Wie baut man eine Atombombe?

Es ist der 6. August 1945, „Little Boy“ wird über Hiroshima abgeworfen. 80,000 Menschen sterben sofort, viele weitere in den Jahren darauf. Nur 3 Tage später fällt „Fat Man“ auf Nagasaki, die Todeszahlen sind etwas geringer als die in Hiroshima. Es ist mittlerweile viele Jahre her, dass die beiden ersten und einzigen Atombomben mit Zivilisation als Ziel abgeworfen wurden. Trotz der grausamen Vernichtung, die solche Bomben anrichten können, gibt es sie heute immer noch. Es befinden sich derzeit unglaubliche 17,000 Atomsprengköpfe in den Händen von Atommächten! Die Atombombe ist heute also umso mehr ein aktuelles Thema. Wir werden uns jetzt mit der technischen Seite beschäftigen, wie eine Nuklearwaffe aufgebaut ist und wie man damit die größten Explosionen, die je von Menschenhand erzeugt wurden, erreicht.

Atombombe, Nuklearwaffe, Kernwaffe, sie hat viele Namen, die aber alle die gleiche Art von Bombe beschreiben. Nämlich eine Bombe, die durch kernphysikalische Reaktionen enorme Mengen an Energie in Form einer Druckwelle, Wärme und radioaktiver Strahlung freisetzt. Betrachten wir zuerst einmal die klassische Atombombe, die auch in Kriegszeiten eingesetzt wurde.

Wie funktioniert eine Atombombe?

Dabei wird das Prinzip der Kernspaltung oder Kernfission benutzt. Ein Neutron, also ein schweres Kernteilchen ohne Ladung, trifft auf ein leicht spaltbares Nuklid, zum Beispiel Uran. Uran enthält im Kern 92 Protonen und 143 Neutronen. Das eintreffende Neutron bringt die Neutronenanzahl des Urankerns nun auf 144, und damit ist das Verhältnis von Neutronen zu Protonen nicht mehr stabil und der Kern spaltet sich in Barium und Krypton auf. Diese beiden neu entstandenen Atomkerne besitzen jetzt zusammen eine Masse von 234. Da fehlen also irgendwie zwei Teilchen. Und wenn man die neuen Protonen zusammenzählt, erkennt man auch, dass es zwei Neutronen sein müssen. Die werden nämlich bei der Spaltung ausgeworfen und sind dann in der Lage, weitere Urankerne zu spalten. Bei einer Spaltung wird somit insgesamt eine Energie von 200 Megaelektronenvolt freigesetzt. Das ist eine Energieeinheit und beschreibt den Zuwachs an kinetischer Energie eines Elektrons, wenn es eine Beschleunigungsspannung von einem Volt erfährt.

Um jetzt den Kernspaltungsvorgang in eine Bombe zu verpacken, braucht man einen geeigneten Aufbau dafür. Eine Möglichkeit stellt dabei das Gun-Design dar, das beispielsweise bei Little Boy über Hiroshima verwendet wurde. Dabei gibt es zwei unterkritische Massen von Spaltmaterial, wie zum Beispiel Uran, die dann ineinander geschossen werden und zusammen eine überkritische Masse erzeugen. Zum Beschleunigen des Spaltmaterials wird herkömmlicher Sprengstoff wie zum Beispiel Kordit benutzt. Sind die beiden unterkritischen Massen schließlich vereint, folgt eine Kettenreaktion von Spaltungen der überkritischen Masse.

Das Implosionsdesign

Ein anderer Aufbau der Spaltungsbombe stellt das Implosionsdesign dar. Benutzt wurde es bei der Atombombe Fat Man über Nagasaki. Es befindet sich hierbei eine Kugel aus Spaltmaterial in der Mitte zum Beispiel Plutonium. Diese Kugel ist umgeben von Sprengstoff, zum Beispiel TNT. Beim gleichzeitigen Zünden der verschiedenen Sprengstoff-Segmente wird der Plutonium Kern derart komprimiert, dass er sich zur überkritischen Masse verwandelt und wieder eine Kettenreaktion von Spaltungen eintritt. Bei der Bauweise wird das Spaltmaterial deutlich effektiver verwendet, außerdem lässt sich so eine Bombe schneller zünden. Diese klassischen Atombomben haben eine Sprengkraft von bis zu 300.000 Tonnen TNT-Äquivalent. Das bedeutet, dass eine starke Atombombe die gleiche Sprengkraft wie ein Berg von 300,000 Tonnen TNT hat.

