Belangrijkste verschil - waterstof versus uraniumbom

De speciale relativiteitstheorie veranderde de klassieke ideeën over massa, energie, tijd en meer volledig. De beroemde vergelijking van Einstein E= mc² onthulde een topgeheim tussen massa en energie, bekend als de massa-energie-equivalentie. Volgens deze vergelijking zouden we energie in massa moeten kunnen omzetten en omgekeerd.

Wanneer neutronen en protonen samensmelten of samensmelten tot een kern, komt er een ongelooflijke hoeveelheid energie vrij. De massa van de resulterende kern is dus kleiner dan die van de totale massa van zijn ouderdeeltjes. Deze reductie van de massa wordt gegeven door de vergelijking van Einstein. Natuurkundigen realiseerden zich dat een enorme hoeveelheid energie kon worden gegenereerd door ofwel kleine kernen te fuseren tot zware kernen of zware kernen te remmen tot lichte kernen. Ze realiseerden zich ook dat deze energie gebruikt kon worden om elektriciteit op te wekken en om massavernietigende 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 al doen vermoeden, gebruiken uraniumbommen uranium als splijtstof, terwijl waterstofbommen waterstof als brandstof gebruiken. Bij uraniumbommen komt energie vrij wanneer uraniumkernen uiteenvallen in lichte kernen. Maar bij waterstofbommen komt energie vrij wanneer kleine kernen samensmelten tot He-kernen. De grootste verschil tussen waterstof en uraniumbom is dat: Uraniumbommen zijn kernsplijtingsbommen, terwijl waterstofbommen fusiebommen zijn. Dit artikel richt zich op de verschillen tussen waterstof- en uraniumbom.

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 ouderkernen. Wanneer ze samensmelten, wordt het verlies van de massa omgezet in energie volgens de Einstein-vergelijking. Deze energie kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. Helaas kan hetzelfde idee worden gebruikt om een ​​fusiebom te maken, omdat bij fusie een enorme hoeveelheid energie vrijkomt.

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 als vloeibare waterstof wordt gebruikt, moet er een koelmechanisme aan de bom worden gekoppeld, wat een extra gewicht en volume aan de bom toevoegt. Waterstof wordt dus gebruikt in de vorm van LiD (Lithium Deuteride) dat vast is en dus een koelmechanisme overbodig maakt.

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 in natuurlijk voorkomende 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 een splijtingsbom wordt 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. Ten eerste absorbeert een Li-kern een neutron en splijt het in een heliumkern, een tritiumkern plus energie. Vervolgens wordt een Deuterium-kern gecombineerd met een Tritium-kern om een ​​Helium-kern te produceren, een neutron plus energie. Dus de totale reactie kan worden ingekort tot de volgende vergelijking.

D+ Li→ 2He+ energie

Bij de bovenstaande fusiereactie worden geen radioactieve kernen geproduceerd. De energie die per nucleon vrijkomt bij bovenstaande fusiereactie is veel hoger dan bij 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 natuurlijk voorkomende uranium. Uranium-239 is erg onstabiel, dus de halfwaardetijd is erg kort. Dus het vervalt heel snel in Plutonium. Uranium-238 is de meest stabiele uraniumisotoop. Uranium-235 is onstabiel en de natuurlijke overvloed is ongeveer 0,72%.

Wanneer een uraniumatoom een ​​neutron absorbeert, breekt het in twee splijtingsfragmenten (twee kleinere atomen) plus meerdere neutronen. Bij 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 afremt. 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, hangt af van de massa van het monster. Voor een kettingreactie is er een drempelmassa voor uranium die kritische massa wordt genoemd. Kritische massa is de minimale massa van een splijtstof die aanwezig moet zijn om de kettingreactie in stand te houden als deze eenmaal is gestart. Bovendien, als het uraniummonster een natuurlijk niet-verrijkt monster is, zouden de meeste neutronen worden geabsorbeerd door uranium-238-atomen (omdat de overvloed ongeveer 99,7% is), die vervolgens uranium-239 produceren. Het is dus een verspilling. Om het aantal neutronen dat door uranium-238 wordt geabsorbeerd te minimaliseren, moet het percentage uranium-235 worden verbeterd. Dit proces wordt uraniumverrijking genoemd.

Een atoombom zou in een oogwenk een enorme hoeveelheid kernenergie moeten kunnen vrijgeven. Dus zowel het ontsnappen van neutronen als het aantal neutronen dat door uranium-238 wordt geabsorbeerd, moeten zoveel mogelijk worden verminderd. Deze vereisten worden bereikt door monsters van hoogverrijkt uranium (HEU) te gebruiken met een grotere massa dan de kritische massa. In uraniumbommen wordt uranium bijna tot 90% verrijkt met uranium-235.

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

Voorafgaand aan de ontploffing wordt het uraniummonster in twee afzonderlijke delen bewaard die elk een massa hebben die kleiner is 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 de subkritische staat te houden totdat hij ontploft. Met andere woorden, de bom kan geen kettingreactie volhouden totdat de twee delen samenkomen, aangezien de massa van elk monster kleiner is dan de kritische massa.

Eerst wordt het conventionele explosief (TNT) tot ontploffing gebracht, waardoor de uraniumkogel zich snel en samenvoegt met het uraniumdoelwit. Nadat ze zijn gecombineerd tot een enkel monster van uranium, overschrijdt de massa de kritische massa, wat leidt tot een kettingreactie en dus een nucleaire explosie. Bij deze explosie komt 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 die wordt veroorzaakt door een nucleaire explosie.

Verschil tussen waterstof en uraniumbom

Brandstof:

uranium bom: Uraniumbom wordt gevoed door uranium-235.

Waterstofbom: Waterstofbom wordt gevoed door LiD (Lithium Deuteride).

Initiatie:

uranium bom: Als initiator wordt een neutronenbron gebruikt.

Waterstofbom: Waterstofbommen worden ontstoken door splijtingsbommen.

Kernreacties:

uranium bom: Er zijn verschillende splijtingspaden voor. Bijvoorbeeld,

Waterstofbom:

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

Energie die vrijkomt per nucleon:

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

Waterstofbom: Energie die vrijkomt per nucleon is ~ 2,8 MeV (voor LD)

Belangrijke vereisten:

uranium bom: Kritische massa en een neutronenbron zijn de belangrijkste vereisten.

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

Radioactieve neerslag:

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