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Kernwaffen, auch als Atomwaffen oder Nuklearwaffen bezeichnet, sind Bomben, die die Energie für eine Explosion aus Kernreaktionen, also Kernspaltungen oder -verschmelzungen, beziehen, siehe auch Atombombenexplosion. Die technische Entwicklung der Kernwaffen seit den 1940er Jahren hat eine große Vielfalt unterschiedlicher Varianten hervorgebracht.

Eine klassische Atombombe wird im wesentlichen so gebaut, dass zum beabsichtigten 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 im 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 im Material ohne Spaltung absorbierten Neutronen. Als Neutronenquellen wird oft Polonium-Beryllium verwendet, das sich zum richtigen Zeitpunkt vermischen muss. Bei Polonium-Beryllium-Quellen reagieren Alphateilchen, die von Polonium emittiert werden, mit Beryllium (siehe Neutron).

Ein chemischer Sprengstoff, der für eine Kernwaffe benutzt wird, heißt Octol. Er besteht aus HMX und TNT, welche in einem Verhältnis von 70 : 30 gemischt werden.

Datei:Fissionsbombe-Gun-Design.png

So kann ein unterkritischer Uranzylinder in eine unterkritische Urankugel geschossen werden, der im Inneren genau dieser Zylinder fehlt (Gun-Design). Die vervollständigte Kugel überschreitet die notwendige kritische Masse und bringt die nukleare Kettenreaktion in Gang. Die Gesamt-Uranmenge ist in dieser Anordnung konstruktionsbedingt auf wenige Vielfache einer kritischen Masse beschränkt. Wegen eher länglicher Bauart eignet sich das Gun-Design für längliche Nuklearwaffen wie Bunker Buster (siehe unten) und Atomgranaten, die aus Rohrwaffen verschossen werden. Als chemischer Explosivstoff werden z. B. Treibmittel für Artilleriegeschosse verwendet, etwa 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. Die Bombe enthielt 64 kg Uran mit einem Anteil von 80% 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.

Datei:Implosionsbombe.png

Eine andere Bauweise zeigt 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 zum Beispiel TNT. Bei der Zündung richtet sich die Explosionsenergie ins Zentrum der Kugel und komprimiert das spaltbare Material so stark, dass die Masse kritisch wird. Die Implosionsbombe gilt als wirkungsvoller, weil sie schneller zündet als eine Bombe im Gun-Design und eine sehr große Menge spaltbaren Materials verwendet werden kann. Außerdem ist die Ausbeutung des atomaren Sprengstoffs höher, weil das Spaltmaterial während der Detonation zeitlich länger und in günstigerer Form zusammenbleibt. Allerdings ist diese Bauweise technisch wesentlich anspruchsvoller, daher wurde sie vorab in New Mexico getestet ("Trinity-Test").

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

Anteil U-235	Ohne Reflektor	Natururan (10 cm)	Beryllium (10 cm)
93,5 %	48,0 kg	18,4 kg	14,1 kg
90,0 %	53,8 kg	20,8 kg	15,5 kg
80,0 %	68,0 kg	26,5 kg	19,3 kg
70,0 %	86,0 kg	33,0 kg	24,1 kg

Zum anderen verzögert diese Schicht durch ihre Massenträgheit nach Beginn der Kettenreaktion die Expansion des Spaltmaterials. Das Spaltmaterial bleibt somit länger zusammen, die Kettenreaktion kann länger wirken und die Effizienz der Bombe nimmt zu.

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 geringere 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 dessen Kompression.

Moderne Implosionskonstruktionen verwenden Spaltstoffanordnungen, bei denen der Spaltstoff in eine Schale und eine Hohlkugel aufgeteilt wird. Der Zwischenraum ist mit Gas gefüllt. Um die Hohlkugel im 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 nur die geringe 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 Konstruktionen mit zwei Zwischenräumen. Die Aluminiumbolzen können durch Schaum (Purschaum, Schaumpolystyrol usw.) ersetzt werden.

