Eine klassische Atombombe wird in dem wesentlichen so gebaut, dass zu dem beZieligten Zeitpunkt mehrere Teile des spaltbaren Materials zusammen kommen, so dass sie gemeinsam die kritische Masse überschreiten, jedes Teil für sich allein jedoch die kritische Masse unterschreitet. Sobald eine kritische Masse erreicht ist, beginnt eine Neutronenquelle Neutronen zu emittieren, welche dann eine Kettenreaktion in dem spaltbaren Material auslöst; die Anzahl der durch Kernspaltungen (Kernfission)neu erzeugten Neutronen ist dann in jeder Spaltungsgeneration größer als die Anzahl der aus dem Material entkommenen und in dem Material ohne Spaltung absorbierten Neutronen. Als Neutronenquellen wird häufig Polonium-Beryllium benutzt, das sich zu dem richtigen Zeitpunkt vermischen muss. Bei Polonium-Beryllium - Quellen reagieren Alphateilchen, die von Polonium emittiert werden, mit Beryllium (siehe Neutron).

Schematische Darstellung einer Kernspaltungsbombe nachdem Gun-Design

So kann ein unterkritischer Uranzylinder in eine unterkritische Urankugel geschossen werden, der in dem Inneren exakt dieser Zylinder fehlt (Gun-Design). Die vervollständigte Kugel überschreitet die notwendige kritische Masse und bringt die nukleare Kettenreaktion in Gang. Die Gesamtmasse dieser Anordnung ist konstruktionsbedingt auf wenige kritische Massen beschränkt. Aufgrund der eher länglichen Bauart eignet sich das Gun-Design für einsatzbedingt längliche Atomwaffen wie Bunker Buster (siehe unten) und Atomgranaten, die aus Rohrwaffen verschossen werden. Als chemischer Explosivstoff wird z.B. Treibmittel für Artilleriegeschosse benutzt, wie z.B. Kordit.Die Uran-Bombe Little-Boy, die über Hiroshima abgeworfen wurde, war ähnlich konstruiert. Die Bauweise galt als so sicher, dass auf eine vorausgehende Testzündung verzichtet wurde. Sie enthielt 64 kg Uran mit einem Anteil von 80 Prozent U-235. Die kritische Masse des Nuklearsprengkopfes wurde 25 cm oder 1,35 Millisekunden vor dem vollständigen Eindringen des Uranzylinders in die Urankugel erreicht, bei einer Endgeschwindigkeit von 300 m/s.

Schematische Darstellung einer Kernspaltungsbombe nachdem Implosions-Design

Eine andere Bauweise ist die Implosionsbombe Fat Man, die über Nagasaki abgeworfen wurde. Dabei befindet sich in der Mitte das spaltbare Material (i. A. Plutonium, Uran oder eine Legierung beider Metalle) als nicht-kritische Masse, entweder als Voll- oder als Hohlkugel. Um das spaltbare Material herum befinden sich mehrere Schichten hochexplosiven Sprengstoffs, wie zu dem Beispiel TNT. Bei der Zündung richtet sich die Explosionsenergie in das Zentrum der Kugel und komprimiert das spaltbare Material so stark, dass die Masse kritisch wird. Diese Bauweise gilt als wirkungsvoller, da zu dem einen die Implosion schneller abläuft als der Mechanismus beim Gun-Design, zu dem anderen kann eine sehr große Menge des spaltbaren Materials benutzt werden. Allerdings ist die Bauweise auch technisch wesentlich anspruchsvoller, daher wurde sie vorab in New Mexico getestet ("Trinity-Test", siehe unten).

Moderne Atomwaffen besitzen zwischen dem konventionellen, hochexplosiven Sprengstoff und dem eigentlichen Kernbrennstoff noch eine zusätzliche Schicht aus meist Berylium oder U-238. Da diese Schicht Neutronen reflektiert, kann damit entsprechend folgender Tabelle die kritische Masse verringert werden:

Schematische Darstellung einer Kernspaltungsbombe nachdem Implosions-Design mit Reflektor

Schematische Darstellung einer Kernspaltungsbombe nachdem Implosions-Design mit Reflektor und Dichteanpassung

Eine weitere Schicht aus Aluminium zwischen Sprengstoff und Reflektor dient der besseren Stoßübertragung des konventionellen Sprengstoffs auf das Schwermetall. Da der Sprengstoff eine sehr viel kleinere Dichte besitzt als Reflektor und Spaltstoff, wird ein Teil der Explosions-Schockwelle des konventionellen Sprengstoffs an der Übergangsfläche zurückreflektiert. Dieser Teil der Energie dient nicht der Kompression des Spaltmaterials. Wird zwischen dem konventionellen Sprengstoff und dem Reflektor eine Schicht mittlerer Dichte wie Aluminium eingefügt, verbessert dies die Energieübertragung auf das Spaltmaterial und damit die Kompression desselben.====Schwebender Kern==== Moderne Implosionsdesigns benutzen Spaltstoffanordnungen, bei denen der Spaltstoff in eine Schale und eine Hohlkugel aufgeteilt wird. Der Zwischenraum ist mit Gas gefüllt. Um die Hohlkugel in dem Zentrum der Schale zu halten, werden meist 8 Aluminiumbolzen als Abstandshalter montiert. Als Vorteil dieser Bauart muss nicht auf einmal die gesamte Hohlkugel zusammengedrückt werden. Statt dessen wird zunächst ca. die kleine Masse der Schale beschleunigt. Sie erhält eine hohe kinetische Energie und prallt mit hoher Geschwindigkeit auf die Hohlkugel. Die Vervollständigung der kritischen Masse erfolgt anschließend in einer sehr kurzen Zeit; es muss lediglich die Hohlkugel unter dem Druck der beschleunigten Schale implodieren. Dieses Design kennt eine Vielzahl unterschiedlicher Varianten. So kann der Luftspalt auch zwischen Reflektor und Spaltmaterial angeordnet sein. Die innere Kugel kann als Hohlkugel oder aus Vollmaterial ausgeführt sein. Möglicherweise gibt es Designs mit zwei Zwischenräumen. Die Aluminiumbolzen können durch Schaum (Purschaum, Styropor usw) ersetzt werden.

