Verschil tussen waterstof- en uraniumbom

Belangrijkste verschil - Waterstof versus uraniumbom

De theorie van speciale relativiteit veranderde volledig de klassieke ideeën van massa, energie, tijd en meer. De beroemde Einstein-vergelijking E = mc² onthulde een topgeheim tussen massa en energie, bekend als de massale energie-equivalentie. Volgens deze vergelijking zouden we in staat moeten zijn energie om te zetten in massa en omgekeerd. 

Wanneer neutronen en protonen zich in een kern verenigen of samensmelten, wordt een ongelooflijke hoeveelheid energie vrijgegeven. De massa van de resulterende kern is dus kleiner dan die van de totale massa van de moederdeeltjes. Deze reductie van de massa wordt gegeven door de vergelijking van Einstein. Natuurkundigen beseften dat een enorme hoeveelheid energie kon worden gegenereerd door ofwel kleine kernen in zware kernen te smelten of zware kernen in lichte kernen te remmen. Ze realiseerden zich ook dat deze energie kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken en massaal destructieve bommen te maken.

De beste brandstoffen voor splijtingsbommen zijn uranium en plutonium, terwijl waterstof de beste brandstof is om fusiebommen te ontwerpen. Zoals de namen suggereren, gebruiken uraniumbommen Uranium als hun splijtstof, terwijl waterstofbommen waterstof als brandstof gebruiken. In uraniumbommen komt energie vrij wanneer uraniumkernen breken in lichte kernen. Maar in waterstofbommen wordt energie vrijgegeven wanneer kleine kernen samensmelten in He-kernen. De grootste verschil tussen waterstof en uraniumbom is dat Uraniumbommen zijn kernsplitsingsbommen, terwijl waterstofbommen fusionbommen zijn. Dit artikel concentreert zich op de verschillen tussen waterstof- en uraniumbommen.

Wat is waterstofbom

Wanneer lichte kernen samenkomen in een zware kern, is de massa van de resulterende kern kleiner dan de totale massa van de moederkern. Wanneer ze samensmelten, wordt het verlies van de massa omgezet in energie volgens de Einstein-vergelijking. Deze energie kan worden gebruikt om elektriciteit te genereren. Helaas kan hetzelfde idee worden gebruikt om een ​​fusiebom te maken omdat er een enorme hoeveelheid energie vrijkomt in fusie.

Het beste element als fusiebrandstof is waterstof. Waterstof heeft drie isotopen namelijk Protium, Deuterium en Tritium. Maar waterstof is van nature een gasvormig element. Voor de fusiereactie moet een zeer hoge temperatuur en een zeer hoge brandstofdichtheid worden bereikt. Als Waterstof wordt gebruikt als vloeibare waterstof, moet een koelmechanisme worden gekoppeld aan de bom, die een extra gewicht en volume toevoegt aan de bom. Dus, Waterstof wordt gebruikt in de vorm van LiD (Lithium Deuteride), die vast is en dus de noodzaak van een koelmechanisme elimineert.

Deuterium en tritium zijn de beste isotopen voor de fusiereactie. Door Deuterium als LiD te gebruiken, kan een zeer hoge brandstofdichtheid worden bereikt. Het andere voordeel van Deuterium is dat het een stabiele isotoop is. De overvloed aan Deuterium was van nature aanwezig. Waterstof is ongeveer 0,015%. Water is dus een goede bron van Deuterium.

In een fusiebom is een zeer hoge temperatuur nodig (ongeveer 10⁸ K) voor de fusiereactie. Dus wordt een splijtingsbom gebruikt in fusiebommen om dergelijke temperaturen te bereiken. Zodra de splijtingsbom tot ontploffing is gebracht, wordt de vereiste temperatuur bereikt. Met andere woorden, een splijtingsbom wordt gebruikt in fusiebommen om de fusiebom te ontsteken. Nadat de splijtingsbom is ontploft, begint de fusiereactie. Eerst absorbeert een Li-kern een neutron en fuseert hij in een Helium-kern, een tritiumkern plus energie. Vervolgens combineert een kern van Deuterium met een Tritium-kern een Helium-kern, een neutron plus energie. Dus de algehele reactie kan worden ingekort tot de volgende vergelijking.

D + Li → 2He + energie

In de bovenstaande fusiereactie worden geen radioactieve kernen geproduceerd. De energie die per nucleon in de bovengenoemde fusiereactie vrijkomt, is veel hoger dan die van de splijtingsreactie van uranium.

Wat is een uraniumbom

Uranium heeft verschillende isotopen zoals Uranium-238, Uranium-235 en Uranium-239. Niettemin is Uranium-238 goed voor 99,7% van het in de natuur voorkomende uranium. Uranium-239 is zeer onstabiel, dus de halfwaardetijd is erg kort. Dus het verdort snel in Plutonium. Uranium-238 is de meest stabiele uraniumisotoop. Uranium-235 is onstabiel en de natuurlijke abundantie is ongeveer 0,72%.

