Radioactieve straling begrijpen
Straling en radioactieve neerslag
Radioactieve neerslag is simpelweg het stof en vuil dat na een kernexplosie op de grond valt. Het is “geladen” met straling en zal uiteindelijk “uitbranden” – een proces dat enkele dagen duurt.
Radioactieve neerslag valt op een vergelijkbare manier als na een vulkaanuitbarsting. Het heeft een vlokkige structuur en de deeltjesgrootte kan afnemen tot stofdeeltjes of kleiner. Verwacht dat de neerslag dichter bij de explosieplaats dikker is en dunner wordt naarmate deze met de wind meewaait.
Het slechte nieuws over radioactieve neerslag is dat de radioactiviteit ervan dikke oppervlakken (waaronder staal, hout en aarde) kan doordringen, ook al kan het stof zelf dat niet. Kortom, als je buiten een schuilkelder wordt blootgesteld aan slechts 400 R/uur, ben je binnen enkele uren dood. Het goede nieuws is dat de radioactieve eigenschappen van radioactieve neerslag na ongeveer 48 uur afnemen tot bijna normale niveaus.
Dit is waar een ondergrondse schuilkelder van pas komt. Idealiter zou je na een nucleaire explosie, waarbij je de eerste explosie hebt overleefd, je gezin verzamelen in je volgens de regels gebouwde schuilkelder en daar wachten tot het voorbij is. Vier dagen later kom je naar buiten en begin je je leven weer op te bouwen.
Inzicht in radioactieve neerslag en wat u moet doen om uzelf vrijwel volledig te beschermen tegen de gevaren ervan is cruciaal. De constructie van uw ondergrondse schuilkelder moet de benodigde bescherming bieden om te overleven. In principe moet u uw schuilkelder zo bouwen dat het dak zich minstens 120 cm onder de grond bevindt (90 cm bij onverstoorde grond). Of u nu gewapend beton of een laag lood gebruikt, de 90 tot 120 cm grond biedt effectieve bescherming en vormt de eerste barrière die voorkomt dat radioactieve elementen uw lichaam binnendringen.
Bronnen van nucleaire straling
Jack Aeby/Los Alamos National Laboratory
Drukte- en thermische effecten treden in zekere mate op bij alle soorten explosies, zowel conventionele als nucleaire. De vrijgave van ioniserende straling is echter een fenomeen dat uniek is voor nucleaire explosies en vormt een extra oorzaak van dodelijke slachtoffers, bovenop de explosie- en thermische effecten.
Deze straling bestaat in principe uit twee soorten: elektromagnetische en deeltjesstraling. Deze straling wordt niet alleen uitgezonden op het moment van de explosie (initiële straling), maar ook nog lange tijd daarna (residuele straling). Initiële of directe kernstraling is de ioniserende straling die binnen de eerste minuut na de detonatie wordt uitgezonden en vrijwel volledig het gevolg is van de kernprocessen die tijdens de detonatie plaatsvinden.
Reststraling wordt gedefinieerd als de straling die later dan 1 minuut na de detonatie wordt uitgezonden en voornamelijk voortkomt uit het verval van radio-isotopen die tijdens de explosie zijn geproduceerd.
Initiële straling
Ongeveer 5% van de energie die vrijkomt bij een nucleaire luchtexplosie wordt overgedragen in de vorm van initiële neutronen- en gammastraling. De neutronen zijn vrijwel uitsluitend afkomstig van de energieproducerende splijtings- en fusiereacties, terwijl de initiële gammastraling zowel afkomstig is van deze reacties als van het verval van kortlevende splijtingsproducten.
De intensiteit van de initiële nucleaire straling neemt snel af met de afstand tot het explosiepunt. Dit komt door de verspreiding van de straling over een groter gebied naarmate deze zich verder van de explosie verwijdert, en door absorptie, verstrooiing en opname door de atmosfeer. De aard van de straling die op een bepaalde locatie wordt ontvangen, varieert ook met de afstand tot de explosie.
Vlakbij het explosiepunt is de neutronenintensiteit groter dan de gamma-intensiteit, maar met toenemende afstand neemt de neutronen-gamma-verhouding af. Uiteindelijk wordt de neutronencomponent van de initiële straling verwaarloosbaar in vergelijking met de gamma-component.
Het bereik waarin significante niveaus van initiële straling voorkomen, neemt niet sterk toe met de wapenopbrengst en daardoor vormt de initiële straling een minder groot gevaar naarmate de opbrengst toeneemt. Bij grotere wapens, boven de 50 kiloton, zijn de drukgolf en thermische effecten zo veel belangrijker dat de directe stralingseffecten kunnen worden genegeerd.
Reststraling
Het resterende stralingsgevaar van een kernexplosie bestaat uit radioactieve neerslag en door neutronen geïnduceerde activiteit. Resterende ioniserende straling ontstaat door:
Splijtingsproducten
Dit zijn isotopen met een gemiddeld gewicht die ontstaan wanneer een zware uranium- of plutoniumkern wordt gesplitst in een splijtingsreactie. Er zijn meer dan 300 verschillende splijtingsproducten die het resultaat kunnen zijn van een splijtingsreactie. Veel hiervan zijn radioactief met zeer uiteenlopende halfwaardetijden.
Sommige hebben een zeer korte halfwaardetijd, bijvoorbeeld een fractie van een seconde, terwijl andere een lange halfwaardetijd hebben waardoor de materialen maanden of zelfs jarenlang een gevaar kunnen vormen. Hun voornaamste vervalwijze is de emissie van bèta- en gammastraling. Per kiloton explosieve kracht worden ongeveer 60 gram splijtingsproducten gevormd.
De geschatte activiteit van deze hoeveelheid splijtingsproducten 1 minuut na de detonatie is gelijk aan die van 1,1 x 10²¹ Bq (30 miljoen kilogram radium) in evenwicht met zijn vervalproducten.
Niet-gesplijtend nucleair materiaal
Kernwapens zijn relatief inefficiënt in hun gebruik van splijtbaar materiaal, en een groot deel van het uranium en plutonium wordt door de explosie verspreid zonder te splijten. Dergelijk niet-gesplijtend nucleair materiaal vervalt door de emissie van alfadeeltjes en is van relatief geringe betekenis.
Door neutronen geïnduceerde activiteit
Rechts: Deuterium en tritium combineren door kernfusie tot helium plus een neutron.
Als atoomkernen neutronen invangen wanneer ze worden blootgesteld aan een flux van neutronenstraling, worden ze in de regel radioactief (door neutronen geïnduceerde activiteit) en vervallen ze vervolgens door de emissie van bèta- en gammastraling gedurende een langere periode. Neutronen die vrijkomen als onderdeel van de initiële nucleaire straling veroorzaken activering van de restanten van het wapen.
Daarnaast kunnen atomen van omgevingsmateriaal, zoals bodem, lucht en water, geactiveerd worden, afhankelijk van hun samenstelling en afstand tot de explosie. Een klein gebied rond het epicentrum kan bijvoorbeeld gevaarlijk worden als gevolg van blootstelling van de mineralen in de bodem aan de initiële neutronenstraling.
Dit komt voornamelijk door de absorptie van neutronen door natrium (Na), mangaan, aluminium en silicium in de bodem. Dit vormt een verwaarloosbaar gevaar vanwege het beperkte gebied dat ermee gemoeid is.
De neerslag
Wereldwijde neerslag
Na een luchtexplosie condenseren de splijtingsproducten, het niet-gesplijtde kernmateriaal en de wapenresten die door de hitte van de vuurbal zijn verdampt tot een fijne suspensie van zeer kleine deeltjes met een diameter van 0,01 tot 20 micrometer. Deze deeltjes kunnen snel de stratosfeer in worden getrokken, vooral als de explosieve kracht meer dan 10 kiloton bedraagt.
Ze worden vervolgens door atmosferische winden verspreid en zullen na weken, maanden en zelfs jaren geleidelijk neerdalen op het aardoppervlak als wereldwijde radioactieve neerslag. Het radiobiologische gevaar van wereldwijde radioactieve neerslag is in wezen een gevaar op de lange termijn vanwege de potentiële ophoping van langlevende radio-isotopen, zoals strontium-90 en cesium-137, in het lichaam als gevolg van de consumptie van voedsel dat deze radioactieve materialen bevatte. Dit gevaar is veel minder ernstig dan de gevaren die gepaard gaan met lokale radioactieve neerslag en wordt daarom niet uitgebreid besproken in deze publicatie. Lokale radioactieve neerslag is van veel groter direct operationeel belang.
Lokale radioactieve neerslag
Bij een explosie aan het aardoppervlak of in het water zal een grote hoeveelheid aarde of water verdampen door de hitte van de vuurbal en in de radioactieve wolk terechtkomen. Dit materiaal wordt radioactief wanneer het condenseert met splijtingsproducten en andere radioactieve verontreinigingen, of wanneer het door neutronen wordt geactiveerd. Naast de zeer fijne deeltjes die bijdragen aan de wereldwijde radioactieve neerslag, zullen er bij een oppervlakte-explosie grote hoeveelheden deeltjes met een diameter van minder dan 0,1 micrometer tot enkele millimeters ontstaan.
De grotere deeltjes zullen niet tot in de stratosfeer stijgen en zullen daarom binnen ongeveer 24 uur als lokale neerslag op aarde neerdalen. Ernstige lokale besmetting door radioactieve neerslag kan zich ver uitstrekken voorbij de explosie en de thermische effecten, met name in het geval van explosies aan het oppervlak met een hoge explosieve kracht. Wanneer mensen zich in een radiologisch besmet gebied bevinden, leidt deze besmetting tot onmiddellijke blootstelling aan externe straling en mogelijk later tot een intern gevaar door inademing en inslikken van radioactieve verontreinigingen.
In ernstige gevallen van besmetting door radioactieve neerslag kunnen dodelijke doses externe straling worden opgelopen als er geen beschermende of ontwijkende maatregelen worden genomen. Bij explosies aan het wateroppervlak (en in ondiep water) zijn de deeltjes doorgaans lichter en kleiner, waardoor er minder lokale neerslag ontstaat, maar ze verspreiden zich wel over een groter gebied.
De deeltjes bestaan voornamelijk uit zeezouten met wat water; deze kunnen een wolkenvormend effect hebben, wat kan leiden tot lokale regenval en gebieden met een hoge lokale neerslag. Bij explosies onder het aardoppervlak is er een extra fenomeen aanwezig, de zogenaamde “basisgolf”. De basisgolf is een wolk die vanuit de bodem van de kolom die door een ondergrondse explosie wordt geproduceerd, naar buiten rolt.
