De atoombom
Er is tegenwoordig een stroming die het bestaan de van atoombom (en daarmee de rampen in Japan die de 2e Wereldoorlog beëindigden) ontkent want het kan niet kloppen. Net als bij aanhangers van een platte aarde, samenzweringstheorieën over de ineenstorting van World Trade Center in New York op 11 september 2001, laten deze zich door geen enkel argument overtuigen van hun ongelijk (zonder dat dan onweerlegbaar als “gelijk” aan te tonen).
Voor wie zich wil laten informeren hoe de atoombom wèl werkt volgens aantoonbare theorieën, is onderstaande tekst bedoeld.
De korte versie
De atoombom bestaat sinds het eind van de tweede wereldoorlog toen geleerden een manier gevonden hadden om de bindingsenergie van uranium-atomen vrij te maken door zo’n atoom te splijten in twee kleinere stukken die elk minder bindingsenergie hebben. Het verschil in energie is de energie die de bom gebruikt voor zijn destructieve werk.
De twee splijtstukken blijken samen minder massa te hebben dan het brok uranium waaruit ze zijn ontstaan. De missende massa (massa-defect) vertegenwoordigt de vrijgekomen energie omdat ze, volgens Einsteins relativiteitstheorie, geheel is omgezet in energie volgens E = mc2. Omdat c = 3 x 108 m/s en het kwadraat heel groot (9 x 1016) heb je maar weinig massa nodig om veel energie vrij te maken.
Als indicatie: 1 kg water (inhoud van een pak melk) van – 100 graden naar + 200 graden celsius opwarmen kost veel energie: 3,4 x 106 J Om deze energie uit massa te krijgen (m = E/c2) is slechts 3,8 x 10-11 kg nodig: vrijwel niets. Als een bom deze energie vrijmaakt dan is het ijs van -100 graden in een fractie van een seconde veranderd in 200 graden hete waterdamp! De tijdschaal waarop deze processen verlopen is aanzienlijk korter dan voor een traditioneel “keteltje water opwarmen”.
De tijdsduur van de energievrijmaking door kernsplijting duurt slechts tien nanoseconde (10-8 s). Van een reeks splijtingen binnen en microseconde (10-6 s) komt genoeg energie vrij:88 x 1012 J- een equivalent van 21 kiloton traditioneel chemisch dynamiet als TNT.
Deze energie komt in de vorm van gamma-straling vrij. Veel van deze stralingsdeeltjes gaat ongehinderd door alles heen, maar een aantal botst tegen materie dat “in de weg” staat. Daarbij staat het alle energie af en zal de materie die overnemen. Door verdere botsingen wordt die energie verdeeld. De snelheid waarmee materie (atomen) bewegen is een maat voor de temperatuur. In korte tijd wordt de vrijgenomen energie aan de omliggende materie afgegeven, die tot miljoenen graden opwarmt en daarbij druk opbouwt die de bomwanden doet exploderen.Waarna de energie met “het buitengebied” wordt gedeeld. De niet in de bom al gebotste lichtdeeltjes snellen inmiddels al met lichtsnelheid tot ver buiten de bom voort – tot ook zij aan de omgeving hun energie door botsing afstaan.
De opgebouwde druk en hoge energie resulteert in grote schokgolven in de omgeving die zich door de (sterk verhitte, deels ontlede) lucht verplaatsen en die alles omver blazen en vernielen tot in wijde omtrek. De aanwezige hoge temperaturen verdampen en verbranden alles (ook levende wezens) tot op grote afstand van de bom en de radioactieve straling (deeltjes en gammastraling) die bij de splijting vrijkomt doet zijn onzichtbare/onvoelbare werk biologisch materiaal ongecontroleerd aan te passen en kanker te veroorzaken.
Naast de eerste splijtingsbommen zijn er later ook fusiebommen (waterstof- of H-bommen)
ontworpen waar in plaats van kernsplijting samenstelling van lichte deeltjes tot een zwaarder deeltje plaatsvindt. Bijvoorbeeld vier waterstofkernen versmelten tot een heliumkern. De heliumkern heeft een kleinere massa dan de vier waterstofkernen waaruit het wordt gefuseerd en opnieuw komt het massaverschil als energie vrij. Het gaat hierbij om veel grotere energieën dan bij kernsplijting. Een fusiebom is dan ook veel krachter dan de “oude” splijtingsbom.
