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Atomwaffen

 

  • Die erste Atombombe (oder A-Bombe) wurde am 16.Juli 1945 auf dem Versuchsgelände bei Alamogordo (New Mexico) getestet.
  • Gab bisher nur Sprengkörper, mitSprengkraft aus der schnellen Verbrennung oder Zersetzung chemischer Substanzen entwickelten.
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  • Derartige Prozesse setzen nur die Energie der äußersten Elektronen im Atom frei.

 

Nukleare Sprengstoffe

 

  • Energiequelle der Explosion steckt innerhalb des Atomkernes (Nucleus).
  • Nagasaki-Bombe: Sprengkraft aus Plutonium.
  • Kugel in der Größe eines Tennisballes è Explosion, mit Sprengkraft von 20 000 Tonnen TNT.
  • 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.
  • Projekt unter militärischem Kommando
    • Wissenschaftlicher Leiter war der US-Physiker J. Robert Oppenheimer.

 

  • Nach dem Krieg US-Atom-Energie-Kommission Verantwortung für alle Atomangelegenheiten,
  • Entwicklung von Bombentypen die die Energie leichter Elemente, wie z. B. Wasserstoff, nutzten
  • Treibende Kraft bei diesem Bombentyp war der Fusionsprozeß


è Entwicklung von Bombentypen mit Sprengkraft von einer Kilotonne (entspricht 1
 000 Tonnen TNT) bis zu vielen Megatonnen (entspricht einer Million Tonnen TNT)

  • Größe der Bomben wurde auch verringert
  • A-Waffen ursprünglich als strategische Waffen entwickelt.

 

 

 

Die Kettenreaktion

 

  • Natürliches Uran besteht zu etwa 99,3 Prozent aus Uran 238 und nur zu 0,7 Prozent aus Uran 235
  • Für eine unkontrollierte Kettenreaktion (Explosion) muß man das Spaltmaterial an Uran 235 anreichern (waffenfähiges Material).

Kritische Masse

 

  • Eine kleine Kugel reinen Urans 235, von der Größe etwa eines Golfballes, hält keine Kettenreaktion in Gang.
  • 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 darauffolgenden Generationen von Spaltungen sehr schnell zunehmen
  • è extrem schnelle Freisetzung riesiger Energiemengen zur Explosion.
  • in einer Atombombe muß eine Menge spaltbaren Materials,( > kritische Masse) unverzüglich zusammengefügt und für etwa eine Millionstelsekunde zusammengehalten werdenè Kettenreaktion
  • Reflektor umhüllt die spaltbare Masse, verhindert ihren vorzeitigen Durchbruch. è Weniger Neutronen gehen verloren

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.

 

Die Herstellung von spaltbarem Material

 


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

Die Abspaltung von Uranisotopen

 

  • spaltbare Uran 235-Isotop macht nur 0,7 Prozent des natürlichen Urans aus
  • Der Rest setzt sich aus dem schwereren Uran 238 zusammen
  • Zur Abspaltung von Uran 235 wurde eine Reihe von Methoden entwickelt
  • Während des 2. Weltkrieges Gasdiffusionswerk in Tennesie
  • Ausgangsstoff für dieses Werk ist stark ätzendes Uranhexafluoridgas, UF6
  • Es wird gegen Trennwände, die viele Millionen Löcher haben, gepumpt.
  • è Die leichteren Moleküle, die Uran-235-Atome enthalten, dringen mit einer etwas höheren Geschwindigkeit als die schwereren Moleküle hindurch

  • 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.

Die Herstellung von Plutonium

  • das schwere Uranisotop Uran 238 kann in spaltbares Material umgewandelt werden.
  • Beim Neutronentreffer nimmt das Uran-238-Atom ein Neutron in seinem Kern auf è Umwandlung in das schwerere Uran-239-Isotop um.
  • Dieser atomare Abkömmling zerfällt sehr schnell und bildet Neptunium 239, ein Isotop des Elements 93
  • 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.

 

Detonation von Atombomben

verschiedene Systeme erfunden.

  1. spaltbares Material wird auf ein Ziel aus dem gleichen Material geschossen. è verschmelzen beim Zusammentreffen zu einer superkritischen Anordnung.
  2. Hiroschima-Bombe besaß dieses SystemIhre Sprengkraft entsprach 20 Kilotonnen TNT.

     


     

  3. 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, aus hochexplosivem Material richten die Explosion auf die Bombenmitte
  • Mit einem elektrischen Impuls werden alle Teilstücke des hochexplosiven Materials gleichzeitig gezündet è Detonationswelle läuft im Zentrum der Waffe zusammen.
  • eine Kugel aus spaltbarem Material in der Mitte wird durch den enormen Druck (Implosion) zusammengedrückt. è die Dichte des Metalls erhöht sichè eine superkritische Anordnung wird erzeugt. (Nagasaki Bombe)

Kettenreaktion läuft in etwa einer Millionstelsekunde ab und setzt dabei riesige Mengen von Wärmeenergie frei. extrem schnelle Abgabe einer sehr großen Energiemenge in einem verhältnismäßig kleinen Raum führt dazu, daß die Temperatur auf mehrere Millionen Grad steigt.

