atomvåpen

Sprenglegemet i fisjonsvåpen består av en passende mengde uran (²³³U eller ²³⁵U) eller plutonium (²³⁹Pu). Disse nuklidene kalles fissile. De spaltes, fisjonerer, ved innfangning av nøytroner som er frigjort i tidligere fisjoner. Ved hver spalting frigjøres energi. Så lenge det fissile stoffet er spredt over et stort volum med liten konsentrasjon, er det underkritisk. En kjedereaksjon som settes i gang etter fisjon av en enkel kjerne, dør raskt bort, og man får ingen eksplosjon. Men samles nok fissilt stoff innenfor et lite volum, blir det overkritisk. En kjedereaksjon som settes i gang av en tilfeldig fisjon, vil da spre seg eksplosivt under frigjøring av store energimengder.

Man kan komme fra underkritisk til overkritisk tilstand ved å føre sammen to eller flere deler som hver for seg er underkritiske, ved å presse en såvidt underkritisk stoffmengde sammen ved en implosjon forårsaket av vanlig sprengstoff, eller ved hjelp av en implosjon å presse hydrogen inn i det fissile materialet og dermed senke den kritiske grensen.

Den kritiske massen for en kule av ren ²³³U er 7,5 kg, for ²³⁵U 23 kg og for ²³⁹Pu 5,6 kg. Den energi som blir frigjort ved fullstendig fisjon av ett kg uran eller plutonium, er cirka 9 · 10¹³ joule (25 gigawatt-timer). Dette svarer omtrent til energien fra 20 000 tonn TNT. Nå vil neppe mer enn 5–10 prosent av den disponible energien frigjøres ved eksplosjonen.

Sprengvirkningen av en ²³³U- eller ²³⁹Pu-bombe nær den kritiske størrelsen vil da svare til 10–20 kilotonn TNT. Fisjonsvåpen vil som regel være av denne størrelsen eller noen få ganger større.

Også noen tyngre transuraner (curium, californium, fermium) har isotoper som er fissile. Den kritiske massen kan for disse nuklidene være betydelig mindre. Men fremstillingen er kostbar og tidkrevende. Det er gjort forsøk på å fremstille dem for å benytte dem som tennsatser i fusjonsbomber, men resultatene av slike forsøk er lite kjent.

Fusjonsvåpen kalles også termonukleære våpen fordi prosessen foregår som en termisk reaksjon mellom hydrogenkjerner. Sammensmelting av hydrogenisotopene deuterium (²H) og tritium (³H) til alfapartikler (⁴He) og frigjorte nøytroner foregår som en forbrenningsprosess som krever en antennelsestemperatur på cirka 50 millioner grader celsius. Denne temperaturen oppnår man ved først å la en fisjonsbombe eksplodere.

Fusjonsvåpnene kan gjøres enormt store. Den største fusjonsbomben som er rapportert sprengt av daværende Sovjetunionen (1961), hadde en sprengvirkning på størrelse med 50 megatonn TNT. Nedad er fusjonsvåpnenes størrelse begrenset av fisjonsbomben som antenner dem. Ved en passende blanding av uran eller plutonium og hydrogen blir den kritiske massen redusert betydelig, og sprengvirkningen kan for små fusjonsbomber være under ett kilotonn TNT.

Såkalte «skitne våpen» er ikke egentlig kjernevåpen, men konvensjonelle våpen omgitt av radioaktivt materiale. Hensikten er å spre radioaktivt nedfall ved hjelp av en konvensjonell eksplosjon. Konstruksjon av slike våpen krever ingen teknikk av betydning ut over ordinær konvensjonell våpenproduksjon, og ved begynnelsen av 2000-tallet var det konkret frykt for at slike våpen kunne bli tatt i bruk av terrorister. Radioaktivt materiale i større mengder finnes blant annet som avfallsprodukter fra kjernekraftverk.