De lange versie
Fusie en splijting
Atoomkernen zijn samengesteld uit een aantal protonen en neutronen. Het aantal protonen bepaalt van welk element de kern is. 1 proton is waterstof, 2 protonen helium, 92 protonen uranium. De deeltjes in een kern worden met een bindingsenergie samengehouden. Je moet deze energie toevoegen om de deeltjes van elkaar te scheiden. Er blijken twee mogelijkheiden te zijn: energie komt vrij door kernen samen te voegen tot zwaardere kern (fusie) of een zware kern te splijten tot twee lichtere kernen (splijting). Het kantelpunt blijkt bij ijzer (26 protonen) te liggen. Lichte kernen fuseren tot nieuw element lichter dan ijzer levert energie op. Zwaardere kernen dan ijzer splijten in twee nieuwe elementen met lichtere kernen levert ook energie op. In beide gevallen is de massa van de fuserende kernen (of de splijtende kern) groter dan het eindproduct (of gespleten kerndelen). In beide gevallen wordt de “verdwenen massa” (meestal “massa-defect” genoemd) teruggevonden als vrijgekomen bindingsenergie volgens E = mc2 waarbij m de massa van het massa-defect is.
De zon doet in zijn kern niet anders dan steeds 4 waterstofkernen fuseren tot 1 helium kern. De helium kern heeft minder massa dan de 4 samenstellende waterstofkernen en het massa-defect wordt als straling vrijgegeven. De zon kan dit proces 8 miljard jaar volhouden voordat de waterstof
“op” is. Momenteel zit de zon ongeveer op de helft van zijn bestaan.
Energie bij splijting
De eerste ontdekking en technische mogelijkheid voor de mens was zware kernen te splijten.
Uranium bleek een makkelijk bruikbare kandidaat voor “brandstof”. In kerncentrales wordt op gecontroleerde wijze uranium gespleten in andere elementen en de vrijkomende energie wordt gebruikt om uiteindelijk elektrische energie mee op te wekken.
Op ongecontroleerde wijze kan uranium zich spontaan splijten en komt de energie “ineens” vrijwel binnen een microseconde vrij als gammastraling. Waar deze botst met atomen van materie
(waaronder de lucht) in de omgeving, zal het de energie op de materie overdragen. Die krijgt daardoor een hoge kinetische energie en daarmee een hoge snelheid. Dit uit zich in grote hitte en verdamping tot gas en plasma van die materie. Gas onder hoge temperatuur zet enorm uit omdat de deeltjes zo’n grote kinetische energie hebben en dit veroorzaakt schokgolven. Uitdijende gaslagen worden weggeduwd uit het hete gebied, daarmee koudere lagen meenemend, vooruit duwend en opwarmend.
Uranium komt in vele smaken. Alle kernen hebben 92 protonen (daarom is het uranium) maar het aantal neutronen variëert. Bepaalde smaken, zoals U-235 zijn heel makkelijk te splijten door ze met een los neutron deeltje te beschieten. Raakgeschoten wordt de nieuw gevormde kern, U- 236, instabiel en splijt in twee stukken: elementen krypton en barium.
Het teveel aan bindingsenergie (het “massa-defect”) wordt als straling uitgezonden. Qua kerndeeltjes reactie is deze kernsplijting te schrijven als:
Enig probleem bij U-235 beschieting: het komt relatief weinig voor. Het meeste uranium is U-238 (99,3%) – maar 0,7% bestaat uit het gezochte U-235. Vandaar dat men processen ontwikkeld heeft om uranium “te verrijken”, d.w.z. het aantal U- 235 atomen te vergroten in een blok uranium dat vooral (en oorspronkelijk 99,3%) uit U-238 bestaat.
Naast de twee minder zware elementkernen levert de beschieting van U-235 met een neutron ook nog 3 neutronen op. Neutronen die op hun beurt (nadat ze in snelheid eerst zijn afgeremd tot
“thermische neutronen” die beter kunnen botsen) weer nieuwe splijtingsreacties kunnen geven. In theorie kan elke splijting drie nieuwe splijtingen opleveren. Daartoe moeten de drie neutronen wel tegen een nieuwe U-235 kern botsen. Als er te weinig uranium materiaal is, is de kans zeer groot dat er geen botsing komt. Als de hoeveelheid materiaal toeneemt in omvang dan wordt de botskans groter.
