Dokumentationen und Diagramme zur Atombombe


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Auf Bemaßungen und/oder Maßstäbe wurde bewußt verzichtet, um nicht irgendwelche sich selbst überschätzende Hitzköpfe zum Nachbau zu animieren. Es wird mit Nachdruck davon abgeraten, das vorliegende Dokument außerhalb der Zielgruppe zufälliger oder akademischer Kuriositäten zu benützen.

Eventuelle Unklarheiten über die verwendeten griechischen Symbole können hier beseitigt werden.

Inhaltsverzeichnis

  1. Die Geschichte der Atombombe
  1. Kernfission und Kernfusion
  1. Der Mechanismus der Bombe
  1. H. G. Wells und seine literarische Fiktion
  1. Das deutsche Atomprogramm im 2. Weltkrieg
  1. Unsere Literaturempfehlungen (Literatursuche über Externer LinkBookpla.net)
  1. Anregungen und Kommentare




I. Die Geschichte der Atombombe

Entwicklung (Das Manhattan-Projekt)

Am 2. August 1939, kurz vor dem Beginn des 2. Weltkrieges, schrieb Albert Einstein an Franklin D. Roosevelt, den damaligen Präsidenten der Vereinigten Staaten einen Brief, in dem Einstein selbst und führende andere Wissenschaftler der damaligen Zeit den Präsidenten darauf aufmerksam machten, dass Hitler-Deutschland große Anstrengungen unternahm, reines U-235 herzustellen, das für den Bau einer Atombombe verwendet werden kann. Kurz darauf wurde von der amerikanischen Regierung das Manhattan-Projekt ins Leben gerufen, welches ebenfalls den Bau einer funktions- und einsatzfähigen Atombombe zum Ziel hatte.
Das schwierigste Unterfangen war die Produktion von signifikanten Mengen hochangereicherten U-235, das zum Aufrechterhalten der Kettenreaktion unbedingt notwendig war. Damals war es nur unter großen Anstrengungen möglich, die nötigen Mengen herzustellen: Zunächst erfolgte die Umwandlung von Uranerz in metallisches Uran in einem Verhältnis von 500:1. Das so raffinierte metallische Uran bestand zudem aus 99% Uran-238, welches für die Herstellung der Bombe praktisch nutzlos ist. Des weiteren sind die beiden Isotope U-235 und U-238 chemisch völlig identisch, sodass keine chemische Reaktion sie zu trennen imstande ist. Schließlich gelang es mehreren Wissenschaftlern an der Universität von Columbia die beiden Isotope mechanisch zu trennen.
In Oak Ridge, Tennessee, wurde eine gewaltige Anreicherungsanlage errichtet. H. C. Urey und seine Mitarbeiter entwarfen ein System, das auf dem Prinzip der Gasdiffusion beruht. Im Anschluß an diesen Prozeß kam ein Prozeß zum Einsatz, der vom Zyklotron-Erfinder Ernest O. Lawrence an der Universität von Kalifornien in Berkley ersonnen wurde und die beiden Isotope auf magnetischen Wege trennte.
In einem dritten Trennschritt sonderte eine Gaszentrifuge das leichtere U-235 vom nicht spaltbaren U-238 aufgrund der unterschiedlichen Masse ab.
Im Laufe der Jahre zwischen 1939 und 1945 wurden für das Manhattan-Projekt mehr als 2 Milliarden Dollar ausgegeben. Die Gedankenleistungen die Uranraffinierung und die Konstruktion der Bombe betreffend wurden von den brillantesten Wissenschaftlern unserer Zeit erbracht und standen unter der Oberaufsicht und Leitung eines einzigen Physikers: J. Robert Oppenheimer. Seinen vortrefflichen Führungseigenschaften und seiner erstklassigen Qualifikation als Forscher war es zu verdanken, dass das hochgesteckte Ziel nach kurzen sechs Jahren erreicht werden konnte.

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Explosion

Ob die jahrelangen Anstrengungen eines ganzen Heeres von Forschern und Ingenieuren ans gewünschte Ziel führten, sollte sich an einem schicksalshaften Morgen im Sommer 1945 ergeben. Am 16. Juli um 05:29:45 Uhr (Mountain War Time) bombte der unförmige Koloss namens "The Gadget" in einem grellen Blitz, der den noch dunklen Himmel über den Jemez Mountains in New Mexico erhellte, die Menschheit in das Atomzeitalter. Das Licht der Explosion nahm eine orange Farbe an, als der atomare Feuerball mit einer Geschwindigkeit von über 100 m/s pulsierend nach oben schoß und wurde schließlich im Zuge der Abkühlung röter. Die charakteristische Wolke in Pilzform aus radioaktivem Dampf materialisierte in einer Höhe von knapp 10 Kilometern. Neben dieser tödlichen Wolke blieb am Explosionszentrum nur mehr grünliches radiokatives Gestein zurück, das aufgrund der enormen Hitze in amorphes Glas verwandelt wurde. Der Lichtblitz der Explosion war derart intensiv, dass angrenzende Bewohner einer weit entfernten Gemeinde von 2 Sonnen sprachen, die an jenem Tag aufgingen und ihn sogar ein blindes Mädchen aus knapp 200 Kilometern Entfernung sah.
Die Reaktion unter den beteiligten Wissenschaftlern war unterschiedlich. Doch vielfach wich die anfängliche Freude über den glänzenden Erfolg schweren Schuldgefühlen. Isidor Rabi sprach von einem gestörten Gleichgewicht in der Natur, in der der Mensch zur tödlichen Bedrohung seiner selbst wurde, J. R. Oppenheimer zitierte eine Stelle aus Bhagavad Gita: "Ich wurde zum Tod, den Zestörer der Welten.", Ken Bainbridge, der Testleiter, sagte zu Oppenheimer: "Wir alle sind nun Huren-Söhne.".
Einige weitere unterzeichneten sofort nach der Testexplosion Petitionen zur Vernichtung des "Monsters", ihre Proteste stießen aber auf tote Ohren. Wie sich später zeigen sollte, war Jornadas del Muerto in New Mexico nicht der letzte Ort auf dem Planeten Erde, der die Zerstörung durch eine Atomexplosion erleben durfte.