Utarmet uran er også i stort omfang brukt til produksjon av panserbrytende våpen. Den militære hensikt for slike våpen er konvensjonell, men også bruk av slike våpen vil etterlate større mengder radioaktivt materiale på slagmarken.

Karakteristisk for alle kjernevåpen er den store energiutviklingen som fører til en enorm lokal trykk- og temperaturstigning. Fra eksplosjonsstedet brer trykket seg som en sjokkbølge, det feier bort løst materiale, blåser over ende bygninger og så videre. Temperaturen under eksplosjonen er mellom 50 og 100 millioner grader celsius. Dette medfører en intens lysstråling og mye gjennomtrengende ultrafiolett stråling. Strålingen forårsaker antennelse av brennbare stoffer, smelting av metaller, ødeleggelse av liv eller, i større avstander, forbrenninger og øyeskader.

Varmeutviklingen gir en oppadgående luftstrøm, og ny luft strømmer til området utenfra. Dette gir en «pipe-effekt» som i en peis; det oppstår en brannstorm. Brannstormer gir stor røykutvikling, og store mengder røyk og støv stiger opp i atmosfæren. Hvis flere kjernevåpen blir sprengt samtidig, vil støv- og sotlaget hindre solvarmen i å nå ned til Jordens overflate. Følgen er en kraftig nedkjøling, en såkalt kjernevinter eller atomvinter. Ved større bruk av kjernevåpen kan slik nedkjøling påvirke klimaet i flere år, og gi markant negative påvirkninger av avlinger også i områder som ikke er direkte påvirket av de brukte kjernevåpen.

Sammen med varme- og lysstrålingen kommer gjennomtrengende gamma- og nøytronstråling fra kjernereaksjonene. Gammastrålingen vil umiddelbart gi opphav til kraftige elektriske strømmer ved vekselvirkning med luftens atomer. Disse strømmene produserer elektromagnetiske signaler som kan føre til at elektronisk utstyr blir ødelagt (se elektromagnetisk puls). Gamma- og nøytronstrålingen gir ellers bare små materielle skader, men også den virker i store doser momentant dødelig. Mindre doser gir strålingssyke. I alvorlige tilfeller medfører strålingssyke døden i løpet av dager eller uker. Nøytron- og gammastrålingen er mye mer gjennomtrengende enn lys- og varmestrålingen og derfor vanskeligere å beskytte seg mot.

I tillegg til den direkte strålingen kommer stråling fra radioaktive stoffer som dannes under eksplosjonen: spaltningsprodukter fra fisjon og stoffer som blir radioaktive ved intens nøytronbestråling. De radioaktive produktene vil dels slå seg ned på bakken hvor aktiviteten kan holde seg i årrekker, og dels bli slynget ut i atmosfæren hvor de raskt sprer seg utover. Langlivede produkter vil fordeles i de øvre luftlag og drive rundt hele jordkloden før de etter hvert blir ført med nedbøren tilbake til Jorden som radioaktivt nedfall, og der blir opptatt av planter eller ført direkte gjennom drikkevannet til dyr og mennesker. Nedfallet etter en fisjonseksplosjon er et av de mest skremmende perspektivene ved kjernevåpen. Man har ingen kontroll over hvor nedfallet vil lande, og i større mengder vil det virke skadelig på hele menneskeheten.

Forskjellige våpentyper blir utviklet med henblikk på bestemt bruk og virkning, og slik at uønskede virkninger så vidt mulig unngås. Kjernevåpnene ble først utviklet som strategiske våpen med det siktemål å ødelegge fiendens totale krigspotensial ved et enkelt eller få angrep. Slike våpen måtte ha stor sprengvirkning og lang rekkevidde. Senere er det utviklet taktiske kjernevåpen i den hensikt å hindre eller begrense spesielle troppebevegelser eller operasjoner. De taktiske våpnene skal ha mer begrenset sprengvirkning.