• De hoeveelheid waarbij één neutron van de drie die bij splijting ontstaan één nieuwe splijting veroorzaakt noemt men de “kritische massa”.
• Bij minder massa neemt het aantal kernsplijtingen af door gebrek aan succesvolle botsingen:
“sub-kritische massa”.
• Bij meer massa ontstaat er een lawine-effect (of kettingreactie): “over-kritische massa”. In het maximale over-kritische geval veroorzaken alle drie de neutronen drie nieuwe splijtingen. Die drie splijtingen produceren negen neutronen die weer 9 nieuwe botsingen en kernsplijtingen kunnen veroorzaken. En zo neemt het aantal splijtingen per generatie toe van 1 naar 3 naar 9 (32), naar 27 (33) tot in theorie alle uranium die kan splijten ook gespleten is.
In praktijk stopt ook de kettingreactie omdat:
• de hoeveelheid U-235 afneemt en daardoor de botskans van een neutron
• de vrijkomende energie van eerdere splijtingen het materiaal opwarmt en doet uitzetten.
Daardoor wordt dezelfde massa in een groter volume minder dicht en neemt de botskans af.
Het materiaal wordt weer sub-kritisch
De tijd die verloopt tussen ontstaan van een neutron en de eropvolgende botsing noemt men de
“shake”tijd – deze blijkt ca. 10 ns (1 x 10-8 s). Na 1 shake krijg je een 2e generatie splijtproducten en neutronen die na nog een shake tijd de 3e generatie produceert en zo door. Maar rond 1
microseconde (1 x 10-6 s) zijn er zoveel generaties ontstaan met zoveel vrijgekomen energie dat het tot dan super-kritische materiaal eerst kritisch en dan sub-kritisch wordt omdat de brandstof uitzet (verdampt) en de botskans sterk afneemt waardoor de kettingreactie wordt onderbroken.
Atoombom (A-bom, splijtingsbom)
Om spontane kettingreacties te voorkomen in een bom wordt het uranium bewaard in brokken die sub-kritisch zijn. Het eenvoudigst is dit door kleinere brokken te nemen die ieder sub-kritisch zijn.
Om de massa (super-)kritisch te maken moet je de losse brokken bij elkaar brengen. In
atoombommen gebeurt dit door de brokken met conventionele springstof op elkaar te schieten. De kettingreactie van splijtend uranium begint dan vanzelf.
Voor een fusie-waterstofbom (H-bom) is een tweetraps-systeem nodig. Conventionele springstof produceert een kleine A-bom explosie door uranium-splijting. De hierbij vrijkomende energie wordt gebruikt om waterstof te fuseren voor de “grote” klap van de H-bom.
Naast U-235 wordt voor een atoombom (splijtingsbom) tegenwoordig vaker plutonium Pu-239 gebruikt (plutonium heeft 94
protonen). Het is makkelijker zelf te maken en goedkoper dan het delven van uranium.
Als je het splijtingsproces grofweg doorrekent1 voor een aantal generaties ontstane
splijtproducten en (telkens 3) neutronen, dan krijg je de volgende gevens die in de tabel zijn samengevat.
Bij 1 splijting komt 180 MeV (2,9 x 10-11 J) energie vrij. In het begin zullen alle 3 neutronen nieuwe splijtingen veroorzaken. Naarmate meer generaties gespleten zijn en energie erbij vrijkomt zal het materiaal gaan uitzetten. De energie wordt nu deels als kinetische energie van de splijtingsproducten teruggevonden. Het materiaal zet
daardoor uit en wordt minder compact.
Daardoor zullen een aantal neutronen geen botsing meer geven en zal het aantal van 3 succesvolle botsingen per splijting (superkritisch) uiteindelijk terugzakken naar minder dan 1 (subkritisch) waardoor de kettingreactie stopt.
We versimpelen de berekeningen door de aanname dat steeds 2 neutronen splijtingen veroorzaken.
