Fission & fusion

Fission

Vissa tunga atomkärnor, framför allt av uran och plutonium, klyvs i två delar då de träffas av en neutron. I samband med klyvningen frigörs två till tre neutroner. Om dessa s.k. fissionsneutroner kan fås att träffa nya kärnor som klyvs och sänder ut nya neutroner som i sin tur klyver nya kärnor o.s.v., uppstår en kedjereaktion. Sannolikheten för att en kärna ska klyvas när den träffas av en neutron beror på neutronens hastighet (energi). Det är ganska få kärnor som både kan klyvas av fissionsneutronerna och som samtidigt går att framställa i större mängder.

I kärnladdningar används uran eller plutonium som innehåller höga halter (mer än 90 procent) av isotoperna uran 235 respektive plutonium 239. Som alternativ till dessa diskuteras ibland andra isotoper och ämnen som kan framställas i reaktorer eller acceleratorer. Uran 233 har egenskaper som skulle göra denna isotop användbar, men har såvitt känt inte använts i kärnvapen. Orsaken är att materialet är svårhanterligt, eftersom det vid framställningen även bildas andra isotoper som utsänder kraftig gammastrålning. Vissa tunga ämnen, t.ex. californium, har kritiska massor som är mindre än plutoniums. Dessa ämnen är mycket dyra, kraftigt radioaktiva och ger vid fission inte mer energi per viktsenhet än plutonium. De är därför inte aktuella i kärnladdningar.

För att en kedjereaktion ska upprätthållas krävs att åtminstone en av de utsända neutronerna åstadkommer en ny fission, annars avstannar förloppet. Neutronerna kan förloras genom att de absorberas i kärnor utan att ge upphov till fission. Därför bör man ha ett så rent material som möjligt. De kan också läcka ut från materialets yta. Eftersom neutronen måste få tillfälle att åstadkomma fission innan den lämnar materialet, får volymen inte vara alltför liten. Det krävs en viss minsta mängd material, en s.k. kritisk massa. Hur stor denna är i varje enskilt fall beror på materialets kärnfysikaliska egenskaper, densitet och form. Den kritiska massan är minst när formen är sfärisk därför att sfären är den kropp som har den minsta ytan vid en given volym.

Ett sätt att minska den kritiska massan är att omge materialet med en neutronreflektor, t.ex. beryllium. Ämnen med hög densitet används ofta i ett s.k. tamperhölje med uppgift att fördröja isärsprängningen och därmed öka utbränningen. Med utbränning menas den andel av det klyvbara materialet som fissionerar. Vissa ämnen, som t.ex. naturligt uran, kan samtidigt tjäna både som neutronreflektor och som tamperhölje.

Kedjereaktionen ska sättas igång strax innan materialet är som mest överkritiskt. Det görs med hjälp av en neutronkälla, som alstrar neutroner genom kärnreaktioner. Dessa åstadkoms antingen i en liten partikelaccelerator eller med hjälp av ett neutronpreparat. Det senare placeras med fördel i laddningens mitt. Neutronkällan bringas att avge sina neutroner i precis rätt ögonblick.

Vissa kärnor fissionerar spontant och utsänder därvid ströneutroner. Speciellt gäller detta plutonium 240, som alltid i mindre mängder åtföljer plutonium 239. För att antalet ströneutroner ska hållas nere vill man att halten plutonium 240 ska vara låg (under sju procent) i vapenmaterial. Dessutom bör det klyvbara materialet föras samman snabbt.

Implosionsmetoden ger den snabbaste övergången från under- till överkriticitet. Den lämpar sig alltså för plutonium, medan båda metoderna kan användas för uran. Det är dock möjligt att göra en kärnladdning med reaktorplutonium, d.v.s. material som innehåller upp emot 20 procent av plutonium 240. Styrkan hos en sådan laddning blir troligen mycket låg eftersom kedjereaktionen med stor sannolikhet startar så fort överkriticitet uppnåtts. Radioaktiviteten och värmeutvecklingen hos reaktorplutonium medför även hanteringsproblem. Det amerikanska energidepartementet har bekräftat att man 1962 gjorde ett prov med plutonium av reaktorkvalitet och därvid fick en kärnexplosion.

Huvuddelen av den energi som utvecklas vid fissionen återfinns som rörelseenergi i fissionsfragmenten. Det är laddade partiklar som bromsas upp i materialet på en mycket kort sträcka varvid energin omvandlas till värme. Allteftersom kedjereaktionen fortlöper stiger både temperaturen och trycket. Materialet börjar expandera och efter en kort tid är det inte överkritiskt längre. En bidragande orsak till att kedjereaktionen avstannar är också att det klyvbara materialet förbränns. Den största delen av energin utvecklas under omkring 0,1µs.