Bij onderwaterexplosies is de zichtbare golf in feite een wolk van vloeibare (water)druppels die zich bijna als een homogene vloeistof gedraagt. Nadat het water is verdampt, kan een onzichtbare basisgolf van kleine radioactieve deeltjes achterblijven.
Bij explosies onder het aardoppervlak bestaat de golf uit kleine vaste deeltjes, maar gedraagt zich nog steeds als een vloeistof. Een bodemmedium bevordert de vorming van een basisgolf bij een ondergrondse explosie.
Meteorologische effecten
Meteorologische omstandigheden hebben een grote invloed op de neerslag, met name de lokale neerslag. Atmosferische winden kunnen radioactieve neerslag over grote gebieden verspreiden. Zo werd bijvoorbeeld na een explosie van een thermonucleaire bom van 15 megaton op het Bikini-atol op 1 maart 1954 een ruwweg sigaarvormig gebied in de Stille Oceaan, dat zich meer dan 500 km stroomafwaarts uitstrekte en in breedte varieerde tot maximaal 100 km, ernstig besmet.
Sneeuw en regen, vooral als ze van grote hoogte komen, versnellen de lokale verspreiding van radioactieve neerslag. Onder bijzondere meteorologische omstandigheden, zoals een lokale regenbui die boven de radioactieve wolk ontstaat, kunnen zich beperkte gebieden met zware besmetting vormen.
Algemene principes van kernexplosies
Een explosie ontstaat over het algemeen door de zeer snelle vrijgave van een grote hoeveelheid energie in een beperkte ruimte. Dit geldt voor een conventioneel ‘hoogexplosief’, zoals TNT, maar ook voor een kernexplosie (of atoomexplosie),¹ hoewel de energie op heel verschillende manieren wordt geproduceerd. De plotselinge vrijgave van energie veroorzaakt een aanzienlijke temperatuur- en drukstijging, waardoor alle aanwezige materialen worden omgezet in hete, gecomprimeerde gassen.
Omdat deze gassen zich op zeer hoge temperaturen en drukken bevinden, zetten ze snel uit en veroorzaken zo een drukgolf, een zogenaamde ‘schokgolf’, in het omringende medium (lucht, water of aarde). Een schokgolf kenmerkt zich door (idealiter) een plotselinge drukstijging aan de voorzijde, met een geleidelijke afname erachter. Een schokgolf in de lucht wordt over het algemeen een ‘drukgolf’ genoemd, omdat deze lijkt op en gepaard gaat met een zeer sterke wind. In water of in de grond wordt echter de term ‘schok’ gebruikt, omdat het effect vergelijkbaar is met dat van een plotselinge impact.
Kernwapens lijken op conventionele wapens in die zin dat hun destructieve werking voornamelijk te danken is aan de drukgolf of schok. Er zijn echter wel een aantal fundamentele verschillen tussen kernwapens en brisantwapens.
Ten eerste kunnen kernexplosies vele duizenden (of miljoenen) keren krachtiger zijn dan de grootste conventionele explosies.
Ten tweede is de massa van een kernexplosief, voor de vrijgave van een bepaalde hoeveelheid energie, veel kleiner dan die van een conventioneel brisantexplosief. Bijgevolg is er in het eerste geval veel minder materiaal in het wapen zelf beschikbaar dat wordt omgezet in de hete, gecomprimeerde gassen die hierboven zijn genoemd. Dit resulteert in enigszins andere mechanismen voor het ontstaan van de drukgolf.
Ten derde zijn de temperaturen die bij een kernexplosie worden bereikt veel hoger dan bij een conventionele explosie, en een aanzienlijk deel van de energie bij een kernexplosie wordt uitgezonden in de vorm van licht en warmte, over het algemeen aangeduid als “thermische straling”. Deze straling kan brandwonden veroorzaken en branden op aanzienlijke afstand veroorzaken.
Ten vierde gaat een kernexplosie gepaard met zeer doordringende en schadelijke onzichtbare straling, de zogenaamde “initiële kernstraling”.
Ten slotte zijn de stoffen die na een kernexplosie overblijven radioactief en zenden ze gedurende een langere periode soortgelijke straling uit. Dit staat bekend als de “resterende kernstraling” of “resterende radioactiviteit” (Figuur 6-2).
Vanwege deze fundamentele verschillen tussen een kernexplosie en een conventionele explosie, waaronder de enorm grotere kracht van de eerste, vereisen de effecten van kernwapens speciale aandacht. In dit verband is kennis van en begrip van de mechanische en de verschillende stralingsverschijnselen die met een kernexplosie gepaard gaan van vitaal belang.
Het doel is hier om de verschillende vormen te beschrijven waarin de energie van een kernexplosie vrijkomt, uit te leggen hoe deze zich voortplant en te laten zien hoe deze mensen (en andere levende organismen) en materialen kan beïnvloeden. Waar numerieke waarden worden gegeven voor specifieke waargenomen effecten, moet er rekening mee worden gehouden dat er onvermijdelijke onzekerheden aan de gegevens verbonden zijn, om ten minste twee redenen.
Ten eerste zijn er inherente moeilijkheden bij het exact meten van de effecten van wapens. De resultaten zijn vaak afhankelijk van omstandigheden die moeilijk, zo niet onmogelijk, te beheersen zijn, zelfs tijdens een test, en die zeker niet te voorspellen zijn in geval van een aanval.
Bovendien kunnen twee wapens die dezelfde hoeveelheid explosieve energie produceren, verschillende kwantitatieve effecten hebben vanwege verschillen in samenstelling en ontwerp.
Desalniettemin is de hoop dat de informatie in dit boek, die de beste beschikbare informatie is, van nut kan zijn voor degenen die verantwoordelijk zijn voor defensieplanning en voor de voorbereiding op noodsituaties die kunnen voortvloeien uit een nucleaire oorlog. Daarnaast kunnen architecten en ingenieurs de gegevens mogelijk gebruiken bij het ontwerpen van constructies met een verhoogde weerstand tegen schade door explosies, schokken en brand, en die bescherming bieden tegen nucleaire straling.
Atoomstructuur en isotopen
Alle stoffen zijn opgebouwd uit een of meer van de ongeveer 90 verschillende soorten eenvoudige materialen die we ‘elementen’ noemen. Tot de meest voorkomende elementen behoren de gassen waterstof, zuurstof en stikstof; de vaste niet-metalen koolstof, zwavel en fosfor; en diverse metalen, zoals ijzer, koper en zink. Een minder bekend element, dat de laatste jaren aan bekendheid heeft gewonnen vanwege het gebruik ervan als bron van kernenergie, is uranium, normaal gesproken een vast metaal.
Het kleinste deeltje van een element dat kan bestaan en toch de eigenschappen van dat element behoudt, wordt een ‘atoom’ van dat element genoemd. Zo zijn er atomen van waterstof, van ijzer, van uranium, enzovoort, voor alle elementen. Het waterstofatoom is het lichtste van alle atomen, terwijl de atomen van uranium de zwaarste zijn van de atomen die op aarde voorkomen.
Zwaardere atomen, zoals die van plutonium, die ook belangrijk zijn voor de vrijgave van kernenergie, zijn kunstmatig gemaakt. Vaak vormen twee of meer atomen van hetzelfde of van verschillende elementen samen een “molecuul”.
Elk atoom bestaat uit een relatief zwaar centraal gedeelte, de “kern”, omgeven door een aantal zeer lichte deeltjes, elektronen genaamd. De atoomkern zelf is opgebouwd uit een vast aantal fundamentele deeltjes, protonen en neutronen.
Deze twee deeltjes hebben vrijwel dezelfde massa, maar ze verschillen doordat een proton een positieve elektrische lading draagt, terwijl een neutron, zoals de naam al aangeeft, elektrisch ongeladen is, oftewel neutraal. Door de protonen in de kern heeft deze een positieve elektrische lading, maar in een normaal atoom wordt deze precies gecompenseerd door de negatieve lading van de elektronen rond de kern.
Het essentiële verschil tussen atomen van verschillende elementen zit hem in het aantal protonen (of positieve ladingen) in de kern; dit wordt het atoomnummer van het element genoemd. Waterstofatomen bevatten bijvoorbeeld slechts één proton, heliumatomen hebben twee protonen, uraniumatomen hebben 92 protonen en plutoniumatomen 94 protonen.
Hoewel alle kernen van een levend element hetzelfde aantal protonen bevatten, kunnen ze een verschillend aantal neutronen hebben. De resulterende atoomsoorten, die identieke atoomnummers hebben maar verschillen in massa, worden “isotopen” van dat element genoemd. Bijna alle elementen, op zo’n 20 na, komen in de natuur voor in twee of meer isotopische vormen, en veel andere isotopen, die onstabiel zijn, oftewel radioactief, zijn op verschillende manieren verkregen.
Elke isotoop van een bepaald element wordt geïdentificeerd door zijn “massagetal”, dat de som is van het aantal protonen en neutronen in de kern. Het element uranium, zoals het in de natuur voorkomt, bestaat bijvoorbeeld hoofdzakelijk uit twee isotopen met massagetallen van 235 en 238; ze worden daarom respectievelijk uranium-235 en uranium-238 genoemd.
De kernen van beide isotopen bevatten 92 protonen, net als de kernen van alle uranium. isotopen – maar de eerste hebben daarnaast 143 neutronen en de laatste 146 neutronen. De algemene term ‘nuclide’ wordt gebruikt om elke atoomsoort te beschrijven die zich onderscheidt door de samenstelling van de kern, dat wil zeggen door het aantal protonen en het aantal neutronen. Isotopen van een gegeven element zijn nucliden met hetzelfde aantal protonen, maar een verschillend aantal neutronen in hun kern.
Bij een conventionele explosie ontstaat de vrijgekomen energie door chemische reacties; deze omvatten een herschikking van de atomen, bijvoorbeeld van waterstof, koolstof, zuurstof en stikstof, die aanwezig zijn in het chemische hoogexplosieve materiaal. Bij een kernexplosie daarentegen wordt de energie geproduceerd als gevolg van de vorming van verschillende atoomkernen door de herverdeling van de protonen en neutronen binnen de interagerende kernen.
Wat soms atoomenergie wordt genoemd, is dus eigenlijk kernenergie, omdat het voortkomt uit specifieke kerninteracties. Het is om dezelfde reden ook dat Atoomwapens worden bij voorkeur “kernwapens” genoemd. De krachten tussen de protonen en neutronen in atoomkernen zijn enorm veel groter dan die tussen de atomen; bijgevolg is kernenergie van een veel hogere orde van grootte dan conventionele (of chemische) energie wanneer gelijke massa’s worden beschouwd.
Er zijn veel kernprocessen bekend, maar niet alle gaan gepaard met de vrijgave van energie. Er bestaat een duidelijke equivalentie tussen massa en energie, en wanneer er een afname van massa optreedt in een kernreactie, gaat dit gepaard met de vrijgave van een bepaalde hoeveelheid energie die gerelateerd is aan de afname van massa.
