Atomvåpen

external image 502px-Nagasakibomb.jpgEit atomvåpen eller eit kjernefysisk våpen er eit våpen der frigjort energi frå kjernereaksjonar, vert brukt som sprengkraft. Slike våpen øydela i 1945 dei to japanske byane Hiroshima og Nagasaki. Dette er det einaste tilfellet der slike våpen har vorte brukte i krig. Sprengkrafta av atomvåpen vert målt i kor mange tonn TNT eksplosjonen vil tilsvara dersom energien skal vera den same.

Historisk utvikling

Albert Einstein vert ofte rekna som ein viktig person når det gjeld utviklinga av atomvåpen. Då han i 1905 oppdaga at energien i ein atomkjerne var knytta til massen i, var dette eit stort gjennombrot i kjernefysikken. Også seinare var Einstein sentral i å få utvikla atombomba, då Leó Szilárd fekk han til å senda eit brev til Sambandsstatane sin president Franklin D. Roosevelt og be han setja i gong arbeidet med å få utvikla eit slikt våpen for å bruka mot Tyskland. I motsetnad til kva mange trur i dag, var Einstein likevel ikkje involvert i arbeidet med å utvikla atombomba.

I 1898 oppdaga ekteparet Marie og Pierre Curie at mineralet bekblende inneheldt eit stoff som gav ifrå seg svært mykje radioaktiv stråling. Dette stoffet var eit grunnstoff som dei kalla radium. Dette var ei viktig oppdaging, då det vart klart at naturen rundt oss inneheldt enorme mengder energi, som mennesket kanskje kunne gjera seg nytta av.

I 1932 fann fysikaren James Chadwick nøytronet. Han fekk seinare nobelprisen i fysikk for denne oppdaginga. Allereie same år klarte John Cockcroft og Ernest Walton å spalta eit atom ved å bombardera det med nøytron.

Ideen om ein kjernereaksjon av fisjonar var det Leó Szilárd som kom med. I 1934 tok Szilárd patent på ideen om atombomba. Mange ulike forskarar, mellom andre Lise Meitner og Niels Bohr, jobba med utviklinga innan dette feltet utover 30-talet. I 1938 vart det prova kva partiklar og stoff ein endte opp med ved spalting av uran, og utover i 1939 lukkast ein med å laga ein kjedereaksjon av fisjonar.

Frå krigen braut ut i 1939 fram til 1946 var det i Sambandsstatane at dei allierte si forsking gjekk føre seg, gjennom Manhattanprosjektet. Dette arbeidet vart leia av den usaianske fysikaren Robert Oppenheimer. Samstundes dreiv Tyskland sitt eige atomvåpenprosjekt.

Manhattanprosjektet lukkast til slutt med å byggja atombomba, etter at Tyskland hadde kapitulert. Japan hadde derimot ikkje kapitulert, så for å rekkja å bruka det nye våpenet forta Sambandsstatane seg å bomba to japanske byar i 1945.
Hiroshima etter bombinga
Hiroshima etter bombinga

Måndag 6. august 1945 sleppte Sambandsstatane den første atombomba over Hiroshima. Dette var ei bomba med ei sprengkraft som tilsvarte 15000 tonn TNT. Heile byen vart utsletta. Tre dagar seinare vart byen Nagasaki bomba, med ei sprengkraft tilsvarande 21000 tonn TNT. 140 000 menneske hadde døydd i Hiroshima og 80 000 i Nagasaki ved utgangen av 1945, om lag halvparten av dei døydde den dagen bomba råka. Seinare har mange tusen døydd av skadar etter radioaktiv stråling.

Etter 2. verdskrigen har dei mektigaste statane i verda forska vidare på atomvåpen, og det finst store lager av slike våpen. Dei har likevel ikkje vorte brukte i krigshandlingar, berre sprengde for å prøva ut teknologien.