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Hiroshima

Schließlich kam der Tag, an dem sich herausstellen sollte, ob der Mensch seine bislang furchbarste Waffe gegen sich selbst einsetzen sollte, sei es um den in den letzten Zügen liegenden Krieg mit einem vernichtenden Schlag gegen den geschwächten Feind zu beenden oder um den fast undenkbar hohen finanziellen Aufwand im nachhinein zu rechtfertigen.
Wie viele wissen werden, hat es in der bekannten Kriegsgeschichte des neuzeitlichen Menschen nur zwei Einsätze von Atombomben gegeben. Eine mehr als 4,5 t schwere Uranbombe mit dem Spitznamen "Little_Boy" wurde am 6. August 1945 auf Hiroshima abgeworfen. Die Aioi-Brücke, eine von 81 Brücken, welche das 7-armige Delta des Ota-Flußes verbinden, wurde als Detonationspunkt für die Bombe ausgewählt, den "Ground Zero" hat man auf ca. 600 m über den Boden festgelegt. Um 8.15 Uhr wurden während der Zeit eines Augenblicks durch eine 13 kt-Atomexplosion 66.000 Menschen getötet, und 69.000 verletzt.
Das Gebiet mit restloser Verdampfung befand sich in einem Umkreis von 800 m um das Explosionszentrum, vollständige Zerstörung fand sich bis zu einem Radius von 1,6 km, schwere Zerstörungen durch die Druckwelle reichten bis 3 km über das Zentrum der Detonation hinaus. Noch in 4 km Entfernung wurde alles Brennbare entzündet. Der verbleibende Bereich der Explosionszone reichte bis 5 km über das Zentrum hinaus, starke Brände und Beschädigungen durch die Druckwelle konnten auch hier noch festgestellt werden (siehe Abb._2 für Zerstörungszonen bei Atomexplosionen).

Der Atompilz über Hiroshima

Nagasaki

An 9. August 1945 erfuhr Nagasaki die gleiche Behandlung wie Hiroschima. Nur wurde diesmal eine Plutoniumbombe mit dem Spitznamen "Fat_Man" auf die Stadt geworfen. Obwohl "Fat Man" die vorbestimmte Einschlagsstelle um mehr als 2,4 km verfehte, wurde mehr als die Hälfte der Stadt eingeebnet. Die Bevölkerung Nagasakis fiel im Bruchteil einer Sekunde von 422.000 auf 383.000. 39.000 wurden getötet, über 25.000 verletzt. Nebenbei besaß die Explosion eine Äquivalenzsprengkraft von weniger als 22 kt.
Nach Schätzungen von den Physikern, die jedes Explosionsstadium studiert haben, wurde nur 1 Promille der Detonationskapazitäten der jeweiligen Bomben freigesetzt.

Neuere Untersuchungen an den thermischen Neutronen nahe des sog. Hypozentrums (senkrechte Projektion des Explosionsortes, des sog. Epizentrums, auf den Boden) liefern für Nagasaki und Hiroshima unterschiedliche Ergebnisse. Diese Diskrepanz führte in den letzten Jahren zur Vermutung, dass die Explosion der Hiroshima-Bombe "Little_Boy" möglicherweise nicht planmäßig verlaufen sein könnte. Gestützt wird diese "Crack-Theorie"1 durch die Tatsache, dass eine Bombe gleicher Bauart weder vorher getestet noch hinterher auf dem Testgelände in Nevada gezündet worden war. Der Nagasaki-Typ hingegen wurde bereits vor dem eigentlichen Einsatz in Japan am 16. Juli 1945 in der Wüste von Alamogordo getestet.

Der Atompilz über Nagasaki

Little Boy & Fat Man
Abb. 1: "Little Boy" und "Fat Man".
Little Boy: Uran-Bombe zur Zerstörung Hiroshimas (blau).

Fat Man: Plutonium-Bombe zur Zerstörung Nagasakis (gelb).

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Nebenprodukte atomarer Explosionen

Während schon die bloße Explosion einer Atombombe tödlich genug ist, haben die zerstörerischen Fähigkeiten dort noch lange kein Ende. Radioaktiver Fallout stellt eine zusätzliche Gefahr dar. Der Regen, der jeder Atomdetonation folgt, ist mit radioaktiven Partikeln beladen. Viele Überlebende der Hiroschima- und Nagasakiexplosionen erlagen dieser Sekundärstrahlung.
Jede Atomdetonation hat auch die versteckte lebensgefährliche Bedrohung zukünftiger Generationen. Leukämie gehört zu größten Plagen, die den Nachkommen der Überlebenden geschickt werden.
Während der Hauptzweck der Atombombe auf der Hand liegt, gibt es viele Nebenerscheinungen, die beim Gebrauch aller Atomwaffen in Erwägung zu ziehen sind. Mit einer kleinen Atombombe, die in einer gewissen Höhe zur Detonation gebracht wird, kann die gegnerische Kommunikation, Logistik und Maschinerie durch den sogenannten EMP (elektromagnetischer Impuls) zum Erliegen gebracht werden. Diese hochgelegenen Explosionen sind kaum lebensgefährlich, dennoch setzen sie einen derart starken EMP frei, dass von einfachen Kupferleitungen bis hin zu Steuer-CPUs im Umkreis von 80 km alles außer Gefecht gesetzt wird.
In den frühen Zeiten des Atomzeitalters war es eine populäre Auffassung, dass eines Tages Atombomben bei Bergbauoperationen und möglicherweise der Errichtung eines anderen Panamakanals eingesetzt würden. Es ist wohl unnötig zu erwähnen, dass es nie dazu kam. Stattdessen wurden die Anwendung der Zerstörungkraft des Atoms auf alle militärischen Bereiche ausgedehnt. Atomtests im Bikini-Atoll und einigen anderen Orten waren an der Tagesordnung, bis der Vertrag über das Atomtestverbot eingeführt worden war. Fotos der Atomtestgelände in den Vereinigten Staaten können durch den FOIA (Freedom Of Information Act) erhalten werden.