Deze massaveranderingen zijn in feite een weerspiegeling van het verschil in de interne krachten in de verschillende kernen. Het is een fundamentele natuurwet dat de omzetting van elk systeem waarin de bestanddelen door zwakkere krachten bij elkaar worden gehouden naar een systeem waarin de krachten sterker zijn, gepaard moet gaan met de vrijgave van energie en een overeenkomstige afname van massa.
Deze massaveranderingen zijn in feite een weerspiegeling van het verschil in interne krachten in de verschillende kernen. Het is een fundamentele natuurwet dat de omzetting van elk systeem waarin de bestanddelen door zwakkere krachten bij elkaar worden gehouden naar een systeem waarin de krachten sterker zijn, gepaard moet gaan met de vrijgave van energie en een overeenkomstige afname van de massa.
Naast de noodzaak dat het kernproces een netto afname van de massa met zich meebrengt, vereist de vrijgave van kernenergie in hoeveelheden die voldoende zijn om een explosie te veroorzaken, dat de reactie zichzelf kan reproduceren zodra deze is gestart.
Twee soorten kernreacties kunnen voldoen aan de voorwaarden voor de productie van grote hoeveelheden energie in korte tijd. Deze staan bekend als “splijting” (splitsing) en “fusie” (samensmelting). Het eerste proces vindt plaats met enkele van de zwaarste (kern met een hoog atoomnummer); terwijl het tweede, aan het andere uiterste, enkele van de lichtste (kern met een laag atoomnummer) kernen betreft.
De materialen die worden gebruikt om kernexplosies door kernsplijting te produceren, zijn bepaalde isotopen van de elementen uranium en plutonium. Zoals hierboven vermeld, bestaat uranium in de natuur hoofdzakelijk uit twee isotopen, namelijk uranium-235 (ongeveer 0,7 procent) en uranium-238 (ongeveer 99,3 procent).
De minst voorkomende van deze isotopen, uranium-235, is de gemakkelijk splijtbare variant die gewoonlijk in kernwapens wordt gebruikt. Een andere isotoop, uranium-233, komt niet in de natuur voor, maar is ook gemakkelijk splijtbaar en kan kunstmatig worden gemaakt uit thorium-232. Omdat er slechts onbeduidende hoeveelheden van het element plutonium in de natuur voorkomen, wordt de splijtbare isotoop die in kernwapens wordt gebruikt, plutonium-239, kunstmatig gemaakt uit uranium-238.
Wanneer een vrij (of niet-gebonden) neutron de kern van een splijtbaar atoom binnendringt, kan dit de kern in twee kleinere delen splitsen. Dit is het splijtingsproces, dat gepaard gaat met de vrijgave van een grote hoeveelheid energie. De kleinere (of lichtere) kernen die ontstaan, worden “splijtingsproducten” genoemd. De volledige splijting van 1 pond uranium of plutonium levert evenveel explosieve energie op als de explosie van ongeveer 8000 ton TNT.
Bij kernfusie versmelten twee lichte kernen tot een kern van een zwaarder atoom. Een voorbeeld hiervan is de fusie van het waterstofisotoop deuterium of “zwaar waterstof”. Onder geschikte omstandigheden kunnen twee deuteriumkernen samensmelten tot de kern van een zwaarder element, helium, waarbij energie vrijkomt.
Kernfusieprocessen kunnen worden opgewekt door zeer hoge temperaturen en worden daarom ook wel “thermonucleaire processen” genoemd. De werkelijke hoeveelheid energie die vrijkomt bij een bepaalde massa materiaal, hangt af van het specifieke isotoop (of de isotopen) dat bij de kernfusiereactie betrokken is.
Als voorbeeld: de fusie van alle kernen in 1 pond van het waterstofisotoop deuterium zou ongeveer evenveel energie vrijgeven als de explosie van 26.000 ton TNT.
Bij bepaalde fusieprocessen tussen kernen van de waterstofisotopen komen neutronen met een hoge energie vrij. Deze kunnen splijting veroorzaken in het meest voorkomende isotoop (uranium-238) in gewoon uranium, maar ook in uranium-235 en plutonium-239. Door de juiste fusiereacties te combineren met natuurlijk uranium kan dit uranium op grote schaal worden gebruikt voor energieopwekking.
Een apparaat waarin splijtings- en fusiereacties (thermonucleaire reacties) worden gecombineerd, kan daarom een explosie met een enorme kracht produceren. Dergelijke wapens zouden doorgaans ongeveer gelijke hoeveelheden explosieve energie vrijgeven door kernsplijting en door kernfusie.
Er wordt soms onderscheid gemaakt tussen atoomwapens, waarbij de energie afkomstig is van kernsplijting, enerzijds, en waterstofwapens (of thermonucleaire wapens), waarbij kernfusie een rol speelt, anderzijds. In beide gevallen is de explosieve energie echter het resultaat van kernreacties, zodat ze beide terecht als kernwapens kunnen worden beschreven. In dit hoofdstuk zullen daarom de algemene termen “kernbom” en “kernwapen” worden gebruikt, ongeacht het type kernreactie dat de energie van de explosie produceert.
Energieopbrengst van een kernexplosie
Eilanden in de Zuid-Stille Oceaan werden tussen 1945 en 1995 veelvuldig gebruikt voor kernproeven.
De “opbrengst” van een kernwapen is een maat voor de hoeveelheid explosieve energie die het kan produceren. Het is gebruikelijk om de opbrengst uit te drukken in termen van de hoeveelheid TNT die bij een explosie dezelfde hoeveelheid energie zou genereren.
Een kernwapen van 1 kiloton produceert dus bij een explosie dezelfde hoeveelheid energie als 1 kiloton (of 1.000 ton) TNT. Een wapen van 1 megaton heeft daarentegen een energie-equivalent van 1 miljoen ton (of 1.000 kiloton) TNT.
De eerste kernbommen, zoals die in 1945 boven Japan werden afgeworpen en die in 1946 bij de tests op Bikini werden gebruikt, brachten ruwweg dezelfde hoeveelheid energie vrij als 20.000 ton (of 20 kiloton) TNT. Sindsdien zijn er veel krachtigere wapens ontwikkeld, met een energieopbrengst in de megaton-range.
Uit de eerdergenoemde bewering dat de splijting van 1 pond uranium of plutonium dezelfde hoeveelheid explosieve energie vrijgeeft als ongeveer 8.000 ton TNT, blijkt dat in een kernwapen van 20 kiloton 2,5 pond materiaal splijt. Het werkelijke gewicht van uranium of plutonium in een dergelijk wapen is echter groter dan dit.
Met andere woorden, in een splijtingswapen ondergaat slechts een deel van het kernmateriaal splijting. De efficiëntie is dus minder dan 100 procent. Het materiaal dat niet is gespleten, blijft na de explosie achter in de resten van het wapen.
Energieverdeling bij kernexplosies
Er is al eerder vermeld dat een belangrijk verschil tussen kernexplosies en conventionele (of chemische) explosies de aanwezigheid van een aanzienlijk deel van de energie als warmtestraling is. De belangrijkste reden voor dit verschil is dat de energie die door een kernexplosie wordt geproduceerd, per gewichtseenheid miljoenen keren groter is dan die van een chemische explosie.
Daardoor zijn de temperaturen die in het eerste geval worden bereikt veel hoger dan in het tweede geval, namelijk tientallen miljoenen graden bij een kernexplosie vergeleken met een paar duizend graden bij een conventionele explosie. Als gevolg van dit grote temperatuurverschil is de verdeling van de explosie-energie in beide gevallen heel anders.
Grofweg kan de energie worden onderverdeeld in drie categorieën: kinetische (of externe) energie, d.w.z. de bewegingsenergie van elektronen, atomen en moleculen als geheel; interne energie van deze deeltjes en thermische stralingsenergie. Het aandeel thermische stralingsenergie neemt snel toe met stijgende temperatuur.
Bij de gematigde temperaturen die bij een chemische explosie worden bereikt, is de hoeveelheid thermische straling relatief klein, waardoor vrijwel alle energie die vrijkomt tijdens de explosie als kinetische en interne energie vrijkomt. Deze wordt bijna volledig omgezet in drukgolf en schok, zoals eerder beschreven. Vanwege de veel hogere temperaturen bij een kernexplosie komt echter een aanzienlijk deel van de energie vrij als thermische straling. Hoe dit gebeurt, wordt later beschreven.
De fractie van de explosie-energie die op een afstand van het explosiepunt wordt ontvangen, is bij elk van de in figuur 6-2 afgebeelde vormen afhankelijk van de aard en de opbrengst van het wapen en met name van de omstandigheden waaronder de explosie plaatsvindt.
Bij een kernontploffing in de atmosfeer beneden een hoogte van ongeveer 30.000 meter wordt 35 tot 45 procent van de explosie-energie omgezet in thermische energie in het zichtbare en infrarode deel van het spectrum.
Daarnaast wordt beneden een hoogte van ongeveer 12.000 meter ongeveer 50 procent van de explosie-energie gebruikt voor de opwekking van luchtschokgolven. Op iets hogere hoogten, waar minder lucht is waarmee de energie van het exploderende kernwapen kan interageren, neemt het aandeel energie dat wordt omgezet in schokgolven af, terwijl de hoeveelheid energie die als thermische straling wordt uitgezonden navenant toeneemt.
De verwachte verdeling van energie tussen luchtschokgolven en thermische straling is op complexe wijze gerelateerd aan de explosieve energieopbrengst, de ontploffingshoogte en, tot op zekere hoogte, aan het ontwerp van het wapen, zoals in dit en volgende hoofdstukken zal blijken.
Een vuistregel voor een kernsplijtingswapen dat in de lucht ontploft op een hoogte van minder dan ongeveer 12.000 meter is dat 35 procent van de explosie-energie wordt omgezet in thermische straling en 50 procent in luchtdruk. Bij een explosie op relatief lage hoogte zal de energie van de luchtdruk van een kernsplijtingswapen dus ongeveer de helft zijn van die van een conventioneel hoogexplosief met dezelfde totale energieafgifte; bij dat laatste wordt vrijwel alle explosieve energie omgezet in luchtdruk.
Dit betekent dat als een kernsplijtingswapen van 20 kiloton bijvoorbeeld in de lucht ontploft op een hoogte van minder dan ongeveer 12.000 meter, de energie die nodig is voor de luchtdruk ongeveer gelijk is aan die van 10 kiloton TNT.