Thermonukleare oder Verschmelzungswaffen

 

  • bei Atomwaffen kann die 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 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 soviel wie bei der gleichen Menge Uran
  • setzt aber eine vollständige Verschmelzung aller Wasserstoffatome voraus
  • Verschmelzungsreaktionen laufen nur bei Temperaturen von mehreren Millionen Grad ab bei steigender Temperatur erhöht sich der Wirkungsgrad
  • diese Reaktionen als thermonukleare (durch Wärme hervorgerufene) Reaktionen bezeichnet
  • 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.

 

Thermonukleare Tests

 

 

  • Abschluß der Entwicklung im Frühjahr è großangelegter erfolgreicher Test mit einer Verschmelzungswaffe durchgeführt
  • Am 1. März 1954 testeten die Vereinigten Staaten eine Fusionsbombe mit einer Sprengkraft von 15 Megatonnen. Laut Schätzungen erzeugte sie einen glühenden Feuerball mit mehr als 4,8 Kilometer Durchmesser

 

Auswirkungen der Atomwaffen

 

  • Die Auswirkungen von A-Waffen wurden sorgfältig beobachtet.

Thermische Auswirkungen

  • Eine extrem heiße Hitzewelle wird blitzartig vom Feuerball ausgestrahlt. Ihre Intensität nimmt mit der Entfernung ab
  • Trifft die Wärmestrahlung auf unbedeckte Haut, kann das zu schwersten Verbrennungen führen
  • Die Hitzestrahlung kann trockene, entflammbare Materialien, z. B. Papier und einige Gewebe, entzünden. Bei der Explosion einer Ein-Megatonnen-Bombe verbrennt beispielsweise Papier noch in einem Umkreis von 14 Kilometern.

Durchdringende Strahlung

  • Die durchdringende radioaktive Strahlung unterscheidet sich deutlich von der Hitzestrahlung (siehe Radioaktivität). Die vom Körper aufgenommene radioaktive Strahlung führt zu ernsthaften Verletzungen.
  • Die Sofortstrahlung bestehend aus Alpha-, Beta-, Gamma- und Neutronenstrahlen, geht vom Explosionsmittelpunkt aus und wirkt bis zu einer Minute.
  • Als Rückstandsstrahlung bezeichnet man den Teil der Strahlung, der nach Ablauf einer Minute noch wirksam ist
  • Die Radioaktivität im verstrahlten Gelände nimmt innerhalb der ersten 24 Stunden stark ab. Nach etwa einer Woche kann sie bis unter einen lebensbedrohlichen Wert absinken.

 

Klimatische Auswirkungen

  • Neben dem durch die Druckwelle und die Strahlung einzelner Bomben verursachten Schäden, könnte ein großflächiger Einsatz nuklearer Waffen durch mehrere Staaten wahrscheinlich katastrophale Auswirkungen auf das globale Klima haben. Diese Möglichkeit, die in einem im Dezember 1983 von einer internationalen Gruppe von Wissenschaftlern veröffentlichten Papier vorgebracht wurde, ist als
  • Theorie vom "Nuklearen Winter" bekannt geworden. Nach Meinung der Wissenschaftler würde die Explosion von nicht einmal der Hälfte aller Sprengköpfe der Vereinigten Staaten und Rußlands enorme Mengen an Staub und Rauch in die Atmosphäre wirbeln.
  • nimmt der Erde für mehrere Monate das Sonnenlicht, ein Frostklima wäre die Folge.
  • 1985 veröffentlichte das US-Verteidigungsministerium einen Bericht, der die Theorie des Nuklearen Winters bestätigte.

Neutronenbombe

  • Die weiterentwickelte Strahlungs- Verschmelzungsbombe die von den Vereinigten Staaten und anderen Atommächten getestet wurde, setzt keine langanhaltenden radioaktiven Spaltprodukte frei
  • Ruft im Gebiet um den Explosionsherd herum Radioaktivität in Stoffen hervor - besonders in Erde und Wasser.
  • Auf Grund ihrer verheerenden Wirkung für Lebewesen wird die Neutronenbombe als taktische Waffe angesehen.

 

 

 

Spaltungs-Verschmelzungs-Spaltungs-Bombe

 

Die thermonukleare Bombe, die 1954 explodierte, war eine Dreistufenwaffe. Die erste Stufe bestand aus einer A-Bombe, die den Zünder darstellte. In der zweiten Stufe oder H-Bomben-Abschnitt, wurden Deuterium und Tritium innerhalb der Bombe verschmolzen. Bei diesem Vorgang bildeten sich Helium und Neutronen mit hoher Energie. Die dritte Stufe ergab sich aus dem Aufprall dieser Hochgeschwindigkeitsneutronen auf die äußere Hülle der Bombe. Diese bestand aus natürlichem Uran (Uran 238). Es wurde zwar keine Kettenreaktion hervorgerufen, die Fusionsneutronen hatten jedoch genügend Energie, um die Spaltung der Urankerne auszulösen. Dadurch erhöhte sich die Sprengkraft und auch die Radioaktivität der Bombenrückstände.