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

Die größte jemals gebaute reine Kernspaltungsbombe wurde von den USA mit einer Sprengkraft von 425 kT gebaut, funktionierte nach dem Implosionsdesign und hatte Uran als Kernsprengstoff. 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 Nuklearwaffe nach dem 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). Stattdessen muss nach dem 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 verwendeten 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 nach dem optimalen Zeitpunkt als Spätzündung. Um den optimalen Zündzeitpunkt zu erhalten, verlässt man sich nicht auf die Neutronen aus der spontanen Spaltung, sondern in dem Augenblick, in dem die höchste Überkritikalität erreicht ist, wird ein spezieller Neutronengenerator gestartet.

Hinderlich für die Zündung im 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 verwendet 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 deshalb mit geringem 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 Nuklearwaffen mit hoher Sprengkraft, nur ist hier die Wahrscheinlichkeit von Frühzündungen größer.

Nachdem die kritische Masse erreicht ist, muss die Bombe durch initiale Neutronen gezündet werden. Diese Neutronen können durch spontanen Kernzerfall aus dem Spaltmaterial selbst kommen oder durch eine zusätzliche Neutronenquelle. In hochangereichertem U-235 zerfallen zwar pro Sekunde und Kilogramm ca. 80 Millionen Atomkerne unter Aussendung von alpha-Teilchen, es werden jedoch nur ca. zwei Neutronen 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 frei.

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 % für eine Frühzündung angegeben, entsprechend der Wahrscheinlichkeit für ein Neutron innerhalb der oben angegebenen 1,38 ms. Um eine Frühzündung von Bomben nach dem Gun-Design zu verhindern, muss das Nuklearbombendesign 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 im selben Zielgebiet bereits explodierte Nuklearwaffen 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 48.000 Neutronen, in stärker verunreinigtem weapongrade Plutonium 112.000 und in Reaktorplutonium 544.000 Neutronen. In reinem Pu-240 wären es 1.600.000 Neutronen. Eine Atombombe nach dem 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 nach dem Implosionsdesign gebaut, das eine weit geringere Fügezeit ermöglicht. Auch Uran-Bomben können nach dem Implosionsdesign gebaut werden.

Neben der Frühzündung kann eine Nuklearwaffe nach dem Gun-Design auch vergleichsweise spät zünden, wenn – rein statistisch – das initiale Neutron spät die Kettenreaktion auslöst. Immerhin war die Wahrscheinlichkeit für die Hiroshimabombe, dann erst nach 200 ms zu zünden, bei 0,15 %. Wird eine Atombombe mit hoher Geschwindigkeit auf ihr Ziel geschossen, kann diese Verzögerung den gewünschten Explosionsort signifikant verändern – bei 1000 m/s führt eine Spätzündung von 200 ms zu einer Ortsänderung von 200 m. Deshalb werden Nuklearwaffen nach dem 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.

Die Spaltung von 50 g ²³⁵U setzt die Explosionsstärke von 1 kT frei. Bei der Hiroshima-Bombe wurden somit ca. 650 g ²³⁵U gespalten, nur 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 nur unmittelbar oberhalb der kritischen Masse würde sich nur eine marginale Explosionsstärke ergeben: bei einer 1,05-fachen kritischen Masse kann mit einer Sprengkraft von ca. 100 t gerechnet werden. Beim 1,5-fachen der kritischen Masse ergeben sich ca. 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 zu dem gesamten Nuklearsprengstoff bezeichnet man als Effizienz.

