Atomwaffen

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Einleitung

Atomwaffen, militärische Sprengkörper. Beim Einsatz werden große Mengen an Atomenergie frei. Die erste Atombombe (oder A-Bombe) wurde am 16. Juli 1945 auf dem Versuchsgelände bei Alamogordo (New Mexico) getestet. Bis zu diesem Zeitpunkt gab es nur Sprengkörper, die ihre Sprengkraft aus der schnellen Verbrennung oder der Zersetzung chemischer Substanzen entwickelten. Derartige Prozesse setzen nur die Energie der äußersten Elektronen im Atom frei.

Die Energiequelle bei der Explosion von nuklearen Sprengstoffen steckt innerhalb des Atomkernes (Nucleus). Die Nagasaki-Bombe erlangte z. B. ihre Sprengkraft aus Plutonium. Eine Kugel in der Größe eines Tennisballes erzeugte eine Explosion, die der Sprengkraft von 20 000 Tonnen TNT entspricht.

Die ersten Entwicklungen und Tests liefen in Los Alamos (New Mexico) unter dem Decknamen Manhattan-Projekt. Es wurde während des 2. Weltkrieges (August 1942) gegründet. An dem Projekt unter dem militärischen Kommando von Generalmajor Leslie Groves wirkten viele berühmte Wissenschaftler, u. a. Enrico Fermi, Richard Feynman, Edward Teller und der Chemiker Harold Urey mit. Wissenschaftlicher Leiter des Projekts war der US-Physiker J. Robert Oppenheimer.

Nach dem Krieg übernahm die US-Atomenergiekommission die Verantwortung für alle Atomangelegenheiten, einschließlich der Waffenforschung. Es wurden weitere Bombentypen entwickelt, um sich die Energie leichter Elemente, wie z. B. Wasserstoff, zu erschließen. Treibende Kraft bei diesem Bombentyp war der Fusionsprozess, wobei die Kerne der Wasserstoffisotope zu einem schwereren Heliumkern verschmelzen (siehe thermonukleare oder Verschmelzungswaffen weiter unten). Im Ergebnis dieser Waffenforschung wurden Bomben hergestellt, die eine Sprengkraft von einem Bruchteil einer Kilotonne (entspricht 1 000 Tonnen TNT) bis zu vielen Megatonnen (entspricht einer Million Tonnen TNT) hatten. Auch die Größe der Bombe wurde mit fortschreitender Entwicklung deutlich verringert. Man begann nukleare Artilleriegranaten und kleine Raketen zu bauen, die von tragbaren Granatwerfern im Feld abgeschossen werden können. Obwohl Atombomben ursprünglich als strategische Waffen zur Ausrüstung großer Bomber entwickelt wurden, sind heute Atomwaffen für eine Vielzahl von sowohl strategischen als auch taktischen Anwendungen verfügbar (siehe Kalter Krieg). Heute erforscht man Kernwaffen z. B. in Los Alamos (USA), im Lawrence Livermore Labor (Kalifornien) und in Aldermaston (Großbritannien).

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Spaltungswaffen

1905 veröffentlichte Albert Einstein seine spezielle Relativitätstheorie. Gemäß dieser Theorie wird das Verhältnis von Masse und Energie durch die Gleichung E = mc² ausgedrückt. Diese Beziehung sagt aus, dass eine gegebene Masse (m) mit einer Energiemenge (E) im Zusammenhang steht, die gleich dieser Masse multipliziert mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit (c) ist. Eine sehr kleine Stoffmenge entspricht einer riesigen Energiemenge. So würde z. B. ein Kilogramm Material, das vollständig in Energie umgewandelt wird, der Energie entsprechen, die bei der Explosion von 22 Megatonnen TNT freigesetzt wird.

Die deutschen Chemiker Otto Hahn und Fritz Straßmann spalteten das Uranatom in zwei nahezu gleiche Teile, indem sie es mit Neutronen beschossen (1938).

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Die Kettenreaktion

Lässt man auf natürliches Uran Neutronen einwirken, so findet keine Kettenreaktion statt. Natürliches Uran besteht zu etwa 99,3 Prozent aus Uran 238 und nur zu 0,7 Prozent aus Uran 235. Die bei der Spaltung aus Uran 235 gebildeten zwei bis drei Neutronen werden vom Uran 238 absorbiert und damit einer Kettenreaktion entzogen. Dabei bildet sich Uran 239. Im Endeffekt kommt es dann pro Neutronentreffer zu einem Spaltungsakt. Will man demzufolge eine unkontrollierte Kettenreaktion (Explosion) erzielen, dann muss man das Spaltmaterial an Uran 235 anreichern (waffenfähiges Material).

Die Trennung von Uran 235 und Uran 238 ist mit einigem Aufwand verbunden, denn beide verhalten sich chemisch völlig gleichartig. Sie lassen sich also nur physikalisch aufgrund ihres geringen Masseunterschieds voneinander trennen. Man kennt verschiedene technische Verfahren, die zu diesem Ziel führen. Als Beispiele seien die fraktionierte Diffusion und die elektromagnetische Trennmethode erwähnt.

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Kritische Masse

Eine kleine Kugel reinen Urans 235, von der Größe etwa eines Golfballes, hält keine Kettenreaktion in Gang. Durch die Oberfläche entweichen zu viele Neutronen und sind somit für die Kettenreaktion verloren. Die Mindestmenge an spaltbarem Material, die erforderlich ist, um eine Kettenreaktion aufrechtzuerhalten, wird als kritische Masse bezeichnet. Erhöht man die Größe der Kugel, entsteht eine superkritische Anordnung, bei der die darauf folgenden Generationen von Spaltungen sehr schnell zunehmen. Im Ergebnis führt die extrem schnelle Freisetzung riesiger Energiemengen zur Explosion. Deshalb muss in einer Atombombe eine Menge spaltbaren Materials, die größer ist als die kritische Masse, unverzüglich zusammengefügt und für etwa eine Millionstelsekunde zusammengehalten werden, um die Kettenreaktion voranschreiten zu lassen. Ein schweres Material, auch Reflektor genannt, umhüllt die spaltbare Masse und verhindert ihren vorzeitigen Durchbruch. Mit dem Reflektor wird auch die Zahl der entweichenden Neutronen verringert.

Wenn jedes Atom in 0,5 Kilogramm Uran sich spaltete, würde die erzeugte Energie der Sprengkraft von 9,9 Kilotonnen TNT entsprechen. In diesem theoretischen Fall wäre der Wirkungsgrad des Vorgangs 100 Prozent.