Ongeacht de hoogte van de explosie, wordt ongeveer 85 procent van de explosieve energie van een kernsplijtingswapen omgezet in luchtdruk (en schok), thermische straling en warmte. De resterende 15 procent van de energie komt vrij als verschillende vormen van nucleaire straling. Hiervan bestaat 5 procent uit de initiële kernstraling, gedefinieerd als de straling die binnen ongeveer een minuut na de explosie vrijkomt.
De resterende 10 procent van de totale splijtingsenergie vertegenwoordigt de residuele (of vertraagde) kernstraling die gedurende een bepaalde tijd wordt uitgezonden. Dit is grotendeels te wijten aan de radioactiviteit van de splijtingsproducten die aanwezig zijn in de resten (of het puin) van het wapen na de explosie. In een thermonucleair apparaat, waarin slechts ongeveer de helft van de totale energie afkomstig is van splijting, draagt de residuele kernstraling slechts 5 procent van de energie die bij de explosie vrijkomt.
Het is belangrijk op te merken dat er bij een conventionele explosie geen kernstraling vrijkomt, aangezien de kernen niet worden beïnvloed door de chemische reacties die plaatsvinden.
Omdat ongeveer 10 procent van de totale splijtingsenergie vrijkomt in de vorm van residuele kernstraling enige tijd na de detonatie, wordt dit niet meegerekend wanneer de energieopbrengst van een kernexplosie wordt uitgedrukt, bijvoorbeeld in termen van het TNT-equivalent.
Daarom is de explosie-energie in een zuiver splijtingswapen ongeveer 90 procent van de totale splijtingsenergie, en in een thermonucleair wapen is dit gemiddeld ongeveer 95 procent van de totale energie van de splijtings- en fusiereacties. Deze gangbare conventie zal in de volgende hoofdstukken worden aangehouden.
Wanneer bijvoorbeeld de opbrengst van een kernwapen wordt vermeld of gebruikt in vergelijkingen, figuren, enz., zal deze het deel van de energie vertegenwoordigen dat binnen ongeveer een minuut wordt afgegeven, en zal de bijdrage van de resterende kernstraling worden uitgesloten.
De initiële kernstraling bestaat voornamelijk uit gammastralen, dit zijn elektromagnetische stralingen met hoge energie afkomstig van atoomkernen, en neutronen. Deze stralingen, met name gammastralen, kunnen grote afstanden door de lucht afleggen en aanzienlijke materiaaldiktes doordringen.
Hoewel ze niet door mensen kunnen worden gezien of gevoeld, behalve bij zeer hoge intensiteiten die een tintelend gevoel veroorzaken, kunnen gammastralen en neutronen zelfs op afstand van hun bron schadelijke effecten veroorzaken. De initiële kernstraling is daarom een belangrijk aspect van kernexplosies.
De vertraagde kernstraling ontstaat voornamelijk door de splijtingsproducten die tijdens hun radioactief verval gammastralen en een ander type kernstraling uitzenden, namelijk bètadeeltjes. Bètadeeltjes zijn elektronen, oftewel deeltjes met een negatieve elektrische lading, die zich met hoge snelheid voortbewegen; ze ontstaan door een verandering (neutron → proton + elektron) in de kernen van radioactieve atomen. Bètadeeltjes, die ook onzichtbaar zijn, dringen veel minder diep door dan gammastralen, maar vormen net als gammastralen een potentieel gevaar.
De spontane emissie van bètadeeltjes en gammastralen uit radioactieve stoffen, oftewel radioactieve nucliden (of radionucliden), zoals splijtingsproducten, is een geleidelijk proces. Het vindt plaats over een bepaalde tijdsperiode, met een snelheid die afhangt van de aard van het materiaal en de aanwezige hoeveelheid.
Door het continue verval nemen de hoeveelheid radionucliden en de emissiesnelheid van de straling gestaag af. Dit betekent dat de resterende nucleaire straling, voornamelijk afkomstig van de splijtingsproducten, het meest intens is kort na de explosie, maar in de loop van de tijd afneemt.
Soorten kernexplosies
De onmiddellijke verschijnselen die gepaard gaan met een kernexplosie, evenals de effecten van schok en drukgolf en van thermische en nucleaire straling, variëren met de locatie van het explosiepunt ten opzichte van het aardoppervlak. Ter beschrijving worden vijf soorten explosies onderscheiden, hoewel in de praktijk veel variaties en tussenliggende situaties kunnen voorkomen.
De belangrijkste typen, die hieronder worden beschreven, zijn (1) luchtexplosie, (2) explosie op grote hoogte, (3) onderwaterexplosie, (4) ondergrondse explosie en (5) oppervlakte-explosie.
Mits de kernexplosie plaatsvindt op een hoogte waar nog een aanzienlijke atmosfeer aanwezig is, bijvoorbeeld onder de 30.000 meter, nemen de resten van het wapen vrijwel onmiddellijk materiaal uit de omringende atmosfeer op en vormen een intens hete en lichtgevende massa, ruwweg bolvormig, die de “vuurbal” wordt genoemd.
Een “luchtexplosie” wordt gedefinieerd als een explosie waarbij het wapen in de lucht tot ontploffing wordt gebracht op een hoogte onder de 30.000 meter, maar op een zodanige hoogte dat de vuurbal (op zijn maximale helderheid in de latere stadia) het aardoppervlak niet raakt.
Bijvoorbeeld, bij de explosie van een wapen van 1 megaton kan de vuurbal groeien tot een doorsnede van bijna 1740 meter (1,1 mijl) op zijn maximale helderheid. Dit betekent dat de explosie in dit specifieke geval minstens 860 meter boven het aardoppervlak moet plaatsvinden om van een luchtontploffing te spreken.
De kwantitatieve aspecten van een luchtontploffing zijn afhankelijk van de energieopbrengst, maar de algemene verschijnselen zijn in alle gevallen vrijwel hetzelfde. Bijna alle schokenergie die de vuurbal verlaat, komt vrij als luchtontploffing, hoewel een deel ervan meestal ook de grond in wordt geleid. De thermische straling legt grote afstanden af door de lucht en kan een voldoende intensiteit hebben om matig ernstige brandwonden te veroorzaken op onbedekte huid tot wel 19 kilometer afstand van een explosie van 1 megaton, op een redelijk heldere dag.
Bij luchtontploffingen met een hogere energieopbrengst zullen de bijbehorende afstanden uiteraard groter zijn. De thermische straling wordt grotendeels tegengehouden door gewone, ondoorzichtige materialen; gebouwen en kleding kunnen dus bescherming bieden.
De initiële nucleaire straling van een luchtontploffing dringt ook ver door in de lucht, hoewel de intensiteit vrij snel afneemt met toenemende afstand tot de explosie. De interacties met materie die leiden tot de absorptie van energie uit gammastralen en neutronen zijn heel verschillend.
Daarom zijn verschillende materialen nodig voor de meest efficiënte verwijdering van deze stralingen; maar beton, vooral als het een zwaar element zoals ijzer of barium bevat, vormt een redelijk praktisch compromis voor het verminderen van de intensiteit van zowel gammastralen als neutronen. Een laag van ongeveer 1,2 meter gewoon beton zou waarschijnlijk voldoende bescherming bieden tegen de effecten van de initiële nucleaire straling voor mensen op een afstand van ongeveer 1,6 kilometer van een luchtexplosie van een kernwapen van 1 megaton. Op deze afstand zou de explosie echter zo krachtig zijn dat alleen speciaal ontworpen explosiebestendige constructies de explosie zouden overleven.
Bij een explosie in de lucht op een matige (of hoge) hoogte zullen de splijtingsproducten die na de kernexplosie overblijven, zich in de atmosfeer verspreiden. De resterende kernstraling die van deze producten afkomstig is, zal op de grond slechts geringe directe gevolgen hebben.
Aan de andere kant, als de explosie dichter bij het aardoppervlak plaatsvindt, kunnen de splijtingsproducten versmelten met aarddeeltjes, waarvan een deel snel op de grond zal neervallen op plaatsen dicht bij de explosie. Dit stof en ander puin zal besmet raken met radioactief materiaal en zal daardoor een potentieel gevaar vormen voor levende wezens.
Een “explosie op grote hoogte” wordt gedefinieerd als een explosie die plaatsvindt op een hoogte van meer dan 30.000 meter. Boven deze hoogte is de luchtdichtheid zo laag dat de interactie van de wapenenergie met de omgeving aanzienlijk verschilt van die op lagere hoogten en bovendien varieert met de hoogte. De afwezigheid van relatief dichte lucht zorgt ervoor dat de kenmerken van de vuurbal bij een explosie op grote hoogte verschillen van die van een explosie in de lucht.
De fractie van de energie die wordt omgezet in drukgolf en schokgolf is bijvoorbeeld kleiner en neemt af met toenemende hoogte. Twee factoren beïnvloeden de thermische energie die op grote hoogte wordt uitgestraald.
Ten eerste, omdat een schokgolf zich niet zo gemakkelijk vormt in de minder dichte lucht, kan de vuurbal thermische energie uitstralen die op lagere hoogten zou zijn gebruikt voor het opwekken van een luchtdrukstoot.
Ten tweede zorgt de minder dichte lucht ervoor dat de energie van het exploderende wapen veel verder kan reizen dan op lagere hoogten. Een deel van deze energie verwarmt de lucht op afstand van de vuurbal en draagt niet bij aan de energie die binnen korte tijd kan worden uitgestraald.
Over het algemeen is de eerste factor van belang tussen 30.000 en 42.000 meter, en wordt een groter deel van de explosie-energie vrijgegeven in de vorm van thermische straling dan op lagere hoogten. Bij explosies boven ongeveer 42.000 meter wordt de tweede factor belangrijker en wordt het deel van de energie dat als thermische straling vrijkomt op het moment van de explosie kleiner.
Het deel van de explosie-energie dat door een wapen wordt uitgezonden als kernstraling is onafhankelijk van de explosiehoogte. De verdeling van die energie tussen gammastraling en neutronen die op afstand worden ontvangen, zal echter variëren, aangezien een aanzienlijk deel van de gammastraling het gevolg is van interacties van neutronen met stikstofatomen in de lucht op lage hoogte.
Bovendien wordt de verzwakking van de initiële kernstraling met toenemende afstand tot de explosie bepaald door de totale hoeveelheid lucht waar de straling doorheen reist. Dit betekent dat, voor een gegeven explosie-energieopbrengst, er meer initiële kernstraling op dezelfde schuine afstand op het aardoppervlak zal worden ontvangen bij een explosie op grote hoogte dan bij een explosie in de lucht op een gemiddelde hoogte. In beide gevallen zal de reststraling van de splijtingsproducten en andere restanten van het wapen op de grond niet significant zijn.
