Kärnvapen

Från Wikipedia
(Omdirigerad från Kärnexplosion)
Hoppa till: navigering, sök

Kärnvapen är en typ av vapen vars sprängladdning får sin energi från fission, eller från olika kombinationer av fission och fusion, av atomkärnor, till skillnad mot konventionella vapen, vars sprängladdningar får sin energi från kemiska processer.

Översikt[redigera | redigera wikitext]

En ur teknisk synvinkel enkel atombomb (”gun design”) där två underkritiska laddningar förs ihop.
  1. Konventionellt sprängämne (kordit) för att få fart på ”kulan”
  2. Lopp
  3. Ihålig urankula
  4. Cylindriskt ”mål”
Tillsammans blir kärnladdningarna överkritiska; materialet, uran eller plutonium, börjar klyvas och en kedjereaktion startar. Kedjereaktionen blir snabbt explosionsartad och bomben sprängs.

Kärnvapen finns i varianter från de minsta med sprängkraft som inte är mycket större än de största konventionella bomberna, till enormt kraftfulla konstruktioner som kan utplåna allt inom en radie på flera kilometer. Kärnvapen transporteras vanligen till målet med bombplan eller ballistiska robotar, men även artilleripjäser, kryssningsrobotar och minor med kärnladdningar finns. Många kärnvapen har provsprängts men endast två har använts i en väpnad konflikt: Atombomberna över Hiroshima och Nagasaki (Little Boy och Fat Man) sprängdes mot slutet av andra världskriget i augusti 1945 på order av USA:s president Harry S. Truman. Den som använder kärnvapen i en väpnad konflikt bedriver kärnvapenkrig.

Grundläggande fysikaliska principer[redigera | redigera wikitext]

Grunden för konstruktion av utgörs av främst fysiken, och då i synnerhet kärnfysik. Formeln E = mc² har ibland setts som en symbol för den teoretiska basen för kärnvapen. Inom kemin har kärnkemin varit av fundamental betydelse för utvecklingen av kärnvapen.

Ekvivalens mellan massa och energi[redigera | redigera wikitext]

Massa kan ses som energi, och energi kan ses som massa. Detta är innebörden av Einsteins bekanta samband:

E=mc^2,

där E avser energin, m massan och c2 är ljushastigheten i kvadrat.

Således följer det att vilken fysikalisk process, av vilket slag det än må gälla, som medför en massförlust, kommer att utveckla energi.

Kärnfysik[redigera | redigera wikitext]

Principen för ett fissionsvapen som använder sig av implosion för att detonera.
Huvudartikel: Kärnfysik

Kärnfysiken beskriver bland annat sådana kärnreaktioner som fission och fusion, men det finns en mängd andra kärnfysikaliska fenomen som är betydelsefulla. Till exempel kan en neutron som växelverkar med en atomkärna i vissa fall absorberas så att det bildas en ny isotop, medan den i andra fall sprids på ett sätt som kan ses som en form av reflexion. Neutronfysiken utgör det ämne som beskriver exempelvis neutronflöden.

Fission[redigera | redigera wikitext]

Huvudartikel: Fission

Inom kärnfysiken avses, med termen fission, en kärnfysikalisk process där en atomkärna sönderdelas i flera, och om dessas massa är mindre än den ursprungliga, så utvecklas följaktligen energi härvid. Detta utgör grunden för fissionsvapen, eller atombomber.

Fusion[redigera | redigera wikitext]

Huvudartikel: Fusion

Inom kärnfysiken avses, med termen fusion, en kärnfysikalisk process där flera atomkärnor sammanförs till färre, och om dessas massa är mindre än de ursprungliga, så utvecklas följaktligen energi härvid. Detta utgör grunden för fusionsvapen, eller vätebomber.

Fissionsvapen[redigera | redigera wikitext]

Fissionsvapen kallas ofta för atombomber, vilket är en oegentlig benämning, eftersom en bomb endast är en typ av vapenbärare för fissionsladdningar. Tidigare var fissionsvapen så stora och tunga att bomber i praktiken var den enda realistiska typen av vapen, men detta är inte längre fallet. Bombflygplan torde numera använda kryssningsrobotar försedda med kärnladdningar.

En jämförelse mellan de två olika konstruktionsprinciperna.

Rena fissionsladdningar används endast i de minsta typerna av taktiska kärnvapen, medan merparten av dagens kärnvapen är försedda med laddningar vars sprängverkan uppkommer genom olika kombinationer av fission och fusion. I en enkel form av vapen uppnås kriticitet genom att två massor skjuts samman med vad som kan liknas med en kanon. Denna metod används dock knappast numera, i stället används en konstruktion där kriticiteten uppnås genom att klyvbart material komprimeras så att kritisk massa erhålls.

Konstruktionsprinciper[redigera | redigera wikitext]

Huvudartikel: Kritisk massa

Fissionsvapen, eller atombomber, får sin energi från fission, det vill säga genom klyvning av tyngre atomkärnor.[1] Detta åstadkoms genom att tillräckligt mycket klyvbart material koncentreras till en liten volym, vilket medför att en kärnreaktion uppkommer.

Illustration av en fizzle.

Två kroppar av klyvbart material kan uppnå en kritisk massa om deras avstånd är mindre än cirka 25 cm. En kärnreaktion som uppkommer på detta sätt är emellertid oanvändbar, eftersom de två massorna kommer att sprängas isär innan kärnreaktionen har pågått tillräckligt länge för att utveckla någon större energi. En sådan förtida detonation kallas för en fizzle. För att undvika detta konstruerar man fissionsvapen på ett sådant sätt att den kritiska massan erhålls genom en sprängning med hjälp av kemiska sprängämnen. För att uppnå en önskad sprängverkan av dessa kemiska sprängämnen är konstruktionen av detonatorena av central betydelse.

Exploding bridgewire detonators, en typ av detonator som kan användas i kärnvapen.

Man använder i praktiken uteslutande uran eller plutonium av hög renhet som utgångsmaterial, och främst då isotoperna uran-235 och plutonium-239 för konstruktion av fissionsvapen. Eftersom plutonium är ett allotropiskt ämne legerar man dock detta vanligen med gallium för att undvika fasomvandling. Det är emellertid teoretiskt möjligt att konstruera atombomber även av neptunium eller americium, men det är mer komplicerat och torde aldrig ha testats i praktiken.