Ved fisjonsvåpen dominerer sprengvirkningen og virkningen av de radioaktive produktene. Den direkte nøytron- og gammastrålingen blir nesten ufarlig sammenlignet med trykkbølgen og varmestrålingen. Likevel vil det i store avstander være enklere å oppnå betryggende skjerming mot varmestrålingen enn mot gammastrålingen. De radioaktive produktene som slår seg ned omkring eksplosjonsstedet, vil gjøre et større område utilgjengelig de første dagene etter eksplosjonen. Nærmere eksplosjonsstedet vil det bli betraktelige mengder av stoffer med lang halveringstid. Områder som er radioaktivt infiserte, må holdes avsperret inntil aktiviteten er kommet under en betryggende grense. Først etter flere år kan man regne med at aktiviteten er utdødd over hele det infiserte området.

Biologisk virker strålingen fra de radioaktive stoffene på samme måte som nøytron- og gammastrålingen, men fordi stoffene også kan tas opp av organismen gjennom luft, mat og drikke, blir de biologiske langtidsvirkningene mer faretruende. Effekten av det radioaktive nedfallet kan forsterkes ved å omgi sprengladningen med en kappe av et stoff som viser stor radioaktivitet etter nøytronbestråling, for eksempel kobolt (koboltbomben). Aktiviteten vil spre seg i atmosfæren, og dette kan gi katastrofale følger langt utenfor det område der sprengningen har foregått. Men fordi usikre faktorer som vær- og vindforhold bestemmer hvor stoffet vil falle ned og hvem det vil ramme, kan ødeleggelsesvåpenet bli like farlig for den som bruker det som for fienden.

Både spredning av radioaktivt nedfall og radioaktiviteten, som forurenser eksplosjonsområdet i årrekker, er strategisk sett lite ønskede effekter. Det har derfor vært et mål å finne frem til kjernevåpen hvor denne effekten er redusert til et minimum. Dette har ført til utviklingen av fusjonsvåpen.

Store hydrogenbomber gir en sprengvirkning som er 1000 ganger så stor som fisjonsbombens. Men det radioaktive nedfallet vil stort sett skrive seg fra fisjonsbomben som setter fusjonen i gang. Den såkalte rene fusjonsbomben, som ikke skal gi radioaktivt nedfall, har det ikke lykkes å fremstille, men størrelsen av fisjonsbomben som setter i gang fusjonsprosessen, ligger langt under den kritiske størrelsen av en ren fisjonsbombe.

En hydrogenbombe med stor sprengvirkning er et rent strategisk våpen. Men det fremstilles også små hydrogenvåpen, beregnet for taktisk bruk. Av spesiell interesse er her kjernevåpen med forsterket strålevirkning, vanligvis omtalt som nøytronvåpen. I disse skriver storparten av sprengvirkningen seg fra fisjonstennsatsen, mens en vesentlig del av fusjonsenergien, teoretisk ⁴/₅ av denne, føres bort i form av gjennomtrengende nøytronstråling. Også her fører fisjonsprosessen med seg radioaktivt nedfall, og et mindre område omkring eksplosjonsstedet blir ødelagt både av sprengvirkningen og av radioaktivitet for lengre tid. I større avstander blir det en intens nøytronstråling. Mennesker som befinner seg der, blir drept momentant eller angrepet av strålingssyke. Men strålingen avtar raskt med tiden, og få dager etter eksplosjonen vil området ligge åpent tilgjengelig uten å ha fått vesentlige materielle skader. Se også hydrogenbombe.

Det radioaktive nedfallet fra «skitne våpen» har samme effekt som annet radioaktivt nedfall. Omfanget av radioaktiv stråling spredt til omgivelsene er vesentlig mindre enn ved bruk av egentlige kjernefysiske våpen, men kan likevel produsere lokale stråledoser som kan gi betydelige helseproblemer. Konvensjonelle våpen inneholdende utarmet uran er brukt i lokale konflikter, blant annet i Irak, og det er lansert teorier om at helseproblemer soldater fra Irak-krigene har opplevd, kan være knyttet til radioaktiv stråling fra rester av slike våpen.