Schematische Darstellung einer Kernspaltungsbombe nachdem Implosions-Design mit schwebendem Kern

Nebenstehendes Bild zeigt die wesentlichen Merkmale eines modernen Designs, das Dichteanpassung, Reflektor und einen schwebend aufgehängten Kern besitzt. Solche Designs bedürfen zur genauen Bestimmung optimaler Parameter komplexer mathematischer Berechnungen und somit eines hohen numerischen Berechnungsaufwands. Dies ist ein Grund, warum moderne Atomwaffen ca. mit Hochleistungsrechnern konstruiert werden können und diese Rechner zu dem einen von den jeweiligen Rüstungsbehörden angeschafft werden, zu dem anderen mit Exportbeschränkungen belegt sind. Die Berechnungsergebnisse sind meist als geheim eingestuft und werden ca. in den wenigsten Fällen publiziert - die publizierten Zahlenwerte dürfen durchaus angezweifelt werden. Das grundsätzliche Design moderner Atomwaffen mit den dargestellten Merkmalen ist jedoch plausibel und wurde von unterschiedlichen Quellen bestätigt.

Die größte jemals gebaute reine Kernspaltungsbomben nachdem Implosionsdesign und mit Uran als Kernsprengstoff wurde von den Vereinigte Staaten Amerika mit einer Sprengkraft von 425 kt gebaut. Frankreich baute und stationierte von 1966 bis 1980 mit dem Sprengkopf MR-31 die größten bisher gebauten reinen Plutoniumbomben mit einer Sprengkraft von 120 kt - aus Mangel an Erfahrung mit Thermonuklearen Bomben und Hybriden Atombomben. Die bekannteste Atomwaffe nachdem Implosionsdesign ist sicherlich die auf Nagasaki abgeworfene Bombe Fat Man.

Entscheidend ist bei beiden Konstruktionsprinzipien, dass die Kettenreaktion nicht schon dann einsetzen darf, wenn die Kritikalität erreicht wird (1. Kritikalitätspunkt). Statt dessen muss nachdem ersten Kritikalitätspunkt einige Zeit vergehen, in der der Sprengsatz weiter verdichtet wird und weit überkritisch wird. Setzt dann die Kettenreaktion ein, wird der Spaltstoff verdampft und dadurch auseinander getrieben. Durch die Massenträgheit von Spaltstoff und Hülle vergeht jedoch bis zur Zerstörung der Kritikalität (2. Kritikalitätspunkt) einige Zeit, in der die Kernspaltung stattfindet.

Würde die Kettenreaktion sofort beim Erreichen der Kritikalität einsetzen, würden nie ausreichend Neutronen gebildet, um große Mengen des Kernbrennstoffs umzusetzen. Folglich würde die Sprengkraft einer solchen Bombe kaum über die des benutzten chemischen Zündsprengstoffs hinaus gehen. Erfolgt hingegen die Zündung erst dann, wenn das System stark überkritisch ist, bildet sich die gewünschte Neutronenlawine, bevor die Hitze den Sprengsatz selber zerstört. Eine Zündung vor dem optimalen Zeitpunkt bezeichnet man als Frühzündung, eine Zündung nachdem optimalen Zeitpunkt als Spätzündung. Um den optimalen Zündzeitpunkt zu erhalten, verlässt man sich nicht auf die Neutronen aus der spontanen Spaltung, sondern es wird im Augenblick, im die höchste Überkritikalität erreicht ist, ein spezieller Neutronengenerator gestartet.

