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Atomwaffen - Referat
Atomwaffen
Atomwaffen sind 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 (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. Heute erforscht man Kernwaffen z. B. in Los Alamos (USA), im Lawrence Livermore Labor (Kalifornien) und in Aldermaston (Großbritannien).
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).
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.
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.
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.
Die Herstellung von spaltbarem Material
Um die Herstellung spaltbaren Materials in die Praxis umzusetzen, waren viele Versuche notwendig.
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. 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
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. 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.
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.
Thermonukleare Tests
Nach Abschluss der Entwicklung im Frühjahr 1951 wurde auf dem US-Testgelände Eniwetok (Marshall-Inseln) am 1. November 1952 ein groß angelegter erfolgreicher Test mit einer Verschmelzungswaffe durchgeführt. Bei diesem Test mit dem Namen Mike wurde eine Explosion erzeugt, deren Stärke mehreren Millionen Tonnen TNT (das sind mehrere Megatonnen) entsprach. Viele Jahre früher als erwartet, brachte die Sowjetunion im August 1953 eine thermonukleare Waffe im Megatonnenbereich zur Detonation. Am 1. März 1954 testeten die Vereinigten Staaten eine Fusionsbombe mit einer Sprengkraft von 15 Megatonnen. Nach Schätzungen erzeugte sie einen glühenden Feuerball mit mehr als 4,8 Kilometer Durchmesser.
Die Explosion vom März 1954 führte weltweit zur Möglichkeit, mit Hilfe des radioaktiven Niederschlages die Größe und Stärke einer Bombe zu analysieren. Etwas von dem radioaktiven Abfall fiel auf ein japanisches Schiff mit dem Namen Glücklicher Drache, das etwa 160 Kilometer vom Testgelände entfernt auf Thunfischfang war. Japanische Wissenschaftler untersuchten später den radioaktiven Staub. Aus den Ergebnissen wurde deutlich, dass der Niederschlag, der auf den Glücklichen Drachen gefallen war, von einer Bombe herrührte, die wesentlich stärker war als nur eine herkömmliche H-Bombe.
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 dem 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.
Auswirkungen der Atomwaffen
Die Auswirkungen von A-Waffen wurden sorgfältig beobachtet.
Auswirkungen durch die Detonation
Durch die sehr schnelle Ausdehnung der Bestandteile der Bombe wird eine Druckwelle erzeugt, die sich schnell vom Explosionsherd weg ausdehnt. Die Schäden werden sowohl durch den Luftüberdruck an der Vorderseite der Druckwelle als auch durch die extrem starken Stürme verursacht. Diese Stürme halten auch dann noch an, wenn die Druckwellenfront das Gebiet längst passiert hat. Das Schadensausmaß hängt vom TNT-Vergleichswert der Explosion, von der Höhe, in der die Bombe explodierte (auch Bersthöhe), und von der Entfernung des betroffenen Bauwerkes vom Nullpunkt ab – das ist der Punkt unmittelbar unter der Bombe. Bei der Hiroshima- und Nagasaki-Bombe betrug die Bersthöhe zwischen 500 und 600 Meter. Der TNT-Vergleichswert lag bei der Hiroshima-Bombe bei 13,5 Kilotonnen. Die Nagasaki-Bombe hatte eine Sprengkraft von 20 Kilotonnen TNT. Wenn der TNT-Vergleichswert höher gewesen wäre, hätten die amerikanischen Militärs eine höhere Bersthöhe ausgewählt. Neben den enormen Zerstörungen verursachten beide Bomben Hunderttausende von Toten und Verletzten. Noch heute sterben Menschen an den Folgen der Bomben.
Geht man von einer Bersthöhe aus, die ein größtmögliches Gebiet zerstört, würde eine 10-Kilotonnen-Bombe an Häusern, wie sie in den Vereinigten Staaten üblich sind, bis zu einer Entfernung von 1,6 Kilometern vom Nullpunkt aus erhebliche Schäden anrichten. Bis zu 2,4 Kilometer vom Nullpunkt wären die Schäden nur mäßig. Der Zerstörungsumkreis steigt mit der Sprengkraft der Bombe (etwa im Verhältnis zur Kubikwurzel aus der Sprengkraft). Wenn also eine 10-Megatonnen-Waffe in der optimalen Höhe explodiert, erhöht sich die Entfernung auf das Zehnfache, d. h. bis auf 17,7 Kilometer gibt es erhebliche und bis zu 24 Kilometer mäßige Beschädigungen.
