Die Entwicklung der Atombombe

Severin Fink

Die Entwicklung der Atombombe

Das Manhattanprojekt und das Uranprojekt

Fink Severin 1.12.2008 Chemie Maria‐Theresia‐Gymnasium

Die Entwicklung der Atombombe

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Gliederung

I.Entdeckung der Kernspaltung II.Entwicklung der Atombombe

1. Uranprojekt (Deutschland) a) Grundlage b) Probleme c) Scheitern

2. Manhattanprojekt (USA) a) Beweggründe b) Grundlage c) Der erste Kernreaktor – „CP-1“ d) Manhattan Engineer District e) Die erste Atombombe – Trinity f) Abwurf von „Little Boy“ und „Fat Man“

I. Entdeckung der Kernspaltung

Entdeckung bei der Suche nach Transuranen durch Otto Hahn, Fritz Strassmann und Lise Meitner (1938):

• Beschuss von Uran mit Neutronen

• Entdeckung von radioaktivem Barium

• Abgabe von einer riesigen Menge Energie

Notwendige Schlussfolgerung: Spaltung des Urans

Durch weitere Versuche folgte:

• Nachweis von Kryptium durch dessen Zerfallsprodukte

• Uranisotop 235 als spaltbares Material (Entdeckung Bohrs bei dem Vergleich mit der Spaltbarkeit von Thorium)

• Aufteilung der Masse und Ladung auf die zwei entstehenden Kerne => Neutronenüberschuss => Neutronenemission

Kettenreaktion möglich (Spaltung weiterer Kerne durch die abgegeben Neutronen)

Möglichkeiten:

1. Nutzung als Energiequelle (E=mc2) 2. „Katastrophale“ Kettenreaktion als Sprengstoff (Atombombe)

B

Weitere Staaten mit Atombombenprojekt

UdSSR Großbritannien Frankreich China Pakistan Indien Israel

Verhältnis (in natürlichem Uran)

U235 U239 1 139 Massendefekt Differenz zwischen Masse des Ursprungskerns und der Summe der Massen der entstehenden Kerne. Die Differenz der Massen wird als Energie abgegeben. Bei der Spaltung von U‐235 ca. 20%. Aus E=mc2 folgt: Pro Spaltung Emission von ca. 200 MeV Kettenreaktion Abgegebene Neutronen spalten weitere Kerne. Bedingungen: Moderator

(Bremsmittel) zum Abbremsen der emittierten Neutronen zum Beispiel: ‐ Wasser (H2O) ‐ schweres

Wasser (D2O) ‐ reiner

Kohlenstoff ‐ Paraffin

(CnH2n+2) Anreicherung von

U‐235 von 0,5% auf mindestens 3%, da sonst zu viele Neutronen von U‐239 absorbiert werden

10n + 235

92 U ! 23692 U ! 139

56 Ba + 9436Kr + 31

0n + E

II. Entwicklung der Atombombe

Uranprojekt (Deutschland)

a) Grundlage (aller Versuche)

• Schweres Wasser(D2O) als Moderator, da dies billig aus Norwegen zu beschaffen war

• U‐235 als spaltbares Material

• Plattenanordnung (später nach vielen Misserfolgen: Gitteranordung)

Ziel: Uranmaschine(Kernreaktor) herstellen

b) Probleme

• Zerstreuung der Forschung auf ganz Deutschland

• Keine Lösung für die effiziente Anreicherung von U‐235 (kein Zyklotron vorhanden)

• Relativ wenig Unterstützung durch die Hitlerdiktatur, da die Kernspaltung nicht als kriegsentscheidend eingestuft wurde (Man ging davon aus, dass der Krieg nur 1‐2 Jahre dauert)

=> zu wenig Ressourcen

• Keine industriellen Anlagen zur Produktion von D2O und zur Anreicherung von U‐235

• Viel weniger Mitarbeiter als beim Manhattanprojekt

zu wenig angereichertes U235 und kaum D2O, vor allem da das Werk in

Norwegen von den Alliierten bombardiert und sabotiert wurde. Keine (kontrollierte) Kettenreaktion zu Stande gebracht

c) Scheitern

• Verdrängung der Forscher aus ihren Instituten durch die Bombardements der Alliierten

• Fortführen der Versuche in Notunterkünften (z. B. im Bierkeller der Schlosskirche von Haigerloch)

Letzte Erfolge:

• Neutronenvermehrung um das 10fache

• Kurz davor eine selbsterhaltende Kettenreaktion zu verursachen Aber: zu wenig Uran und schweres Wasser

Ende:

• Kapitulation Deutschlands

• Übernahme der Forschungsstätten durch die Alliierten

Uranverein Werner Heisenberg Otto Hahn Hans Geiger Paul Harteck Walter Busche

ClusiusDickelsches Trennrohr (Gasdiffusion)

Zur Isotopentrennung

(U‐235 von U‐239) Probleme: Kaum Auftrennung Korrosion

Der letzte Versuch Uranmaschine BVIII

B‐VIII im Museum

Entwurf von

Heisenberg Neutronenquelle im

Mittelpunkt 680 Uranwürfel

(1,5t) eingetaucht in D2O Ummantelung aus

Kohlenstoff (10t) Skizze:

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Manhattanprojekt (USA)

a) Beweggründe Angst vor einer deutschen Atombombe:

• Informationen aus der Spionage über Fortschritte der Deutschen

• Warnungen durch emigrierte Wissenschaftler (u. a. Albert Einstein)

• Angriff der Japaner auf Pearl Habor (Kriegsbeitritt der USA)

b) Grundlage (aller Versuche)

• Graphit als Moderator, da dies in großen Mengen vorhanden war (später auch D2O)

• U‐235 als spaltbares Material

• Von Beginn an Gitteranordung

c) Der erste Kernreaktor – Chicago Pile One (CP‐1) Entwickelt von Enrico Fermi und Erzeugung der ersten kontrollierten Kettenreaktion (32 Minuten lang am 2. Dezember 1942) Aufbau:

• Kugelförmiger Aufbau mit 6m Durchmesser

• Spaltmaterial: 36,5 t Uranoxid und 5,5 t Uranmetall

• Moderator: 350 t Graphit

• Steuerstäbe zum Stoppen der Reaktion (Absorption der Neutronen)

• Kosten: 1 Million Dollar

Chicago Pile One

Kernreaktor als wichtiger Schritt auf dem Weg zur Atombombe:

1. Kettenreaktion 2. Möglichkeit Plutonium herzustellen

d) Manhattan Engineer District(1942‐1945) (Das eigentliche Manhattanprojekt)

Dimension:

• Leitung: Robert Oppenheimer(wissenschaftlich) Leslie R. Groves (militärisch)

• 100.000 Beschäftigte (u. a. mehrere Nobelpreisträger)

• Kosten: 20 Milliarden Dollar (nach heutigem Wert)

• Bau riesiger Fabrikkomplexe und ganzer Forschungsstädte(z. B. Los Alamos) zur Anreicherung von U‐235(Isotopentrennung) und Produktion von Plutonium

Oppenheimer

Oppenheimer(rechts) mit General Groves Über Trinity: „Now, I am become Death, the destroyer of worlds.“ „Jetzt bin ich der Tod geworden, Zerstörer der Welten.“ Nach dem Krieg: Gegen die

Entwicklung der Wasserstoffbombe

Verunglimpft als Kommunist

Enrico Fermi (1901 – 1954)

Foto seines Dienstausweis für

Los Alamos Entdeckung: Ablauf von Kernumwandlungen um einiges effektiver mit Neutronenstrahlung

Los Alamos

Forschungsstätte in

New Mexico 3.000 Angestellte Mitten in der

Wüste In 2.000 m Höhe

Lösung des Problems der Isotopentrennung: 1. Möglichkeit: Anreicherung von U‐235 (hoher Aufwand)

• Gasdiffusion 1. Schritt

• Elektromagnetische Isotopentrennung 2. Schritt

• Zentrifugieren 3. Schritt

=> Nötige Anreicherung an U235 2. Möglichkeit: Erzeugung von Pu‐239 (in Kernreaktoren)

Beschuss von U‐238 mit schnellen Neutronen

Atombombenaufbau:

Uranbombe Plutoniumbombe Aufeinanderschießen zweier unterkritischer Massen U‐235 erzeugt die kritische Masse.

„Little Boy“

Eine Hohlkugel Plutonium wird durch eine Implosion so komprimiert, dass die kritische Masse erreicht wird

„Fat Man“

e) Die erste Atombombe – Trinity (engl. Dreifaltigkeit)

Erfolgreicher Test in der Wüste von New Mexico am 16. Juli 1945:

• Plutoniumbombe

• Implusionsdesign (32 Sprengblöcke, die den Plutoniumkern der Bombe zu einer überkritischen Masse komprimierten)

• Sprengkraft: 21 Kilotonnen TNT Krater: 3 m tief und 300 m breit Atompilz: 18 km hoch

radioaktiver Fallout

f) Der Abwurf von „Little Boy“ und „Fat Man“

• 6. August 1945 Abwurf von „Little Boy“ (U‐235 Bombe) auf Hiroshima

• 9. August 1945 Abwurf von „Fat Man“ (Pu‐Bombe) auf Nagasaki

350.000 Tote

Ende des 2. Weltkrieges

Elektromagnetische Isotopentrennung

Calutron in Oak Ridge Zur Anreicherung von

U‐235 Trinity

Trinity kurz vor der

Explosion Little Boy

ca. 64 kg Uran,

davon 80% U‐235 (nach heutigen Annahmen wurde aber nur 1kg gespalten)

4,0 t schwer 3,2 m lang 0,7 m Durchmesser entspricht ca.

13.000 t TNT 5 Million Grad heiß ca. 90.000 Tote Kein Test: Technik galt als

zuverlässig Nicht genügend U‐

235 vorhanden

Fat Man

ca. 6kg Pu‐239 4,6 t schwer 3,6 m lang 1,5 m Durchmesser entspricht ca.

21.000 t TNT ca. 140.000 Tote Mögl. deutsche Ziele für Atombombenabwürfe

Ludwigshafen Mannheim Berlin

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