Kernwapen

Video van hetRope trick effect,ofwel de bijzondere uitschietende vuurstralen net na de detonatie

Eenkernwapen(ook welkernbom,atoombomofatoomwapen) is een type wapen dat gebruikmaakt van deenergiedie is opgeslagen inatoomkernenom een ontploffing te veroorzaken, in tegenstelling tot conventioneleexplosieven,die ontploffen doorchemische reacties,waarbij de atoomkernen onveranderd blijven. Eenkernkopis het eigenlijke kernwapen in een kernraket. De termkernbomwordt soms gereserveerd voor overige kernwapens, zoals die welke bedoeld zijn om door eenbommenwerper(waaronder een daartoe uitgerustjachtvliegtuig) te worden afgeworpen, en voor kernexplosieven die als proef worden gedetoneerd, maar niet direct geschikt zijn als wapen. De termen met "atoom" gelden als minder toepasselijk en min of meer verouderd, en worden daarom vaak alleen in een historische context gebruikt, en/of, daarmee samenhangend, alleen voor pure kernsplijtwapens.

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

Er wordt een onderscheid gemaakt naar werkingsmechanisme tussen kernwapens die uitsluitend gebruikmaken vankernsplijtingin eennucleaire kettingreactie(meturaniumofplutonium,ook welA-bomgenoemd) en kernwapens die ook gebruikmaken vankernfusie(waterstofbom,H-bomofthermonucleair wapengenoemd).

Naar soort van voorziene inzet kan men onderscheid maken tussen eenstrategisch kernwapenen eentactisch kernwapen.Strategische kernwapens zijn ontworpen voor inzet op verafgelegen strategische doelen. Zij worden bij het doel gebracht met eenintercontinentale raket(vanuit eenstrategische raket-onderzeeboot,uit eenraketsiloof een mobiele installatie op het land) of een bommenwerper. Tactische kernwapens zijn bedoeld voor gebruik op het slagveld, en kunnen gebruikt worden in bijvoorbeeld eendieptebom,raket(waaronderkruisvluchtwapen),artillerie,landmijn,oftorpedo.

Volgens het rapport van 11 juli 2023 van het Stockholm International Peace Research Institute (SIPRI) zijn er negen staten met kernwapens: Rusland, de Verenigde Staten, het Verenigd Koninkrijk, Frankrijk, China, India, Pakistan, Israël en Noord-Korea. Samen bezaten zij er begin 2023 naar schatting 12.512.^[1]^[2]

Typen[bewerken|brontekst bewerken]

Kernsplijtwapen[bewerken|brontekst bewerken]

Bij een kernsplijtwapen is de gebruiktesplijtstof verrijkt uraniumofplutonium.Deze bevat eensubkritische configuratievan splijtstof die bij detonatie "geassembleerd" wordt tot een superkritische, zodat deze explodeert. Deze "assemblage" bestaat uit het bij elkaar brengen van gedeelten (kanonmethode) of de verhoging van de dichtheid door samenpersing (implosiemethode).

Naargelang de splijtstof en de wijze van het superkritisch maken daarvan zijn er drie typen kernsplijtwapen:

uraniumbom met kanonmethode
uraniumbom met implosiemethode
plutoniumbom (met altijd de implosiemethode)

Splijtstof[bewerken|brontekst bewerken]

In een uraniumbom is de werkzame splijtstofuranium-235.Na reactie van een atoomkern van dezeisotoopmet een vrijneutronontstaat²³⁶U,dat direct uiteenvalt, waarbij, naast een grote hoeveelheid energie, ook enige neutronen vrijkomen, die weer kunnen reageren met andere²³⁵U-kernen.Benodigd ishoogverrijkt uranium,dat wil zeggen, uranium waarin de isotoop U-235 in veel grotere hoeveelheden voorkomt dan in natuurlijk uranium.