Atomkärnor kan klyvas på flera olika sätt, då de utsätts för neutronemission. En viktig kärnreaktion för uran-235 är då uran-235 ger upphov till strontium-95 och xenon-139 till följd av att urankärnan har upptagit en neutron.

\ {}^{235}\mathrm{U} + n \longrightarrow {}^{95}\mathrm{Sr} + {}^{139}\mathrm{Xe} + 2n + 180\ MeV.

Här genereras två neutroner, vilka kan ge upphov till att ytterligare två urankärnor klyvs, och det frigörs även energi, motsvarande 180 miljoner elektronvolt. 93 % av denna energi utgörs av strontium- och xenonkärnornas rörelseenergi, medan resten av energin utgörs av röntgenstrålning och gammastrålning, samt av neutronernas rörelseenergi, vilket utgör den uppkomna neutronstrålningens energi. Atomkärnornas rörelseenergi ger upphov till värme, och det leder till uppkomsten av ett plasma.

För att förbättra effektiviteten för kärnreaktionerna omger man det klyvbara materialet med ämnen som reflekterar neutroner. Volframkarbid och beryllium, av praktiska skäl då legerat med aluminium, har använts som neutronreflektorer, liksom även utarmat uran. Tunga neutronreflektorer som volfram och uran bidrar även till att fysiskt hålla samman det klyvbara materialet, till följd av tröghet, då detta genomgår en kärnreaktion, vilket ytterligare förbättrar neutronekonomin, innan det slutligen sprängs sönder. En sådan neutronreflektor kallas ofta för en "tamper". För att uppnå kritisk massa utnyttjas två olika tillvägagångssätt, vilka kan beskrivas med kanonmodellen respektive kompressionsmodellen.

Kanonmodellen[redigera | redigera wikitext]

Uppbyggnaden av Little Boy.

Ett fissionsvapen som är konstruerat i enlighet med kanonmodellen fungerar så att en underkritisk massa skjuts in i en annan underkritisk massa. Då de två massorna förenas uppnås en prompt kritisk massa varvid en kedjereaktion inleds. Denna typen av konstruktion kan liknas vid en kanon, vilket har givet upphov till dess namn. Little Boy var konstruerad enligt denna princip, och man använde sig här av kordit som kemiskt sprängämne för att "avfyra kanonen".

Ursprungligen avsåg man att använda sig av plutonium-239, men det konstaterades att denna var förorenad med plutoniun-240, vilket kan ha en så hög frekvens av spontan fission att risken för en fizzle, det vill säga en förtida detonation, var överhängande. Följaktligen använde man uran istället, där 80 % utgjordes av uran-235, och uran-238 de återstående 20 %. Det anses att fissionsvapen byggda enligt kanonmodellen i praktiken utesluter användningen av plutonium. De 20 % av uran-238 som användes gav upphov till 70 fall av spontan fission per sekund. Trots detta hade den även en del som utgjordes av polonium och beryllium vars neutronemission avsåg att initiera kärnreaktionen. Vapnets neutronreflektor bestod av volframkarbid, vars tröghet även bidrog till ett bättre utnyttjande av uranet. Trots detta var det endast cirka 1 % av uranet som deltog i kärnreaktionen.

Förutom USA använde Sydafrika sig av kanonmodellen för kärnvapendesign i sitt, nu nedlagda, kärnvapenprogram. Modellen torde numera ha övergivits och det är möjligt att det inte längre finns några vapen kvar av denna typ, emellertid skulle denna design, till följd av sin relativa enkelhet, kunna ses som tilltalande av eventuella nya innehavare av kärnvapen. Även en mindre lyckad konstruktion, som endast resulterade i en fizzle, skulle dock utgöra en smutsig bomb, vilket dock skulle kunna vara tillräckligt för aktörer som avser att utöva kärnvapenterrorism.

Kompressionsmodellen[redigera | redigera wikitext]

Fat Mans konstruktion.

I ett fissionsvapen som är konstruerat i enlighet med kompressionsmodellen formas det klyvbara materialet till en sfär eller en. pit. Denna omges av konventionella sprängämnen i två eller flera lager, vilka kallas för en "spränglins". Vid detonationen komprimerar spränglinsen sfären så att det klyvbara materialet blir kritiskt och kedjereaktionen inleds. Man kan använda både uran och plutonium i fissionsvapen som är konstruerade på detta sätt. Massan av klyvbart material i sfären är tillräckligt stor för att uppnå kriticitet, men den är underkritisk före det att sfären har komprimerats.

Fat Man var konstruerad i enlighet med denna princip. I denna bestod sfären av en legering som bestod av 96 % plutonium-239, 1 % plutonium-240 samt 3 % gallium, och i dess mitt fanns det en neutronemitterare som bestod av polonium och beryllium, i syfte att de neutroner som poloniumet emitterar skulle effektivisera inledningen av kedjereaktionen, och en av dessa är följande:

\ {}^{239}\mathrm{Pu} + n \longrightarrow {}^{192}\mathrm{Rh} + {}^{95}\mathrm{In} + 3n + 240\ MeV.

Plutoniumsfären omgavs av utarmat uran vilket reflekterade neutroner tillbaka in i sfären, och dess tröghet bidrog även till att förlänga kedjereaktionen. Mellan denna neutronreflektor och spränglinsen fanns ett lager av aluminium, eftersom bombens inre delar hade en hög densitet i förhållande till spränglinsens densitet. Aluminiumlagerts uppgift var att motverka tendenser till turbulens, vilka skulle kunna orsakas av stora densitetsskillnader, i samband med uppkomsten av den tryckvåg som detonationen av spränglinsen. Spränglinsen utgjordes av tre lager av sprängmedel, ett snabbt inre lager, ett långsammare mellanlager, och ett snabbt ytterlager, samt 32 detonatorer. Det inre lagret bestod av Hexotol, och var helt sfäriskt. Mellanlagret bestod av Baratol, och ytterlagret bestod av Hexotol. Vid detonatorerna var mellanlagret tjockare och ytterlagret tunnare i syfte att optimera sprängverkan genom att tryckvågen omvandlades från att vara konvex till att bli konkav.

