de schokgolf, en geven door reflectie en kanalisering voldoende energie om de secondary te ontsteken. De splijtbare, subkritische bougie van plutonium in de kern wordt kritisch en begint een splijtingsreactie. De temperatuur hiervan is hoog genoeg voor het starten van een fusieproces. De enorme hoeveelheden neutronen die hierbij ontstaan zorgen bovendien voor een zeer efficiënte splijting van de bougie en de tamper.
– IVY MIKE
De eerste waterstofbom van de VS die wordt getest heet Ivy Mike. De bom is enorm groot: zo groot als een gebouw met drie verdiepingen. De bom wordt daarom door de Sovjets gekscherend een thermonucleaire installatie genoemd. De waterstofbom weegt 75 ton, is 6 meter hoog en heeft een diameter van 2 meter.
De bom is aangesloten op een koelsysteem omdat het vloeibaar deuterium als fusiebrandstof gebruikt. Er wordt gebruik gemaakt van deuterium, omdat de werking van deuterium beter begrepen wordt dan van andere brandstoffen.
De primary is een versie van de Mark 5 splijtingsbom. Het geheel is omgeven met een 25 cm dikke stalen wand, bekleedt met lood en polyethyleen (plastic).
De bom is zeer experimenteel. Wetenschappers schatten dat de explosieve kracht tussen de 1 en 10 megaton zal liggen, met een mogelijke maximale opbrengst van wel 80 megaton.
De daadwerkelijke kracht van Ivy Mike is uiteindelijk ongeveer 10 megaton, waarvan 23% van de energie afkomstig is uit fusie. De ontploffing verwoest het eiland Elugelab van het Enewetak-atol op de Marshalleilanden volledig. De bom laat een krater met een diameter van 1,9 km en 50 meter diep achter.
De intense neutronenflux genereert nieuwe elementen: einsteinium (99) en fermium (100) zijn door de gevolgen van deze test ontdekt.
Ondanks dat vloeibaar deuterium voor een onhandelbaar ontwerp zorgt, wordt het wapen doorontwikkeld tot de Mark 16 bom. Deze weegt 19 ton. Er worden er vijf gebouwd voordat een beter ontwerp ontstaat.
§ 2 DE H-BOM MET LITHIUMDEUTERIDE
Zowel in de VS als de Sovjet-Unie gaat de ontwikkeling van de waterstofbom verder met het gebruik van lithiumdeuteride als fusiebrandstof. Deze stof is vast bij kamertemperatuur. Lithiumdeuteride (6Li2H) bestaat uit een lithiumatoom met een deuteriumatoom.
Als de primary, de boosted splijtingsbom, explodeert komen daar neutronen bij vrij. Als deze neutronen lithiumdeuteride beschieten, splijt het in helium en tritium, en komt er energie vrij.
6Li2H + n → 4He + 3H
Het geproduceerde tritium kan op zijn beurt weer fuseren met deuterium, waardoor weer meer energie en neutronen vrijkomen.
– CASTLE BRAVO
De eerste test met een waterstofbom met lithiumdeuteride door de VS is ‘Castle Bravo’. De bom staat in een cabine op een kunstmatig eiland tussen de Bikini eilanden (deel van de Marshall eilanden).
De test verloopt niet als gepland. Natuurlijk lithium bestaat voor ongeveer 7% uit lithium-6 en 93% uit lithium-7. Het is bekend dat lithium-6 kan worden gespleten door neutronen. Voor deze test wordt lithium-6 tot 40% verrijkt. Men veronderstelt dat lithium-7 niet aan de reactie deel zal nemen. Dit blijkt niet te kloppen. Neutronen met een lagere energie veroorzaken geen splijting in lithium-7, maar de hoogenergetische neutronen van fusiereacties wel. De extra tritium die wordt geproduceerd versterkt de reactie. Het resultaat is een explosie met een kracht van 15 megaton – 3 keer de voorspelde kracht. Een groot deel van de meet- en experimentopstelling wordt vernietigd. De gevolgen voor de bevolking die niet is geëvacueerd zijn catastrofaal.
– RDS-37
In deze stap in de wapenwedloop verslaat de Sovjet-Unie, onder leiding van Andrej Sacharov, de VS. Ze slagen erin met de RDS-37 (Joe 19 voor de Amerikanen), de eerste waterstofbom uit een vliegtuig te werpen. Dit maakt het wapen inzetbaar in oorlog.
De RDS-37 bom heeft ook lithium-6-deuteride als fusiebrandstof. Lithiumdeuteride wordt al gebruikt in de Sloika, maar bij dit nieuwe ontwerp stappen de Sovjets ook over op het tweetraps ontwerp van Ulam-Teller (in de Sovjet-Unie wordt dit ontwerp ‘het derde idee van Sacharov’ genoemd).