Een van de mogelijke reacties is

{}_{\ 92}^{235}{\textrm {U}}\ +\ {}_{0}^{1}{\textrm {n}}\to \ {}_{\ 92}^{236}{\textrm {U}}\to \ {}_{38}^{94}{\textrm {Sr}}\ +\ {}_{\ 54}^{140}{\textrm {Xe}}\ +\ 2\ {}_{0}^{1}{\textrm {n}}

Ook andere splijtingsproducten zijn mogelijk; gemiddeld komen ca. 2,5 neutronen per reactie vrij.

Model van de bom "Little Boy"die op Hiroshima is geworpen

Model van de bom "Fat Man"die op Nagasaki is geworpen

In een plutoniumbom gebruikt men sommigeisotopenvan het elementplutonium,dat verkregen wordt door in een kernreactor een andere natuurlijke uraniumisotoop²³⁸Uaan neutronen bloot te stellen.

Superkritisch maken van de splijtstof[bewerken|brontekst bewerken]

Het superkritisch maken van de splijtstof kan op twee manieren. De ene manier is dekanonmethode:het inschieten van een subkritische hoeveelheidsplijtstofin een andere subkritische hoeveelheid. Deze methode is alleen mogelijk met uranium. Bij plutonium zou de kettingreactie namelijk te vroeg op gang komen en daardoor uiteindelijk veel minder krachtig zijn (predetonatie,fizzle), namelijk zodra het afgeschoten gedeelte voldoende dicht bij het doel is om samen een kritische massa te vormen. Dit komt doordat in plutonium meer spontane kernsplijtingen voorkomen, die het proces starten.

De andere methode is deimplosie:een subkritische massa wordt door een conventionele explosie van explosief materiaal dat om die massa heen is geplaatst sterk samengedrukt waardoor het neutronenrendement toeneemt en de massa superkritisch wordt. Door het aanbrengen van eenneutronenreflectorom de bom heen (eventueel ook dienend om de bom langer bij elkaar te houden) wordt de kritische massa extra verlaagd zodat minder splijtstof nodig is, of de bom krachtiger wordt. De efficiëntie en het succes van de reactie hangen in dit type bom in hoge mate af van de gelijkmatigheid waarmee de conventionele comprimerende ontploffing plaatsvindt. Hiervoor is een groot aantal zeer nauwkeurige elektrischedetonatorenmet exact gelijke en bekende vertragingstijden nodig en springstoffen van nauwkeurig bepaalde vorm en explosieve eigenschappen. Zie ook de beschrijving bijFat Man.

Als eerste trap van een meertrapswapen (zie onder) is en wordt alleen de implosiemethode toegepast. Technologisch geavanceerde staten gebruiken ook als ze eventueel (nog) pure kernsplijtwapens hebben, voor zover bekend alleen (nog) de implosiemethode.

Verloop van de explosie[bewerken|brontekst bewerken]

De snelheid van de vrijgekomen neutronen is in de orde van grootte van 10.000 km/s, en de af te leggen afstand tot een nieuwe kernreactie wordt veroorzaakt in de orde van grootte van 10 cm. Een "generatie" duurt dus ongeveer 10 ns (10nanoseconde,ook eenshakegenoemd), en binnen 1 μs (1microseconde,100shakes) stopt de kettingreactie. Het aantal kernreacties stijgt in het begin van deze microseconde exponentieel, maar de configuratie van de splijtstof verandert door de vrijgekomen energie zeer snel door smelten en verdampen van de splijtstof en zijn omhulling, waardoor de reactie stopt. De efficiëntie van het kernwapen kan worden uitgedrukt als percentage van de aanwezige splijtbare kernen dat ook daadwerkelijk splijt. Bij een extreem efficiënt kernwapen zouden de kernreacties pas wezenlijk afgeremd worden door het opraken van de splijtstof. Bij eenfizzle(mislukte kernexplosie) stoppen de kernreacties al als maar een zeer klein deel van de splijtstof gespleten is. Bij een realistisch kernsplijtwapen is de efficiëntie maximaal 20 tot 40%.