Zowel de initiële als de resterende kernstraling van explosies op grote hoogte zullen interageren met de bestanddelen van de atmosfeer, waardoor elektronen uit de atomen en moleculen worden verdreven. Omdat een elektron een negatieve elektrische lading draagt, is het resterende deel van het atoom (of molecuul) positief geladen, oftewel een positief ion. Dit proces wordt “ionisatie” genoemd en de gescheiden elektronen en positieve ionen worden “ionenparen” genoemd.
De aanwezigheid van grote aantallen elektronen en ionen op grote hoogte kan ernstige gevolgen hebben voor de propagatie van radio- en radarsignalen. De vrije elektronen die ontstaan door gammastralingionisatie van de lucht bij een explosie op grote hoogte kunnen ook een wisselwerking aangaan met het aardmagnetisch veld en sterke elektromagnetische velden genereren die schade kunnen veroorzaken aan onbeschermde elektrische of elektronische apparatuur in een groot gebied onder de explosie.
Het fenomeen dat bekend staat als de “elektromagnetische puls” (of EMP) wordt elders in dit boek beschreven. De EMP kan ook ontstaan bij explosies aan het aardoppervlak en in de lage lucht, maar dan wordt een veel kleiner gebied rond het explosiepunt beïnvloed.
Als een kernexplosie plaatsvindt onder omstandigheden waarbij het epicentrum zich onder de grond of onder het wateroppervlak bevindt, spreekt men respectievelijk van een “ondergrondse explosie” of een “onderwaterexplosie”. Omdat sommige effecten van deze twee soorten explosies vergelijkbaar zijn, worden ze hier gezamenlijk aangeduid als ondergrondse explosies.
Bij een ondergrondse explosie treedt het grootste deel van de schokenergie van de explosie op als ondergrondse of onderwaterse schok, maar een bepaald deel, dat kleiner is naarmate de diepte van de explosie groter is, ontsnapt en veroorzaakt een luchtstoot. Een groot deel van de thermische straling en de initiële kernstraling wordt binnen korte afstand van de explosie geabsorbeerd. De energie van de geabsorbeerde straling draagt slechts bij aan de opwarming van de grond of het water.
Afhankelijk van de diepte van de explosie zal een deel van de thermische en nucleaire straling ontsnappen, maar de intensiteit zal over het algemeen lager zijn dan bij een luchtexplosie. De resterende nucleaire straling, dat wil zeggen de straling die na de eerste minuut wordt uitgezonden, wordt echter nu van aanzienlijk belang, omdat grote hoeveelheden aarde of water in de omgeving van de explosie besmet zullen raken met radioactieve splijtingsproducten.
Een “oppervlakte-explosie” wordt beschouwd als een explosie die plaatsvindt op of net boven het daadwerkelijke oppervlak van land of water. Mits de afstand boven het oppervlak niet groot is, zijn de verschijnselen in wezen hetzelfde als bij een explosie aan het oppervlak. Naarmate de hoogte van de explosie toeneemt tot een punt waarop de vuurbal (op zijn maximale helderheid in de latere stadia) het land of water niet meer raakt, ontstaat er een overgangszone waarin het gedrag zich bevindt tussen dat van een echte oppervlakte-explosie en een luchtexplosie.
Bij oppervlakte-explosies worden de luchtdrukstoot en de grond- (of water)schok in wisselende verhoudingen geproduceerd, afhankelijk van de energie van de explosie en de hoogte van de explosie.
Hoewel de vijf soorten explosies als tamelijk verschillend worden beschouwd, is er in werkelijkheid geen duidelijke scheidslijn tussen. Het zal duidelijk worden dat, naarmate de hoogte van de explosie afneemt, een explosie op grote hoogte overgaat in een luchtexplosie, en een luchtexplosie in een oppervlakte-explosie.
Evenzo gaat een oppervlakte-explosie op geringe diepte over in een ondergrondse explosie, wanneer een deel van de vuurbal daadwerkelijk door het oppervlak van land of water breekt. Niettemin is het, zoals in latere hoofdstukken zal blijken, een kwestie van gemak om kernexplosies in te delen in de vijf algemene typen die hierboven zijn gedefinieerd.
Wetenschappelijke basis van kernexplosies
Splijtingsenergie
Het belangrijkste punt bij de splijting van een uranium- (of plutonium-)kern door middel van een neutron, naast de vrijgave van een grote hoeveelheid energie, is dat het proces gepaard gaat met de onmiddellijke emissie van twee of meer neutronen; dus,
__________________________________________________________
Tabel 6-1.
Neutron + uranium-235 = splijtingsfragmenten +
(of uranium-233) 2 of 3 neutronen + energie.
(of plutonium-239)
__________________________________________________________
De op deze manier vrijgekomen neutronen kunnen de splijting van extra uranium- (of plutonium-)kernen induceren. Elk dergelijk proces resulteert in de emissie van meer neutronen die verdere splijting kunnen veroorzaken, enzovoort.
In principe zou een enkel neutron dus een keten van kernsplijtingen kunnen starten, waarbij het aantal kernen dat splijt en de vrijgekomen energie enorm snel toenemen, zoals we zo dadelijk zullen zien.
Er zijn veel verschillende manieren waarop de kernen van een bepaalde splijtbare soort zich kunnen splitsen in twee splijtingsfragmenten (initiële splijtingsproducten), maar de totale hoeveelheid energie die per splijting vrijkomt, varieert niet sterk. Een bevredigende gemiddelde waarde voor deze energie is 200 miljoen elektronvolt.
De eenheid miljoen elektronvolt (of 1 MeV) is handig gebleken voor het uitdrukken van de energie die vrijkomt bij kernreacties; deze is gelijk aan 1,6 x 10⁻⁶ erg of 1,6 x 10⁻¹³ joule. De manier waarop deze energie verdeeld is over de splijtingsfragmenten en de verschillende stralingen die met splijting gepaard gaan, wordt weergegeven in Tabel 3.
__________________________________________________________
Tabel 6-2: Verdeling van splijtingsenergie
MeV__
Kinetische energie van splijtingsfragmenten 165 ± 5
Onmiddellijke gammastralingsenergie 7 ± 1
Kinetische energie van splijtingsneutronen 5 ± 0,5
Bètadeeltjes van splijtingsproducten 7 ± 1
Gammastraling van splijtingsproducten 6 ± 1
Neutrino’s van splijtingsproducten 10____
Totale energie per splijting 200 ± 6
__________________________________________________________
De resultaten in Tabel 6-2 kunnen bij benadering worden beschouwd als van toepassing op uranium-233, uranium-235 of plutonium-239. Dit zijn de enige drie bekende stoffen die redelijk stabiel zijn, zodat ze zonder noemenswaardig verval kunnen worden opgeslagen, en die in staat zijn tot splijting door neutronen van alle energieën. Daarom zijn het de enige materialen die gebruikt kunnen worden om een splijtingsketen in stand te houden.
Uranium-238, het meest voorkomende isotoop in natuurlijk uranium, en thorium-232 zullen alleen splijten door neutronen met een hoge energie, maar niet door neutronen met een lagere energie. Om die reden kunnen deze stoffen geen kettingreactie in stand houden. Wanneer er echter splijting optreedt in deze elementen, is de energieverdeling vrijwel gelijk aan die in de tabel.
Slechts een deel van de splijtingsenergie is direct beschikbaar bij een kernexplosie; dit omvat de kinetische energie van de splijtingsfragmenten, het grootste deel van de energie van de momentane gammastraling, die in het exploderende wapen wordt omgezet in andere energievormen, en ook het grootste deel van de kinetische energie van de neutronen, maar slechts een klein deel van de vervalenergie van de splijtingsproducten.
Er is enige compensatie door de energie die vrijkomt bij reacties waarbij neutronen worden ingevangen door het puin van het wapen. Daarom wordt doorgaans aangenomen dat er per splijting ongeveer 180 MeV aan energie direct beschikbaar is. Er zitten 6,02 x 10²³ kernen in 235 gram uranium-235 (of 239 gram plutonium-239). Door gebruik te maken van bekende omrekeningsfactoren kunnen de resultaten in Tabel 1.45 worden verkregen voor de energie-equivalenten (en andere equivalenten) van 1 kiloton TNT. De berekeningen zijn gebaseerd op een geaccepteerd, zij het enigszins arbitrair, getal van 10¹² calorieën als de energie die vrijkomt bij de explosie van deze hoeveelheid TNT³.
Tabel 1.45 Equivalenten van 1 kiloton TNT
Volledige splijting van 0,057 kg (57 gram of 2 ounces) splijtbaar materiaal
Splijting van 1,45 x 10²⁵ kernen
10¹² calorieën
2,6 x 10²⁵ miljoen elektronvolt
4,48 x 10¹⁹ erg (4,18 x 10¹² joule)
1,16 x 10⁶ kilowattuur
3,97 x 10⁹ Britse thermische eenheden
Kritische massa voor een splijtingsketen
Hoewel er bij de splijtingsreactie twee tot drie neutronen worden geproduceerd voor elke kern die splijt, zijn niet al deze neutronen beschikbaar om verdere splijtingen te veroorzaken. Sommige splijtingsneutronen gaan verloren door ontsnapping, terwijl andere verloren gaan in diverse niet-splijtingsreacties.
Om een splijtingskettingreactie met continue energieafgifte in stand te houden, moet er voor elke eerder geabsorbeerde neutron ten minste één splijtingsneutron beschikbaar zijn om verdere splijting te veroorzaken. Als de omstandigheden zodanig zijn dat neutronen sneller verloren gaan dan ze door splijting worden gevormd, zou de kettingreactie niet zelfonderhoudend zijn.
Er zou weliswaar energie worden geproduceerd, maar de hoeveelheid zou niet groot genoeg zijn en de snelheid waarmee energie vrijkomt zou niet hoog genoeg zijn om een effectieve explosie te veroorzaken. Het is daarom noodzakelijk om, om een kernexplosie te bewerkstelligen, omstandigheden te creëren waarin het verlies van neutronen tot een minimum wordt beperkt. In dit verband is het vooral belangrijk om rekening te houden met de neutronen die ontsnappen uit de stof die splijt.
Het ontsnappen van neutronen vindt plaats aan de buitenkant van het uranium- (of plutonium)materiaal. De snelheid waarmee neutronen ontsnappen, wordt dus bepaald door het oppervlak. Aan de andere kant vindt het splijtingsproces, dat resulteert in de vorming van meer neutronen, plaats in het hele materiaal en is de snelheid ervan daarom afhankelijk van de massa.
Door de massa van het splijtbare materiaal te vergroten bij een constante dichtheid, neemt de verhouding tussen het oppervlak en de massa af; bijgevolg neemt het verlies van neutronen door ontsnapping ten opzichte van hun vorming door splijting af. Hetzelfde resultaat kan ook worden bereikt door een constante massa te hebben, maar deze samen te persen tot een kleiner volume (hogere dichtheid), zodat het oppervlak afneemt.