Animering av detonationen i ett fissionsvapen som är uppbyggt med hjälp av implosion

Sfären var till en början i princip massiv, även om den i mitten hade ämnen som skulle effektivisera kärnreaktionens inledning, dessa kallas ofta för Christy pits, efter fysikern Robert F. Christy. Senare kom sfären att ha ett hålrum, och dessa kallades för Hollow pits. Då dessa imploderade bildades ett homogent klot av klybart material, vars massa då blev kritisk. På grund av att det inte fanns någon massa i centrum kunde implosionen accelerera fram till dess att den bildade en homogen sfär, vilket förbättrade dess effektivitet. Det innebar även att vapnets vikt och storlek kunde minska, eftersom man då kunde minska det omgivande skiktet av utarmat uran, vars uppgift var att bidra med tröghet, och att reflektera neutroner, men som inte själv bidrog till fissionen. Hollow pits är mer effektiva än Christy pits, men de kräver en mer precis implosion, och därmed bättre spränglinser. Det har även förekommit att man har konstruerat vapen med en icke-sfärisk "pit". Dessa kan utgöras av en oval bestående av plutonium-239. Spränglinsen utformas så att ovalen omformas till ett klot, och då kan även plutoniumet övergå från deltafas till alfafas, vilket ökar dess densitet med 23 %, och det blir därmed kritiskt. Dessa gör det möjligt att bygga små kärnvapen för taktisk användning, men om kriticiteten endast uppnås genom att ovalen övergår till ett klot utnyttjas plutoniumet relativt ineffektivt.

Linjär implosion.

Utformningen av spränglinsen är av vital betydelse för fissionsvapen som är konstruerade enligt kompressionsmodellen. Spränglinsen som användes för The Fat Man var klotformad, och från detonatorerna utbred sig tryckvågen konvext, och spränglinsen var utformad så att tryckvågen skulle omvandlas till att utbreda sig konkavt, för att implosionen skulle bli symmetrisk. Med undantag för fissionsvapen med en icke-sfärisk "pit" eftersträvas en sådan tryckvågstransformering alltjämt. Emellertid vill man undvika en klotformad utformning av spränglinsen, med dess stora antal detonatorer, som gör den olämplig för flera vapenbärare. Därför har man utvecklat spränglinser där endast deras inre skikt har varit sfäriska, medan deras yttre skikt har formats som en ellipsoid, och dessa har endast haft två detonatorer i dess ändar. Emellertid skulle en spränglins som enbart bestod av en kombination av snabba och långsamma sprängmedel kunna bli oönskat lång för att kunna transformera den konvexa tryckvågen till en konkav tryckvåg, passande för spränglinsens inre skikt. Anledningen är att även långsamma sprängämnen är för snabba, och därför har man utvecklat spränglinser försedda med en så kallad "air lens". En "air lens" innehåller en metallplatta som av tryckvågen deformeras och accelereras i ett tomrum mot spränglinsens inre skikt, och det är på grund av metallens deformation som tryckvågen slutligen har transformerats från att ha varit konvex till att bli konkav. Längden för en sådan spränglins behöver endast vara dubbelt så lång som dess diameter.

Då det gäller att beräkna vad som sker rent mekaniskt härvidlag används den teori som beskrivs i kontinuummekaniken. Vid de tryck och temperaturer som det här är frågan om så beskrivs materian då främst på ett sätt som behandlas inom hydrodynamiken. Detta är anledningen till att begrepp som turbulens kan vara relevanta i samband med denna typ av implosion.

Förstärkta fissionsvapen[redigera | redigera wikitext]

"SWAN" var den första kärnladdningen som byggdes med en dubbelsidig luftspalt, och som även inbegrep förstärkning med hjälp av fusion. Bomben användes som "tändhatt" för flera typer av termonukleära vapen. och därför användes beryllium som neutronreflektor, då detta är transparent för röntgenstrålning.

Med förstärkta fissionsvapen (en. boosted fission weapon) avses vanligen en fissionsladdning som också innehåller fusionsbränsle i syfte att förbättra dess effektivitet, men som i allt väsentligt ändå kan ses som ett fissionsvapen.[2]

Förstärkta fissionsvapen kan åstadkommas exempelvis genom att man använder sig av tritium- och deuteriumgas. Då cirka 1 % av fissionsbränslet har fissionerat uppnås en så pass hög temperatur att fusionsprocessen startar, vilket ger upphov till ett relativt stort antal neutroner.

\ ^2\mathrm{D} + ^3\! \mathrm{T} \longrightarrow ^4\! \!\mathrm{He} + n + 17.6\ MeV.

Neutronerna snabbar på de senare faserna i fissionsprocessen, vilket i sin tur kan leda att den totala sprängkraften kan komma att fördubblas i förhållande till ett motsvarande icke-förstärkt fissionsvapen.

Dessa vapen kan även göras immuna mot ett neutronflöde som har orsakats av en annan kärnvapenexplosion i dess närhet, vilket kan få andra designtyper att detonera i förtid, utan att erhålla en hög sprängverkan. Detta, samt en reducerad vikt i förhållande till vapnets sprängverkan torde utgöra anledningen till att förstärkta fissionsvapen nu utgör merparten av världens kärnvapen.

Eftersom dessa kärnvapen kan fördubbla sin sprängverkan i jämförelse med ett icke-förstärkt kärnvapen så kan dessas sprängverkan även styras så att de kort inför detonationen kan tillses att erhålla en sprängverkan som ligger i intervallet ca. 100-50 % av dess potentiella maximala sprängverkan. Detta görs genom att kaviteten fylls med en lämplig mängd av gas bestående av tritium och deuterium. Därest denna fissionsladdning utgör en "tändhatt" för en fusionsladdning torde även detta vapens sprängverkan härigenom vara styrbart. Detta anses vara en betydande fördel i fall kärnvapen skall sättas in i närhet av, exempelvis, egen trupp.