Het zo hoog mogelijk maken van de efficiëntie en daarmee gerelateerd het zo lang mogelijk bij elkaar houden van de splijtstof in superkritische toestand is een van de belangrijkste technische problemen bij het ontwerp van een kernsplijtwapen. De eerste kernsplijtwapens hadden een rendement van slechts 2%. Door inzet vanberylliumalsneutronenreflectoren door het inspuiten van een paar gramdeuteriumoftritiumin het te splijten materiaal (bij de zo geïnduceerde kernfusie komen ook geschikteneutronenvrij) wordt in modernere kernsplijtwapens (meestal als eerste trap van een meertrapswapen, zie hieronder) een veel hoger rendement (in de orde van 20%) gehaald, wat bij een meertrapswapen niet zozeer nuttig is voor het in absolute zin vergroten van de explosieve kracht (want daarvoor is er de tweede trap), maar meer omdat er dan minder splijtstof nodig is voor het in werking stellen van de tweede trap.

Boostedkernsplijtwapen[bewerken|brontekst bewerken]

Eenboostedkernsplijtwapen (boosted fission weapon) is een tussenvorm tussen een kernsplijtwapen en een kernfusiewapen. Er vindt wel kernfusie plaats, met behulp vandeuteriumentritium,maar niet in een kettingreactie. De kernfusie levert (naast een relatief zeer beperkte hoeveelheid extra energie uit de kernfusie zelf) wel extra neutronen die ervoor zorgen dat een groter deel van het kernsplijtingsmateriaal daadwerkelijk splijt. Ook de eerste trap van een meertrapswapen is vaakboosted.

Kernfusiewapen[bewerken|brontekst bewerken]

De details van het ontwerp van kernfusiewapens zijn militair geheim, maar de grote lijn is voor zover bekend als volgt.

In een thermonucleair wapen (waterstofbom) zijn er dicht bij elkaar in een gemeenschappelijke omhulling een eerste trap en een aparte capsule met de tweede trap. De eerste trap is een (vaakboosted) kernsplijtbom. De gemeenschappelijke omhulling en de buitenkant van de tweede trap, beide van een element met een hoog atoomnummer, laten geenröntgenstralingdoor. De ruimte tussen de gemeenschappelijke omhulling en de eerste en tweede trap is gevuld met een speciaal, mysterieus licht materiaal dat in ieder geval röntgenstraling goed doorlaat. Dit tussentrapsmateriaal wordt wel aangeduid met de codenaamFogbank.^[3]

Door de zeer hoge temperatuur produceert de eerste trap bij detonatie alswarmtestralingintenseröntgenstraling.De gemeenschappelijke omhulling zorgt voor een soort reflectie van de röntgenstraling, in die zin dat deze zeer heet wordt en zelf inwaarts röntgenstraling als warmtestraling gaat uitzenden. Alle röntgenstraling zorgt voor intense verhitting vanaf de buitenkant van de tweede trap, die zorgt voor implosie daarvan. Dit wordtstralingsimplosiegenoemd, maar de grootste kracht is nietdirectde kracht van de straling, maar de kracht van het uiteenvallen van de omhulling van de tweede trap, een soort explosie van die omhulling, met als inwaartse kracht mede de reactiekracht van de uitwaartse kracht.

In de tweede trap vindtkernfusieplaats, vanwaterstofisotopenzoalsdeuterium(²H) entritium(³H) tot zwaardereelementen,maar is ook nog eenspark plugvan splijtstof.

Onderscheiden worden een splijting-fusiewapen en een splijting-fusie-splijtingwapen. In het laatste geval veroorzaakt de kernfusie op zijn beurt ook weer veel kernsplijting, van aan de bom toegevoegd natuurlijk of verarmd uranium; dit geeft veel extraradioactiviteit.Nog een variant is een splijting-fusie-fusiewapen, met drie aparte trappen (theoretisch kunnen er ook nog meer zijn).