– TSAR BOMBA
Het krachtigste wapen dat ooit is getest, is een Sovjetwapen dat bekend is onder vele codenamen (bijvoorbeeld RDS-220, AN602), maar in het Westen vooral bekend is onder de informele naam Tsar Bomba. Met een kracht van 50 megaton is dit de grootste door mensen veroorzaakte explosie ooit: tien keer de kracht van alle explosieven samen die in de Tweede Wereldoorlog zijn gebruikt.
Het ontwerp van de Tsar Bomba is een drietrapsbom. De eerste trap bestaat uit een splijtingsbom van het implosietype. De energie hiervan ontsteekt een kernfusiereactie in de tweede trap, met lithiumdeuteride als fusiebrandstof. De vrijkomende energie hiervan ontsteekt op zijn beurt een soortgelijke, maar grotere derde trap.
Bij de explosie van de Tsar Bomba wordt ongeveer 97% van de totale energie opgewekt door kernfusie. Paradoxaal genoeg noemen specialisten zo’n waterstofbom daarom ‘schoon’. Bij een ‘schone bom’ (clean bomb) ontstaat voornamelijk helium. Bij een atoombom gebaseerd op kernsplijting ontstaat fall-out met zwaar radioactieve splijtingsproducten.
De test vindt plaats op 30 oktober 1961 op Nova Zembla. De hitte van de explosie is zo groot dat deze op een afstand van 100 km derdegraads brandwonden kan veroorzaken. De explosie is zichtbaar in Finland en de drukgolf veroorzaakt daar zelfs wat glasschade. De seismische schok van de explosie gaat drie maal rond de aarde. De paddenstoelwolk die opstijgt bereikt een hoogte van 64 km.
Het testen van zo’n gigantisch wapen is in de eerste plaats een politieke zet.
§ 3 HET BEZIT VAN DE H-BOM DOOR ANDERE ATOOMSTATEN
Naast de VS en Rusland is bewezen dat ook Frankrijk, het Verenigd Koninkrijk en China waterstofbommen hebben getest. Bij Israël, India, Pakistan en Noord-Korea is dat onder specialisten onderwerp van discussie.
Het Verenigd Koninkrijk en Frankrijk hebben waterstofbommen getest met een explosieve kracht van meer dan 2 megaton. Groot-Brittannië in 1957 op Christmas Island en Frankrijk in 1968 op Fangataufa, een atol dat deel uitmaakt van Frans-Polynesië. China test voor het eerst een thermonucleair wapen op het testterrein in Lop Nur in 1967, minder dan drie jaar na een eerste atoomtest.
§ 4 MODERNE WAPENS
In hedendaags onderzoek wordt juist meestal gewerkt aan kleinere bommen – met een enorme kracht – die vervoerd kunnen worden door raketten.
Er wordt nog steeds gebruik gemaakt van het efficiënte Ulam-Teller tweetrapsontwerp. Wapens met een variabele explosieve kracht worden in militair jargon ook wel wapens met ‘dial-a-yield’ (flexibele opbrengst) genoemd. Deze technologie komt in moderne wapens alomtegenwoordig voor.
Het Ulam-Teller ontwerp geeft in theorie verschillende mogelijkheden om de explosieve kracht te variëren. De hoeveelheid gas die bij de boosting geïnjecteerd wordt kan gevarieerd worden, bijvoorbeeld 0%, 25%, 50% of eventueel 100% van het gas. Er kan gevarieerd gebruik gemaakt worden van de externe neutroneninitiatoren. Ook kan de gehele secondary, de thermonucleaire reactie, uitgeschakeld worden.
De B61-bom kan bijvoorbeeld worden ingesteld om te ontploffen met opbrengsten van 1/3 kiloton tot 170 kiloton. Dat is een factor van meer dan 500.
Veel van de wapens die momenteel zijn opgeslagen en kunnen worden ingezet hebben een explosieve kracht tussen de 100 en 300 kiloton. De Amerikaanse kernkop zoals de B83 kan op het slagveld worden aangepast voor zo’n ‘lage’ explosieve kracht, maar ook tot 1,2 megaton worden opgeschaald.
Met de huidige verbeterde computersimulatie hebben sommige delen van de bom wel andere vormen aangenomen, bijvoorbeeld een pindavormig ontwerp van het omhulsel. Over de exacte ontwerpen bestaan alleen speculaties omdat de ontwerpen natuurlijk vallen onder de grootste atoomgeheimen, met andere woorden zeer geclassificeerd zijn.