Explosionszonen
Abb. 2: Zerstörungszonen.
1. Verdampfungspunkt
Alles wird durch die Detonation verdampft.
Todesfälle: 98%, Überdruck: 1,7 bar,
Windgeschwindigkeit: 515 km/h

2. Vollständige Zerstörung
Alle oberirdischen Strukturen werden zerstört.
Todesfälle: 90%, Überdruck=1,1 bar,
Windgeschwindigkeit: 465 km/h

3. Schwere Beschädigungen durch die Druckwelle
Fabriken und andere große Gebäude stürzen ein, Autobahnbrücken werden stark beschädigt, Flüße fließen manchmal rückwärts.
Todesfälle: 65%, Verletzungsfälle: 30%,
Überdruck: 0,6 bar, Windgeschwindigkeit: 420 km/h

4. Schwere Beschädigungen durch die Hitzewelle
Alles Brennbare wird entflammt, Menschen im Einzugsbereich der Hitzewelle leiden wegen der großräumigen Brände an Sauerstoffmangel.
Todesfälle: 50%, Verletzungsfälle: 45%,
Überdruck=0,4 bar, Windgeschwindigkeit: 225 km/h

5. Schwere Beschädigungen durch Feuer und Wind
Ortsfeste Strukturen werden schwer beschädigt, Menschen werden durch die Luft gewirbelt, die meisten Überlebenden erleiden Verbrennungen 2. und 3. Grades.
Todesfälle: 15%, Verletzungsfälle: 50%,
Überdruck=0,2 bar, Windgeschwindigkeit: 160 km/h


Radien der einzelnen Zerstörungszonen für 3 versch. Bombentypen

Äquivalenzsprengkraft 10 kt 1 Mt 20 Mt
Explosionshöhe 600 m 2400 m 5300 m
Zone 1 0,8 km 4 km 14 km
Zone 2 1,6 km 6 km 22,5 km
Zone 3 2,8 km 10,5 km 43,5 km
Zone 4 4 km 12,5 km 50 km
Zone 5 4,8 km 16 km 56 km

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Literaturverzeichnis:

Outlaw Labs
1: M. Hoshi et al.: Radiat. Prot. Dosim. 77, (1998) 15



II. Kernfission und Kernfusion

Uran und Plutonium

Uran ist ein natürliches radioaktives Element der Kernladungszahl 92. Die in der Natur vorkommenden Isotope sind das spaltbare 235U (0,7205 % des natürlichen Urans), das mit thermischen Neutronen nicht spaltbare 238U (99,2739 % des natürlichen Urans) und das 234U, ein Folgeprodukt des radioaktiven Zerfalls des 238U (0,0056 %).
Die beim Zerfall der sehr langlebigen natürlichen Radionuklide 238U (Halbwertszeit 4,5 Mrd. Jahre), 235U (Halbwertszeit 0,7 Mrd. Jahre) und 232Th (Thorium, Halbwertszeit 14 Mrd. Jahre) entstehenden Nuklide sind wieder radioaktiv, so dass sie ihrerseits wieder zerfallen. So entstehen sogenannte Zerfallsreihen, die erst enden, wenn ein stabiles Nuklid entsteht. Vom 238U geht die Uran-Radium-Zerfallsreihe aus, die über 18 Zwischenstufen beim stabilen 206Pb (Blei) endet. 235U steht am Anfang der Uran-Actinium-Zerfallsreihe, die über 15 Radionuklide zum 207Pb führt. Mit zehn Zwischenstufen ist die bei 232Th ausgehende und zum 208Pb führende Thorium-Zerfallsreihe die kürzeste.

Plutonium ist das 94. Element im Periodensystem und wurde 1940 von den amerikanischen Forschern Seaborg, McMillan, Wahl und Kennedy als zweites Transuran-Element in der Form des Isotops 238Pu beim Beschuß von 238U mit Deuteronen entdeckt. Heute sind 15 Pu-Isotope bekannt. Besondere Bedeutung hat wegen seiner Eigenschaft als spaltbares Material das Isotop 239Pu (Halbwertszeit 24.110 Jahre) erhalten. Die auf das 92. Element im Periodensystem - das Uran - folgenden Elemente 93 und 94 erhielten analog dem nach dem Planeten Uranus benannten Uran ihre Namen 'Neptunium' (Np) und 'Plutonium', nach den auf Uranus folgenden Planeten Neptun und Pluto. Plutonium entsteht durch Neutroneneinfang in 238U und zwei darauf folgende β-Zerfälle nach folgendem Schema:

238U+n => 239U => β-Zerfall => 239Np => β-Zerfall => 239Pu
238U+n => 239U => β-Zerfall => 239Np => β-Zerfall => 239Pu