De kernfusie in een waterstofbom is niet hetzelfde proces dat dezondoet stralen: daar wordt het gewoneprotium(¹H) gefuseerd in deproton-protoncyclus.Dat proces is te traag voor een bom. De exacte configuratie van een waterstofbom is nog steeds geheim, hoewel op grond van in de loop der decennia uitgelekte gegevens inmiddels tamelijk goed bekend is hoe een dergelijke bom in elkaar zit (hetTeller-Ulam-ontwerp).

Eenneutronenbomis een splijting-fusiewapen dat vooral veelneutronenstralinggenereert, en relatief weinig explosieve kracht heeft.

Kernwapens met instelbare explosieve kracht[bewerken|brontekst bewerken]

Bij moderne thermonucleaire wapens kan de explosieve kracht vaak kort voor gebruik tussen een minimum en een maximum ingesteld worden. Een van de mogelijkheden om de explosieve kracht te beperken kan daarbij zijn het buiten werking stellen van het fusiestadium, waardoor het effectief een kernsplijtwapen wordt. De explosieve kracht daarvan kan ook beperkt worden, onder meer door het bovengenoemdeboostenbuiten werking te stellen.

Saltedkernwapen[bewerken|brontekst bewerken]

Eensaltedkernwapen, waaronder eenkobaltbom,is een hypothetisch een- of meertraps kernwapen dat ontworpen is om jarenlang veel radioactiviteit te veroorzaken in het getroffen gebied of zelfs wereldwijd. Een kobaltbom zou bijvoorbeeld een omhulling vankobalt-59hebben dat door de neutronen wordt omgezet inkobalt-60met een halfwaardetijd van ruim 5 jaar (lang genoeg voor jarenlange radioactiviteit, en kort genoeg voor een hoge intensiteit).

Effecten[bewerken|brontekst bewerken]

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

De radioactiviteit op de plaats van de ontploffing neemt zeer snel af. Wanneer een kernwapen in de lucht is ontploft zal de omgeving al snel weer "schoon" zijn. Het kostte de Amerikanen enige dagen na de ontploffingen in Hiroshima moeite om nog verhoogde radioactiviteit op de grond te meten. De gevolgen van de fall-out, in het ernstigste geval binden radioactieve deeltjes van de bom zich aan stof uit de grond, zijn bijzonder gevaarlijk maar ook deze effecten nemen snel af.^[4]

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

De kracht van kernwapens[bewerken|brontekst bewerken]

De "kracht" van een kernbom (natuurkundig geen kracht maar de energie-opbrengst; in het Engelsyield) wordt uitgedrukt inTNT-equivalent(ongeveer de massa van de springstofTNTdie nodig zou zijn om een even grote energie te laten vrijkomen). De bom die bovenHiroshimawerd afgeworpen had een energie-opbrengst van 15kilotonTNT-equivalent.

Later werden kernwapens met een veel grotere energie-opbrengst ontwikkeld. Hiervoor wordt demegatongebruikt om deze aan te duiden. De zwaarste bom die ooit werd getest, deTsar Bomba,had een energie-opbrengst van meer dan 50 megaton, dus 50 000 000 ton TNT (dus 50 000 000 000 kilo), door een loden schil, in plaats van de originele uraniumschil, die de explosieve kracht dempte (en de fall-out verminderde). De geschatte potentiële energie-opbrengst van deTsar Bombabedroeg 100 megaton.

Bij een kernsplijtwapen komt ruim 80% van de energie vrij in de vorm van kinetische energie van de splijtingsproducten, een kleine 15% in de vorm van neutronen,bètastraling(doorradioactief vervalvan splijtingsproducten in de loop van de tijd) engammastraling(direct, en door radioactief verval van splijtingsproducten in de loop van de tijd), en 5% in de vorm vanneutrino's (die nauwelijks interactie hebben met andere materie, hun effect is vooral dat de overige percentages samen minder dan 100% zijn).