Fusionsvapen[redigera | redigera wikitext]

Fusionsvapen, termonukleära vapen eller kanske oftast vätebomber bygger främst på den energi som frigörs genom fusion när två lättare atomkärnor slås samman till en tyngre atomkärna. Ursprungligen användes väte bestående av isotoperna deuterium och tritium som kan fusionera, och därmed bilda helium, oftast helium-4. Isotopen deuterium har en extra neutron och tritium två extra neutroner jämfört med vanligt väte.[3] Numera används litiumdeuterid, 6Li2H eller 6LiD istället, och man får då följande kärnreaktioner:

\ ^6\mathrm{Li} + n \longrightarrow ^4\!\!\mathrm{He} + ^3\!\mathrm{T} + 5\ MeV.\!\!\!\!
Detta är således en form av fission där litium ger upphov till helium och tritium, som sedan används i fusionsprocessen.
\ ^2\mathrm{D} + ^3\! \mathrm{T} \longrightarrow ^4\! \!\mathrm{He} + n + 17.6\ MeV.
Det tritium som då har billdats kommer att, tillsammans med deuteriumet, genom fusion, att ge upphov till helium och snabba neutroner.

För att det ska kunna genomgå fusion måste det uppnå mycket högt tryck och temperaturer på flera tiotals miljoner grader. Därför används alltid en fissionsbomb som "tändhatt" i vätebomber. Fusionsladdningar är potentiellt tusentals gånger kraftfullare än fissionsladdningar, och kan teoretiskt sett göras hur kraftiga som helst. Det är emellertid en vanligt förekommande missuppfattning att fusionsvapen endast skulle utgöras av så kallade "stora" laddningar. Extremt stora laddningar torde ha ett mycket begränsat militärt värde. Däremot utgör fusionsvapen en mer kostnadseffektiv design i förhållande till fissionsvapen, vilket förklarar dess utbreddhet.

Det första vätebombsprovet utfördes av USA 1952. Bombprovet kallades "Mike" och bränslet i konstruktionen var flytande deuterium med viss andel tritium. Bomben vägde över 60 ton och var mycket svår att hantera, bland annat på grund av att man använde en kylanläggning för att hålla deuteriumet flytande. I senare konstruktioner använd litiumdeuterid (LiD) i fast form som bränsle.[3] Tsar Bomba, den kraftigaste kärnvapenladdning som någonsin konstruerats var en vätebomb som testades av Sovjetunionen den 30 oktober, 1961, den hade en sprängverkan motsvarande 50 miljoner ton trotyl (TNT), cirka 4 000 gånger kraftigare än den atombomb som fälldes över Hiroshima.

Teller–Ulams designprincip för fusionsvapen[redigera | redigera wikitext]

Illustration av Teller–Ulams design av termonukleära vapen.

Edward Teller omnämns ofta som "vätebombens fader", och en fundamental design av termonukleära laddningar kallas för Teller-Ulams design efter denne och Stanislaw Ulam. Andrej Sacharov anses oberoende av dessa ha varit upphovsman till en snarlik konstruktion, som har kallats för "Sacharovs tredje idé".

Den grundläggande principen för Teller–Ulams design av termonukleära vapen innebär att en primärladdning, som utgörs av en fissionsbomb, komprimerar den andra sektionen, som består av både fissions- och fusionsbränsle. I primärladdningen använder man sig av en beryllium-aluminiumlegering som neutronreflektor eftersom beryllium är transparent för röntgenstrålning. Härigenom uppnås att värmen i den komprimerade andra sektionen, till följd av en andra fissionsprocess i den andra sektionen, blir tillräckligt stor för att starta fusionsprocessen, och därigenom erhålls en termonukleär explosion. Neutronbomber är ett exempel på vapen vars sprängladdning utgörs av en tvåstegs fusionsladdning.

Fission-fusion-fissionsvapen[redigera | redigera wikitext]

Fission-fusion-fissionsvapen har ett tredje steg efter det att fusionsprocessen har inletts. Detta tredje steg genererar ett kraftigt flöde av snabba neutroner. Uran-238 är inte fissilt, men kan fissionera om det utsätts för neutroner vars energi är större än 1 MeV. Det betyder att man kan använda de relativt billiga råvarorna naturligt eller utarmat uran för vapenändamål. Härigenom kan man dubblera vapnets sprängverkan. Dessa vapen kommer att ha en mindre neutronstrålning, men de kommer att ge upphov till ett betydligt större radioaktivt nedfall.

Detonationssekvens enligt Teller–Ulams princip.
  1. Stridsspetsen före detonation, med primärladdningen (fissionsladdning) överst och sekundärladdningen (fusionsladdning) nederst infattade i en polymer som troligen är en form av styrenplast.
  2. Kemiska sprängämnen avfyras i primärladdningen, vilket komprimerar plutoniumet till överkritisk massa och utlöser en fissionsreaktion.
  3. Fissionen genererar röntgenstrålning som reflekteras mot vapnets hölje och bestrålar styrenplasten.
  4. Styrenplasten omvandlas till plasma, sekundärladdningen komprimeras och tändstaven av plutonium genomgår fission.
  5. Fusionsbränslet av litiumdeuterid är nu så komprimerat och upphettat att det avger tritium och fusionsreaktionen inleds. De frigjorda snabba neutronerna gör att en tredje fissionsreaktion i tillsatsen av U-238 inleds. Vapnet detonerar.

Genuina fusionsvapen[redigera | redigera wikitext]

Med genuina fusionsvapen, eller pure fusion weapons avses fusionsvapen som inte skulle behöva ha en fissionsladdning som "tändhatt". Det har bedrivits forskning för att konstruera sådana genuina fusionsvapen, men dessa förefaller att ha varit fruktlösa på grund av svårigheterna att på annat sätt uppnå tillräckligt höga temperaturer för att starta upp en fusionsprocess. Av uppenbara skäl lämpar sig inte exempelvis tokamakkonstruktioner för detta ändamål. Rent teoretisk skulle emellertid dessa inte ge upphov till något radioaktivt nedfall, utan deras effekt skulle endast utgöras en kombination av ren sprängverkan samt neutronstrålning.

Kärnvapen optimerade för speciella användningar[redigera | redigera wikitext]

Neutronbomb[redigera | redigera wikitext]

Huvudartikel: Neutronbomb

En neutronbomb är ett kärnvapen som är konstruerade för att generera en hög strålning, främst neutronstrålning, i förhållande till andra motsvarande kärnvapen, vilket innebär att deras sprängverkan, det vill säga den tryckvåg som de orsakar, är mindre än andra motsvarande kärnvapen. Syftet med dessa torde vara att bekämpa stridsvagnar, vars besättning kan vara väl skyddade mot sprängverkan, men sakna skydd mot neutronstrålning.