För fissionsladdningar finns det ingen undre styrkegräns. Sker sammanförandet långsamt och neutroninitieringen tidigt kan man få en mycket liten energiutveckling. Däremot finns en övre gräns. Det beror på svårigheterna att föra ihop tillräckligt mycket klyvbart material till överkritiskt tillstånd utan att man får för tidig tändning. Den största fissionsladdning som sprängts hade en styrka på cirka 500 kt.

Fusion

Kärnenergi kan också frigöras genom sammanslagning av lätta atomkärnor. De är positivt elektriskt laddade, och eftersom lika laddningar stöter bort varandra måste kärnorna ha en mycket hög hastighet för att övervinna denna repulsion. För detta krävs att fusionsmaterialet värms upp till flera tiotal miljoner grader. Av detta skäl kallas sådana reaktioner termonukleära. I fusionsladdningar utnyttjas tyngre isotoper av väte, nämligen deuterium (D) och tritium (T). Deuterium innehåller en neutron extra och tritium två neutreoner extra jämfört med vanligt väte.

Den reaktion som går lättast att "tända" är D+T. Vid denna reaktion sänds det ut en snabb, energirik neutron. En annan reaktion som utnyttjas är sammanslagningen av två deuteriumkärnor, D+D. Den senare reaktionen kan gå två vägar som båda är lika sannolika. I det ena fallet produceras en neutron, i det andra en tritiumkärna, som i sin tur kan utnyttjas i (D+T)-reaktionen. För att åstadkomma de extrema tryck och temperaturer som krävs för en termonukleär förbränning i större skala behöver man en fissionsladdning som tändare.

Fusionsladdningens funktionssätt var länge en väl bevarad hemlighet och konstruktionen omges fortfarande med betydande sekretess. Den gängse bilden av hur en termonukleär laddning fungerar är följande:

Det termonukleära bränslet är placerat för sig skilt från den tändande fissionsladdningen. Då fissionsladdningen exploderar utsänds ett intensivt flöde av röntgenstrålning från ytan. Strålningen får fylla mellanrummet mellan ett ytterhölje och den speciellt utformade behållare som innehåller det termonukleära bränslet. Röntgenstrålningen absorberas i det fasta materialets yttersta lager. Detta upphettas kraftigt och förångas. Ytlagret förångas och överför då ett tryck mot underlaget, en sorts rekyleffekt. På detta sätt komprimeras och upphettas fusionsmaterialet till sådana nivåer att fusionsreaktioner blir möjliga. Förmodligen krävs det att ett centralt placerat område innehåller såväl D som T för att fusionsprocessen ska kunna starta.

Neutroner som sänds ut vid fission har i allmänhet inte tillräcklig energi för klyva uran 238. Det har däremot de neutroner som frigörs vid fusionsreaktionerna. Man kan därför låta manteln vara gjord av naturligt uran, som i huvudsak består av uran 238, och låta den fissionera. Laddningar av den typen kallas ibland 3F-laddningar (fission, fusion, fission).

Den första termonukleära explosionen var USA:s prov "Mike" år 1952. I den laddningen utnyttjades flytande deuterium med inslag av tritium som bränsle. Hela anordningen var mycket otymplig och vägde drygt 60 ton. Den bestod till stor del av en kylanläggning för att hålla deuteriumet flytande (det är gasformigt vid rumstemperatur). Det visade sig dock snart att det gick att göra mer kompakta fusionsladdningar med det fasta ämnet litiumdeuterid (LiD) som bränsle. Litiumet deltar aktivt genom att det vid neutronbestrålning ger tritium, som deltar i den termonukleära förbränningen.

Fusionsladdningar kan i princip vara hur kraftiga som helst. Den grundläggande principen för funktionen kan nämligen upprepas så att röntgenstrålningen från en exploderande fusionsladdning i sin tur får komprimera ytterligare en mängd fusionsmaterial. Eventuellt skulle processen kunna upprepas flera gånger. Det finns därför ingen egentlig övre gräns för energiutvecklingen hos en fusionsladdning. Den största termonukleära laddning som provats hade en styrka på cirka 50 Mt (1961 över Novaja Zemlja).

Fullständig fission av 1 kg uran eller plutonium ger en energiutveckling på cirka 17 kt. Fusionsmaterial är mer energirika. Fullständig förbränning av deuterium ger cirka 80 kt per kg. Föreligger deuteriumet i formen LiD blir denna siffra lägre och beror på i vad mån litiumet deltar i reaktionerna. I extremfallet, dvs då det inte deltar alls, blir den maximala energiutvecklingen ungefär densamma som för fissionsmaterial.