De explosieve kracht in de zin van de intensiteit van de drukgolf is niet zonder meer evenredig met deze energie, en is bijvoorbeeld bij een neutronenbom kleiner.

Geschiedenis[bewerken|brontekst bewerken]

Ontwikkeling[bewerken|brontekst bewerken]

De eerste kernsplijtingsbommen werden gemaakt in deVerenigde Staten,waar in1939een project (hetManhattanproject) was gestart om een atoombom te ontwikkelen en om voldoende splijtbaar materiaal te produceren voor een bom. HetLos Alamos-laboratorium, of Project Y, werd begin 1943 voor slechts één doel opgezet: een atoombom ontwerpen en bouwen. Amerikaanse wetenschappers haastten zich om de kracht van het atoom te ontsluiten. Er werd gevreesd dat ooknazi-Duitslandaan een kernbom werkte. Dit was inderdaad zo, maar hun project is, hoewel er aanzetten toe waren gedaan, nooit goed van de grond gekomen.

De eerste testontploffing (met deTrinity,een plutoniumbom) vond op16 juli 1945om 5:29:45 plaats in dewoestijnvanNew Mexico.De explosieve kracht bedroeg 20 tot 22 kiloton. In het team dat de bom ontwierp werkten de allerbeste wetenschappers, onder wie veel die ook bij een groter publiek bekend raakten, zoalsRobert Oppenheimer,Richard Feynman,John von Neumann,Murray Gell-MannenEdward Teller.Behalve deze kern van geniale wis- en natuurkundigen was het Manhattanproject ook een enorme industriële onderneming; de benodigde opwerkingsfabrieken en de investeringen daarvoor waren kolossaal.

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

Gebruik[bewerken|brontekst bewerken]

Er is twee keer een kernwapen daadwerkelijk in een oorlog gebruikt, beide tijdens deTweede Wereldoorlog,in 1945, door deVerenigde StatentegenJapan.Gezien de toenmalige stand van de techniek waren het beide pure kernsplijtwapens en werden ze beide afgeworpen met een bommenwerper. Wel werd toen al in beide een verschillende splijtstof gebruikt en een verschillende methode van superkritisch maken daarvan.

Het eerste,Little Boy,was een uraniumbom met kanonmethode; deze methode was wegens gebrek aan uranium, en wegens het vertrouwen dat de bom zou werken, nooit getest. De bom werd door de Verenigde Staten op 6 augustus 1945 boven de Japanse stadHiroshimatot ontploffing gebracht. Het vliegtuig waarmee de bom naar Hiroshima werd gevlogen heetteEnola Gay.De bom had een explosieve kracht die equivalent was aan ongeveer 15kiloton TNTen maakte 78.000 directe slachtoffers. Door de na-effecten als gevolg van de ioniserende straling liep het dodental uiteindelijk op tot ongeveer 140.000 eind 1945.

Op9 augustus1945 werdNagasakiaangevallen met een plutoniumbom:Fat Man. De explosieve kracht van deze tweede bom was groter (21 kiloton). Er vielen 27.000 directe doden. Dat waren er minder dan bij de eerste bom, doordat de bom wegens te veel bewolking niet boven het oorspronkelijk geplande punt was afgeworpen. Het dodental in deze stad liep uiteindelijk op tot zeker 70.000 eind 1945.

Bij beide explosies kwam ook een grote hoeveelheidradioactiviteitvrij, die nog tot lang na de Tweede Wereldoorlogstralingsziektenveroorzaakte, waardoor vele doden zijn gevallen. Volgens opgave van de Japanse autoriteiten, die ook de slachtoffers registreerden die jaren later vielen door bijvoorbeeld kanker als gevolg van straling, kostten de bommen aan totaal ruim 240.000 mensen het leven.