Elke generatie verder levert dan 2n splijtingen op (i.p.v. het reëlere 3n in het begin en 0 in het eind).
tijd in
“shakes”
(10 ns)
generatie aantal splijtingen of aantal mol U-235 (1 mol = 235 g.
ofwel 6∙1023 kernen) in deze generatie
vrijgekomen energie per generatie (1 MeV = 1,6∙10-13 J)
1 1 1 180 MeV
10 10 1∙103 (210 = 1024) 180∙103 MeV
20 20 1∙106 190∙106 MeV
30 30 1,1∙109 190∙109 MeV
40 40 1,1∙1012 200∙1012 MeV (= 32 J)
50 50 1,1∙1015 200∙1015 MeV (= 32∙103 J)
60 60 1,2∙1018 32∙106 J
70 70 1,2∙1021 (=0,0020 mol U-235) 34∙109 J
80 80 2 mol 35∙012 J
81 81 4 mol (ca 1 kg) 88∙1012 J (= 21∙106 kg TNT)
1zie https://www.reddit.com/r/askscience/comments/4jvx60/what_is_the_time_elapsed_in_a_nuclear_detonation/
Tot de 40ste generatie stelt het allemaal nog niet zoveel voor. Maar daarna gaat het hard.
Na 60 generaties is de temperatuur al opgelopen tot 20 000 K (de buitenkant van de zon is maar 6000 K) en is alles in de kern van de bom verdampt. De vrijgekomen energie zit in gammastraling en snel bewegende kerndeeltjes waardoor de kerndamp uitzet. Na 70 generaties is een plasma
temperatuur van miljoenen kelvin bereikt en wordt de expansie ook merkbaar. Bij 80 generaties is de expansie bijna op het punt dat de kern zoveel minder dicht geworden is dat de massa sub-kritisch wordt en het aantal splijtingen begint af te nemen en de kettingreactie stopt.
Lang niet alle uranium brandstof zal “verbruikt” zijn en in krypton en barium omgezet. Bij de eerste bommen bleek maar enkele procenten van het totaal te zijn gespleten. De rest was er nog – al was dat inmiddels in damp overgegaan. Maar ook modernere bommen blijven onder de 50% “nuttig”
gerbruik zitten. De rest van de “brandstof” zal opnieuw de ontstane energie opnemen, verdampen en als gas of plasma uitzetten (grote bewegings-energie).
De inmiddels opgebouwde druk en hitte beginnen nu hun destastreuze werk te verrichten als letterlijk de bom barst. De tijd voor het splijtingsproces is “maar” een miljoenste seconde. De in die tijd vrijgemaakte energie kan niet op normale manier worden doorgegeven aan de omgeving. Het proces gebeurt vrij “adiabatisch” (=zonder uitwisseling met omgeving). Alle energie zit dus nog
“opgepot” in de kern van de bom, verdeeld over de materie en straling die daarin gevangen zit. De mantel van de bom smelt waarna de energierijke deeltjes en straling zich mengen met de omgeving:
objecten en lucht. Pas dan kunnen de “gewone” processen aan de gang gaan. In delen van een seconde wordt de omliggende materie deelgenoot van de energie. Het wordt ook heet (krijgt grote kinetische energie en snelheid) en verdampt. En deze energierijke materie snelt verder naar buiten, verder van de bom, en geeft delen van hun energie weer door aan verder gelegen materie. Zo breidt het werkingsgebied van de bom zich uit tot na grote afstand de materie nog zo weinig energie overgedragen krijgt dat de bom effectief op die afstand “niet meer werkt”.