Hinderlich für die Zündung in dem richtigen Zeitpunkt ist die Produktion von Neutronen durch den spontanen Zerfall des Spaltstoffs. Insbesondere bei Plutonium ist die Neutronen-Produktion wegen des unvermeidbaren Anteils von Plutonium-240 hoch, so dass die komplizierteren Implosionszünder benutzt werden müssen. Da ²⁴⁰Pu durch Neutroneneinfang aus ²³⁹Pu gebildet wird, das seinerseits durch Neutroneneinfang aus ²³⁸U entsteht, ist der Anteil an ²⁴⁰Pu umso größer, je höher der Abbrand des Kernbrennstoffes ist. Reaktoren, die waffenfähiges Plutonium herstellen sollen, werden darum mit kleinem Abbrand betrieben. In Atomkraftwerken wird aus Gründen der Wirtschaftlichkeit mit einem hohen Abbrand gearbeitet. Dennoch ist auch in Atomkraftwerken erzeugtes Plutonium eingeschränkt geeignet für den Bau von Atomwaffen mit hoher Sprengkraft, ca. ist hier die Wahrscheinlichkeit von Frühzündungen größer.Nachdem die kritische Masse erreicht ist, muss die Bombe durch initiale Neutronen gezündet werden. Diese Neutronen können aus dem Spaltmaterial selbst kommen - alle Nuklearsprengstoffe zerfallen unter Aussendung von Neutronen spontan - oder durch eine zusätzliche Neutronenquelle. Atombomben nachdem Gun-Design können hochangereichertes Uran benutzen, das durch spontanen Uranzerfall circa 2 Neutronen pro Kilogramm und Sekunde produziert. In den 64 kg der Hiroshimabombe wurden somit zwischen dem Kritikalitätspunkt und dem vollständigen Zusammenfügen zu einer Kugel (1,38 ms) statistisch betrachtet 0,17 Neutronen erzeugt. Durch das Gun-Design und die stählerne Umhüllung wird die Urankugel solange kompakt zusammengehalten, bis durch einen zufälligen Kernzerfall das auslösende Neutron entsteht und die Kettenreaktion beginnt. Beginnt die Kettenreaktion zufällig früher - in der kurzen Zeit nach Erreichen der Kritikalität und vor Bildung einer vollständigen Urankugel - findet ebenfalls eine Atomexplosion statt, jedoch mit verminderter Sprengkraft. Man spricht in diesem Fall von einer Frühzündung. Für die Hiroshimabombe wurde 1945 eine Wahrscheinlichkeit von 12 Prozent für eine Frühzündung angegeben, entsprechend der Wahrscheinlichkeit für ein Neutron innerhalb der oben angegebenen 1,38 ms. Um eine Frühzündung von Bomben nachdem Gun-Design zu verhindern, muss das Atombombendesign selbstverständlich auch frei von sonstigen Neutronen-Emittern sein. So ist U-238 (mit 20 Neutronen pro Kilogramm und Sekunde) in der Umhüllung zu vermeiden, aber auch in dem selben Absichtgebiet bereits explodierte Atomwaffen und deren Neutronenreststrahlung können einen Einsatz einer solchen Atombombe vereiteln.

Bei Verwendung von Plutonium muss mit einer sehr viel höheren Rate für spontante Zerfälle kalkuliert werden. Während in reinem Pu-239 bereits 30 Neutronen pro Kilogramm Spaltmaterial und Sekunde entstehen, sind es in durch Pu-240 verunreinigtem supergrade Plutonium bereits 48 Tausend Neutronen, in stärker verunreinigtem weapongrade Plutonium 112 Tausend und in Reaktorplutonium 544 Tausend Neutronen. In reinem Pu-240 wären es 1600 Tausend Neutronen. Eine Atombombe nachdem Gun-Design mit weapongrade Plutonium würde also sicher zu früh zünden, praktisch unmittelbar nach Erreichen der Kritikalität, bei einem Abstand der beiden Teilmassen von circa 20 cm. Bei 20 kg Plutonium entsteht ein Neutron statistisch nach 0,45 Mikrosekunden. In dieser Zeit muss die kritische Masse zusammengesetzt werden, was mit dem Gun-Design nicht mehr möglich ist. Aus diesem Grund werden Plutoniumbomben ausschließlich nachdem Implosionsdesign gebaut, das eine weit kleinere Fügezeit ermöglicht. Selbstverständlich können auch Uran-Bomben nachdem Implosionsdesign gebaut werden.

Neben der Frühzündung kann eine Atomwaffe nachdem Gun-Design auch vergleichsweise spät zünden, wenn - rein statistisch - das initiale Neutron spät die Kettenreaktion auslöst. Zumindest war die Wahrscheinlichkeit für die Hiroshimabombe, erst nach 200 ms zu zünden, bei 0,15%. Wird eine Atombombe mit hoher Geschwindigkeit auf ihr Absicht geschossen, kann diese Verzögerung den gewünschten Explosionsort signifikant verändern - bei 1 Tausend m/s führt eine Spätzündung von 200 ms zu einer Ortsänderung von 200 m. Darum werden Atomwaffen nachdem Gun-Design mit Neutronenquellen ausgestattet, die die Kettenreaktion starten, sobald eine vollständige Urankugel gebildet ist.

Auch die Hiroshimabombe verfügte über eine derartige Neutronenquelle. Sie bestand aus Beryllium und Polonium 210, wobei die beiden Stoffe erst durch den Aufprall des Uranprojektils gemischt wurden und die Neutronenproduktion starteten.=== Effizienz === Die Spaltung von 50 g ²³⁵U setzt die Explosionsstärke von 1 kt frei. Bei der Hiroshima-Bombe wurden somit ungefähr 650 g ²³⁵U gespalten, ca. ein kleiner Bruchteil der insgesamt 64 kg Uran. Der übrige Nuklearsprengstoff wird in der Atmosphäre freigesetzt. Hierbei enthalten Fissionsbomben sehr viel mehr als eine Kritische Masse, um die gewünschte Explosionsstärke zu erzeugen. Bei einer Masse ca. unmittelbar oberhalb der kritischen Masse würde sich ca. eine marginale Explosionsstärke ergeben: bei einer 1,05 fachen kritischen Masse kann mit einer Sprengkraft von ungefähr 100 kg gerechnet werden. Beim 1,5 fachen der kritischen Masse ergeben sich ungefähr 500 t und bei der 2,4 fachen kritischen Masse der Hiroshima-Bombe ergab sich eine Sprengkraft von bereits 15 kt. Das Verhältnis von gespaltenem Nuklearsprengstoff zum gesamten Nuklearsprengstoff bezeichnet man als Effizienz.