In der Natur kommt 239Pu in verschwindend kleinen Mengen in uranhaltigen Mineralien (Pechblende, Carnotit) - ein Atom Pu auf 1 Billion und mehr Atome Uran - vor. Es bildet sich aus 238U durch Einfang von Neutronen, die bei der Spontanspaltung des 238U frei werden. Durch oberirdische Kernwaffentests wurden schätzungsweise sechs Tonnen 239Pu in die Atmosphäre freigesetzt und weltweit verteilt, so dass z. B. in Mitteleuropa rund 60 Bq 239Pu pro m2 abgelagert wurden. Plutonium ist ein radiotoxischer Stoff; seine chemische Giftigkeit als Schwermetall ist demgegenüber vernachlässigbar. Die radiotoxische Wirkung des Plutoniums kommt besonders bei der Inhalation feinster Pu-Aerosole zum Tragen; Verschlucken (Ingestion) von Plutonium ist etwa 10.000 mal ungefährlicher, dass Plutonium von der Darmschleimhaut nur zu etwa 1/100 Prozent aufgenommen wird, 99,99 % werden sofort wieder ausgeschieden.


Energiegewinnung durch Kernreaktionen

Zum besseren Verständnis der folgenden Ausführungen wird kurz auf den Aufbau eines Atomkerns eingegangen. Er besteht aus den sogenannten Nukleonen, die als Sammelbezeichnung für Protonen und Netronen eingeführt wurde. Ein spezieller Kern ist durch die Angabe der Protonenzahl Z (Ladungszahl) und der Neutronenzahl N vollständig definiert. Die Gesamtzahl der Nukleonen (Massenzahl) ist A=N+Z.
Aus präzise vermessenen Kernmassen für verschiedene Atome lassen sich eine Reihe sehr wichtiger Schlüsse ziehen. Zunächst kann man feststellen, dass die Masse eines Kerns der Nukleonenzahl A=N+Z stets etwas kleiner ist als die Summe der Massen von N Neutronen und Z Protonen. Dieser Massendefekt entspricht der Bindungsenergie, die frei wird, wenn die einzelnen Nukleonen zu einem Kern vereinigt werden. Umgekehrt ausgedrückt, ist der Massendefekt äquivalent der Energie, die aufgebracht werden müßte, um den Kern in seine einzelnen Nukleonen zu zerlegen, wobei man die Nukleonen räumlich so weit trennen muß, dass sich keines mehr innerhalb der Reichweite der Kernkräfte eines anderen befindet.
Eine Inspektion der Massentabellen zeigt, dass für Kerne mit A>30 die Bindungsenergie B näherungsweise prportional zur Nukleonenzahl A ist. Es ist daher besonders interessant, die Bindungsenergie pro Nukleon B/A genauer zu betrachten. In Abb._3 ist der Verlauf von B/A dargestellt, wobei die Abszisse bis A=30 gespreizt wurde. Der Kurvenverlauf hat praktische Konsequenzen für die Energiegewinnung aus Kernumwandlungen. Da B/A für A=60 ein Maximum hat, läßt sich sowohl durch Verschmelzung leichter Kerne (Fusion) als auch durch Spaltung schwerer Kerne (Fission) Energie gewinnen.


Bindungsenergie pro Nukleon
Abb. 3: Bindungsenergie pro Nukleon als Funktion von A für stabile Kerne (nach Evans1).

Kernfission

Die Kernfission oder Kernspaltung wurde 1938 erstmals von O. Hahn und F. Straßmann2 entdeckt. Liese Meitner und R. O. Frisch3,4 gaben als erste eine korrekte Interpretation des zugrunde liegenden Prozesses, und wenig später wurde von Bohr und Weehler5 die theoretische Behandlung der Spaltung mit Hilfe des Tröpfchenmodells entwickelt. Am 2. Dezember 1942 setzte E. Fermi in Chicago die erste kontrollierte Kettenreaktion in Gang.
Bei der Kernspaltung wird in einem vereinfachten Bild jene Energie freigesetzt, welche dem Unterschied in der Bindungsenergie der Spaltprodukte und des Ausgangskerns entspricht. Sie beträgt für Uran rund 200 MeV/Spaltereignis. Hiervon wird etwa 160 MeV als kinetische Energie auf die Spaltbruckstücke übertragen. Bei der Abbremsung der Spaltbruchstücke wird jene Wärme erzeugt, die technisch nutzbar ist. Der Rest der Spaltungsenergie verteilt sich auf die Energien von Neutronen, Gamma-Quanten, Elektronen und Neutrinos, die als Folge der Spaltung emittiert werden.
Technisch genutzt wird die neutroneninduzierte Spaltung. Da beim Spaltprozeß selbst Neutronen freigesetzt werden, können sich die Spaltungsreaktionen bei geeigneten Bedingungen mit konstanter Rate selbst aufrechterhalten (Reaktor) oder explosionsartig entwickeln (Kernsprengstoff). Als Brennstoff steht zunächst natürliches Uran zur Verfügung. Es besteht aus einem Gemisch von etwa 0,7% 235U und 99,3% 238U (siehe unten). Die beiden Isotope unterscheiden sich in ihrer Spaltbarkeit durch Neutronen. Um die Spaltung einzuleiten, muß die Spaltschwelle überwunden werden. Sie ist in beiden Fällen ungefähr gleich hoch, nämlich 5,8 bzw. 6,3 MeV. Diese Energie wird durch die Bindungsenergie des eingefangenen Neutrons und durch dessen kinetische Energie aufgebracht. Bei 235U ist die Bindungsenergie mit 6,4 MeV größer als die Schwellenenergie. Daher kann die Spaltung mit thermischen Neutronen (mittlere kinetische Energie von 0,0253 eV bei 293 K) ausgelöst werden. Die hohe Bindungsenergie kommt daher, dass in 236U (235U+n) ein gepaarter Neutronenzustand entsteht. Bei 238U+n wird dagegen ein ungerades Neutron eingebaut. Die Bindungsenergie liegt mit 4,8 MeV entsprechend niedriger, sodass die Spaltung erst bei einer Neutronenenergie von ca. 1,5 MeV merklich einsetzt.
Betrachten wir nun beispielsweise den Spaltprozeß an 235U. Nach der Spaltung entstehen die Bruchstücke X und Y sowie im Mittel n Neutronen mit Energien in der Größenordnung von 1MeV, also

235U+n (thermisch) => 236U => X+Y+nn (schnell)

Damit die Kettenreaktion einsetzen kann, muß offenbar n >1 sein. In diesem Fall ist n=2,43.