Koboltbomb[redigera | redigera wikitext]

Huvudartikel: Koboltbomb

En koboltbomb är ett kärnvapen som getts ett tillskott av kobolt. När vapnet detonerar blir koboltet utsatt för strålning som gör det extremt radioaktivt under flera år (En halveringstid på 5.7 år). Detta till skillnad från vanliga kärnvapen, där det värsta nerfallet försvinner inom veckor eller månader. Det har antagits, i varje fall mot bakgrund av vad som är offentligt känt, att koboltbomber aldrig har byggts i praktiken.

Test av kärnvapen[redigera | redigera wikitext]

Huvudartikel: Kärnvapenprov

Kärnvapenprov har genomförts för att testa dessas konstruktion, samt för att sända politiska signaler, både intert nationellt, och internationellt. Behovet att utföra kärnvapenprov har minskat, eller bortfallit, som en konsekvens av de förbättrade möjligheterna att utföra datorbaserade simuleringar.[4]

Vapenbärare för kärnvapen[redigera | redigera wikitext]

En illustration av en sovjetisk interkontinental ballistisk robot med MIRV-stridsspetsar.

De första vapenbärare för kärnvapen utgjordes av bombflyg, vilka kunde fälla bomber, först atombomber och senare även vätebomber. Ballistiska robotar kom snart att användas som vapenbärare för främst strategiska kärnvapen, senare kom dessa att till stor del kunna medföra flera kärnvapen, och dessa benämns som MIRV. Numera används också kryssningsrobotar som vapenbärare för kärnvapen. Torpeder försedda med kärnladdningar har även ingått i supermakternas vapenarsenal. Som vapenbärare av taktiska kärnvapen kan nämnas att granater försedda med kärnladdningar har tagits fram vilka kan avfyras från artilleripjäser. Granatgevär har även kunnat avfyra kärnvapen.[5]

Jämförelsetal[redigera | redigera wikitext]

Kiloton (kt), och megaton (Mt) används som jämförelsetal för sprängkraften hos kärnvapen. Grundenheten är den standardiserade energiutvecklingen av ett ton detonerande trotyl (4,184×109 joule) med för storleksordningen tillämpligt SI-prefix.

1 kiloton = energimängden i 1 000 ton trotyl. 1 kiloton = 4,184×1012 joule = 4 184 terajoule. Atombomben över Hiroshima hade exempelvis en sprängverkan på mellan 15–16 kiloton. (Beror på vilken källa uppgiften kommer ifrån)

1 megaton = energimängden i 1 miljon ton trotyl. 1 megaton = 4,184×1015 joule = 4 184 petajoule. Atombomben över Hiroshima hade exempelvis en sprängverkan på c:a 0,015 megaton. Den största bomben som någonsin testats, Tsar Bomba, var på över 50 megaton, d.v.s. mer än 4 000 gånger kraftigare än Hiroshimabomben.

Effekter[redigera | redigera wikitext]

Eftersom kärnvapen kan avse en mängd olika typer av vapen, vars enda gemensamma egenskap utgörs av att deras sprängladdning baseras på kärnreaktioner och inte primärt på kemiska reaktioner så är det givetvis närmast omöjligt att uttala sig i generella termer om dessa vapens verkan. Det finns kärnvapen vars sprängverkan är enorm, men det finns även taktiska kärnvapen vars sprängverkan är betydligt mindre, och effekterna av en luftdetonation över ett markmål är givetvis helt annorlunda än vad, exempelvis, en kärnvapenladdad torped riktad mot en strategisk ubåt åstadkommer. De uppskattningar om kärnvapens effekter som ges här nedan torde, om ej annat säges, kunna ses som relevanta uppskattningar för "ordinära" kärnvapens luftdetonation vid "normala" meteorologiska förhållanden, och på "rimlig" höjd över marknivån.

Allmänt[redigera | redigera wikitext]

Flygfoton av Nagasaki före och efter fällandet av atombomben i slutskedet av andra världskriget (avstånd i fot).

Energin från ett kärnvapen orsakar skada på olika sätt:

De exakta siffrorna beror på hur vapnet utformats och under vilka förhållanden det detonerar. Energin från det radioaktiva nedfallet utstrålas under lång tid, resten avges inom några sekunder efter detonationen. De dominerande effekterna av ett kärnvapen (tryckvåg och värmestrålning) skiljer sig inte kvalitativt från hur konventionella vapen verkar. Den stora skillnaden ligger i magnituden av dessa effekter, då kärnvapen kan ge ifrån sig mycket större mängder energi närmast momentant. De största skadorna från ett kärnvapen är således inte direkt relaterat till kärnprocesserna som är upphovet till energin, utan skulle vara nästan lika stora om en motsvarande mängd konventionellt sprängämne hade använts.

Den inbördes fördelningen av skadorna från dessa tre momentana energislag beror på vapnets styrka. Värmestrålningen avtar endast långsamt med avståndet och ju kraftfullare vapnet är desto viktigare blir den. Den joniserande strålningen absorberas snabbt i atmosfären och når inte speciellt mycket längre när vapnet görs kraftfullare. Strålningen har alltså endast betydelse för mindre kärnladdningar. Tryckvågen ligger mellan dessa extremer. Den blir farligare när kärnladdningen görs kraftfullare, men värmestrålningen blir ändå snabbt dominerande (se tabell nedan).

Effekt 1 kt 10 kt 100 kt 1000 kt
Joniserande strålning
50 % omedelbar temporär utslagning
600 m 950 m 1400 m 2900 m
Joniserande strålning
50 % fördröjd dödlighet
800 m 1110 m 1600 m 3200 m
Tryckvåg
50 % utslagna
140 m 360 m 860 m 3100 m
Värmestrålning
50 % utslagna, andra gradens brännskador genom uniform
369 m 1110 m 3190 m 8020 m

Tabell över räckvidd av verkan vid olika bombstyrkor [6]. För taktiska kärnvapen på fältet är det intressanta "omedelbar utslagning": även om fienden dör av strålsjuka om en vecka, kan han fortfarande vinna striden just nu. Därför används termen "temporär utslagning" om den akuta fasen av strålsjukan, eftersom det är det som är viktigt på fältet. "Temporär" syftar på att en dödligt strålsjuk person kan synbart tillfriskna helt innan sjukdomen går in i slutfasen. En dödlig dos behöver inte vara tillräckligt hög för att orsaka omedelbar utslagning, vilket förklarar varför "temporär utslagning" kräver ett kortare avstånd än "fördröjd död".