Neben dem eigentlichen Spaltmaterial kann zusätzlich ein Reflektor aus preiswertem Natururan oder abgereichertem Uran (²³⁸U) benutzt werden. Dieses Material wird ebenfalls durch die Neutronen aus dem Kernprozess gespalten und setzt Energie frei. Bei der bisher größten reinen Fissionsbombe Ivy King wurden durch Implosion von ²³⁵U ungefähr 425 kt Energie freigesetzt und durch die teilweise Spaltung der Hülle aus ²³⁸U zusätzlich 75 kt. Eine derartige Leistungssteigerung ist ca. bei Bomben nachdem Implosionsdesign möglich, da das ²³⁸U durch spontane Spaltung sehr viele Neutronen freisetzt und darum beim Gun-Design zu einer hohen Wahrscheinlichkeit für eine Frühzündung führen würde.

Wird ein Bunker Buster nachdem Gun-Design und mit ²³⁵U als Spaltstoff konzipiert, ergibt sich das Problem, dass ein angegriffener Staat aus den Relikten der Atomexplosion ²³⁵U gewinnen könnte, insbesondere wenn die Atomwaffe in dem Boden explodiert und damit ein Großteil des Spaltstoffs in dem Boden bleibt. Um die Gewinnung des hochangereicherten ²³⁵U zu verhindern, kann einer solchen Atomwaffe ein Ballast aus ²³⁸U mitgegeben werden. Dieses ²³⁸U wird in Folge der Atomexplosion mit dem ²³⁵U vermischt und reduziert den Anreicherungsgrad. Somit kann von dem angegriffenen Staat lediglich niedrigangereichertes Uran aus den Relikten gewonnen werden. Zur Vermeidung einer Frühzündung ist das ²³⁸U räumlich getrennt vom Sprengsatz zu montieren.

Bei Kernfusionswaffen (Wasserstoffbomben) dient ein herkömmlicher Atomsprengsatz (Fissionssprengsatz) dazu, die Isotope Deuterium und Tritium zu fusionieren. Bei dem in dem US-amerikanischen Sprachgebrauch als Super und später als Classical Super genannten Design wird dazu neben einer Fissionsbombe eine große Menge der Wasserstoffisotope Tritium oder Deuterium angeordnet. Die Explosion der Fissionsbombe soll den Wasserstoff auf Zündtemperatur erhitzen. Diese Anordnung funktioniert nicht mit Deuterium, da die Energie der Fissionsbombe zu dem größten Teil als Röntgen-Strahlung ausgesandt wird und das Deuterium durchdringt. Zur Lösung des Problems könnte Tritium anstatt des Deuteriums benutzt werden, das eine sehr viel kleinere Zündtemperatur besitzt. Allerdings ist Tritium vergleichsweise teuer - statt einer Wasserstoffbombe diesen Typs könnte bei kleineren Kosten eine sehr große Fissionsbombe gebaut werden. Als Ausweg erscheint eine Mischung von Tritium und Deuterium, wobei die Fusion des Tritiums die erforderliche Energie für die Zündung des preiswerten Deuteriums erzeugt. Allerdings führten Berechnungen zu einem hohen erforderlichen Tritiumanteil von 50 Prozent und damit zu einer ca. kleinen Kostenersparnis. Ein weiteres Problem des Classical Super ist die kleine Effizienz der Verbrennung - die Verbrennung erlischt durch hohe Energieausstrahlung sehr schnell, wodurch ein Großteil des Wasserstoffs nicht reagiert und somit die gesamte Bombe eine kleine Sprengkraft besitzt. Dieses Design ist darum für Wasserstoffbomben ungeeignet, eine große Wasserstoffbombe diesen Typs wurde nie gebaut. Allerdings wird das Design für die Neutronenbombe benutzt, da dort ca. eine sehr kleine Menge Tritium-Deuterium benötigt wird und darum die Kosten klein bleiben.===Teller-Ulam-Design===

Als Fusionssprengsatz in der ersten Bombe diesen Typs Ivy Mike wurde tiefgekühltes, flüssiges Deuterium benutzt. Für militärische Atombomben ist dies ungeeignet, da der Kühlaufwand sehr groß und damit sehr teuer ist. Auch die Hochdruck-Lagerung des Deuteriumgases bei Normaltemperatur ist schwer und voluminös und darum für Atomwaffen ungeeignet. Dieselben Überlegungen gelten für ein Gemisch aus Deuterium und Tritium. Außerdem ist Tritium instabil mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren und muss daher regelmäßig ausgewechselt werden. Zur Produktion von Tritium in Kernreaktoren werden darüber hinaus Neutronen benötigt, mit denen man ebenso Plutonium aus Uran erbrüten könnte, das eine höhere Energieausbeute hätte. Aus diesen Gründen wird das Deuterium in einem festen Stoff chemisch gebunden. Von allen festen chemischen Wasserstoffverbindungen erwies sich das bei Normaltemperatur feste Lithiumdeuterid als beste Lösung. Es enthält pro Volumen mehr Deuterium als flüssiges Deuterium und gleichzeitig mehr als 20 Prozent Deuterium am Gesamtgewicht. Des weiteren nimmt das Lithium auch an den Kernprozessen teil und produziert Energie. Der erste Versuch mit einer derartigen, 'trockenen' Bombe war der Test Castle Bravo am 28.2.1954 mit einer Sprengkraft von insgesamt 15 MT. Die in Frage kommenden Reaktionen des Deuteriums sind:

Das entstandene Tritium kann in einer weiteren Reaktion schnelle Neutronen erzeugen:

Schließlich kann auch das entstandene Helium-3 weiter reagieren:

Die in obigen Reaktionen produzierten Neutronen können mit dem Lithium reagieren:

Werden in einer dreistufigen Wasserstoffbombe für die Fission eines U-238-Mantels Neutronen benötigt, wird Li-7 benutzt. Ist man an einer höheren Energieausbeute interessiert, benutzt man Li-6. Dieses Isotop wird durch Anreicherung aus natürlichem Lithium hergestellt.

Neben den obigen, wichtigen Gleichungen gibt es eine Reihe unwichtigerer Reaktionen. Insgesamt bleibt von den Reaktionen ⁴He übrig, nicht reagiertes Deuterium und eine große Anzahl Neutronen. Das reaktionsfreudige Tritium wird in den Reaktionen fast vollständig aufgebraucht. Pro MT Sprengkraft müssen ungefähr 18 kg Lithiumdeuterid reagieren; da in dem Allgemeinen ca. 50 Prozent des Materials ausgenützt werden, sind ungefähr 36 kg nötig.

Da nach der Zündung ein selbständiges Wasserstoffbrennen durch die hohe Wärmeentwicklung aufrechterhalten wird, wird eine solche Wasserstoffbombe auch thermonukleare Bombe genannt.

Atomwaffen nachdem Teller-Ulam-Design werden auch als saubere Atombomben genannt, wenn sie einen hohen Anteil ihrer Sprengkraft aus der Kernfusion beziehen. Da die Kernfusion ca. wenige und kurzlebige radioaktive Stoffe produziert, erzeugen solche Atomwaffen wenig radioaktiven Fallout und damit kleine Spätfolgen für die Bevölkerung.

Das Verhältnis der Sprengkräfte der ersten und zweiten Stufe ist begrenzt auf maximal ungefähr 200, üblich ist ein Faktor 20 bis 50. Da Fissionsbomben als erste Stufen auf mehrere hundert kt begrenzt sind, ergibt sich eine maximale Sprengkraft der zweiten Stufe von ungefähr 10 bis 25 Mt. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Sprengkraft einer thermonuklearen Bombe zu erhöhen:

• Man kann eine weitere Fusionsstufe hinzufügen, d.h. die durch die erste Fusionsstufe freigesetzte Energie wird benutzt, um einen zweiten, noch größeren Fusionssprengsatz zu zünden. Dieses Konstruktionsprinzip wurde bei der Zar-Bombe verfolgt.
• Der umgebende Metallzylinder kann aus Uran ²³⁸U gefertigt werden, einem Abfallprodukt der Urananreicherung. Dieses Uran wird durch die schnellen Neutronen (14 MeV) des Fusionssprengsatzes gespalten und liefert den größten Anteil der Gesamtenergie. In einer einfachen Atombombe kommen wenige Kilogramm Uran oder Plutonium zur Kernspaltung. In einer tertiären Wasserstoffbombe können es mehrere Tonnen Uran sein. Es handelt sich also um drei Stufen: der Fissionssprengsatz zu dem Zünden des Fusionssatzes, der wiederum die Neutronen für die Fission des Urans in der dritten Stufe produziert. Das Design wird darum auch als Fission-Fusion-Fission-Design genannt. Die Spaltprodukte des Urans in der dritten Stufe sind bei einer solchen Bombe für einen Großteil der radioaktiven Verseuchung verantwortlich. Nach diesem Prinzip wurde beispielsweise die US-Amerikanische Testbombe Redwing Tewa gebaut, die bei einer Gesamtsprengkraft von ungefähr 5 Mt eine Sprengkraft von 4,35 Mt aus Kernspaltung bezog (Test am 20.7.1956).

Für beide Konstruktionsprinzipien wird der Begriff "dreistufige Wasserstoffbombe" oder "tertiäre Wasserstoffbombe" benutzt, was leicht zu Verwechselungen führen kann. Die größte bislang gezündete Atomwaffe, die Zar-Bombe, hatte zwei Fusionssprengsätze und eine Sprengkraft von ungefähr 50-60 Megatonnen TNT-Äquivalent. Auf eine ²³⁸U - Ummantelung wurde verzichtet, um den Fallout klein zu halten. Mit Uran-Ummantelung als vierter Stufe hätte diese Bombe eine Sprengkraft von mindestens 100 Megatonnen TNT gehabt.