Da 235U auch durch schnelle Neutronen gespalten wird, ist ein Stück 235U explosiv, sofern es eine kritische Masse überschreitet, unterhalb derer die Neutronenverluste durch die Oberfläche das Einsetzen der Kettenreaktion verhindern.

Ist n>1, setzen die Neutronen aus der ersten Spaltung neue Spaltneutronen frei, die wiederum für weitere Reaktionen zur Verfügung stehen. Innerhalb einer μs schaukelt sich dieser Effekt lawinenartig auf, es kommt zur Explosion.

239Pu initiert die Kettenreaktion nicht aus eigenen Stücken, vielmehr übernimmt eine eigene starke Neutronenquelle diese Ausgabe. In gewissen Bombentypen wird eine Mischung aus Beryllium und Polonium verwendet, um diese Reaktion zu erhalten. Dabei sind nur geringe Mengen dieser Materialien erforderlich, dassdie eigentliche Spaltung wie bei einem Katalysator nur getriggert werden muß.

238U hat die Eigenschaft, durch inelastische Stöße Neutronen abzubremsen und zu absorbieren. Dies wird manchmal in Atombomben ausgenutzt, um in Form eines Schildes eine unbeabsichtigte Kettenreaktion zu vermeiden.


Kernfusion

Bei der Fusion wird Energie gewonnen, indem 2 Atomkerne zu einem neuen verschmolzen werden, sodass gemäß Abb._3 der Unterschied in der Bindungsenergie als Fusionsenergie zur Freisetzung kommt. Im Sonneninneren wird Energie durch Fusionsprozesse freigesetzt. Fusionsenergie stellaren Ursprungs ist daher die primäre Energiequelle der Erde. Die technische Nutzung künstlich ausgelöster Fusionsprozesse ist jedoch schwierig. In unkontrollierter Form wird die Fusionsenergie bei der Explosion von Wasserstoffbomben freigesetzt.
Der bei einer einzelnen Fusionreaktion freiwerdende Energiebetrag folgt unmittelbar aus den Massen der beteiligten Reaktionspartner. Er hat seine Ursache letzlich in den Eigenschaften der Kernkräfte.
Wenn ein kontinuierlicher Fusionsprozeß in Materie aufrecht erhalten werden soll, müssen bestimmte Bedingungen erfüllt sein. Es muß nämlich erstens die kinetische Energie der Reaktionspartner groß genug sein, um eine hinreichende Wahrscheinlichkeit für das Durchdringen des Coulombwalls sicherzustellen. Dies ist bei ganz leichten Kernen für Energien oberhalb 1 keV entsprechend einer Temperatur von mehr als 107 K der Fall. Die zweite Bedingung ist,dass die Dichte de Materie bei diesen Temperaturen groß genug sein muß, um eine Reaktionsrate zu erzeugen, die nicht nur die Temperatur aufrechterhält, sondern einen Überschuß an Energie liefert. Diese Bedingungen sind im Inneren der Sonne oder im Zentrum einer Atomexpolsion erfüllt. Für die technisch genutze Fusion in Wasserstoffbomben kommt reiner Wasserstoff als Brennstoff nicht in Frage, dass die Reaktionsraten wegen der Verknüfung über einen β-Zerfallsprozeß zu klein sind. Statt dessen bieten sich folgende Reaktionen an:

d+d => 3H+p+4 MeV
d+d => 3He+n+3 MeV
d+3H => 4He+n+17,6 MeV

Kettenreaktion
Abb. 4: Kettenreaktion in 235U.
Während und nach der Spaltung
werden Sekundär-Neutronen,
danach noch mehrere Elektronen
(β-Teilchen) ausgesandt.
Als Endprodukte erscheinen
hier ein Promethium- und ein
Yttriumkern.

1. Neutroneneinfall
Ein thermisches Neutron leitet
die Spaltung des 235U-Kerns ein.
Der kurzzeitig gebildete 236U-Kern
zerfällt sofort in 2 Bruchstücke,
die ihrerseits wieder durch Aus-
sendung von Neutronen (2),
Elektronen (3) und Gamma-
quanten (4) in die beiden 143Pm-
und 89Y-Kerne zerfallen.

2. Neutronen

3. Elektronen

4. Gamma-Quanten


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Literaturverzeichnis:

T. Mayer-Kuckuk: Kernphysik, Teubner, Stuttgart 1984
1: Evans, R. D.: The Atomic Nucleus, New York 1955
2: Hahn, O., Straßmann, F.: Naturwiss. 27 (1939) 11 u. 89
3: Meitner, L., Frisch, O. R.: Nature 143 (1939) 239
4: Frisch, O. R.: Nature 143 (1939) 276
5: Bohr, N. Wheeler, J.: Phys. Rev. 56 (1939) 426