Själva detonationen går mycket snabbt. För att en kärnladdning skall anses vara konstruerad på ett effektivt sätt bör en så stor andel som möjligt av de potentiella kärnreaktionerna i laddningen vara avklarade innan detonationen har hunnit bryta igenom vapnets inneslutning, vilket givetvis förintar sprängladdningen.

Efter detonationen når den temperaturbalans med sin omgivning inom 1 μs. 75 % av energin avges i det här skedet i form av värmestrålning, mestadels mjuk[förtydliga] röntgenstrålning. Resten är nästan helt rörelseenergi i de nu förgasade vapendelarna. Vad som händer sedan beror mycket på hur röntgenstrålningen och gasmassan interagerar med sin omgivning. I allmänhet, ju tätare omgivningen är, desto kraftigare blir tryckvågen och ju svagare blir värmestrålningen. Det här ger stora skillnader för exempelvis ett vapen som detonerar i rymden och en som detonerar under vatten.

I luft kommer den stora merparten av den mjuka röntgenstrålningen att absorberas av luften inom någon meter från vapnet. En liten del av energin återges i form av UV-strålning, synligt ljus och infrarött ljus, men den stora merparten går till att höja temperaturen i luften så att den övergår i plasma och bildar det påföljande eldklotet. På höga höjder, där luftdensiteten är låg, kan röntgenstrålarna färdas långt innan de absorberas. Det späder ut energin i eldklotet över en större volym, vilket gör att tryckvågen blir som mest hälften så kraftfull mot vad den skulle ha varit vid havsytan. Å andra sidan blir värmestrålningen kraftfullare.

Tryckvåg[redigera | redigera wikitext]

Mycket av förödelsen efter en kärnvapenexplosion kommer av tryckvågen. Vanliga civila byggnader är känsliga för övertrycket som explosionen ger upphov till, men militära byggnader kan förstärkas för att klara detonationer på ganska nära håll. Tryckvågen kan nå hastigheter på flera hundra kilometer i timmen.

Tryckvågen verkar på två distinkta sätt:

  • Statiskt övertryck, det tryck som en momentant ökad densitet i luften ger upphov till. På ett hus utsätts alla sidor av ett lika kraftigt statiskt övertryck, oavsett vilken sida som är vänd mot detonationen.
  • Dynamiskt övertryck, trycket som uppstår av de kraftiga vindar som följer tryckvågen. Vindarna är många gånger kraftigare än den starkaste naturliga orkan. Den sidan av huset som är vänd mot detonationen är den enda som utsätts för det dynamiska trycket. Allting löst som fångas av vinden förvandlas till projektiler med hög hastighet.

Skadorna kommer av en kombination av det statiska och dynamiska trycket. Ofta kommer en byggnad ha skadats allvarligt redan av det statiska övertrycket, vilket gör den lättare för den efterföljande vinden att slita isär. Det statiska övertrycket orsakar sina skador närmast momentant, medan höghastighetsvindarna kan vara flera sekunder.

Värmestrålning[redigera | redigera wikitext]

USA:s provsprängning av vätebomben Castle RomeoBikiniatollen.

Ett detonerande kärnvapen ger ifrån sig en intensiv men kort puls av elektromagnetisk strålning över hela spektret, inklusive en stor del värmestrålning. Den största faran är brännskador, följt av ögonskador på större avstånd. Klara dagar kan dylika skador orsakas på långt större avstånd än vad tryckvågen når. På kortare avstånd är värmestrålningen kraftig nog för att antända hus och brännbart material, speciellt om området innan har blivit utsatt för en tryckvåg så att det antändbara materialet är sönderslaget och utspritt. Det är vanligen inte fallet, eftersom tryckvågen från ett enda kärnvapen anländer långt efter värmestrålningen och dessutom inte når lika långt.

Värmestrålningen färdas i en rak linje från kärnvapnet, och vilket ogenomskinligt material som helst ger gott skydd. Om dimma eller dis råder i området kan den dock sprida värmestrålningen så att den upplevs komma från alla håll. Det gör saken värre i närområdet, men minskar kraftigt värmestrålningens utbredning.

När värmestrålning träffar en yta kommer en del att bli reflekterad, en del överförd och resten absorberat. Andelen som absorberas beror på färg och form på materialet. Ett tunt material kan överföra mycket energi till underliggande material. En ljus yta reflekterar det mesta och kan därigenom undslippa skada. Den absorberade energin övergår till värme och orsakar brännskador och bränder. Om det utsatta materialet är en dålig värmeledare begränsas skadan till ytan, eftersom värmepulsen är så kortvarig.

Antändning av material beror på hur lång värmepulsen är, och tjockleken och fuktigheten hos materialet. Tillräckligt nära detonationen kommer allt som kan brinna att antändas. Men det krävs inte speciellt stora avstånd för att bara lättantändligt material antänds, som exempelvis papper, gummi och plast. I praktiken har det visat sig att den viktigaste källan till bränder efter kärnvapenanfall är sekundära, det vill säga gasledningar som slås sönder, eller öppna kaminer och eldstäder i hus som rasar samman.

I Hiroshima uppstod inom 20 minuter efter detonationen en så kallad eldstorm. En eldstorm är ett fenomen som innebär att den uppåtstigande luft som värmts upp av en mycket kraftig och omfattande brand skapar undertryck i brandområdet. Ny syrerik luft dras därför in i brandområdet utifrån, vilket i sin tur ökar brandens intensitet ytterligare. Fenomenet kan även uppstå på naturlig väg, till exempel vid omfattande skogsbränder. Under andra världskriget uppstod eldstormar i bland annat de tyska städerna Dresden och Hamburg efter brittiska och amerikanska anfall med brandbomber (se Bombningen av Dresden).