Ulike typar atomvåpen

Atomvåpen baserte på fisjon

Det me vanlegvis kallar ei atombomba, er basert på fisjon av uran- eller plutoniumkjernar. Dette er tunge grunnstoff, det vil seia at dei har mange nukleon per kjerne. Og tunge grunnstoff har, relativt sett, større mengder nøytron enn grunnstoff med lågare atomtal. Difor vil ikkje dei nye stoffa som vert danna i fisjonen ha bruk for alle nøytrona frå uran- eller plutoniumatomet, så nokre nøytron vert frigjorte og kan danna nye fisjonar.

For å oppnå ein kjedereaksjon av fisjonar, må mengda av fissilt materiale vera overkritisk. Det vil seia at mengda må vera så stor at talet på partiklar (nøytron) frå kvar fisjon som kan starta nye fisjonar, i gjennomsnitt må vera større enn 1. Ei kritisk mengda vil difor eksplodera spontant så snart fisjonar vert sette i gong. Ei atombomba er samansett av to eller fleire underkritiske mengder, som til saman vert ei overkritisk mengda når våpenet vert detonert og mengdene vert føydde saman.
Biletet viser at to uranmassar treff einannan, og eit nøytron startar ein kjedereaksjon
Biletet viser at to uranmassar treff einannan, og eit nøytron startar ein kjedereaksjon


Fysikken bak ein fisjon

Når eit nøytron treff ein atomkjerne, kan ein av tre ting skje: Atomkjernen kan støyta ifrå seg nøytronet slik at det flyg i ei anna retning, absorbera nøytronet slik at atomkjernen aukar nukleontalet sitt eller fisjonera når nøytronet treff kjernen. Fisjonen skjer berre dersom den kinetiske energien til nøytronet er større enn bindingsenergien som held kjernen saman.

Den totale energien til eit atom er summen av masseenergi (E₀), kinetisk energi (Ek) og strålingsenergi (Eγ).

Den totale energien er bevart i ein kjernereaksjon. Det vil seia at den energien som vert brukt til å halda atomkjernen saman, vert frigjort for andre føremål etter at atomet er spalta. Den frigjorte energien er gitt ved formelen

der ΔE er frigjort energi og Δm er skilnaden i masse før og etter reaksjonen.

I ein fisjon av eitt einskild atom, vert det utløyst ein energi på 200 MeV (megaelektronvolt). Det meste av dette er den kinetiske energien til dei nye atoma som vert danna. Om lag ein åttandedel er gammastråling i form av foton som dei nye atoma sender ut fordi dei er eksiterte etter fisjonen. Ein tjuendedel er frigjorte nøytrino. For kvar fisjon vert det frigjort i gjennomsnitt 2 nøytron. Den kinetiske energien til nøytrona gjer at me kan få ein kjedereaksjon.

Den frigjorte energien frå ein fisjon vert då delt opp om lag slik:


Grunnen til at ein nyttar den spesielle eininga elektronvolt i atomfysikken, er at dei energimengdene ein snakkar om når ein t.d. skal måla rørsleenergien til eit elektron vert svært små tal dersom me skal bruka joule, som er den vanlege eininga for energi. Ein elektronvolt er om lag 1.602×10-19 joule.

For å ha eit samanlikningsgrunnlag, kan me tenkja på at den kjemiske prosessen ved forbrenning av eit karbonatom (kol) utløyser nokre få eV. Ein fisjon utløyser altså over ti millionar gonger den energien som me oppnår ved ein vanleg kjemisk reaksjon.

Når mange fisjonar skjer (nesten) samstundes i ein kjedereaksjon, vil om lag 180 MeV av energien frå kvar fisjon vera kinetisk energi og gammastråling som vert sleppt ut momentant i eksplosjonen. Resten er beta- og gammastråling og frigjorte nøytrino som vert sendt ut etter eksplosjonen.

Det har ikkje lukkast meg å finna ut kor mange atom som vil verta fisjonerte, eller kor mange generasjonar av kjedereaksjonar ein kan oppnå i ei kritisk mengda uran. Men me veit at ei atombomba på berre nokre få tonn kan laga ein eksplosjon like stor som om me fyrer av mange tusen tonn TNT.