III. Der Mechanismus der Bombe

Höhenmesser

Ein gewöhnlicher Flugzeughöhenmesser benutzt eine Art Aneroid-Barometer, welches Luftdruckänderungen in unterschiedlichen Höhen mißt. Allerdings können Wetteränderungen auf den Luftdruck Einfluß nehmen und so die Meßwerte des Höhenmessers nachteilig beeinflussen. Aus diesem Grunde ist es von Vorteil, einen Radar- (oder Radio-) Höhenmesser zu verwenden, wenn die Bombe "Ground Zero" erreicht.
Obwohl FM-CW (frequency modulation - continuous wave) technisch anspruchsvoller ist, übertrifft es an Genauigkeit jede andere Art von Höhenmesser bei weitem. Wie bei einfachen Impulssystemen werden die Signale von einer Radarantenne (der Bombe) abgestrahlt, vom Boden wieder zurückgeworfen und im Höhenmesser der Bombe wieder empfangen. Dieses Impulssystem findet auch bei den höherentwickelten Höhenmessgeräten Anwendung, nur wird das Signal ununterbrochen ausgestrahlt und um eine Hochfrequenz von 4200 MHz zentriert. Dieses Signal fährt mit Intervallen von 200 MHz eine Frequenzrampe hoch, um dann wie eine Sägezahnschwingung wieder bei der ursprünglichen Frequenz anzufangen.
Wenn das Absinken der Bombe beginnt, sendet der Transmitter des Höhenmessers einen Impuls aus, der bei einer Frequenz von 4200 MHz startet. Bis der Impuls zurückreflektiert wird, strahlt der Transmitter eine höhere Frequenz ab. Der Frequenzunterschied ist von der Impulslaufzeit in der Luft und damit von der Höhe der Bombe abhängig. Wenn diese zwei Frequenzen elektronisch gemischt werden, ergibt sich die Differenz als eine neue Frequenz, welche ein direktes Maß für die Laufzeit und damit für die tatsächliche Höhe ist.
In der Praxis würde ein typisches FM-CW-Radar mit einer Sägezahnfrequenz von 120 Hz arbeiten. Sein Meßbereich würde 3000 m über Land und 6000 m über Wasser abdecken, dassReflexionen auf Wasser sauberer erfolgen. Die Genauigkeit dieser Höhenmesser liegt bei 1,5 m für die höheren Bereiche. Da "Ground Zero" für Atombomben normalerweise mindestens bei 600 m liegt, ist dieser Fehler nur von untergeordneter Bedeutung. Die hohen Kosten dieser Radar-Höhenmesser haben ihren Gebrauch in kommerziellen Anwendungen verhindert, aber die sinkenden Kosten für elektronischen Bauelemente sollten sie in absehbarer Zeit in direkte Konkurrenz zu barometrischen Höhenmessern setzen.


Luftdruckzünder

Der Luftdruckzünder kann eine sehr komplizierte Einheit darstellen, aber für alle praktischen Zwecke ist ein einfacheres Modell bereits zielführend. In großen Höhen ist der Luftdruck niedrig, bei abnehmender Höhe steigt er. Ein einfaches Stück sehr dünnes magnetisiertes Metall kann als Luftdruckzündkapsel benutzt werden. Eine extrem dünne Blase aus magnetisiertem Metall wird in der Mitte des Metallstreifens leitend befestigt und direkt unter dem elektrischen Kontakt plaziert, der die konventionelle Detonation auslöst. Vor dem Anbringen des Streifens wird die Metallblase einfach eingedrückt.
Sobald der Luftdruck die gewünschte Stufe erzielt hat, springt die magnetische Luftblase in ihre Ausgangsstellung zurück und schlägt gegen den Kontakt, der Stromkreis schließt sich, die Detonation wird eingeleitet.


Konventionelle Zündkapsel

Die Zündkapsel (mehrere bei einer Plutoniumbombe) sitzt in der konventionellen Sprengladung und ist der Standard-Ausfertigung einer Zündkapsel sehr ähnlich. Sie dient als Katalysator, um die eigentliche Explosion zu triggern. Die Kalibrierung dieser Einheit ist wesentlich. Eine zu kleine Dimensionierung kann zu einem kolossalen Blindgänger führen, der doppelt gefährlich ist, dassjemand die scharfe Kernwaffe deaktivieren und mit einer neuen Sprengladung versehen muß. (Zudem kann der herkömmliche Explosivstoff mit unzulänglicher Kraft zur Detonation gebracht worden sein, sodass die radioaktiven Materialen ineinander verschweißt wurden.
Dieser Vorgang kann zu einer überkritischen Masse und einer ungewollten Kettenreaktion führen). Die Zündung der konventionellen Sprengladung wird, abhängig von der Art des benutzten Systems, entweder durch die Luftdruckzündkapsel oder vom Radarhöhenmesser ausgelöst.
Externer LinkDu_Pont vertreibt ein breites Sortiment an Standard-Sprengkapseln, die leicht adaptiert werden können, um den Erfordernissen einer Atombombe zu entsprechen.


Konventionelle Sprengladung

Diese Sprengladung wird benutzt, um die getrennten Teile der Kernladung zu vereinen und zu verschweißen. Die genaue Höhe des Verschweißdrucks ist unbekannt, und möglicherweise aus Gründen der nationalen Sicherheit von der US-Regierung klassifiziert.

Plastiksprengstoffe sind in diesem Zusammenhang gut geeignet, dasssie leicht manipuliert werden können, um den unterschiedlichen Erfordernissen einer Uran- oder Plutoniumbombe zu entsprechen. Ein weit verbreiteter Sprengstoff ist Harnstoffnitrat, das wie folgt hergestellt werden kann:

Bestandteile:

Lassen Sie die Harnsäure durch einen Filter laufen, um Verunreinigungen zu entfernen. Fügen Sie langsam die Salpetersäure der Lösung hinzu und lassen Sie die Mischung 1 Stunde lang stehen. Filtern Sie erneut. Dieses Mal sammeln sich die Harnstoffnitatkristalle auf dem Filter. Waschen Sie die Kristalle aus, indem Sie Wasser über den entsprechenden Filter gießen. Entfernen Sie abschließend die Kristalle vom Filter und lassen Sie sie 16 Stunden trocknen. Dieser Sprengstoff muß durch einen Zünder zur Detonation gebracht werden.