Wanneer een uraniumatoom een ​​neutron absorbeert, breekt het in twee splijtingsfragmenten (twee kleinere atomen) plus verschillende neutronen. In deze splijtingsreactie komt een enorme hoeveelheid energie vrij als kinetische energie van splijtingsfragmenten en EM-golven. Als de resulterende neutronen werden geabsorbeerd door andere uraniumatomen, wordt het proces een kettingreactie die steeds meer uranium-235-kernen remt. Sommige van de tijdens het proces geproduceerde neutronen ontsnappen echter uit het uraniummonster. Dus die ontsnappende neutronen nemen niet deel aan de kernsplijting. De fractie van de neutronen die uit het monster ontsnapt, is afhankelijk van de massa van het monster. Voor een kettingreactie is er een drempelmassa voor Uranium, de zogenaamde kritische massa. Kritieke massa is de minimale massa van een splijtstof die aanwezig moet zijn om de kettingreactie te ondersteunen als deze eenmaal is geïnitieerd. Als het uraniummonster natuurlijk niet verrijkt is, zouden de meeste neutronen worden geabsorbeerd door uranium-238-atomen (omdat de abundantie rond 99,7% is), die vervolgens uranium-239 produceren. Het is dus een verspilling. Om het aantal neutronen dat wordt opgenomen door Uranium-238 tot een minimum te beperken, moet het percentage Uranium-235 worden verbeterd. Dit proces wordt uraniumverrijking genoemd.

Een atoombom moet in een oogwenk een enorme hoeveelheid kernenergie vrijmaken. Dus zowel het ontsnappen van neutronen als het aantal neutronen dat wordt geabsorbeerd door Uranium-238 moet zoveel mogelijk worden beperkt. Deze eisen worden bereikt door het gebruik van hoog verrijkte uranium (HEU) monsters met een grotere massa dan de kritische massa. In uraniumbommen is uranium bijna tot 90% van uranium-235 verrijkt.

In moderne kernwapens wordt een hoogspanningsvacuümbuis gekoppeld aan een kleine deeltjesversneller gebruikt als de neutronengenerator die de initiator van de kettingreactie is. De volgende afbeelding toont de basisstructuur van een uraniumbom.

Voorafgaand aan de detonatie wordt het uraniummonster als twee afzonderlijke delen bewaard, elk met een massa kleiner dan de kritische massa. De totale massa van deze twee monsters overschrijdt de kritische massa. Deze scheiding stelt ons in staat om de bom in subkritische staat te houden totdat deze ontploft is. Met andere woorden, de bom kan geen kettingreactie aanhouden totdat de twee delen samenkomen, omdat de massa van elk monster minder is dan de kritische massa.

Eerst wordt het conventionele explosief (TNT) ontploft, waardoor de uraniumkogel overhaast en zich combineert met het uraniumdoel. Nadat ze zijn gecombineerd tot een enkel monster uranium, overschrijdt de massa de kritische massa die leidt tot een kettingreactie en dus een nucleaire explosie. Deze explosie maakt een enorme hoeveelheid energie vrij in de vorm van kinetische energie van splijtingsfragmenten en straling die de slachtoffers verbrandt. De resulterende splijtingsfragmenten zijn ook bijna radioactief. Er zijn dus veel medische problemen verbonden aan de radioactieve neerslag veroorzaakt door een nucleaire explosie.

Verschil tussen waterstof- en uraniumbom

Brandstof:

Uranium bom: De uraniumbom wordt gevoed door Uranium-235.

Waterstofbom: Waterstofbom wordt gevoed doorLiD (Lithium Deuteride).

initiatie:

Uranium bom: Een neutronenbron wordt gebruikt als initiator.

Waterstofbom: Waterstofbommen worden ontstoken door splijtingsbommen.

Kernreacties:

Uranium bom: Er zijn verschillende splitsingspaden voor. Bijvoorbeeld,

Waterstofbom:

Door de eerste en tweede stap te combineren, krijgen we de algemene fusiereactie, 

Energie vrijgegeven per nucleon:

Uranium bom: Energie hangt af van het splijtingspad van Uranium-235. Voor het bovenstaande fissiepad van, is de energie die per nucleon vrijkomt ~ 0,70 MeV

Waterstofbom: Energie die vrijkomt per nucleon is ~ 2.8MeV (voor LD)

Belangrijke vereisten:

Uranium bom: Kritieke massa en een neutronenbron zijn de belangrijkste vereisten.

Waterstofbom: Zeer hoge temperatuur rond de 10⁸ K en een hoge brandstofdichtheid zijn vereist.

Radioactieve Fallout:

Uranium bom: De radioactieve neerslag is hoog.

Waterstofbom: De radioactieve neerslag is minder.

Afbeelding met dank aan:

"Ivy Mike" door The Official CTBTO Photostream - "Ivy Mike" atmosferische nucleaire test - november 1952 (CC BY 2.0) via Commons Wikimedia