Korleis verkar ei fisjonsbomba?

Å oppnå kritikalitet
Prosjektilmetoden
Prosjektilmetoden

Det er to måtar å detonera fisjonsbomba på. Den eine måten kallar eg «prosjektilmetoden». Då har ein eit røyr med ein underkritisk masse av uran i kvar ende. I eine enden er det ei lita sprengladning, omtrent som i patrona til eit skytevåpen. Når denne ladninga går av, vert den eine uranmassen skoten mot den andre. Denne metoden kan ikkje brukast på plutonium.

Den andre måten er å implodera massen, det vil seia at ein samlar det fissile materialet, anten uran eller plutonium, og lagar ein eksplosjon rundt stoffet slik at det vert pressa saman.

Å tilsetja nøytron

For at den kritiske massen av uran eller plutonium skal byrja å fisjonera, må det tilsetjast nøytron. Det gjer ein med ein nøytrongenerator. Dette er ei lita mengda med polonium og ei lita mengda med beryllium som er separerte av folie og som ligg inni den kritiske mengda. Når bomba vert detonert, vert folien broten, og alfastråler frå poloniumet treff berylliumet, som då vil sleppa ifrå seg nøytron som startar kjedereaksjonen.

Å forlenga prosessen

Utanpå den kritiske mengda, ligg det ein vegg av veldig tett materiale, vanlegvis U-238, som held den detonerte mengda saman, og i tillegg sender inn att nøytron som har retning vekk frå det fissile materialet. Slik vert prosessen forsterka og forlenga.

Fisjonsvåpen med uran

Den vanlegaste uranisotopen i naturen er U-238, det vil seia uran med 238 nukleon i kjernen. Men for å oppnå den typen kjedereaksjon som er naudsynt for ein stor eksplosjon, må ein ha meir av den nest mest vanlege isotopen, U-235, eller U-233, som ikkje finst i naturen. Grunnen er at desse isotopane har lågare bindingsenergi enn U-238. Uran der ein har større mengder U-235 eller U-233 enn i naturlege førekomstar av uran, vert kalla anrika uran.

Den kritiske massen for uran er 52 kg for U-235 og 16 kg for U-233.

Atombomba «Little Boy», som vart sleppt over Hiroshima, brukte U-235 som drivstoff og vart detonert med prosjektilmetoden.

Fisjonsvåpen med plutonium

Den einaste plutoniumisotopen som kan brukast i kjernefysiske sprengingar, er Pu-239. Dette er ein isotop som ikkje finst i naturen, men vert framstilt ved stråling i reaktor. Han har ei halveringstid på 24.110 år.

Den kritiske massen til Pu-239 er 10 kg.

Atombomba «Fat Man», som vart sleppt over Nagasaki, brukte plutonium som drivstoff.

Atomvåpen basert på fusjon

Også ved ein fusjon vert det frigjort store mengder energi. Atomvåpen der ein brukar fusjon, kallar me termonukleære våpen. Dei vert i daglegtalen kalla hydrogenbomber, fordi det er ulike isotopar av hydrogen som fusjonerer.

Også i termonukleære våpen vil det oppstå fisjonar, på grunn av nøytron som vert frigjorte i fusjonane.

«Skitne» bomber

«Skitne» bomber er konvensjonelle bomber som er pakka saman med radioaktivt materiale, slik at dei i tillegg til eksplosjoner fører med seg stråling over eit stort område.

Panserbrytande ammunisjon

Panserbrytande ammunisjon inneheld ofte utarma uran. Uranet er teke med for at prosjektilet skal ha stor massetettleik for å trengja gjennom pansra køyrety. Radioaktiv stråling er med andre ord ikkje målet med slike våpen, men heller ein uheldig biverknad som i ettertid vil kunna påverka organismar i området.

Kjelder