Eine Neutronenbombe („enhanced radioation weapon“) ist eine Wasserstoffbombe mit Deuterium-Tritium-Brennstoff; deren Bauweise in dem Wesentlichen dem Classical Super Design entspricht. Allerdings werden Neutronenbomben meist mit sehr kleiner Sprengkraft gebaut, beispielsweise hatte der amerikanische Sprengkopf Mk79 eine Sprengkraft von 1 kt, wobei 0,25 kt durch Kernspaltung von Plutonium und 0,75 kt durch Kernfusion freigesetzt wurden. Eine solche Bombe ist vergleichsweise klein, dieser Sprengkopf enthält ca. 10 kg Spaltmaterial und wenige Gramm Deuterium-Tritium-Gas. In dem Vergleich zu einer geboosterten Atombombe befindet sich das Deuterium-Tritium-Gas nicht innerhalb der Kernspaltungsbombe, sondern außerhalb. Dadurch treffen die von der Kernfusion ausgehenden Neutronen ca. zu einem kleinen Teil das Spaltmaterial und können zu einem größeren Teil ungehindert entweichen. Um möglichst viel Neutronenstrahlung zu erzeugen, werden bevorzugt Bauteile aus Materialien eingesetzt, die schnelle Neutronen wenig absorbieren, wie z. B. Chrom oder Nickel. Da aus der Kernfusion in dem Vergleich zur Kernspaltung besonders viele Neutronen frei werden, kann durch diese Anordnung eine Bombe gebaut werden, die bei vorgegebener Sprengkraft sehr viel mehr Neutronen freisetzt als eine normale Fissionsbombe - daher der Name. Technisch wird das Deuterium-Tritium-Gas unter hohem Druck in einer kleinen Kapsel aufbewahrt - mit wenigen cm Durchmesser. Das Gas muss aufgrund der Hochdrucklagerung nicht tiefgekühlt werden.

Genannt werden mehrere Gründe für den Einsatz einer Neutronenbombe:

• Menschliches Leben soll durch die Strahlung getötet werden, ohne die Infrastruktur in dem Absichtgebiet zu zerstören.
• Es ist schwierig, Panzer mit Atomwaffen zu zerstören, außer durch sehr nahe Explosionen. Die Besatzung kann jedoch durch Neutronen, die die Panzerung durchdringen können, kampfunfähig gemacht werden. Die betroffenen Soldaten sterben nach kurzer Zeit.
• Durch einen hohen Neutronenfluss können gegnerische Atomwaffen, z. B. in anfliegenden Raketen, unbrauchbar gemacht werden.

Häufig wird vergessen, dass die intensive Neutronenstrahlung geeignet ist, durch Neutroneneinfang eine großflächige radioaktive Verstrahlung zu bewirken. Anders als bei der Atombombe, wo vor allem der Fallout strahlt, der sich immerhin theoretisch einsammeln und abwaschen lässt, wird bei der Neutronenbombe alles verstrahlt, was der Neutronenstrahlung ausgesetzt ist. Hinzu kommt, dass die übrigen Wirkungsmechanismen (Druckwelle und Wärmestrahlung) auch bei Neutronenbomben, wenngleich in kleinerem Maße, wirksam sind. So kommt es zur Entzündung des bestrahlten Materials und folglich zu Großbränden unterhalb des Explosionszentrums, durch deren Rauchentwicklung radioaktives Material in die Atmosphäre gelangt. Auch die Neutronenbombe ist also alles andere als "sauber".

In den Vereinigte Staaten Amerika wurden seit 1974 etwa 800 Neutronensprengsätze gebaut. Die letzten wurden 1992 verschrottet.

Hybride Atombomben beziehen einen Großteil ihrer Explosionsenergie aus der Kernspaltung, benötigen aber zu dem Verstärken der Kernspaltung einen Fusionsanteil. Für diesen Fusionsanteil gibt es verschiedene Bauweisen.

Um die Neutronenproduktion zu steigern, kann man eine kleine Menge der Gase Deuterium und Tritium in dem Zentrum der Hohlkugel mit Nuklearsprengstoff anbringen, typisch 2 - 3 g . Bedingt durch den bei der beginnenden Kettenreaktion entstehenden Druck und die Hitze kommt es zur Kernfusion dieser Stoffe, wobei viele, hochenergetische Neutronen erzeugt werden.

Schematische Darstellung einer geboosteten Kernspaltungsbombe nachdem Implosionsdesign

Die Fusion des Deuteriums oder Tritiums liefert hierbei ca. einen kleinen Beitrag zur Energieproduktion, 1 g Tritium setzt hierbei weniger als 0,2 kt Sprengkraft frei. Allerdings wird durch die freiwerdenden Neutronen aus der Fusion ein größerer Anteil des Fissionsbrennstoffs gespalten und setzt eine vergleichsweise hohe Energie frei. Die Neutronen aus 1 g Tritium können 80 g Plutonium spalten. Da die aus der Kernfusion freigesetzten Neutronen sehr schnell sind, werden bei der Spaltung des Plutoniums besonders viele schnelle Neutronen frei, die ihrerseits weitere andere Plutoniumkerne spalten. Insgesamt werden so durch 1 g Tritium ungefähr 450 g Plutonium zusätzlich gespalten (im Vergleich zu einer baugleichen Fissionsbombe ohne Boosting) und setzen ungefähr 7,5 kt zusätzliche Energie frei. Durch Boosting kann die Sprengkraft von Fissionsbomben in etwa verdoppelt werden.