Vreedzaam gebruik[bewerken|brontekst bewerken]

In de jaren 50, 60 en 70 zijn er plannen geweest kernexplosies te gebruiken voorniet-militaire doeleinden,zoals het graven van kanalen, het opblazen van rotsen enz. Vanwege de grote hoeveelheid ioniserende straling die bij een kernexplosie vrijkomt wordt dit tegenwoordig niet meer waarschijnlijk geacht.

Verdere ontwikkeling en kernproeven[bewerken|brontekst bewerken]

Er zijn, vooral in de jaren 60 en 70, nog ruim 2000kernproevengedaan.

In 1951 was de Greenhouse Item de eersteboostedkernsplijtbom. De energie-opbrengst van 45 kT was het dubbele van wat deze naar schatting zonderboostingzou zijn geweest.

De waterstofbom heeft een nog veel grotere vernietigende kracht. Bovendien komt bij de ontploffing van een kernwapen veelradioactiviteitvrij in de vorm van directeioniserende straling,maar ook in de vorm van langlevendeisotopendie zeer schadelijk voor de gezondheid zijn. Dit zijn de redenen dat de beide supermogendheden, deVerenigde Statenen deSovjet-Unie,bij dewapenwedlooptijdens deKoude Oorlogwel veel kernwapens produceerden, maar afzagen van het voeren van een directe oorlog. Dit noemt men de afschrikkende werking van kernwapens (in het Engels:mutually assured destruction). Volgens voorstanders van kernwapens is door deze dreiging het gevaar van een grote oorlog sterk verminderd. Anderen vrezen echter dat er ooit een kernoorlog uitbreekt, met de vernietiging van de mensheid tot gevolg.

Vuile bom (dirty bomb)[bewerken|brontekst bewerken]

Eenvuile bom(Engels:dirty bomb) is een wapen dat voor zijn explosie niet van kernsplitsing of -fusie gebruikmaakt, maar met behulp van een conventioneel explosief een hoeveelheid radioactief materiaal verspreidt; strikt genomen wordt hier dan niet over een kernwapen gesproken maar over eenradiologisch wapen.Omdat een vuile bom veel eenvoudiger te construeren is dan een echt kernwapen wordt vooral van dit wapen gevreesd dat het door terroristen gebruikt zou kunnen worden.

Verdragen[bewerken|brontekst bewerken]

Jaar	Verdrag	Inhoud
1963	Gedeeltelijk kernproefstopverdrag	Verbiedtkernproevenin de atmosfeer, de ruimte en onder water. Nooit getekend door onder meer Frankrijk, China en Noord-Korea.
1967	Ruimteverdrag	Verbiedt onder meer het plaatsen van kernwapens in de ruimte.
1968	Non-proliferatieverdrag	Beperking van kernwapens tot de staten die ze al hebben: deVerenigde Staten,Sovjet-Unie,Verenigd Koninkrijk,ChinaenFrankrijk.Geen overdracht van technologie aan andere landen.
1972	ABM-verdrag	Verdrag tussen deVerenigde Statenen deSovjet-Unieover de beperking van het gebruik vanantiballistische raketten.Op 13 juni 2002 stapte de VS uit het verdrag.
1974	Threshold Test Ban Treaty	Verdrag tussen deVerenigde Statenen deSovjet-Unieover ondergrondsekernproevenboven 150kiloton.
1985	Verdrag van Rarotonga	OceaniëenAustraliëzijn en blijven kernwapenvrij gebied.
1987	INF-verdrag	DeVerenigde Statenen deSovjet-Uniespreken af dat nucleaire en conventionele raketten en kruisvluchtwapens met een bereik van 500 tot 5500 kilometer vernietigd moeten worden.
1996	Kernstopverdrag^[5]	Verbiedt allekernexplosies.
2002	Verdrag van Moskou	DeVerenigde StatenenRuslandleggen hun kernwapenarsenaal aan banden.