Neutronendeflektor

Der Neutronendeflektor besteht ausschließlich aus 238U. 238U ist zwar nicht thermisch spaltbar, es besitzt aber die Fähigkeit, Neutronen zu reflektieren.
Der Neutronendeflektor kann zwei verschiedenen Zwecken dienen. In einer Uran-Bombe dient er als Schutz, um nicht versehentlich eine überkritische Masse zu erzeugen. Die Streuneutronen werden nämlich vom "Uran-Geschoß" und seinem kugelförmigen Gegenstück abegehalten. Der Neutronendeflektor in einer Plutoniumbombe hilft den Plutoniumkeilen ihre Neutronen beizubehalten, indem es die Streupartikel in das Zentrum der Anordnung zurückreflektiert.

Plutonium ist schwieriger spaltbar als Uran. Während Uran durch eine einfache 2teilige Gewehr-Anordnung (siehe Abb._5) zur Detonation gebracht werden kann, muß Plutonium in einer komplizierteren Anordnung und mit einem stärkeren herkömmlichen Sprengstoff, einer größeren Aufprallgeschwindigkeit und einer simultan triggernden Einheit für die konventionellen Ladungssätze zur Explosion gebracht werden. Über diese erweiterten Anforderungen hinaus muß während dieser Abläufe im Zentrum zusätzlich eine feine Mischung aus Beryllium und Polonium angebracht werden (siehe Abb._6).
Die kritische Masse für 235U liegt bei 50 kg reinem Uran, die für. Plutonium hingegen bei 16 kg, wobei diese durch Umantelung des Plutoniums mit 238U noch auf 10 kg verringert werden kann.


Die folgenden beiden Abbildungen zeigen die beträchtlichen Konstruktionsunterschiede zwischen einem Uran- und einem Plutoniumsprengkopf:

Uran-Sprengkopf
Abb. 5: Uran-Sprengkopf.
Ein Uransprengkopf besteht aus 2 Teilen:

Die größere Masse ist kugelförmig
und konkav, die kleinere Masse
paßt genau in die Aussparung
der größeren Masse. Durch die
Detonation der herkömmlichen
Sprengladung wird die kleinere
Masse in die größere eingeschossen
und mit ihr verschweißt. Das
Erreichen der überkritischen
Masse leitet innerhalb einer
μs die Kettenreaktion ein.

1. Kollisionspunkt

2. Uran-Bereiche


Plutonium-Sprengkopf
Abb. 6: Plutonium-Sprengkopf.
Der Plutoniumsprengkopf
besteht aus 32 Einzelladungen
in Kreissegmentform, die kugel-
förmig in 45-Schritten um eine
Beryllium-Poloniummischung ange-
ordnet sind. Diese 32 Teile müssen
exakt dieselbe Masse und Form
besitzen, die Annordnung gleicht
von außen betrachtet einem Fußball.
Nach der Detonation der herkömm-
lichen Sprengladung müssen alle
32 Einzelteile innerhalb 100 ns
im Zentrum verschweißt werden,
damit eine Kettenreaktion ein-
geleitet werden kann.

1. Kollisionspunkt

2. Plutonium-Bereiche

3. Beryllium-Poloniummischung

Ajax-Loader

Ajax-Loader

Literaturverzeichnis:

Outlaw Labs


VI. H. G. Wells und seine literarische Fiktion

Wohl selten ist es einem Autor gelungen, bei der Spekulation über Wunderwaffen der Realität so nahe zu kommen, wie Herbert George Wells mit seinem Roman "The World Set Free"1. Während "Die Zeitmaschine"2 oder "Krieg der Welten"3 als klassische "scientific romances" beachtliche Erfolge erzielen konnten, blieb dem 1914 erschienen Werk "The World Set Free" ein vergleichbarer Effekt verwehrt, obgleich Wells damit die Erfindung der Atombombe ("atomic bomb" im originalen englischen Wortlaut) vorwegnahm.
Viele Einzelheiten des Romans erscheien aus heutiger Sicht verblüffend, etliche Details erweisen sich im Nachhinein als richtig. Die militärische und auch zivile Nutzung des vom Chemiker Holsten künstlich hervorgerufenen Zerfalls von Wismut als praktisch unerschöpfliche Quelle von Energie manifestiert sich im Roman an den Schlüsselstellen.

Wissenschaftlern der damaligen Zeit war der radioaktive Zerfall von instabilen Elementen wie Radium und die damit freigesetzte Energie wohl bekannt. Wells nahm dieses Wissen als Grundlage für seine Geschichte, erkor das von ihm erfundene Element Carolinum zu einer Art Plutonium, gab der Bombe die Form einer Kugel und nahm in gewisser Weise die äußere Form der Nagasaki-Bombe "Fat Man" vorweg.

Wells Atombomben haben die Explosionswirkung konventioneller Bomben, sie entfalten ihre verheerende Wirkung aber durch "andauernde Explosion", die über Tage hinweg anhält. Diese offensichtlich unphysikalische Eigenschaft der Wellsschen Atombomben wird in der Realität an der Tatsache scheitern, dass keine Bombe kontinuierlich explodieren kann, ohne sich selber zu zerstören. Nichtsdestotrotz hat Wells wohl die Entdeckung der Kernspaltung und der Kettenreaktion indirekt inspiriert, war doch der Physiker Externer LinkLeo Szilard (1898-1963) der erste, der nach dem Lesen des Buchs im Jahre 1932 die Idee der Kettenreaktion im Jahr 1933 entwickelte und diese 1934 sogar patentieren ließ. Szilard war später beim Manhattan-Projekt und damit an der Entwicklung der ersten Atombombe beteiligt.

