Atomwaffen

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Detonation von Atombomben

Um Atombomben zur Detonation zu bringen, wurden verschiedene Systeme erfunden. Bei dem einfachsten System wird spaltbares Material auf ein Ziel aus dem gleichen Material geschossen. Beim Zusammentreffen verschmelzen die beiden zu einer superkritischen Anordnung. Die von den USA am 6. August 1945 auf Hiroshima abgeworfene Atombombe besaß dieses System. Ihre Sprengkraft entsprach 20 Kilotonnen TNT.

Eine kompliziertere Methode (auch Implosion) wird in einer kugelförmigen Waffe angewandt. Der äußere Teil der Kugel besteht aus einer Schicht dicht nebeneinander angeordneter und speziell geformter Bauteile, die aus hochexplosivem Material bestehen und die Explosion auf die Bombenmitte richten sollen. Jeder Abschnitt des hochexplosiven Materials ist mit einer Sprengkapsel versehen. Diese wiederum sind mit allen anderen Abschnitten durch Drähte verbunden. Mit einem elektrischen Impuls werden alle Teilstücke des hochexplosiven Materials gleichzeitig gezündet. Die daraus entstehende Detonationswelle läuft im Zentrum der Waffe zusammen. Dort befindet sich eine Kugel aus spaltbarem Material. Durch den enormen nach innen gerichteten Druck (Implosion) wird diese Kugel zusammengedrückt. Bei diesem Vorgang erhöht sich die Dichte des Metalls, und eine superkritische Anordnung wird erzeugt. Sowohl die Testbombe von Alamogordo als auch die am 9. August 1945 auf Nagasaki abgeworfene Bombe waren Implosionsbomben. Jede von ihnen hatte eine Sprengkraft von etwa 20 Kilotonnen TNT.

Unabhängig von der zum Erreichen der superkritischen Anordnung eingesetzten Methode läuft die Kettenreaktion in etwa einer Millionstelsekunde ab und setzt dabei riesige Mengen von Wärmeenergie frei. Die extrem schnelle Abgabe einer sehr großen Energiemenge in einem verhältnismäßig kleinen Raum führt dazu, dass die Temperatur auf mehrere Millionen Grad steigt.

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Die Herstellung von spaltbarem Material

Um die Herstellung spaltbaren Materials in die Praxis umzusetzen, waren viele Versuche notwendig.

6.1

Die Abspaltung von Uranisotopen

Wie bereits oben erwähnt, macht das spaltbare Uran-235-Isotop nur 0,7 Prozent des natürlichen Urans aus. Der Rest setzt sich aus dem schwereren Uran 238 zusammen. Zur Abspaltung von Uran 235 von gewöhnlichem Uran wurde eine Reihe von Methoden entwickelt.

Während des 2. Weltkrieges wurde in Oak Ridge (Tennessee) ein riesiges Gasdiffusionswerk gebaut. Dieses Werk wurde nach dem Krieg erweitert. In der Nähe von Paducah (Kentucky) und Portsmouth (Ohio) wurden noch zwei ähnliche Werke gebaut. Ausgangsstoff für diese Werke ist stark ätzendes Uranhexafluoridgas, UF₆. Es wird gegen Trennwände, die viele Millionen Löcher haben, gepumpt. Die leichteren Moleküle, die Uran-235-Atome enthalten, dringen mit einer etwas höheren Geschwindigkeit als die schwereren Moleküle hindurch (siehe Diffusion). Nachdem das Gas Tausende solcher Trennwände durchlaufen hat, ist es mit dem leichteren Uranisotop stark angereichert. Dieses waffenfähige Uran enthält mehr als 90 Prozent Uran 235.

6.2

Die Herstellung von Plutonium

Obwohl das schwere Uranisotop Uran 238 nicht kettenreaktionsfähig ist, kann es in spaltbares Material umgewandelt werden. Beim Neutronentreffer nimmt das Uran-238-Atom ein Neutron in seinem Kern auf und wandelt sich in das schwerere Uran-239-Isotop um. Dieser atomare Abkömmling zerfällt sehr schnell und bildet Neptunium 239, ein Isotop des Elements 93 (siehe Neptunium). Durch einen weiteren Zerfallsprozess wird Neptunium 239 in Plutonium 239 umgeformt. Bei Plutonium 239 vollzieht sich nach der Aufnahme eines Neutrons eine Spaltung (genau wie bei Uran 235), und es kann als Bombenmaterial verwendet werden. Zur Herstellung von Plutonium 239 in großen Mengen ist eine intensive Neutronenquelle erforderlich. Diese Quelle wird durch eine kontrollierte Kettenreaktion in einem Kernreaktor erzeugt. Siehe Nuklearchemie.

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Thermonukleare oder Verschmelzungswaffen

Anstelle der Verwendung von Energie, die im Ergebnis einer Kettenreaktion in spaltbarem Material freigesetzt wurde, konnte bei anderen Atomwaffen jene Energie verwendet werden, die bei der Verschmelzung leichter Elemente erzeugt wird. Die Verschmelzung der Isotopenkerne leichter Atome (z. B. Wasserstoff) bildet das Gegenstück zur Spaltung. Diese Waffen bezeichnet man als Wasserstoffbomben oder H-Bomben. Von den drei Wasserstoffisotopen verbinden sich die zwei schwersten Isotope, Deuterium und Tritium, sehr leicht zu Helium. Die freigesetzte Energiemenge pro nuklearer Reaktion ist zwar geringer als bei der Kernspaltung, jedoch enthalten 0,5 Kilogramm des leichteren Materials deutlich mehr Atome. Dadurch ist die Energie, die aus 0,5 Kilogramm Brennstoff aus Wasserstoffisotopen freigesetzt wird (etwa 29 Kilotonnen TNT), fast dreimal so viel wie bei der gleichen Menge Uran. Dieser Schätzwert setzt jedoch eine vollständige Verschmelzung aller Wasserstoffatome voraus. Verschmelzungsreaktionen laufen nur bei Temperaturen von mehreren Millionen Grad ab, wobei sich mit steigender Temperatur der Wirkungsgrad erhöht. Deshalb werden diese Reaktionen als thermonukleare (durch Wärme hervorgerufene) Reaktionen bezeichnet. Streng genommen besagt der Begriff thermonuklear, dass die Atomkerne einen Energiebereich (oder eine Energieverteilung) haben, der im Verhältnis zur Temperatur steht. Das spielt eine wichtige Rolle, wenn schnelle Verschmelzungsreaktionen durch eine Erhöhung der Temperatur ermöglicht werden sollen.

Die Entwicklung war vor der Fertigstellung der A-Bomben gar nicht möglich, da man nur mit Hilfe einer A-Bombe diese gewaltigen Temperaturen erreichen konnte.