Gevolgen na explosie
Als de kernreacties zijn gestopt, is inmiddels een grote hoeveelheid energie vrijgekomen die
“ergens” heen moet. De energie wordt verdeeld over
• gammastraling. Natuurlijk product van een kernreactie. Deze kort-golvige straling gedraagt zich als alle elektromagnetische straling. Door de korte golflengte is ze onzichtbaar maar heeft wel een groot doordringend vermogen. Bij het botsen op materie wordt alle energie afgestaan aan de materie. Dit kan leiden tot vernietiging van structuren in deze materie. In levende wezens is dit vooral vernietiging van cellen en DNA. Dit leidt tot direct overlijden of op kortere of langere termijn door de ontstane kanker (ontregelde cellen) Bij levenloze stoffen zal het de stralingsenergie aan de atomen van die stoffen afgeven: de kinetische energie ervan neemt doe (en de stof verdampt of gaat in plasma over)
• verhitte materie. Dit zijn snel bewegende deeltjes die energie hebben opgenomen (door eerdere botsingen met gammastralingsdeeltjes) en daarmee een grote bewegings- of kinetische energie hebben. Aanvankelijk is het alleen materiaal in de bom maar al snel krijgen ook aanpalende gebieden een deel van de energie. En dat gebied breidt zich steeds verder uit doordat de materie met de kinetische energie wegsnelt. Onderweg is er de kans dat ze tegen luchtmoleculen botsen die een deel van die energie overnemen. De lucht wordt dan warmer. Vooral dicht bij de bom zal dit leiden tot verzengende temperaturen die normale materie doet verdampen of in plasma overgaan (die materie neemt daarmee ook een deel van de energie over). Kort na de ontploffing kan de lokale temperatuur hoger zijn dan die van de zon! Naar mate de afstand groter wordt en meer van de kernsplijtings-
energie is verdeeld over steeds meer materie wordt het effect van de bom kleiner tot uiteindelijk er geen merkbare invloed meer is.
• thermische elektromagnetische straling. Naast de gamma-straling die als product van de kernreactie ontstaat, is er ook straling die “ontstaat” door de hitte. Elk heet voorwerp gloeit en heeft een kleur. Hoe heter, hoe witter. Tot zelfs in het onzichtbare UV gebied toe – en zelfs nog kortere golflengten (en meer energierijk). Deze “zwarte lichaamstraling” genereert elk warm voorwerp van boven 0 K. Deze straling krijgt zijn energie van de snelbewegende deeltjes (die daarna langzamer bewegen – het lichaam koelt af door uitstraling van energie).
• drukgolf. De hitte zorgt voor snelle uitzetting van alle materiaal rondom de bom – met name lucht zal met grote snelheid uitzetten, koudere lucht voor zich uitduwen en opwarmen, en daarmee een krachtige wind doen waaien. Die wind kan orkaankracht overstijgen en alles op zijn weg platblazen of vernietigen.
• fall out. De producten van de splijting zijn veelal radioactief. De splijtingsproductkernen zijn zelf niet stabiel en vallen verder uiteen (maar vaak met halfwaardetijden van dagen of jaren) Bij de ontploffing en hitte zijn ze omhoog in de paddenstoel geschoten maar komen
uiteindelijk weer beneden en kunnen zo alles en iedereen besmetten en net als
gammastraling op levende wezens celmutaties veroorzaken die ongewenst zijn (kanker kunnen opleveren).
Omdat hete lucht expandeert neemt de dichtheid af t.o.v. de verdere omgeving. Daardoor zie je bij zo’n bom ook een paddenstoel ontstaan. De super-hete damp schiet naar boven omdat het veel minder dicht is dan de “koude” lucht eromheen. Aanvankelijk strak omhoog, later door afkoeling en invloed van wervelingen meer verspreid als bloemkoolkop. Het proces is hetzelfde als de rook van een sigaret die vanaf de sigaret omhoog gaat en pas hoger zich laat beïnvloeden door wervelingen.
Het vele stof in de paddenstoel is stof van door de bom verdampte of vergruizelde materie zoals ook grote stofwolken ontstaan bij het opblazen van gebouwen met dynamiet (een heel onschuldig goedje vergeleken met een nucleaire bomexplosie). Een atoombom die in het water explodeert zal een paddenstoel van vooral waterdamp krijgen in plaats van stof en gruis.
Net als bij stofwolken uit een vulkaan:
what goes up, must come down.
Uiteindelijk zal het stof in de stofwolk, door wind gedreven, ergens weer op de aarde terugvallen. Alle radioactief materiaal dat is ontstaan ook: de fall-out.
Het felle licht dat bij explosie te zien is en vaak nog daarna is feitelijk zwarte
lichaamstraling die wordt afgegeven door de hete materie in de paddenstoel. De
“flits” bij het begin van de explosie is het meest intens vanwege de hoge temperaturen bij het begin maar de paddenstoel blijft nog lang licht uitstralen vanwege zijn hitte.
