Splijtingsbom - Pistooltype
De ‘Little Boy’ is de naam van de eerste atoombom die ooit in een oorlog werd gebruikt. De werking van dit type atoombom wordt door wetenschappers van het Manhattan Project zo eenvoudig geacht, dat er niet eens een volledige test plaatsvindt voordat de bom op 6 augustus 1945 op Hiroshima wordt geworpen.
§1 VAN SUBKRITISCH NAAR SUPERKRITISCH
Om een kernwapen te laten ontploffen, is een superkritische massa splijtstof nodig. Een superkritische massa kan ontstaan door twee subkritische massa’s materiaal apart te houden totdat het tijd is dat het wapen tot ontploffing komt. Een simpele manier om dit uit te leggen is aan de hand van het ontwerp van de Little Boy – alhoewel alle atoombommen van dit pistooltype inmiddels zijn ontmanteld.
In de Little Boy wordt gebruik gemaakt van verrijkt uranium als splijtstof. De splijtstof is in twee delen opgeslagen. Deze worden samengebracht door het afvuren van het ene deel naar het andere deel. Vanwege dit (op zichzelf staande) kanon in het bomomhulsel wordt deze manier van detoneren het ‘pistooltype’ genoemd.
In het geval van Little Boy wordt een huls afgevuurd, die precies om een cilinder past. Hierdoor ontstaat de superkritische massa van splijtbaar materiaal en de nucleaire kettingreactie. Veel diagrammen tonen het omgekeerde (zoals het bovenstaande plaatje); een cilinder die in een huls wordt geschoten. Maar er zijn redenen voor dit on-intuïtieve ontwerp.
§2 WOLFRAAMCARBIDE – TAMPER EN NEUTRONENREFLECTOR
De reden waarom een huls om een cilinder wordt geschoten heeft te maken met de structuur om de splijtingskern heen. Deze structuur, een omhulsel van wolfraamcarbide, dient twee belangrijke doelen.
Het eerste doel is om de kern met splijtstof iets langer bij elkaar te houden (tamper/pusher-functie). Hierdoor kan de reactie iets langer aanhouden, zodat er iets meer splijting plaatsvindt. Hoewel wolfraamcarbide een heel hard materiaal is, verdampt de treksterkte letterlijk in de hitte van de nucleaire explosie. Het enige dat het nucleaire hellevuur een fractie van een seconde tegenhoudt is de dichtheid.
Het tweede doel van het wolfraamcarbide is om neutronen te weerkaatsen. De neutronen die aan de reactie ontsnappen, worden door deze neutronenreflector terug in de kern gebracht. Een neutronenreflector wordt dicht tegen een splijtbare massa aan geplaatst en zorgt ervoor dat deze massa eerder kritisch wordt.
Als de huls van de Little Boy direct tegen de neutronenreflector aan zou worden geplaatst, kan er minder splijtstof gebruikt worden. Door de huls te schieten, kan een grotere massa gebruikt worden – zodat ook de explosieve kracht van de bom groter is.
Wolfraamcarbide als tamper en neutronenreflector levert dus een belangrijke bijdrage aan de ‘opbrengst’ van het wapen.
§3 HET BEGIN VAN DE KETTINGREACTIE
De eerste neutronen waarmee de kettingreactie begint zijn afkomstig van spontane splijting.
De Little Boy bevat ook een neutronengenerator onder de codenaam ‘ABNER’. Hieruit komen neutronen vrij om de kettingreactie te starten. De generator is niet essentieel voor het functioneren van de bom en wordt pas later aan het ontwerp toegevoegd.
§4 PREDETONATIE
Als het kanon wordt afgevuurd, beweegt de huls (het projectiel) met ongeveer de geluidssnelheid door de loop. Het hoeft niet gestopt te worden want na het begin van de splijtingsreactie, duurt het maar ongeveer 1 microseconde voordat het geheel zal ontploffen. En in een microseconde beweegt het projectiel maar ongeveer 0,3 mm.
Als echter de twee delen nog niet geheel samengevoegd zijn, is er een moment dat de massa in feite kritisch maar nog niet volledig superkritisch is. Er is een mogelijkheid dat de reactie kan beginnen op dat moment – dan explodeert de bom, maar met een veel lagere heftigheid. Dit wordt predetonatie genoemd. De meeste bronnen schatten dat de kans op predetonatie bij de Little Boy ongeveer 10% is geweest.
§5 DE ‘THIN MAN’
Het Manhattan Project besluit ook om plutoniumwapens te ontwerpen. De ‘Thin Man’ is een andere atoombom van het pistooltype, maar met plutonium-239 als splijtstof. De naam ‘Thin Man’ komt van de veel langere kanonsloop die wordt gebruikt om de splijtbare kern samen te voegen.
De kans op predetonatie is met het gebruik van plutonium-239 groter dan met uranium-235.
Er wordt berekend dat met een snelheid van ongeveer 900 meter per seconde, predetonatie voorkomen kan worden. Om deze snelheid te bereiken is de geweerloop van de Thin Man meer dan 5 meter lang. Dit is zo lang dat er maar één vliegtuig in de geallieerde strijdkrachten is die deze bom kan vervoeren (de Avro Lancaster).
Bij het testen van het wapen zijn er enkele problemen met de aerodynamica, maar het echte probleem komt als plutonium wordt geleverd dat afkomstig is uit reactoren.
De eerste wapens zijn ontworpen met plutonium-239 geproduceerd in cyclotrons. Het plutonium dat wordt geproduceerd door de reactor bevat veel meer van het isotoop plutonium-240. Hierdoor neemt de hoeveelheid spontane splijting zo toe, dat een nog langere kanonsloop nodig is. Met een langere kanonsloop zou een hogere snelheid van het projectiel bereikt kunnen worden waardoor de assemblagetijd zou worden verkort. De geweerloop zou zo lang moeten worden dat de bom in geen enkel vliegtuig meer past. Om deze reden wordt in juli 1944 de ontwikkeling van de Thin Man stopgezet.