De situatie kan worden verduidelijkt aan de hand van figuur 1.48, die twee bolvormige massa’s toont, de ene groter dan de andere, van splijtbaar materiaal met dezelfde dichtheid. Splijting wordt geïnitieerd door een neutron, weergegeven door een stip in een kleine cirkel.
Er wordt verondersteld dat bij elke splijting drie neutronen worden uitgezonden; met andere woorden, één neutron wordt ingevangen en drie worden uitgestoten. Het verwijderen van een neutron uit het systeem wordt aangegeven door de punt van een pijl. Een pijlpunt binnen de bol betekent dus dat er splijting heeft plaatsgevonden en dat er extra neutronen zijn geproduceerd, terwijl een pijlpunt buiten de bol duidt op het verlies van een neutron. Uit figuur 1.48 blijkt dat een veel groter deel van de neutronen verloren gaat bij een kleinere massa dan bij een grotere massa.
Figuur 1.48. Effect van een verhoogde massa van splijtbaar materiaal op de vermindering van het aandeel neutronen dat door ontsnapping verloren gaat.
Als de hoeveelheid van een splijtbaar uranium- (of plutonium-)isotoop zodanig is dat de verhouding tussen het oppervlak en de massa groot is, zal het aandeel neutronen dat door ontsnapping verloren gaat zo groot zijn dat de voortplanting van een kernsplijtingsketen, en dus het ontstaan van een explosie, niet mogelijk is. Een dergelijke hoeveelheid materiaal wordt “subkritisch” genoemd.
Maar naarmate de massa van het stuk uranium (of plutonium) toeneemt (of het volume afneemt door compressie) en het relatieve verlies van neutronen daardoor afneemt, wordt een punt bereikt waarop de kettingreactie zichzelf in stand kan houden. Dit wordt de “kritische massa” van het splijtbare materiaal onder de bestaande omstandigheden genoemd.
Om een kernexplosie te laten plaatsvinden, moet het wapen dus een voldoende hoeveelheid van een splijtbaar uranium- (of plutonium-)isotoop bevatten om de kritische massa te overschrijden. De kritische massa hangt onder andere af van de vorm van het materiaal, de samenstelling en dichtheid (of compressie), en de aanwezigheid van onzuiverheden die neutronen kunnen afvoeren bij niet-splijtingsreacties.
Door het splijtbaar materiaal te omringen met een geschikte neutronenreflector kan het neutronenverlies door ontsnapping worden verminderd, waardoor de kritische massa kan worden verlaagd. Bovendien zorgen elementen met een hoge dichtheid, die goede reflectoren zijn voor neutronen met hoge energie, voor inertie, waardoor de uitzetting van het exploderende materiaal wordt vertraagd. De werking van de reflector is dan vergelijkbaar met het bekende stampen bij explosieven. Dankzij de neutronenreflecterende en inertiële eigenschappen maakt de “stamper” het mogelijk om het splijtbaar materiaal in een kernwapen efficiënter te gebruiken.
Het bereiken van de kritische massa in een wapen
Door de aanwezigheid van strooineutronen in de atmosfeer, of de mogelijkheid dat deze op verschillende manieren worden gegenereerd, zou een hoeveelheid van een geschikt uranium- (of plutonium-)isotoop die de kritische massa overschrijdt, waarschijnlijk smelten of mogelijk exploderen. Het is daarom noodzakelijk dat een kernwapen vóór detonatie geen splijtbaar materiaal bevat dat zo groot is als de kritische massa onder de gegeven omstandigheden. Om een explosie te veroorzaken, moet het materiaal vervolgens “superkritisch” worden gemaakt, d.w.z. groter dan de kritische massa, in een tijd die zo kort is dat een subexplosieve verandering in de configuratie, zoals door smelten, wordt uitgesloten.
Er zijn twee algemene methoden beschreven om een kernexplosie teweeg te brengen, dat wil zeggen om een subkritisch systeem snel om te zetten in een superkritisch systeem. Bij de eerste methode worden twee of meer stukken splijtbaar materiaal, elk kleiner dan de kritische massa, zeer snel samengebracht om één stuk te vormen dat de kritische massa overschrijdt (Fig. 1.52).
Dit kan worden bereikt met een soort loopmechanisme, waarbij een explosief drijfgas wordt gebruikt om een subkritisch stuk splijtbaar materiaal vanuit de achterkant van het kanon naar een ander subkritisch stuk te blazen dat stevig in de voorkant van de loop is vastgehouden.
De tweede methode maakt gebruik van het feit dat wanneer een subkritische hoeveelheid van een geschikt uranium- (of plutonium)isotoop sterk wordt samengedrukt, deze kritisch of superkritisch kan worden, zoals hierboven aangegeven. De compressie kan worden bereikt door middel van een bolvormige opstelling van speciaal vervaardigde vormen (lenzen) van gewoon hoogexplosief materiaal.
In een gat in het midden van dit systeem wordt een subkritische bol van splijtbaar materiaal geplaatst. Wanneer het hoogexplosieve lenssysteem wordt ontstoken door middel van een ontsteker aan de buitenkant van elke lens, ontstaat een naar binnen gerichte bolvormige “implosie”-golf. Een soortgelijke golf kan zonder lenzen worden gerealiseerd door een groot aantal punten te laten ontploffen die over een bolvormig oppervlak zijn verdeeld. Wanneer de implosiegolf de bol van uranium (of plutonium) bereikt, zorgt deze ervoor dat de bol wordt samengedrukt en superkritisch wordt (Fig. 1.53). De introductie van neutronen uit een geschikte bron kan vervolgens een kettingreactie op gang brengen die tot een explosie leidt.
Tijdschaal van een splijtingsexplosie
Een interessant inzicht in de snelheid waarmee energie vrijkomt bij een kernsplijting kan worden verkregen door de splijtingsketen te beschouwen als een reeks “generaties”. Stel dat er aanvankelijk een bepaald aantal neutronen aanwezig is en dat deze worden ingevangen door splijtbare kernen; vervolgens komen er tijdens het splijtingsproces andere neutronen vrij.
Deze neutronen worden op hun beurt ingevangen door splijtbare kernen en produceren meer neutronen, enzovoort. Elke fase van de splijtingsketen wordt beschouwd als een generatie, en de “generatietijd” is het gemiddelde tijdsinterval tussen opeenvolgende generaties. De tijd die nodig is voor de feitelijke splijting van een kern is extreem kort en de meeste neutronen worden snel uitgezonden. Bijgevolg is de generatietijd in wezen gelijk aan de gemiddelde tijd die verstrijkt tussen het vrijkomen van een neutron en de daaropvolgende invanging ervan door een splijtbare kern.
Deze tijd hangt onder andere af van de energie (of snelheid) van het neutron. Als de meeste neutronen een relatief hoge energie hebben, meestal aangeduid als “snelle neutronen”, is de generatietijd ongeveer een honderdmiljoenste deel (10⁻⁸) van een seconde, oftewel 0,01 microseconde.⁴
Eerder werd al vermeld dat niet alle splijtingsneutronen beschikbaar zijn om de splijtingsketen in stand te houden, omdat sommige verloren gaan door ontsnapping en door verwijdering in niet-splijtingsreacties.
Stel dat wanneer een kern een neutron invangt en splijt, er f neutronen vrijkomen; laat l het gemiddelde aantal neutronen zijn dat op de een of andere manier verloren gaat bij elke splijting. Er zullen dus f – l neutronen beschikbaar zijn om de splijtingsketen voort te zetten. Als er op een willekeurig moment N neutronen aanwezig zijn, dan zullen er als gevolg van hun vangst door splijtbare kernen N(f – l) neutronen worden geproduceerd aan het einde van één generatie; de toename van het aantal neutronen per generatie is dus N(f – l) – N of N(f – l – 1). Voor het gemak zullen we de hoeveelheid f – l – 1, oftewel de toename van neutronen per splijting, weergeven met x. Als g de generatietijd is, dan wordt de snelheid waarmee het aantal neutronen toeneemt gegeven door:
Snelheid van neutronentoename
dN/dt = Nx/g.
De oplossing van deze vergelijking is: N = N0ext/g, waarbij N0 het aantal neutronen is dat aanvankelijk aanwezig is en N het aantal op een later tijdstip t. De fractie t/g is het aantal generaties dat is verstreken gedurende de tijd t, en als dit wordt weergegeven door n, volgt hieruit dat N = N0exn.
Als de waarde van x bekend is, kan de vergelijking worden gebruikt om ofwel de neutronenpopulatie na een voorgeschreven aantal generaties in de splijtingsketen te berekenen, ofwel het aantal generaties dat nodig is om een bepaald aantal neutronen te bereiken. Voor uranium-235 is f ongeveer 2,5, l kan ruwweg op 0,5 worden gesteld, zodat x, gelijk aan f – l – 1, dicht bij één ligt; daarom kan de vergelijking worden geschreven als
N ≈ N0en of N ≈ N010n/2,3. (1.56.1)
Volgens de gegevens in tabel 1.45 zijn er 1,45 x 10²² splijtingen nodig, en dus hetzelfde aantal neutronen, om een equivalent van 0,1 kiloton energie te produceren. Als de splijtingsketen wordt geïnitieerd door één neutron, zodat N0 gelijk is aan 1, volgt uit vergelijking (1.56.1) dat het ongeveer 51 generaties zou duren om het benodigde aantal neutronen te produceren.
Evenzo zou het vrijkomen van 100 kiloton energie 1,45 x 10²⁵ neutronen vereisen en dit aantal zou in ongeveer 58 generaties worden bereikt. Hieruit blijkt dat 99,9 procent van de energie van een splijtingsexplosie van 100 kiloton vrijkomt tijdens de laatste 7 generaties, dat wil zeggen in een periode van ongeveer 0,07 microseconde. Het grootste deel van de splijtingsenergie komt dus vrij in een extreem korte tijdspanne. Dezelfde conclusie geldt voor elke waarde van de energie van de splijtingsexplosie.
Ongeveer 50 generaties, oftewel ruwweg een halve microseconde, na het begin van de splijtingsketen zal er zoveel energie vrijkomen – zo’n 10¹¹ calorieën – dat er extreem hoge temperaturen zullen worden bereikt. Daardoor zal de massa splijtbaar materiaal, ondanks de beperkende werking van de tamper en de wapenbehuizing, snel beginnen uit te zetten.
Het moment waarop deze uitzetting begint, wordt de “explosietijd” genoemd. Omdat de uitzetting het voor neutronen gemakkelijker maakt om te ontsnappen, wordt de massa subkritisch en eindigt de zelfonderhoudende kettingreactie al snel. Een aanzienlijk deel van het splijtbaar materiaal blijft onveranderd en sommige splijtingen zullen doorgaan als gevolg van neutronenvangst, maar de hoeveelheid energie die in dit stadium vrijkomt, is relatief klein.