Kernspaltung ist aber nicht die einzige Variante eine Kernwaffe herzustellen, es ist nämlich auch mit dem genau umgekehrten Prinzip möglich, nämlich der Kernfusion. Besser bekannt sind solche Fusionsbomben unter dem Namen Wasserstoff- oder H-Bomben. Wie der Name schon sagt, wird dabei Wasserstoff benutzt, aber nicht der normale Wasserstoff mit einem Proton im Kern, sondern Isotope davon. Es werden also wie beim Uran nicht die Standard-Atome benutzt, sondern Atome mit der gleichen Protonenanzahl, aber anderer Neutronenanzahl. Das wären in diesem Fall Deuterium und Tritium. Deuterium hat also nicht nur ein Proton, sondern auch noch ein Neutron. Tritium hat zusätzlich noch ein Neutron, also ein Proton und zwei Neutronen. Bei einer einfachen Kernfusion, angenommen es herrscht genug Hitze und Druck, verschmelzen ein Deuterium und ein Tritiumkern zu einem Heliumisotop unter Freisetzung eines Neutrons und einer Energie von 14 Megaelektronenvolt. Wie man sieht, ist die Energieabgabe deutlich geringer als die bei einer Kernspaltung, trotzdem lassen sich mit dem Fusionsprinzip viel stärkere Bomben bauen. Bei der Kernspaltung ist nämlich ab einer gewissen Menge Uran Schluss, weil die Masse dann überkritisch wird und eine automatische Spaltung auslöst. Bei der Wasserstoffbombe hingegen gibt es bei der Menge des Spaltmaterials keine Grenzen. Sie wird nämlich nicht durch die eigene überkritische Masse gezündet, sondern durch eine sehr hohe Erhitzung und hohem Druck.

Der Aufbau einer Wasserstoffbombe

Das sogenannte Teller-Ulam-Design basiert auf einem Fusionssprengsatz und einem Kernspaltungssprengsatz, der den ersten Sprengsatz zündet. Es befindet sich also in jeder Wasserstoffbombe auch noch eine normale Atombombe, und von der wissen wir ja schon, wie sie aufgebaut ist. Der Fusionssprengsatz besteht aus mehreren Schichten, die äußere besteht aus einem Uranmantel, darunter jetzt das vorhin betrachtete Fusionsmaterial, tatsächlich besteht es hier aber aus Lithium-Deuterid, es fehlt also das Tritium, aber keine Sorge, das entsteht während der Explosion aus 2 Deuterid-Kernen. Und ganz im Zentrum des Fusionssprengsatzes befindet sich Plutonium, das wir ja schon vom Implosionsdesign kennen. Der restliche Raum der Wasserstoffbombe ist mit Polystyrolschaum ausgefüllt. Zündet man jetzt den Spaltungssprengsatz, sendet er Röntgenstrahlung aus, welche an der Gehäusewand reflektiert wird und den Polystyrolschaum in Plasma verwandelt. Durch das starke Komprimieren beginnt im Plutionium-Zentrum eine Spaltungsreaktion, welche durch die Erhitzung und den zunehmenden Druck das Fusionsmaterial fusionieren lässt. Die austretende Neutronenstrahlung spaltet zum Schluss auch noch die Uranummantelung. Eine enorme Explosion ist die Folge.

Die größte bisher gebaute und getestete Wasserstoffbombe, die Zaren-Bombe, hatte eine Sprengkraft von 60 Megatonnen TNT-Äquivalent. Das muss man sich mal vorstellen, das ist genauso stark wie 60 Millionen Tonnen TNT, das wäre ein Würfel von 331 Metern Seitenlänge. Im Vergleich dazu hatte die Zarenbombe eine ungefähre Größe von 7x3x3 Metern.

Welche Auswirkungen hat eine Atombombe?

Grundsätzlich kann man die Stärke der Explosion natürlich erhöhen, indem mal mehr Spaltmaterial benutzt. Es gibt aber noch einen anderen entscheidenden Faktor, welche Schäden eine Atombombe verursacht, nämlich die Zündungshöhe. In Bodennähe verursacht eine Kernwaffe eine heftige Druckwelle, die im näheren Umkreis alles wegbläßt und aufgrund der Hitze sogar verdampfen lässt, außerdem ist die radioaktive Verstrahlung ziemlich hoch, da der sogenannte Fallout, also radioaktives Material, sich direkt auf Bodennähe befindet. Bei der Luftexplosion, die übrigens meistens eingesetzt wird, wird die Bombe in maximal 30 Kilometern Höhe gezündet. Die Druckwelle hat damit eine größere Reichweite, und der Teil der Welle, der am Boden reflektiert wird, wirkt sozusagen als zusätzliche Druckwelle. Die radioaktive Verstrahlung ist bei der Zündung deutlich geringer, da der Fallout sich großflächig in der Atmosphäre verteilt. Explosionen über 30 Kilometern Höhe nennt man Höhenexplosionen und werden meist dazu benutzt, um Raketen oder Satelliten zu zerstören, oder aber den entstehenden Elektromagnetischen Puls zu benutzen, um die Technik eines Landes gezielt lahm zu legen. Man kann Atombomben aber auch in der genau anderen Richtung zünden, nämlich unter der Erde, um zum Beispiel Bunker zu zerstören. Ein riesiger Krater ist die Folge und solange sich die Bombe noch nah genug an der Oberfläche befindet, auch ein sehr großer Fallout. Ab einer gewissen Tiefe wird der aber verschluckt und die Oberfläche wird kaum verstrahlt. Nur auf diese Art sind Atombombentests heute noch erlaubt. Und zu guter Letzt: Atombomben können auch unter Wasser gezündet werden.

Vielen Dank an den YouTube Kanal brainfaqk für diesen Beitrag.



No comments

Add yours