Neben dem eigentlichen Spaltmaterial kann zusätzlich ein Reflektor aus preiswertem Natururan oder abgereichertem Uran (²³⁸U) verwendet 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 ca. 425 kT Energie freigesetzt und durch die teilweise Spaltung der Hülle aus ²³⁸U zusätzlich 75 kT. Eine derartige Leistungssteigerung ist nur bei Bomben nach dem Implosionsdesign möglich, da das ²³⁸U durch spontane Spaltung sehr viele Neutronen freisetzt und deshalb beim Gun-Design zu einer hohen Wahrscheinlichkeit für eine Frühzündung führen würde.

Wird ein Bunker Buster nach dem 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 Nuklearwaffe im Boden explodiert und damit ein Großteil des Spaltstoffs im Boden bleibt. Um die Gewinnung des hochangereicherten ²³⁵U zu verhindern, kann einer solchen Nuklearwaffe 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.

Datei:Classical super.png

Bei Kernfusionswaffen (Wasserstoffbomben) dient ein herkömmlicher Atomsprengsatz (Fissionssprengsatz) dazu, die Isotope Deuterium und Tritium zu fusionieren. Bei dem im US-amerikanischen Sprachgebrauch als Super und später als Classical Super bezeichneten Design wird dazu neben einem als Zünder fungierenden Fissionssprengsatz eine große Menge der Wasserstoffisotope Tritium oder Deuterium angeordnet. Die Explosion des Fissionssprengsatzes soll den Wasserstoff auf Zündtemperatur erhitzen, sodass der Fusionssprengsatz zündet. Diese Anordnung funktioniert nicht mit Deuterium, da die Energie der Fissionsbombe zum größten Teil als Röntgen-Strahlung ausgesandt wird und das Deuterium durchdringt. Zur Lösung des Problems könnte Tritium anstatt des Deuteriums verwendet werden, das eine sehr viel geringere Zündtemperatur besitzt. Allerdings ist Tritium vergleichsweise teuer - statt einer Wasserstoffbombe dieses Typs könnte bei geringeren 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 % und damit zu einer nur geringen Kostenersparnis. Ein weiteres Problem des Classical Super ist die geringe Effizienz der Verbrennung - die Verbrennung erlischt durch hohe Energieausstrahlung sehr schnell, wodurch ein Großteil des Wasserstoffs nicht reagiert und somit die gesamte Bombe eine geringe Sprengkraft besitzt. Dieses Design ist deshalb für Wasserstoffbomben ungeeignet, eine große Wasserstoffbombe dieses Typs wurde nie gebaut. Allerdings wird ein ähnliches Design für die Neutronenbombe verwendet, da dort nur eine sehr kleine Menge Tritium-Deuterium benötigt wird und deshalb die Kosten klein bleiben.

Beim Teller-Ulam-Design werden die Schwierigkeiten beim Classical Super umgangen. Der primäre Fissionssprengsatz und der sekundäre Fusionssprengsatz befinden sich in einem Gehäuse (physikalisch "Hohlraum"). Durch die Explosion des Fissionssprengsatzes, der dabei in Plasma verwandelt wird, entstehen hohe Temperaturen, so dass das Fissionsplasma im Röntgenbereich strahlt (Schwarzkörperstrahlung, Plancksche Strahlung, Röntgenstrahlung). Das Gehäuse wird von der Röntgenstrahlung erfüllt und die Gehäusewand des sekundären Sprengsatzes wird auf die gleichen Temperaturen erhitzt. Diesen Vorgang nennt man "Thermalisierung". Durch die Aufheizung verdampfen die äußeren Schichten des sekundären Sprengsatzes explosionsartig, wodurch eine nach innen gerichtete Schockwelle ausgelöst wird, die den Fusionssprengsatz stark komprimiert.

