Kettenreaktionen und nukleare Anwendungen einfach erklärt

Stell dir einen Raum vor, dessen Boden komplett mit gespannten Mausefallen bedeckt ist. Auf jeder Falle liegen zwei Tischtennisbälle. Was passiert, wenn du einen einzigen Ball von oben in den Raum wirfst?

Der erste Ball löst eine Falle aus. Diese schleudert zwei neue Bälle in die Luft. Diese zwei Bälle fallen auf zwei weitere Fallen und schleudern vier Bälle in die Luft. Innerhalb von Sekundenbruchteilen fliegen tausende Bälle durch den Raum. Genau dieses Prinzip nutzen Physiker bei Kettenreaktionen und nuklearen Anwendungen, um aus winzigen Atomen eine unvorstellbare Menge an Energie freizusetzen. In diesem Artikel lernst du, wie dieser atomare Dominoeffekt funktioniert und wie er in Kernwaffen angewendet wird.

Vorwissen

• Kernspaltung: Ein schwerer Atomkern wird durch den Beschuss mit einem Teilchen gespalten. Beispiel: Ein langsames Neutron trifft auf einen Uran-Kern. Der Kern zerplatzt in zwei kleinere Trümmerkerne, setzt dabei Energie frei und schleudert $2$ bis $3$ neue Neutronen heraus.

Aufgabentyp 1: Kettenreaktionen und die kritische Masse

Bei einer Kernspaltung fungieren Neutronen sowohl als Auslöser als auch als Produkt. Wenn ein Neutron einen spaltbaren Kern trifft, entstehen bei der Spaltung neue Neutronen. Treffen diese wiederum auf andere Kerne, spalten sie diese ebenfalls. Es entsteht ein selbsterhaltender Zyklus: eine Kettenreaktion.

Das Problem mit natürlichem Uran

Natürliches Uran besteht zu über $99\%$ aus dem Isotop $\text{U-238}$ und zu weniger als $1\%$ aus $\textcolor{#9570FF}{\text{U-235}}$.

• $\textcolor{#9570FF}{\text{U-235}}$ lässt sich sehr leicht spalten und treibt die Kettenreaktion an.
• $\text{U-238}$ hingegen wirkt wie ein Schwamm: Es fängt die fliegenden Neutronen einfach ein, ohne sich zu spalten. Dadurch stoppt die Kettenreaktion sofort.

Um eine Kettenreaktion für Waffen aufrechtzuerhalten, muss das Uran angereichert werden. Das bedeutet, man entfernt das störende $\text{U-238}$, bis das Material zu mindestens $95\%$ aus spaltbarem $\textcolor{#9570FF}{\text{U-235}}$ besteht.

Die kritische Masse

Selbst wenn man hochreines $\textcolor{#9570FF}{\text{U-235}}$ hat, startet nicht automatisch eine Kettenreaktion. Wenn der Uran-Klumpen zu klein ist, fliegen die meisten neu entstandenen Neutronen einfach nach außen in die Luft davon, ohne einen anderen Kern zu treffen.

Die kritische Masse ist die Mindestmenge an spaltbarem Material, die auf engem Raum zusammenliegen muss, damit genügend Neutronen im Material bleiben und Reaktionspartner finden.

• Für $\textcolor{#9570FF}{\text{Uran-235}}$ beträgt die kritische Masse etwa $50 \text{ kg}$.
• Für künstlich hergestelltes $\text{Plutonium-239}$ beträgt sie nur etwa $10 \text{ kg}$.

Aufgabentyp 2: Physikalische Grundlagen von Kernwaffen

Atombomben sind darauf ausgelegt, eine unkontrollierte Kettenreaktion auszulösen. Das Ziel ist es, in kürzester Zeit eine gewaltige Energiemenge freizusetzen.

Die größte technische Herausforderung beim Bau einer solchen Waffe ist das Timing: Das Material darf nicht zu früh explodieren. Daher wird das spaltbare Material im Inneren der Bombe zunächst so gelagert, dass es unterkritisch (subkritisch) ist – es ist also weniger als die kritische Masse an einem Ort vorhanden. Erst im exakten Moment der Zündung wird das Material extrem schnell in einen überkritischen Zustand versetzt.

Um dies zu erreichen, gibt es zwei physikalische Methoden:

1. Das Gun-Design (z. B. „Little Boy“)

Hierbei wird das Prinzip einer Kanone genutzt. In der Bombe befinden sich zwei getrennte Uran-Teile (z. B. ein Kegel und eine Kugel mit Aussparung). Beide Teile sind für sich allein unterkritisch. Bei der Zündung explodiert ein herkömmlicher chemischer Sprengstoff und schießt den Urankegel mit enormer Wucht in die Urankugel. In diesem Moment überschreitet die vereinte Masse schlagartig die kritische Masse, und die nukleare Explosion beginnt.

2. Die Implosionsmethode (z. B. „Fat Man“)

Diese Methode wird meist für Plutonium verwendet. Das Plutonium ist als Hohlkugel geformt. Wegen des Hohlraums in der Mitte ist die Kugel unterkritisch. Um die Hohlkugel herum sind spezielle chemische Sprengstoffe (Sprengstofflinsen) angeordnet. Bei der Zündung explodieren diese exakt gleichzeitig nach innen (sie implodieren). Die Druckwelle quetscht die Plutonium-Hohlkugel zu einer winzigen, massiven Kugel zusammen. Durch diese extreme Verdichtung wird das Material überkritisch.

Die Rolle der Hülle

Sobald die Kettenreaktion startet, entsteht sofort eine unvorstellbare Hitze, die die Bombe eigentlich sofort auseinanderreißen würde. Wenn das passiert, fliegen die Atome zu weit auseinander und die Kettenreaktion stoppt vorzeitig.

Um das zu verhindern, ist die Bombe von einer extrem dicken Stahlhülle umschlossen. Sie hält das spaltbare Material für den Bruchteil einer Sekunde länger zusammen. Zusätzlich werden Neutronenreflektoren eingebaut. Sie wirken wie Spiegel und werfen Neutronen, die nach außen entkommen wollen, zurück in das Material, um die Kettenreaktion noch weiter zu verstärken.

Wichtige Erkenntnisse

• Kettenreaktion: Ein gespaltener Kern setzt Neutronen frei, die wiederum weitere Kerne spalten. Es entsteht ein exponentieller, selbsterhaltender Zyklus.
• Anreicherung: Natururan besteht fast nur aus $\text{U-238}$, welches Neutronen schluckt und die Reaktion stoppt. Für Waffen muss der Anteil des spaltbaren $\text{U-235}$ auf mindestens $95\%$ erhöht werden.
• Kritische Masse: Die Mindestmenge an Material, die nötig ist, damit nicht zu viele Neutronen entkommen und die Kettenreaktion startet ($50 \text{ kg}$ bei $\text{U-235}$, $10 \text{ kg}$ bei $\text{Pu-239}$).
• Zündmechanismen: Um eine Atombombe zu zünden, müssen unterkritische Massen extrem schnell überkritisch gemacht werden – entweder durch Aufeinanderschießen (Gun-Design) oder durch extremes Zusammenquetschen einer Hohlkugel (Implosionsmethode).