Elektromagnetisk puls[redigera | redigera wikitext]

Om ett kärnvapen detonerar högt upp i atmosfären kommer röntgenstrålningen att jonisera de övre luftlagren, vilket sätter stora mängder elektroner i rörelse. Denna rörliga laddning ger upphov till en kraftig ögonblicklig bredbandig radiopuls, en så kallad elektromagnetisk puls. Pulsen är tillräckligt kraftfull för att metallföremål ska agera som antenner. I dessa skapas en inducerad spänning som kan vara mycket hög, men kortvarig. En sådan spänning är förödande för modern elektronik i form av datorer, inklusive styrsystemen i bilar och flygplan. Allmänt sett är elektroniska kretsar med små dimensioner känsligare än elektronik med större dimensioner. Risken för skada ökar också om elektroniken är kopplad till långa ledare, till exempel antenner eller teleledningar. En elektromagnetisk puls kan ha en mycket lång räckvidd. I ett kärnvapenkrig skulle det till exempel räcka med ett fåtal kärnvapen för att slå ut all oskyddad elektronik i hela Nordamerika. Det finns dock inga kända biologiska effekter av en elektromagnetisk puls. Elektronik kan skyddas genom att inneslutas i en Faradays bur, men det är svårt att skydda utrustning som normalt avger eller tar emot radiostrålning, exempelvis radar och radioapparater.

Joniserande strålning[redigera | redigera wikitext]

Omkring 5 % av energin i en kärnvapenexplosion avges i form av en initial skur av joniserande strålning, mestadels betastrålning och gammastrålning. Elektronerna i betastrålningen kommer direkt från kärnreaktionerna i kärnvapnet, medan gammastrålningen till stor del kommer från sönderfallet av kortlivade restprodukter från den initiala kedjereaktionen.

Fördelningen av de olika typerna av joniserande strålning varierar också med avståndet. De elektroner som betastrålningen utgörs av absorberas mycket lättare i luft än vad gammastrålningen gör, så på längre avstånd dominerar gammastrålningen.

Intensiteten i strålningen minskar snabbt med ökande avstånd. Förutom att den, som värmestrålningen, sprids över ett större område ju större avståndet blir, absorberas och sprids den i högre grad av atmosfären. Detta gör att avståndet som den joniserande strålningen kan göra skada på, ökar mycket långsamt med ökande sprängstyrka. För vapen över omkring 50 kt är tryckvågen och värmestrålningen så överväldigande att den joniserande strålningen i praktiken är försumbar.

Radioaktivt nedfall[redigera | redigera wikitext]

Nedfall efter provsprängningen av vätebomben Redwing Seminole 6 juni 1956 på Eniwetok.

Efter detonationen kommer det att finnas en kvarvarande radioaktivitet i området. Detta kallas allmänt för radioaktivt nedfall (även när det rör sig om rent inducerad radioaktivitet). Nedfallet består av dessa komponenter:

  • Restprodukter från fissionen. Under reaktionerna i laddningen fissioneras det klyvbara materialet på många olika sätt. Vissa av restprodukterna är extremt kortlivade och sönderfaller nästan ögonblickligen. Andra har en lång halveringstid och är endast lite radioaktiva. Den stora faran är de som har mellanlång halveringstid, för de hinner sjunka till marken och urladdar sin energi under dagar eller veckor. En minut efter detonationen avger dammet från explosionen en total strålningsintensitet på 1,1 · 1021 Bq per kiloton sprängstyrka. Ett litet kärnvapen på 10 kiloton ger alltså omedelbart efter explosionen ifrån sig strålning motsvarande 300 miljoner kg naturligt radium.
  • Icke-fissionerade rester från vapnet. Kärnvapen är inte speciellt effektiva i sitt utnyttjande av det klyvbara materialet. Mycket av uranet eller plutoniumet blir bara utspritt. Det är dock förhållandevis svagt radioaktivt och utstrålar mestadels alfastrålning.
  • Inducerad radioaktivitet. Neutronstrålningen kan via transmutation göra bestrålat material radioaktivt. När en atomkärna tar upp en neutron blir den i allmänhet instabil och sönderfaller vanligen inom kort tid. Konstruktionsmaterial i själva vapnet utsätts för detta i hög grad. Under förutsättning att materialet befinner sig mycket nära explosionen kan även andra föremål bli mycket kortvarigt radioaktiva. Vid markdetonationer kan dock stora mängder jord etc förgasas i eldbollen och bli radioaktivt. I första hand är det då fråga om uppblandning med det aktiva vapenmaterialet som utgör denna kontamination vilken i form av radioaktiv smuts (kan tvättas bort) utgör 'radiaksmitta'. Exempelvis är reaktionsprodukter i vapen som bygger på fusion ej radioaktiva och dessa vapen kallas rena trots att antalet frigjorda neutroner som kan inducera radioaktivitet per frigjord energienhet är flera tiotals gånger större än i vapen som bygger på fission. Även utan kvarstående radioaktivitet är dock radioaktiviteten hos bestrålade material mycket hög i samband med själva detonationen.

När eldbollen svalnar kondenseras eventuellt uppsuget material tillsammans med restprodukter från explosionen. Vid markdetonationer blir det mer nedfall än vid luftdetonationer, eftersom det är mer material i eldbollen. Större partiklar faller till marken tämligen omgående, finare damm stiger till stratosfären där det snabbt sprids ut över jorden inom veckor och månader. Radioaktivitet kan på detta sätt föras med vinden långt bortom vapnens sprängverkansområde. Vid explosioner i eller nära vatten tenderar nedfallet att bli mera finfördelat, och därmed bli spritt över ett större område som i stället får en mindre ökning i doshastighet.

Den största risken vid sidan av den från nedfall via inandning och förtäring är att långlivade radioaktiva ämnen inlagras i kroppen, exempelvis strontium-90 och cesium-137. Dessa risker är dock för dem som var närvarande små i förhållande till den strålning nedfallet ger upphov till och ur individens synvinkel helt betydelselösa vid sidan av risken för kraftig stråldos i samband med själva detonationen. Strålningen kan orsaka snar död, död med fördröjt insjuknande, utläkande strålsjuka, långsiktiga genetiska skador, cancer eller fosterskador, allt beroende på hur stor dosen är och vem som tar emot den. För de närvarande är det åter igen den akuta strålproblematiken helt dominerande – den stråldos som i genomsnitt orsakar ett cancerdödsfall är tiotals gånger högre än vad som är direkt dödande om samma mängd strålning är ögonblicklig.