Innerhalb des Sekundärteils befindet sich meist ein als "Sparkplug" (engl. Zündkerze) bezeichneter Hohlzylinder aus Plutonium oder angereichertem Uran, der durch die Schockwelle in einen kritischen Zustand komprimiert wird und ebenfalls eine Fissionsexplosion auslöst, die die Temperatur des durch die Schockwelle komprimierten Fusionsmaterials weiter erhöht. Im Zentrum kollabiert die Schockwelle. Die Geometrie des Sekundärteils ist möglichst symmetrisch (kugelförmig oder zylindrisch), damit dieser Kollaps der Schockwellen erfolgt (in einem Punkt oder in einer Geraden). Am Ort, wo die Schockwellen kollabieren, entstehen so hohe Temperaturen, dass Fusionsbedingungen, das heißt ausreichend hohe Temperatur und Druck, erzeugt werden und die ersten Fusionsreaktionen stattfinden. Durch die bei der Deuteriumfusion nun entstehenden hochenergetischen Alphateilchen wird das Deuterium in der Umgebung erhitzt, so dass es fusionieren kann; eine Brennwelle läuft also von innen nach außen.

Bevor Teller und Ulam diese Konstruktionsweise erfanden, gab es das Problem, dass ein Großteil des Deuteriums durch die Explosion des primären Fissionssprengsatzes auseinandergefegt würde, bevor es fusionieren kann. Bei dieser Anordnung erfolgt die Thermalisierung jedoch viel schneller als die Expansion des primären Fissionsplasmas. Bevor das expandierende Fissionsplasma den Sekundärteil erreicht, ist die Brennwelle bereits von innen nach außen gelaufen.

Ein ähnliches Prinzip verfolgt auch die Trägheitseinschlussfusion (ICF – Inertial Confinement Fusion). (A. Schaper, Arms Control at the Stage of Research and Development? – The Case of Inertial Confinement Fusion, Science & Global Security, Vol. 2, S. 1–22, 1991)

Als Fusionssprengsatz in der ersten Bombe diesen Typs Ivy Mike wurde tiefgekühltes, flüssiges Deuterium verwendet. 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 deshalb für Nuklearwaffen 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 Feststoff chemisch gebunden. Von allen festen chemischen Wasserstoffverbindungen erwies sich das bei Normaltemperatur feste Lithiumdeuterid als beste Lösung. Es enthält pro Volumeneinheit mehr Deuterium als flüssiges Deuterium und gleichzeitig mehr als 20 % Massenanteil Deuterium. 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. Februar 1954 mit einer Sprengkraft von insgesamt 15 MT. Die in Frage kommenden Reaktionen des Deuteriums sind:

D + D -> ³He (0,8192 MeV) + n (2,4497 MeV) D + D -> T + p + 4,0327 MeV

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

D + T -> ⁴He (3,518 MeV) + n (14,07 MeV)

Schließlich kann auch das entstandene Helium-3 weiter reagieren:

³He + D -> ⁴He + p + 18,353 MeV

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

⁶Li + n -> T + ⁴He + 4,7829 MeV ⁷Li + n -> T + ⁴He + n - 2,4670 MeV

Daneben existiert noch eine erhebliche Anzahl weiterer Kernreaktionen, die aber vergleichsweise selten stattfinden und deshalb wenig zur Gesamtreaktion beitragen. Beim Bau thermonuklearer Waffen können sowohl das Lithiumisotop ⁶Li als auch das Isotop ⁷Li verwendet werden. Die Summenreaktionen mit Deuterium lauten:

⁶Li + D -> 2 ⁴He + 22,4 MeV ⁷Li + D -> 2 ⁴He + n + 15,1 MeV

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

Neben den obigen Gleichungen wichtiger Umsetzungen 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 rechnerisch – bei Verwendung reines ⁶Li und wenn jedes Atom reagiert – 15,6 kg Lithiumdeuterid reagieren; da in der Praxis nur etwa die Hälfte des Materials ausgenützt wird, sind 36 kg nötig.

Da die Wasserstofffusion beim Teller-Ulam-Design rein durch hohen Druck und hohe Temperatur ausgelöst wird und nicht – wie bei dem ältern Sloika-Design – zunächst Neutronenbeschuss aus der Fissionsstufe nötig ist, wird dieser Atombombentyp auch als thermonukleare Bombe bezeichnet.

