Het splijtingsproces
Wanneer bepaalde isotopen van uranium en plutonium (en sommige andere zwaardere elementen) door neutronen worden gebombardeerd, zullen zij zich splitsen in atomen van lichtere elementen, een proces dat bekend staat als kernsplijting. Naast deze vorming van lichtere atomen worden bij het splijtingsproces gemiddeld tussen 2,5 en 3 vrije neutronen uitgezonden, die samen met aanzienlijke energie vrijkomen. Als vuistregel geldt dat de volledige splijting van 1 kg (2,2 pond) uranium of plutonium ongeveer 17,5 kiloton TNT-equivalente explosieve energie produceert.
Encyclopædia Britannica, Inc.
In een atoombom of kernreactor krijgt eerst een klein aantal neutronen voldoende energie om te botsen met enkele splijtbare kernen, die op hun beurt extra vrije neutronen produceren. Een deel van deze neutronen wordt opgevangen door kernen die niet splijten; andere ontsnappen aan het materiaal zonder te worden opgevangen; en de rest veroorzaakt verdere splijtingen. Vele zware atoomkernen kunnen splijten, maar slechts een fractie daarvan is splijtbaar, d.w.z. niet alleen splijtbaar door snelle (hoogenergetische) neutronen, maar ook door langzame neutronen. Het voortdurende proces waarbij neutronen, uitgezonden door splijtingskernen, splijtingen in andere splijtbare of splijtbare kernen veroorzaken, wordt een splijtingskettingreactie genoemd. Indien het aantal splijtingen in één generatie gelijk is aan het aantal neutronen in de vorige generatie, wordt gezegd dat het systeem kritiek is; indien het aantal groter is dan één, is het superkritisch; en indien het minder is dan één, is het subkritisch. In het geval van een kernreactor wordt het aantal splijtbare kernen dat in elke generatie beschikbaar is zorgvuldig gecontroleerd om een “runaway”-kettingreactie te voorkomen. In het geval van een atoombom wordt echter gestreefd naar een zeer snelle groei van het aantal splijtingen.
Splijtingswapens worden gewoonlijk gemaakt met materialen met hoge concentraties van de splijtbare isotopen uranium-235, plutonium-239, of een combinatie daarvan; er zijn echter ook explosieven met hoge concentraties uranium-233 gemaakt en getest.
De voornaamste natuurlijke isotopen van uranium zijn uranium-235 (0,7 procent), dat splijtbaar is, en uranium-238 (99,3 procent), dat splijtbaar maar niet splijtbaar is. In de natuur komt plutonium slechts in minieme concentraties voor, zodat de splijtbare isotoop plutonium-239 kunstmatig in kernreactoren uit uranium-238 wordt gemaakt. (Zie uraniumverwerking.) Om een explosie te veroorzaken, hebben splijtingswapens geen uranium of plutonium nodig dat zuiver is in de isotopen uranium-235 en plutonium-239. Het meeste uranium dat in de huidige kernwapens wordt gebruikt, is ongeveer 93,5 procent verrijkt uranium-235. Kernwapens bevatten doorgaans 93 procent of meer plutonium-239, minder dan 7 procent plutonium-240, en zeer kleine hoeveelheden van andere plutoniumisotopen. Plutonium-240, een bijproduct van de plutoniumproductie, heeft verscheidene ongewenste eigenschappen, waaronder een grotere kritische massa (d.w.z. de massa die nodig is om een kettingreactie op te wekken), een grotere blootstelling van de werknemers aan straling (in vergelijking met plutonium-239), en, voor sommige wapenontwerpen, een hoge mate van spontane splijting die ertoe kan leiden dat een kettingreactie voortijdig begint, wat een kleinere opbrengst tot gevolg heeft. Bijgevolg wordt in reactoren die voor de productie van plutonium-239 voor kernwapens worden gebruikt, de tijd dat het uranium-238 in de reactor blijft, beperkt om de opbouw van plutonium-240 tot ongeveer 6 procent te beperken.