Wells Atomkrieg breitet sich von Europa aus und entwickelt sich vom blutigen Graben- und schändlichen Luftkrieg zum weltverbrauchenden atomaren Holokaust. Paris vergeht im atomaren Mahlstrom, Berlin verwandelt sich in einen flammenden Krater, das kalte Wasser der Nordsee schwappt über die holländischen Deiche und überschwemmt das Land dahinter. Moskau, Chicago, Tokyo, London und hunderte anderer Städte werden radioaktives Ödland, Regierungen stürzen, historische und kulturelle Vermächtnise werden zerstört, die meisten Hauptstädte der Erde brennen.

Seine ehrgeizigen utopischen Vorstellungen verband H. G. Wells mit eindringlichen Warnungen und bemerkte verbittert im Vorwort der Neuauflage des Romans im Jahr 1941, dass er den bereits bestehenden Warnungen nichts hinzuzufügen habe, außer seiner Grabaufschrift: "I told you so, you damned fools!".


Literaturverzeichnis:

Erik Strub: Physik Journal, Juli 2005, S. 47-51
1: H.G. Wells: The Last War: A World Set Free, University of Nebraska Press (2002) Externer LinkISBN 080329820X
2: H.G. Wells: Die Zeitmaschine, Deutscher Taschenbuchverlag (1996) Externer LinkISBN 342312234X
3: H.G. Wells: Krieg der Welten, Diogenes Verlag (2005) Externer LinkISBN 3257235372


VI. Das deutsche Atomprogramm im 2. Weltkrieg

Das deutsche Atomprogramm im Zweiten Weltkrieg rund um die deutschen Physiker des “Uranvereins” ist bei weitem nicht so weit fortgeschritten gewesen, wie es verschiedene Medienbereichte vermuten lassen. Externer LinkUntersuchungen an verschiedenen Uranproben zeigen unmissverständlich, dass der Versuchsreaktor nie kritisch wurde.


Literaturverzeichnis:

Erik Strub: Physik Journal, Juli 2005, S. 47-51
1: H.G. Wells: The Last War: A World Set Free, University of Nebraska Press (2002) Externer LinkISBN 080329820X
2: H.G. Wells: Die Zeitmaschine, Deutscher Taschenbuchverlag (1996) Externer LinkISBN 342312234X
3: H.G. Wells: Krieg der Welten, Diogenes Verlag (2005) Externer LinkISBN 3257235372


V. Literturempfehlungen

Die folgende Bücherliste gibt Hinweise auf interessante und empfehlenswerte Titel aus dem Umfeld der Atombombe:

Deutsche Titel

Max Born: Die Relativitätstheorie Einsteins. Max Born, Springer-Verlag:
Die Relativitätstheorie Einsteins. Kommentiert und erweitert von Jürgen Ehlers und Markus Pössel.
Kein geringerer als Max Born persönlich führt auf der Basis einer mathematisch-physikalischen Vorbildung auf gymnasialem Oberstufenniveau in die wohl wichtigste Theorie des 20. Jahrhunderts ein. Ein Muss für all jene, welche verstehen wollen, wie die theoretischen Grundlagen der Atombombe aus den "vorrelativistischen Äthertheorien" hervorgegangen sind.

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Paul Strathern: Oppenheimer & die Bombe Paul Strathern, Fischer-Taschenbuch-Verlag:
Oppenheimer & die Bombe
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Paul Lawrence Rose: Heisenberg und das Atombombenprojekt der Nazis. Paul Lawrence Rose, Pendo-Verlag:
Heisenberg und das Atombombenprojekt der Nazis.
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Edgar Mayer, Thomas Mehner: Das Geheimnis der deutschen Atombombe. Gewannen Hitlers Wissenschaftler den nuklearen Wettlauf doch? Paul Edgar Mayer, Thomas Mehner, Kopp-Verlag:
Das Geheimnis der deutschen Atombombe. Gewannen Hitlers Wissenschaftler den nuklearen Wettlauf doch?
Wer Antworten auf diese provokante Frage sucht, die in letzter Zeit immer häufiger aufgeworfen wurde, sollte sich unvoreingenommen mit diesem durchaus lesenswerten Buch auseinandersetzen, auch wenn es streckenweise etwas spekulativ und schwer glaubhaft erscheint!

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Heinar Kipphardt: In der Sache J. Robert Oppenheimer Heinar Kipphardt, Suhrkamp-Verlag:
In der Sache J. Robert Oppenheimer
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(ohne Bild) Lambert Polterauer, Böhlau-Verlag:
Die Atombombe
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Englische Titel

Ferenc Morton Szasz: The Day the Sun Rose Twice : The Story of the Trinity Site Nuclear Explosion, July 16, 1945 Ferenc Morton Szasz, University of New Mexico Press:
The Day the Sun Rose Twice: The Story of the Trinity Site Nuclear Explosion, July 16, 1945
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John A. McPhee, John McPhee: The Curve of Binding Energy John A. McPhee, John McPhee, Noonday Press:
The Curve of Binding Energy
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Theodore Taylor: The Bomb Theodore Taylor, Harcourt Press:
The Bomb
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Richard Rhodes: The Making of the Atomic Bomb Richard Rhodes, Simon & Schuster Press:
The Making of the Atomic Bomb
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VI. Anregungen und Kommentare

Wenn Sie Anregungen, Fragen oder Kritik zu unserem Web-Angebot über die Atombombe haben, können Sie die Kommentarmöglichkeit des zugehörigen Eintrages in unserem Wissens-Blog nutzen.

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