Kernwaffen nach dem Teller-Ulam-Design werden auch als saubere Atombomben bezeichnet, wenn sie einen hohen Anteil ihrer Sprengkraft aus der Kernfusion beziehen. Da die Kernfusion nur wenige und kurzlebige radioaktive Stoffe produziert, erzeugen solche Nuklearwaffen wenig radioaktiven Fallout und damit geringe Spätfolgen für die Bevölkerung.

Das Verhältnis der Sprengkräfte der ersten und zweiten Stufe ist begrenzt auf maximal ca. 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 ca. 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 verwendet, 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 zum Zünden des Fusionssatzes, der wiederum die Neutronen für die Fission des Urans in der dritten Stufe produziert. Das Design wird deshalb auch als Fission-Fusion-Fission-Design bezeichnet. 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 ca. 5 MT eine Sprengkraft von 4,35 MT aus Kernspaltung bezog (Test am 20. Juli 1956).

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

Eine Neutronenbombe, vom Amerikaner Sam T. Cohen 1958 erfunden, („enhanced radiation weapon“) ist eine Wasserstoffbombe mit Deuterium-Tritium-Brennstoff; deren Bauweise im Wesentlichen dem Teller-Ulam Design ähnelt. 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 nur ca. 10 kg Spaltmaterial und wenige Gramm Deuterium-Tritium-Gas. Im Vergleich zu einer geboosteten Atombombe befindet sich das Deuterium-Tritium-Gas nicht innerhalb der Kernspaltungsbombe, sondern außerhalb. Dadurch treffen die von der Kernfusion ausgehenden Neutronen nur zu einem kleinen Teil das Spaltmaterial und können zu einem größeren Teil ungehindert entweichen. Um möglichst wenig Neutronenstrahlung zu absorbieren, wird als Umhüllung des Fusionssprengstoffs kein Uran verwendet, sondern Wolfram. Auch andere Bauteile werden bevorzugt aus Materialien gefertigt, die schnelle Neutronen wenig absorbieren, wie z. B. Chrom oder Nickel. Da aus der Kernfusion im 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 Zentimetern Durchmesser. Das Gas muss aufgrund der Hochdrucklagerung nicht tiefgekühlt werden.

Hybride Atombomben beziehen einen Großteil ihrer Explosionsenergie aus der Kernspaltung, benötigen aber zum 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 im Zentrum der Hohlkugel mit Nuklearsprengstoff anbringen, typisch 2 bis 3 g (im Gegensatz zur Neutronenbombe, bei der das Deuterium-Tritium-Gemisch neben dem Fusionssprengsatz angeordnet ist). Bedingt durch den bei der beginnenden Kettenreaktion entstehenden Druck und die Hitze kommt es zur Kernfusion dieser Stoffe, wobei viele, hochenergetische Neutronen erzeugt werden.

D + T \u2192 ⁴He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV)

Die Fusion des Deuteriums oder Tritiums liefert hierbei nur einen geringen 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 ca. 450 g Plutonium zusätzlich gespalten (im Vergleich zu einer baugleichen Fusionsbombe ohne Boosting) und setzen ca. 7,5 kT zusätzliche Energie frei. Durch Boosting kann die Sprengkraft von Fusionsbomben 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 Nuklearwaffe der USA Greenhouse Item (gezündet am 24. Mai 1951 GMT, Ortszeit Eniwetok-Atoll 25. Mai) wurde ein tiefgekühltes, flüssiges Gemisch aus Tritium und Deuterium verwendet, 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 Nuklearwaffen schwieriger, da Tritium radioaktiv ist und mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahren zerfällt. Deshalb muss es kontinuierlich in Kernreaktoren nachproduziert und in den Nuklearwaffen ausgewechselt werden. Trotz dieser Schwierigkeit werden heute die meisten Fissionsbomben – ob als Zünder für eine Wasserstoffbombe oder nicht – geboostet.