Technisch kann das Gemisch aus Tritium und Deuterium als komprimiertes Gas, bei tiefen Temperaturen als Flüssigkeit oder als chemische Verbindung vorliegen. Bei der ersten geboosteten Atomwaffe der Vereinigte Staaten Amerika Greenhouse Item (am 24. Mai 1951 GMT, Ortszeit Eniwetok-Atoll 25.Mai) wurde ein tiefgekühltes, flüssiges Gemisch aus Tritium und Deuterium benutzt, um die Sprengkraft einer Fissionsbombe von dem vorausgesagten Wert (20 kt) auf 45,5 kt mehr als zu verdoppeln. Um die technisch aufwendige Kühlung zu vermeiden, wird heute vermutlich die Kompression der Gase gewählt. Das Boosting macht die Lagerung von Atomwaffen schwieriger, da Tritium radioaktiv ist und mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahren zerfällt. Darum muss es kontinuierlich in Kernreaktoren nachproduziert und in den Atomwaffen ausgewechselt werden. Trotz dieser Schwierigkeit werden heute die meisten Fissionsbomben - ob als Zünder für eine Wasserstoffbombe oder nicht - geboostet.

Unklar ist, ob auch Lithium-Deuterid als Boostermaterial geeignet ist, da dieses anfangs eine neutronenabsorbierende Wirkung hat.

Neben dem Teller-Ulam-Design kann eine Fusionsbombe bis zu etwa 700 kT Sprengkraft auch nachdem Sloika-Design gebaut werden. Hier wird ein Fissionssprengsatz von einer Lithiumdeuterid-Schicht umgeben, die wiederum von einer Uran-Schicht umgeben ist. Die äußere Uranschicht besteht in dem Gegensatz zu dem primären Fissionssprengsatz aus Natururan oder abgereichertem Uran, hat also einen hohen ²³⁸U-Anteil. Beim Sloika-Design gibt es zwei unterschiedliche Varianten:

Nach Zünden des Fissionssprengsatzes werden in der Fissionsstufe Neutronen erzeugt, die in der Lithiumdeuterid-Schicht folgende Kernreaktion ergeben:

Das entstandene Tritium T reagiert mit dem Deuterium in einer weiteren Reaktion:

Im Ergebnis werden jeweils ein langsames Neutron, ein Lithium-6 und ein Deuterium-Atom zu 2 Heliumkernen, Energie und einem schnellen Neutron verwandelt. Die Gesamtreaktion verbraucht und produziert also jeweils ein Neutron. Da ein Teil der Neutronen nach außen entweicht, kann sich die Reaktion nicht von alleine aufrechterhalten und erlischt nach kurzer Zeit. Für die anderen, beim Teller-Ulam-Design beschriebenen Reaktionen sind Druck und Temperatur beim Sloika-Design zu klein. Allerdings können die entwichenen, schnellen Neutronen die ²³⁸U Kerne in der äußeren Schicht spalten und dadurch wiederum Energie freisetzen. Atombomben dieser Bauweise wurden insbesondere von Großbritannien entwickelt und getestet, beispielsweise bei der Testexplosion Grapple 2 am 31. Mai 1957. Eine primäre Fissionsstufe mit einer Sprengkraft von 300 kt führte durch die zusätzlichen Schichten zu einer Explosion mit einer Gesamtstärke von 720 kt.

Werden die Fusions- und äußere Uranschicht vergleichsweise dick ausgeführt, setzt ein weiterer Mechanismus ein. Auch aus der Kernspaltung in der äußeren Uranschicht werden viele Neutronen zurück in die Fusionsschicht geschossen und erzeugen dort eine zweite Generation Tritium. Durch die Rückwirkung der ²³⁸U-Schicht in die Fusionsschicht entsteht ein kombiniertes Brennen beider Schichten. Da bei dieser Variante auch Neutonen aus der äußeren Uranschicht zu dem Beschuss der Lithiumdeuterid-Schicht beitragen, kann die erste Fissionstufe sehr viel kleiner ausgeführt werden. Diese Variante benötigt darum weniger Spaltmaterial ²³⁵U oder ²³⁹Pu in der ersten Stufe und ist dadurch preiswert. Dieses Design wurde im sowjetischen Atomtest Joe-4 am 12. 8. 1953 gewählt. Bei diesem Atomtest wurden durch die innere Fissionsstufe aus ²³⁵U 40 kt erzeugt, aus der Kernfusion der zweiten Schicht ungefähr 70 kt und aus der Kernspaltung in der dritten Schicht 290 kt.

Es handelt sich bei dieser Bauweise nicht um eine thermonukleare Bombe, weil es kein eigenständiges Wasserstoffbrennen gibt, sondern einen kombinierten Fissions-Fusions-Prozess: Die Kernspaltung des Urans der äußeren Schicht dient der Neutronenmultiplikation und die Fusion dient der Neutronenbeschleunigung. (Es wird nicht ein individuelles Neutron beschleunigt, sondern in dem Verlauf des Fusionsprozesses wird ein langsames Neutron verbraucht und ein schnelles erzeugt.) Die Neutronenbeschleunigung ist notwendig, weil ²³⁸U erst mit Neutronen mit einer Mindestenergie von 1,5 MeV spaltbar ist.

Neben den oben skizzierten Grundtypen existieren auch andere Varianten, die teilweise nie umgesetzt wurden.