Skador från radioaktivitet kommer i de flesta fall att vara försumbara i förhållande till de oerhörda skadorna från sprängverkan och värmestrålning. För de överlevande och i synnerhet för dem som inte alls drabbades av de direkta effekterna är dock effekterna av radioaktiviteten väsentliga.

Kärnvapnen över Hiroshima och Nagasaki var båda detonationer högt upp i luften, och båda gångerna låg vinden så lyckosamt att radioaktiviteten fördes ut över havet, nästan helt utan nedfall på marken.[7] Endast mycket små mängder radioaktivitet drabbade därför de som hade turen att överleva själva explosionen, men den orsakade ändå ett fruktansvärt lidande under många år efteråt.

Historik[redigera | redigera wikitext]

Olika upptäckter inom kärnfysiken under 1930-talet ledde fram till förståelsen att kärnenergi var möjligt att utnyttja som en energikälla, och därmed också i vapen. Idén om en kedjereaktion med hjälp av neutroner framfördes 1934 av Leó Szilárd, som också tog patent på idén. Otto Hahn och Fritz Strassmann upptäckte i slutet av 1938 att grundämnet barium hade uppstått när de bombarderat uran med neutroner. Lise Meitner och Otto Robert Frisch tolkade en kort tid därefter detta som ett resultat av fission, och Frisch bekräftade detta experimentellt i januari 1939. Nyheten om dessa rön togs till USA av Niels Bohr innan de hade publicerats, och nådde Enrico Fermi och hans forskargrupp på Columbia University, efter att Bohr först hade nämnt dem på en föreläsning vid Princeton University.

Leslie Groves och Robert Oppenheimer, Manhattanprojektets två centralfigurer.

2 augusti 1939 skickade Albert Einstein ett brev (som huvudsakligen var skrivet av Leó Szilárd) till Franklin D. Roosevelt, där det stod att Nazityskland troligen utforskade möjligheten att skapa atombomber, och att USA därför borde göra detsamma, då andra världskriget stod för dörren. Som ett resultat av brevet skapades den så kallade urankommittén under Lyman Briggs. Efter att upptäckter kring egenskaperna hos uran 235 hade gjorts i Storbritannien och Office of Scientific Research and Development hade skapats 1941 under ledning Vannevar Bush, ökades tempot i den amerikanska kärnvapenforskningen och Manhattanprojektet startades under ledning av Leslie Groves och med Robert Oppenheimer som den vetenskapliga centralfiguren. Det amerikanska projektet, där också brittiska forskare och många som hade flytt från Nazityskland och ockuperade länder deltog i, hade 1945 utvecklat de första kärnvapnen. Det första kärnvapnet detonerade 16 juli 1945 i form av Trinitytestet. Atombomberna över Hiroshima och Nagasaki sattes därefter in 6 augusti respektive 9 augusti 1945, och är fortfarande de enda kärnvapnen som använts i krig.

29 augusti 1949 provade Sovjetunionen sitt första kärnvapen, och kärnvapenkapprustningen var ett faktum. Den första fusionsbomben (som då var en stor, stationär design och inte lämpade sig för en bomb) testades av USA 1 november 1952 efter att Edward Teller hade varit en centralfigur i utvecklingen. 12 augusti 1953 testade Sovjetunionen sin första fusionsbomb.

I samband med Kubakrisen i oktober 1962 anses världen ha stått närmare ett kärnvapenkrig mellan supermakterna än vid något annat tillfälle. De första egentliga nedrustningsansträngningarna inleddes också vid denna tid, i form av provstoppsavtalet från 1962 (som dock fortfarande tillät underjordiska kärnvapenprov) och icke-spridningsavtalet från 1968. Dessa avtal innebar dock inte att supermakternas kärnvapeninnehav berördes, bara att man försökte försvåra för fler länder att skaffa kärnvapen. Rustningsbegränsningar för supermakterna kom till i Strategic Arms Limitation Talks, som resulterade i SALT I-avtalet 1972 och SALT II-avtalet 1979. Medeldistansrobotarna avskaffades med INF-avtalet. Reduktioner av de strategiska kärnvapeninnehaven följde med START I från 1991 och START II från 1993.

Se även[redigera | redigera wikitext]

Referenser[redigera | redigera wikitext]

Fotnoter[redigera | redigera wikitext]

  1. ^ B. Cameron Reed, The Physics Of The Manhattan Project, 2nd ed. Springer, 2011, ISBN 978-3-642-14709-8.
  2. ^ http://nuclearweaponarchive.org/Nwfaq/Nfaq4-3.html
  3. ^ [a b] ”Fission & fusion”. FOI. http://www.faktasamlingcbrn.foi.se/filer/n_sidor/3/f1.html. Läst 2013-01-18. 
  4. ^ IBM, IBM Successfully Delivers ASC Purple Milestone Demonstration On Time, Power-Based System Exceeds Expected Performance
  5. ^ Brookings Institution, The Davy Crockett, Läst den 19 mars 2013. En film som visar ett test av detta vapensystem finns tillgängligt Youtube, M388 Davy Crockett Operational Test, Sett den 19 mars 2013. Dessa vapen hade en räckvidd på 2km, respektive 4km, följaktligen kan deras lämplighet ifrågasättas, eftersom även det förband som avfyrade dem, förmodligen, skulle riskera allvarliga strålskador, trots detta producerades 2100 vapen av detta slag, och de var operativa i USA:s armé från 1961 till 1971. Mother Jones, 8 of the Wackiest (or Worst) Ideas for Nuclear Weapons, Läst den 19 mars 2013.
  6. ^ NATO handbook on the medical aspects of NBC defensive operations - Kapitel 3: Effects of Nuclear Explosions
  7. ^ http://www.fas.org/ssp/docs/030217-newrep.htm

Källor[redigera | redigera wikitext]

Artikeln är, delvis, en översättning från engelskspråkiga Wikipedia.

Externa länkar[redigera | redigera wikitext]