Thermische Auswirkungen
Bei der Explosion einer 10-Kilotonnen-Bombe in der Luft erreicht der Feuerball einen maximalen Durchmesser von 300 Metern. Bei einer 10-Megatonnen-Waffe kann der Feuerball bis zu 4,8 Kilometer Durchmesser erreichen. Eine extrem heiße Hitzewelle wird blitzartig vom Feuerball ausgestrahlt. Ihre Intensität nimmt mit der Entfernung ab. Die Wärmeenergiemenge, die in einer bestimmten Entfernung von der nuklearen Explosion wahrgenommen wird, hängt von der Sprengkraft der Waffe und dem Zustand der Atmosphäre ab. Ist die Sicht schlecht oder läuft die Explosion oberhalb der Wolken ab, verringert sich die Wirkung des Hitzeblitzes. Trifft die Wärmestrahlung auf unbedeckte Haut, kann das zu schwersten Verbrennungen führen. Die Explosion einer 10-Kilotonnen-Bombe kann in einem Umkreis bis zu 2,4 Kilometern vom Nullpunkt aus mittlere Verbrennungen (Verbrennungen 2. Grades) hervorrufen. Bei einer 10-Megatonnen-Bombe beträgt der entsprechende Umkreis mehr als 32 Kilometer. Selbst in größerer Entfernung könnte es noch zu leichteren Verbrennungen nackter Haut kommen.
Die Hitzestrahlung kann trockene, entflammbare Materialien, z. B. Papier und einige Gewebe, entzünden. Bei der Explosion einer 1-Megatonnen-Bombe verbrennt beispielsweise Papier noch in einem Umkreis von 14 Kilometern.
Durchdringende Strahlung
Die durchdringende radioaktive Strahlung unterscheidet sich deutlich von der Hitzestrahlung. Die vom Körper aufgenommene radioaktive Strahlung führt zu ernsthaften Verletzungen.
Die von einer Explosion ausgehende radioaktive Strahlung kann in zwei Kategorien unterteilt werden, nämlich in Anfangsstrahlung und in Rückstandsstrahlung. 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. Beta- und Gammastrahlen haben die gleiche Wirkung wie Röntgenstrahlen. Sowohl Neutronen- als auch Beta- und Gammastrahlen besitzen die Fähigkeit, feste Stoffe zu durchdringen.
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.
Der radioaktive Niederschlag (Fallout) schwebt langsam zu Boden und kann je nach Dauer der Schwebzeit mehr oder minder starke Verstrahlungen verursachen. Es gibt zwei verschiedene Arten des radioaktiven Niederschlages, den frühen und den verzögerten. Findet eine nukleare Explosion nahe der Oberfläche statt, wird Erde oder Wasser in eine pilzförmige Wolke gesogen und mit den Überresten der radioaktiven Waffe verseucht. Das verseuchte Material beginnt innerhalb weniger Minuten herabzufallen, was bis zu 24 Stunden fortdauern kann. Dadurch kann ein Gebiet bis zu Tausenden von Quadratkilometern von der Explosionsstelle entfernt in Mitleidenschaft gezogen werden. Bei Explosionen in großer Höhe gibt es keinen frühen Niederschlag. Wird eine Bombe weit über der Oberfläche gezündet, steigt der radioaktive Abfall in der pilzförmigen Wolke in große Höhen und fällt allmählich über einem großen Gebiet nieder.
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. Diese Menge würde ausreichen, um der Erde für mehrere Monate das Sonnenlicht zu nehmen, ein Frostklima wäre die Folge. Besonders auf der nördlichen Halbkugel käme es zum Absterben der Pflanzenwelt. Auch die Ozonschicht wäre betroffen, was zu weiteren Schäden infolge der ultravioletten Strahlung der Sonne führen würde. 1985 veröffentlichte das US-Verteidigungsministerium einen Bericht, der die Theorie des "Nuklearen Winters" bestätigte.
Neutronenbombe
Die weiterentwickelte Strahlungs-Verschmelzungs-Bombe, auch Neutronenbombe genannt, die von den Vereinigten Staaten und anderen Atommächten getestet wurde, setzt keine lang anhaltenden radioaktiven Spaltprodukte frei. Jedoch weiß man, dass die hohe Anzahl frei werdender Neutronen in einem verhältnismäßig kleinen Gebiet um den Explosionsherd herum Radioaktivität in Stoffen hervorruft– besonders in Erde und Wasser. Auf Grund ihrer verheerenden Wirkung für Lebewesen wird die Neutronenbombe als taktische Waffe angesehen.
Quelle(n) für dieses Referat: Zusammentragung versch. Lexika und Internetbibliotheken
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