Unklar ist, ob auch Lithiumdeuterid 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 nach dem 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 im Gegensatz zum 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:

⁶Li + n -> T + ⁴He + 4,78 MeV

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

D + T -> ⁴He + n + 17,6 MeV

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 gering. 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 Neutronen aus der äußeren Uranschicht zum Beschuss der Lithiumdeuterid-Schicht beitragen, kann die erste Fissionstufe sehr viel kleiner ausgeführt werden. Diese Variante benötigt deshalb weniger Spaltmaterial ²³⁵U oder ²³⁹Pu in der ersten Stufe und ist dadurch preiswert. Dieses Design wurde in dem sowjetischen Atomtest Joe-4 am 12. August 1953 gewählt. Bei diesem Atomtest wurden durch die innere Fissionsstufe aus ²³⁵U 40 kT erzeugt, aus der Kernfusion der zweiten Schicht ca. 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 im 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 nach dem Implosionsdesign verwendet. 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 in dem Test Castle Nectar am 13. Mai 1954 verwendet.
• 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. Mai 1956 eine Thermonukleare Bombe entsprechend dem Teller-Ulam-Design, jedoch wurde die Umhüllung des Lithiumdeuterids aus hochangereichertem Uran gefertigt.
• Moderierte Nuklearwaffen 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 in dem 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. In dem Versuch Ruth (Operation Upshot-Knothole) am 31. März 1953 erreichte eine auf 1,5 bis 3 kT abgeschätzte Atombombe nur eine Sprengkraft von 0,2 kT und zerstörte nicht einmal den 100 Meter hohen Mast, auf dem die Bombe montiert war. Ein ähnliches Ergebnis erzielte der Versuch Ray am 11. April 1953, in dem ebenfalls Uranhydrid verwendet wurde, jedoch mit schwerem Wasserstoff Deuterium.

Die Kobaltbombe (auch "salted bomb" genannt) soll ein Gebiet möglichst stark radioaktiv verseuchen, um das Überleben in Bunkern zu verhindern. Dazu werden große Mengen Kobalt im 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 Zink-64 durch Neutronenbeschuss zu dem radioaktiven Zink-65 mit einer Halbwertszeit von 244 Tagen und Gold-197 zu dem radioaktiven Gold-198 mit einer Halbwertszeit von 2,69 Tagen.

Unter 'Schmutzigen Bomben' (engl.: 'Dirty Bomb') versteht man 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 Angriffsziel 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 das Zielgebiet 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 nur ungenügende Mengen unterhalb der kritischen Masse davon besitzen.

Hierbei ist es strittig, ob plutoniumbasierte Dirty Bombs (auch als unkonventionelle Spreng- und Brandvorrichtung mit radioaktiver Beiladung (USBV) bezeichnet) in der Praxis wirklich effektiv sind, da die Aktivität von Plutonium-239 auf Grund der langen Halbwertszeit eher gering ist. Kurzlebige Isotope wie Cs-137 oder Ir-192 würden bei gleicher Menge eine viel größere Aktivität aufweisen. 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 hingegen immens.

• Smyth, Henry DeWolf. Atomic Energy for Military Purposes, Princeton University Press, 1945. (Der erste offene Bericht der Regierung der USA über Nuklearwaffen) (Smyth Report)

• http://nuclearweaponarchive.org Nuclear Weapons Archive, das ehemalige High Energy Weapons Archive. Die Seite über Nuklearwaffen im Internet.
• Nuclear Weopons Frequently Asked Questions Siehe insbesondere Section 4.0 'Engineering and Design of Nuclear Weapons'
• http://www.cddc.vt.edu/host/atomic/ Trinity Site, Schwesterprojekt des HEWA über Geschichte, Technik, und Konsequenzen der Atomaren Rüstung