Der Spaltprozess
Bei Beschuss mit Neutronen spalten sich bestimmte Isotope von Uran und Plutonium (und einige andere schwerere Elemente) in Atome leichterer Elemente, ein Prozess, der als Kernspaltung bekannt ist. Zusätzlich zu dieser Bildung leichterer Atome werden bei der Kernspaltung im Durchschnitt 2,5 bis 3 freie Neutronen mit erheblicher Energie freigesetzt. Als Faustregel gilt, dass die vollständige Spaltung von 1 kg Uran oder Plutonium etwa 17,5 Kilotonnen TNT-äquivalente Sprengkraft erzeugt.
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In einer Atombombe oder einem Kernreaktor erhält zunächst eine kleine Anzahl von Neutronen genügend Energie, um mit einigen spaltbaren Kernen zusammenzustoßen, die wiederum zusätzliche freie Neutronen erzeugen. Ein Teil dieser Neutronen wird von Kernen eingefangen, die nicht spalten; andere entkommen dem Material, ohne eingefangen zu werden, und der Rest verursacht weitere Spaltungen. Viele schwere Atomkerne sind zur Spaltung fähig, aber nur ein Bruchteil davon ist spaltbar, d. h. nicht nur durch schnelle (hochenergetische) Neutronen, sondern auch durch langsame Neutronen spaltbar. Der fortlaufende Prozess, bei dem die von spaltenden Kernen emittierten Neutronen Spaltungen in anderen spaltbaren oder spaltbaren Kernen auslösen, wird als Spaltungskettenreaktion bezeichnet. Wenn die Anzahl der Spaltungen in einer Generation gleich der Anzahl der Neutronen in der vorangegangenen Generation ist, wird das System als kritisch bezeichnet; ist die Anzahl größer als eins, ist es überkritisch, und wenn sie kleiner als eins ist, ist es unterkritisch. Bei einem Kernreaktor wird die Anzahl der spaltbaren Kerne, die in jeder Generation zur Verfügung stehen, sorgfältig kontrolliert, um eine „durchlaufende“ Kettenreaktion zu verhindern. Bei einer Atombombe hingegen wird ein sehr schnelles Wachstum der Zahl der Spaltungen angestrebt.
Spaltwaffen werden normalerweise aus Materialien mit hohen Konzentrationen der spaltbaren Isotope Uran-235, Plutonium-239 oder einer Kombination dieser Isotope hergestellt; es wurden jedoch auch einige Sprengkörper mit hohen Konzentrationen von Uran-233 konstruiert und getestet.
Die wichtigsten natürlichen Isotope des Urans sind Uran-235 (0,7 %), das spaltbar ist, und Uran-238 (99,3 %), das spaltbar, aber nicht spaltbar ist. In der Natur kommt Plutonium nur in winzigen Konzentrationen vor, daher wird das spaltbare Isotop Plutonium-239 in Kernreaktoren künstlich aus Uran-238 hergestellt. (Siehe Uranverarbeitung.) Um eine Explosion auszulösen, benötigen Spaltwaffen kein Uran oder Plutonium, das in den Isotopen Uran-235 und Plutonium-239 rein ist. Das meiste Uran, das in den derzeitigen Kernwaffen verwendet wird, ist zu etwa 93,5 Prozent mit Uran-235 angereichert. Kernwaffen enthalten in der Regel 93 Prozent oder mehr Plutonium-239, weniger als 7 Prozent Plutonium-240 und sehr geringe Mengen anderer Plutonium-Isotope. Plutonium-240, ein Nebenprodukt der Plutoniumproduktion, hat mehrere unerwünschte Eigenschaften, darunter eine größere kritische Masse (d. h. die Masse, die zur Erzeugung einer Kettenreaktion erforderlich ist), eine höhere Strahlenbelastung für die Arbeiter (im Vergleich zu Plutonium-239) und bei einigen Waffenkonstruktionen eine hohe Rate an Spontanspaltungen, die dazu führen können, dass eine Kettenreaktion vorzeitig einsetzt, was zu einer geringeren Ausbeute führt. Daher wird in Reaktoren, die für die Herstellung von waffenfähigem Plutonium-239 verwendet werden, der Zeitraum, in dem das Uran-238 im Reaktor verbleibt, begrenzt, um die Anreicherung von Plutonium-240 auf etwa 6 % zu begrenzen.