Samenvattend kan gesteld worden dat, omdat het splijtingsproces gepaard gaat met de onmiddellijke vrijmaking van neutronen, het in principe mogelijk is een zelfonderhoudende kettingreactie te produceren die gepaard gaat met de snelle vrijgave van grote hoeveelheden energie. Hierdoor kan een kleine hoeveelheid splijtbaar materiaal binnen een fractie van een seconde evenveel energie vrijmaken als de explosie van vele duizenden tonnen TNT. Dit is het basisprincipe van kernsplijtingswapens.
Splijtingsproducten
Wanneer uranium- of plutoniumkernen neutronen opnemen en splijten, ontstaan er veel verschillende initiële splijtingsproductkernen, oftewel splijtingsfragmenten. Er zijn ongeveer 40 verschillende manieren waarop de kernen kunnen splitsen tijdens de splijting; vandaar dat er ongeveer 80 verschillende fragmenten ontstaan. De aard en de verhoudingen van de splijtingsfragmentkernen variëren enigszins, afhankelijk van de specifieke stof die splijt en van de energie van de neutronen die de splijting veroorzaken.
Wanneer uranium-238 bijvoorbeeld splijt als gevolg van de opname van zeer energierijke neutronen die vrijkomen bij bepaalde fusieprocessen, zijn de producten enigszins anders, met name in hun relatieve hoeveelheden, dan die welke gevormd worden uit uranium-235 door gewone splijtingsneutronen.
Ongeacht hun oorsprong zijn de meeste, zo niet alle, van de ongeveer 80 splijtingsfragmenten de kernen van radioactieve vormen (radio-isotopen) van bekende, lichtere elementen. De radioactiviteit manifesteert zich meestal door de emissie van negatief geladen bètadeeltjes. Dit gaat vaak, maar niet altijd, gepaard met gammastraling, die dient om overtollige energie af te voeren. In enkele speciale gevallen wordt alleen gammastraling uitgezonden.
Als gevolg van de uitstoting van een bètadeeltje verandert de kern van een radioactieve stof in die van een ander element, soms het “vervalproduct” genoemd. In het geval van de splijtingsfragmenten zijn de vervalproducten over het algemeen ook radioactief en kunnen deze op hun beurt vervallen met de emissie van bètadeeltjes en gammastraling. Gemiddeld zijn er ongeveer vier stadia van radioactiviteit voor elk splijtingsfragment voordat een stabiele (niet-radioactieve) kern wordt gevormd. Vanwege het grote aantal verschillende manieren waarop splijting kan plaatsvinden en de verschillende vervalstadia die daarbij betrokken zijn, wordt het mengsel van splijtingsproducten zeer complex.5 Meer dan 300 verschillende isotopen van 36 lichte elementen, van zink tot terbium, zijn geïdentificeerd onder de splijtingsproducten.
De snelheid waarmee radioactiviteit verandert, oftewel de snelheid waarmee bètadeeltjes en gammastraling worden uitgezonden, wordt meestal uitgedrukt in termen van de “halfwaardetijd” van de betreffende radionuclide. Deze wordt gedefinieerd als de tijd die nodig is om de radioactiviteit van een bepaalde hoeveelheid van een specifieke nuclide te laten afnemen (of vervallen) tot de helft van de oorspronkelijke waarde.
Elke individuele radionuclide heeft een vaste halfwaardetijd die onafhankelijk is van de toestand of de hoeveelheid ervan. De halfwaardetijden van de splijtingsproducten variëren van een fractie van een seconde tot ongeveer een miljoen jaar.
Hoewel van elke radionuclide in de splijtingsproducten bekend is dat deze een vaste halfwaardetijd heeft, is het mengsel dat na een kernexplosie ontstaat zo complex dat het niet mogelijk is om het verval als geheel in termen van een halfwaardetijd weer te geven. Desondanks is gebleken dat de afname van de totale stralingsintensiteit van de splijtingsproducten bij benadering kan worden berekend met behulp van een vrij eenvoudige formule.
Dit zal in hoofdstuk IX worden behandeld en besproken, maar de algemene aard van de vervalsnelheid van splijtingsproducten, gebaseerd op deze formule, zal duidelijk worden uit figuur 1.64. De resterende radioactiviteit van de splijtingsproducten 1 uur na een kernontploffing wordt als 100 beschouwd en de daaropvolgende afname in de tijd wordt weergegeven door de curve.
Het blijkt dat 7 uur na de explosie de activiteit van de splijtingsproducten is afgenomen tot ongeveer een tiende (10 procent) van de hoeveelheid na 1 uur. Binnen ongeveer 2 dagen is de activiteit gedaald tot 1 procent van de waarde na 1 uur.
Naast de bèta-deeltjes- en gammastralingsactiviteit als gevolg van de splijtingsproducten, is er nog een andere vorm van restradioactiviteit die genoemd moet worden. Dit is de activiteit van het splijtbaar materiaal, waarvan een deel na de explosie achterblijft.
De splijtbare uranium- en plutoniumisotopen zijn radioactief en hun activiteit bestaat uit de emissie van zogenaamde “alfadeeltjes”. Dit is een vorm van kernstraling, omdat ze worden uitgestoten door atoomkernen; ze verschillen echter van de bètadeeltjes die ontstaan door de splijtingsproducten doordat ze veel zwaarder zijn en een positieve elektrische lading dragen. Alfadeeltjes zijn in feite identiek aan de kernen van heliumatomen.
Vanwege hun grotere massa en lading hebben alfadeeltjes een veel kleiner doordringend vermogen dan bètadeeltjes of gammastralen met dezelfde energie. Daardoor kunnen zeer weinig alfadeeltjes van radioactieve bronnen meer dan 2,5 tot 7,5 centimeter door de lucht afleggen voordat ze tot stilstand komen.
Het is twijfelachtig of deze deeltjes door een intacte huid kunnen dringen, en ze kunnen zeker niet door kleding heen dringen. Bijgevolg vormt het uranium (of plutonium) in de resten van wapens geen gevaar zolang deze zich buiten het lichaam bevinden. Als plutonium echter via inslikken, huidbeschadigingen of vooral via inademing in het lichaam terechtkomt, kunnen de gevolgen ernstig zijn.
Fusiereacties (thermonucleaire reacties)
De energieproductie in de zon en sterren is ongetwijfeld te danken aan fusieprocessen waarbij de kernen van verschillende lichte (laag atoomgewicht) atomen betrokken zijn. Uit experimenten in laboratoria met deeltjesversnellers is gebleken dat de fusie van waterstofisotopen mogelijk is. Van dit element is bekend dat het in drie isotopische vormen voorkomt, waarbij de kernen respectievelijk massagetallen van 1, 2 en 3 hebben.
Deze worden over het algemeen aangeduid als waterstof (¹H), deuterium (²H of D) en tritium (³H of T). Alle kernen dragen een enkele positieve lading, dat wil zeggen dat ze allemaal één proton bevatten, maar ze verschillen in het aantal neutronen. De lichtste (¹H) kernen (of protonen) bevatten geen neutronen; deuterium (D) kernen bevatten één neutron en tritium (T) kernen bevatten twee neutronen.
Er zijn verschillende fusiereacties waargenomen tussen de kernen van de drie waterstofisotopen, waarbij twee gelijksoortige of twee verschillende kernen betrokken zijn. Om deze reacties in aanzienlijke mate te laten plaatsvinden, moeten de kernen een hoge energie hebben. Een manier om deze energie te leveren is door de temperatuur tot zeer hoge waarden te verhogen. In deze omstandigheden worden de fusieprocessen “thermonucleaire reacties” genoemd.
Vier thermonucleaire fusiereacties lijken interessant voor de energieproductie, omdat ze naar verwachting voldoende snel verlopen bij haalbare temperaturen; dit zijn:
D + D = 3He + n + 3,2 MeV
D + D = T + 1H + 4,0 MeV
T + D = 4He + n + 17,6 MeV
T + T = 4He + 2n + 11,3 MeV,
waarbij He het symbool is voor helium en n (massa = 1) een neutron voorstelt. De vrijgekomen energie in elk geval wordt uitgedrukt in miljoen elektronvolt (MeV).
De eerste twee van deze reacties vinden met vrijwel gelijke waarschijnlijkheid plaats bij de temperaturen die geassocieerd worden met kernexplosies (enkele tientallen miljoenen Kelvin), terwijl de derde reactie een veel hogere waarschijnlijkheid heeft en de vierde een veel lagere waarschijnlijkheid. Een geldige vergelijking van de energie die vrijkomt bij fusiereacties met die welke vrijkomt bij splijting kan dus worden gemaakt door op te merken dat, als gevolg van de eerste drie hierboven genoemde reacties, vijf deuteriumkernen, met een totale massa van 10 eenheden, 24,8 MeV vrijmaken bij fusie. Aan de andere kant produceert een massa van 235 eenheden bij het splijtingsproces, bijvoorbeeld van uranium-235, een totale energie van ongeveer 200 MeV. Gewicht voor gewicht zou de fusie van deuteriumkernen dus bijna drie keer zoveel energie produceren als de splijting van uranium of plutonium.
Een andere reactie die van belang is voor thermonucleaire wapens, met tritium als product, is: 6Li + n = 4He + 3T + 4,8 MeV waarbij 6Li staat voor het lithium-6-isotoop, dat ongeveer 7,4 procent van natuurlijk lithium uitmaakt. Andere reacties kunnen plaatsvinden met lithium-6 of het meer voorkomende lithium-7-isotoop en diverse deeltjes die in het wapen worden geproduceerd. De hierboven weergegeven reactie is echter om twee redenen het meest interessant:
(1) de kans dat deze plaatsvindt is groot, en
(2) als het lithium in het wapen wordt geplaatst in de vorm van de verbinding lithiumdeuteride (LiD), is de kans groot dat het tritium dat bij de reactie ontstaat, reageert met het deuterium.
Er komt dus een grote hoeveelheid energie vrij bij de derde reactie en er worden extra neutronen geproduceerd die reageren met lithium-6.
Om de kernfusiereacties met de vereiste snelheid te laten plaatsvinden, zijn temperaturen van enkele tientallen miljoenen graden nodig. De enige praktische manier om dergelijke temperaturen op aarde te bereiken is door middel van een kernsplijtingsexplosie. Door een hoeveelheid deuterium of lithiumdeuteride (of een mengsel van deuterium en tritium) te combineren met een splijtingsapparaat, zou het mogelijk moeten zijn om een of meer van de hierboven beschreven thermonucleaire fusiereacties op gang te brengen.