• In allen zweistufigen Bomben kann die erste Stufe als geboosterte Fissionsbombe ausgeführt werden, was heute allgemein angewandt wird.
• Die zweistufige Fissionsbombe hat einen ähnlichen Aufbau wie die Teller-Ulam Wasserstoffbombe. Statt des Wasserstoff-Sprengsatzes wird jedoch eine zweite Fissionsstufe nachdem Implosionsdesign benutzt. Diese zweite Stufe wird nicht durch chemischen Sprengstoff implodiert, sondern durch die erste Stufe. Dieses Atombombendesign wurde vermutlich nie umgesetzt. Diese Bauart wurde von Ulam für Atombomben großer Explosionsstärke entwickelt. Erst nachträglich wurde erkannt, dass sich damit auch Wasserstoffbomben konstruieren lassen.
• In der zweistufigen Fissionsbombe kann die zweite Stufe ebenfalls als geboosterte Fissionsbombe ausgeführt werden; dieses Design wurde im Test Castle Nectar am 13. Mai 1954 benutzt.
• In allen Atombomben mit äußerer Uran Schicht kann diese auch mit ²³⁵U oder ²³⁹Pu ausgeführt werden. So war die US-amerikanische Testbombe "Cherokee" vom 20.5.1956 eine Thermonukleare Bombe entsprechend dem Teller-Ulam-Design, jedoch wurde die Umhüllung des Lithiumdeuterids aus hochangereichertem Uran gefertigt.
• Moderierte Atomwaffen bestehen aus einer normalen Fissionsbombe, in der allerdings der Spaltstoff nicht aus angereichertem Uran oder Plutonium besteht, sondern aus einem Metallhydrid dieser Stoffe wie UH3. Der im Material enthaltene Wasserstoff wirkt auf die Neutronen als Moderator, d.h. er bremst sie ab und erhöht damit die Wahrscheinlichkeit, dass die Neutronen weitere Atome des Spaltstoffs spalten. Dadurch sinkt die kritische Masse erheblich (auf bis zu weniger als 1 kg). Allerdings sinkt die Dichte des Spaltstoffs erheblich ab und die Bombe verliert ihre Kritikalität nach Einsetzen der Kettenreaktion sehr schnell. Die US-amerikanischen Versuche zu diesen Waffen waren insgesamt ein Fehlschlag. Im Versuch Ruth (Operation Upshot-Knothole) am 31.3.1953 erreichte eine auf 1,5 bis 3 kt abgeschätzte Atombombe ca. eine Sprengkraft von 0,2 kt und zerstörte nicht einmal den 100 m hohen Mast, auf dem die Bombe montiert war. Ein ähnliches Ergebnis erzielte der Versuch Ray am 11.4.1953, im ebenfalls Uranhydrid benutzt wurde, jedoch mit schwerem Wasserstoff Deuterium.

Die Kobaltbombe (auch "Schmutzige Bombe" genannt) soll ein Gebiet möglichst stark radioaktiv verseuchen, um das Ãœberleben in Bunkern zu verhindern. Dazu werden große Mengen Kobalt in dem Mantel einer Fissions- oder Fusionsbombe verbaut. Das natürlich vorkommende Isotop ⁵⁹Co wird durch die bei der Kettenreaktion oder den Fusionsprozessen entstehenden Neutronen in ⁶⁰Co umgewandelt. Dieses Material hat eine Halbwertszeit von 5.26 Jahren, belastet also ein Gebiet sehr stark. Neben Kobalt wurde auch das natürlich vorkommende Tantal 181 diskutiert, das durch Neutronenbeschuss in Tantal 182 mit einer Halbwertszeit von 115 Tage überführt wird; es kann somit ebenfalls ein Gebiet für wenige Jahre extrem stark radioaktiv belasten. Daneben führt Zinn-64 durch Neutronenbeschuss zum radioaktiven Zinn-65 mit einer Halbwertszeit von 244 Tagen und Gold-197 zum radioaktiven Gold-198 mit einer Halbwertszeit von 2,69 Tagen.

Unter 'Schmutzigen Bomben' (engl.: 'dirty bomb') versteht man hypothetische atomare Waffen, die entweder nicht genügend spaltbares Material enthalten, um nuklear zu zünden, oder keinen Zündmechanismus enthalten, sondern deren Wirkung darauf beruhen soll, radioaktives Material mittels konventioneller Sprengstoffe am AngriffsAbsicht zu verteilen, um die Umgebung zu verseuchen. Die Wirkung einer 'schmutzigen' Plutonium-Bombe wäre theoretisch in der Lage zehntausende von Menschen zu töten oder schwer erkranken zu lassen und die Absichtgebiet unbewohnbar zu machen. Eine 'Schmutzige Bombe' wäre besonders für Terroristen interessant, die zwar einerseits Plutonium beschaffen können, andererseits aber aus technischer Sicht nicht in der Lage sind, den komplizierten Zündmechanismus zu bauen oder ca. ungenügende Mengen unterhalb der kritischen Masse davon besitzen.

Hierbei ist es strittig, ob Plutonium basierte Dirty Bombs (auch als unkonventionelle Spreng- und Brandvorrichtung mit radioaktiver Beiladung (USBV) genannt) in der Praxis wirklich effektiv sind, da die Aktivität von Plutonium-239 auf Grund der langen Halbwertszeit eher klein ist. Kurzlebige Isotope wie Cs-137 oder Ir-192 würden eine viel größere Aktivität aufweisen bei gleicher Menge. Verluste an Menschenleben wären nach allgemeiner Auffassung weniger durch die radioaktiven Stoffe als durch die Explosion zu erwarten. Der finanzielle Schaden durch die psychologische Wirkung der USBV wäre immens.

• Nuclear Weapons Frequently Asked Questions. Siehe insbesondere Section 4.0 'Engineering and Design of Nuclear Weapons' (http://gawain.membrane.com/hew/Nwfaq/Nfaq0.html)