Als deze reacties, gepaard gaande met energieontwikkeling, zich snel kunnen voortplanten door een volume van het waterstofisotoop (of de isotopen), kan een thermonucleaire explosie plaatsvinden.
Bij drie van de fusiereacties worden neutronen geproduceerd. Vanwege hun geringe massa voeren deze neutronen het grootste deel van de reactie-energie af; ze hebben dus voldoende energie om uranium-238-kernen te splijten. Zoals eerder vermeld, vereist dit proces neutronen met een hoge energie.
Het is daarom mogelijk om de thermonucleaire neutronen te benutten door het fusiewapen te omhullen met een laag gewoon uranium. De neutronen met hoge energie worden dan opgevangen door uranium-238-kernen; De laatstgenoemde ondergaan splijting, waardoor ze bijdragen aan de totale energieopbrengst van de explosie, en ook aan de resterende nucleaire straling die ontstaat door de splijtingsproducten.
Gemiddeld is de energie die vrijkomt bij de explosie van een thermonucleair wapen in ongeveer gelijke delen afkomstig van splijtings- en fusieprocessen, hoewel er in individuele gevallen variaties kunnen zijn. Bij “versterkte” splijtingswapens dienen thermonucleaire neutronen om het splijtingsproces te versterken; de energie die vrijkomt bij de thermonucleaire reactie is dan een klein deel van de totale energieopbrengst.
Thermische straling
De waargenomen verschijnselen die gepaard gaan met een kernexplosie en de effecten daarvan op mensen en materialen worden grotendeels bepaald door de thermische straling en de interactie daarvan met de omgeving. Het is daarom wenselijk om de aard van deze stralingen nader te bekijken. Thermische straling valt onder de brede categorie van wat bekend staat als “elektromagnetische straling”.
Dit is een soort golfbeweging die voortkomt uit oscillerende elektrische ladingen en de bijbehorende magnetische velden. Gewoon zichtbaar licht is de meest bekende vorm van elektromagnetische straling, en al deze stralingen bewegen zich door de lucht (of preciezer gezegd, een vacuüm) met dezelfde snelheid, namelijk de lichtsnelheid, 186.000 mijl per seconde.
Elektromagnetische straling varieert van gammastralen en röntgenstralen met een zeer korte golflengte (of zeer hoge frequentie), via onzichtbaar ultraviolet tot het zichtbare spectrum, en vervolgens tot infrarood-, radar- en radiogolven met een relatief lange golflengte (en lage frequentie).
De geschatte golflengte- en frequentiegebieden die door de verschillende soorten elektromagnetische straling worden ingenomen, zijn weergegeven in figuur 1.74. De golflengte l in centimeters en de frequentie v in hertz, d.w.z. in golven (of cycli) per seconde, zijn gerelateerd door lv = c, waarbij c de lichtsnelheid is, 3,00 x 10¹⁰ cm per seconde. Volgens de theorie van Planck wordt de energie van het corresponderende “quantum” (of eenheid) van energie, gedragen door het “foton”, d.w.z. het veronderstelde deeltje (of atoom) van straling, gegeven door:
E (ergs) = hv = hc / l = 1,99 x 10⁻¹⁶ / l (cm) (1.74.1) waarbij h een universele constante is gelijk aan 6,62 x 10⁻²⁷ erg-seconde. De energiequantumwaarden voor de verschillende elektromagnetische stralingen zijn weergegeven in Fig. 1.74; De resultaten worden uitgedrukt in MeV (miljoen elektronvolt), keV (kilo-elektronvolt) of eV (elektronvolt).
Deze worden verkregen uit vergelijking (1.74.1) door deze in de vorm te schrijven:
E (MeV) = 1,24 x 10⁻¹⁰ /l (cm) (1.74.2)
Het is te zien dat de energie van de straling van links naar rechts in de figuur afneemt, d.w.z. naarmate de golflengte toeneemt en de frequentie afneemt.
De (thermische) stralingsenergiedichtheid voor materie in temperatuurevenwicht wordt gegeven door:
E (straling) = 7,6 x 10⁻¹⁵ T⁴ erg/cm³
waarbij T de temperatuur in Kelvin is. Bij de temperatuur van een conventionele chemische explosie, bijvoorbeeld 5000 K, is de stralingsenergiedichtheid minder dan 1 erg/cm³, vergeleken met ongeveer 10⁸ erg/cm³ voor de materiële energie, dat wil zeggen kinetische energie en interne (elektronische, vibrationele en rotationele) energie. De stralingsenergie vormt dus een zeer klein deel van de totale energie.
Bij een kernexplosie daarentegen, waar temperaturen van enkele tientallen miljoenen graden worden bereikt, zal de stralingsenergiedichtheid in de orde van 10¹⁶ erg/cm³ liggen, terwijl de materiële energie in het bereik van 10¹⁴ tot 10¹⁵ erg/cm³ ligt. Er wordt geschat dat bij een kernexplosie aanvankelijk zo’n 80 procent van de totale energie aanwezig kan zijn als thermische stralingsenergie.
Niet alleen neemt de stralingsenergiedichtheid toe met de temperatuur, maar ook de snelheid waarmee deze als thermische straling wordt uitgezonden, neemt navenant toe. Bij materialen met temperaturen van enkele duizenden Kelvin wordt de energie langzaam uitgestraald, waarbij het grootste deel zich bevindt in het ultraviolette, zichtbare en infrarode gebied van het elektromagnetische spectrum (Fig. 1.74). Bij de temperaturen van een kernexplosie wordt de stralingsenergie echter niet alleen zeer snel uitgezonden, maar bevindt het grootste deel van deze energie zich ook in het spectrale gebied met golflengten korter dan ultraviolet.
Wanneer een kernwapen explodeert, wordt in het resterende materiaal snel een temperatuurevenwicht bereikt. Binnen ongeveer één microseconde na de explosie wordt zo’n 70 tot 80 procent van de explosie-energie uitgezonden als primaire thermische straling, waarvan het grootste deel bestaat uit zachte röntgenstraling.6
Bijna alle resterende energie bevindt zich op dat moment in de vorm van kinetische energie van het wapenpuin. De interactie van de primaire thermische straling en de puindeeltjes met de omgeving zal variëren met de hoogte van de explosie en zal de uiteindelijke verdeling van de energie bepalen tussen de thermische straling die op afstand wordt ontvangen en de schokgolf.
Wanneer een kernexplosie plaatsvindt in de lucht, waar de atmosferische druk (en dichtheid) vergelijkbaar is met die op zeeniveau, worden de zachte röntgenstralen in de primaire thermische straling binnen enkele meters volledig geabsorbeerd. Een deel van de straling wordt omgezet in lagere energieën, bijvoorbeeld in het ultraviolette gebied, maar het grootste deel van de energie van de primaire thermische straling wordt gebruikt om de lucht direct rond de kernexplosie te verwarmen.
Op deze manier ontstaat de vuurbal. Een deel van de energie wordt vervolgens met een lagere temperatuur vanuit de vuurbal opnieuw uitgestraald en de rest wordt omgezet in schokenergie (of explosie-energie). Dit verklaart waarom slechts ongeveer 35 tot 45 procent van de splijtingsenergie van een luchtexplosie op afstand als thermische stralingsenergie wordt ontvangen, hoewel de primaire thermische straling wel 70 tot 80 procent van het totaal kan uitmaken. Bovendien bevindt de secundaire thermische straling zich, omdat deze bij een lagere temperatuur wordt uitgezonden, voornamelijk in het spectrumgebied met langere golflengten (lagere fotonenergieën), namelijk ultraviolet, zichtbaar licht en infrarood.7
Bij een explosie op grote hoogte, waar de luchtdichtheid laag is, leggen de zachte röntgenstralen grote afstanden af voordat ze worden verzwakt en geabsorbeerd. In dit stadium is de beschikbare energie verspreid over een zo groot volume (en massa) dat de meeste atomen en moleculen in de lucht niet erg heet kunnen worden.
Hoewel de totale energie die als thermische straling vrijkomt bij een explosie op grote hoogte groter is dan bij een luchtexplosie dichter bij zeeniveau, wordt ongeveer de helft zo langzaam door de verhitte lucht opnieuw uitgestraald dat dit geen grote schade veroorzaakt. De rest wordt echter veel sneller uitgestraald, dat wil zeggen in een korter tijdsinterval, dan het geval is op lagere hoogten.
Een schokgolf ontstaat door een explosie op grote hoogte, maar op afstanden die van normaal praktisch belang zijn, veroorzaakt deze een kleinere drukverhoging dan een luchtexplosie met dezelfde kracht. Deze zaken worden uitgebreider behandeld in hoofdstuk II.
VOETNOTEN
- De termen “nucleair” en “atoom” kunnen door elkaar gebruikt worden wat wapens, explosies en energie betreft, maar “nucleair” heeft de voorkeur om de reden die in 1.11 wordt genoemd.
- De resterende (meer technische) gedeelten van dit hoofdstuk kunnen zonder verlies van continuïteit worden weggelaten.
- De meeste experimentele en theoretische waarden van de explosieve energie die vrijkomt bij TNT variëren van 900 tot 1100 calorieën per gram. Er bestond enige onzekerheid over de vraag of de term ‘kiloton’ bij TNT verwees naar een korte kiloton (2 x 10⁶ pond), een metrische kiloton (2,205 x 10⁶ pond) of een lange kiloton (2,24 x 10⁶ pond). Om ambiguïteit te voorkomen, werd overeengekomen dat de term ‘kiloton’ zou verwijzen naar de vrijgave van 10¹² calorieën explosieve energie. Dit is gelijk aan 1 korte kiloton TNT als de energievrijgave 1102 calorieën per gram is, of aan 1 lange kiloton als de energie 984 calorieën per gram TNT is.
- Een microseconde is een miljoenste deel van een seconde, d.w.z. 10⁻⁶ seconde; een honderdste van een Een microseconde, oftewel 10⁻⁸ seconde, wordt vaak een “schok” genoemd. De generatietijd bij splijting door snelle neutronen is dus ongeveer 1 schok.
- De algemene term “splijtingsproducten” wordt gebruikt om dit complexe mengsel te beschrijven.
- Röntgenstraling wordt vaak onderscheiden als “harde” of “zachte” straling. De laatste heeft langere golflengten en lagere energieën en wordt gemakkelijker geabsorbeerd dan harde röntgenstraling. Het zijn niettemin stralingen met een hoge energie in vergelijking met ultraviolet of zichtbaar licht.
- Het wordt soms “directe thermische straling” genoemd, omdat alleen de straling die binnen enkele seconden na de explosie wordt ontvangen, een significant gevaar vormt.
Ondersteun mijn website’s, kanaal en inhoud en mijn voortdurende inspanningen via Patreon:
https://patreon.com/Colani
Suc6
Terry van Erp
