Thread by @CuriepolisBuch

Zeit für einen Wissenschaftsthread!

Heute: ein düsteres Thema -- #Kernwaffen.

Was sind Kernwaffen, wie funktionieren und welche Wirkungen haben sie?

CW: #Krieg, #Waffen, Gewalt.

Das erste Bild, das sich für viele Menschen mit Kernwaffen assoziiert, ist eine pilzförmige Explosionswolke. Diese steht seit 1945 ikonografisch für Tod und Zerstörung.

Derartige Wolken entstehen stets dann, wenn punktuell sehr heiße Gase schlagartig freigesetzt werden: Vom Erdboden zurückreflektiert, schießen sie aufwärts und kühlen sich dabei durch Expansion (und Abstrahlung) ab. Von unten nachschießendes Gas prallt auf das darüberliegende...

...das schon kälter, dichter und langsamer geworden ist, so dass die charakteristische Form eines Pilzhutes entsteht.

Dies geschieht bei Kernexplosionen, großen chemischen Explosionen, Vulkanausbrüchen und Meteoreinschlägen. Es ist egal, wie die hohe Temperatur erzeugt wird.

Auch das Knallgasexplosionen in Fukushima Daiichi riefen derartige Wolken hervor (wobei das Containment Building durch seine Form den Effekt des Aufwärtsschießens noch verstärkte). Mit dem Kernreaktor oder irgendwelchen Kernreaktionen hatten diese zwar nix am Pilzhut...

...lieferten jedoch der Antikernkraftbewegung aus offensichtlichen Gründen ein Bild maximaler Zugkraft.

Die älteste (mir bekannte) Beschreibung einer Pilzexplosionswolke stammt von Plinius dem Jüngeren:

"Die Wolke stieg auf -- für Zuschauer aus der Ferne war nicht zu unterscheiden, von welchem Berg; dass es der Vesuv war, erfuhr man erst später --

sie sah ihrer ganzen Gestalt nach nicht anders aus als ein Baum, und zwar wie eine Pinie. Sie hob sich nämlich wie auf einem sehr hohem Stamm empor und teilte sich dann in mehre Äste. Sie zerfloss wohl deshalb in die Breite...

...weil sie durch den frischen Luftzug zunächst zwar in die Höhe getrieben wurde, durch ihr eigenes Gewicht aber wieder herabgedrückt wurde. Zuweilen erschien sie glänzend weiß, dann wieder schmutzig und fleckig, je nachdem sie Erde oder Asche mit sich führte."

Wie aber kommen nun Kernexplosionen zustande?

Das Grundprinzip besteht darin, dass man in einer Materieportion einen substantiellen Anteil der Atomkerne dazu bringt, stark exotherme Kernreaktionen zu durchlaufen. Aufgrund der Stärke der Wechselwirkung zwischen den Kernteilchen..

...werden hierbei Energien im Bereich von 2 MeV ("Mega-Elektronvolt") pro atomarer Masseneinheit (ca. Masse eines Protons oder Neutrons) frei.

Dies entspricht einem Brennwert von:

2 x 1.6 * 10⁻¹³ J / 1.7 * 10⁻²⁷ kg ≈ 2 * 10¹⁴ J/kg = 200 Millionen MJ pro kg.

Dies entspricht ca. dem 40-Millionenfachen der Energiedichte des chemischen Sprengstoffs TNT und dem Fünfmillionenfachen derer von Benzin.

Es überrascht, dass TNT nur 10% des Brennwertes von Benzin aufweist! Es kommt bei der Herbeiführung einer Explosion eben nicht nur darauf an, viel Energie parat zu haben, sondern diese muss auch in sehr kurzer Zeit in einem kleinen Volumen konzentriert freigesetzt werden.

(Wie euer seltsamer Cousin mit Vollbart und Krypto-T-Shirt, der bei jeder Familienfeier durch fragwürdiges Benehmen auffällt, weiß, hat es seinen Grund, dass Rohrbomben mindestens durch Zusammenquetschen des Rohres mit der Flachzange abgeschlossen sein müssen.)

Als Energielieferanten für die Explosion kommen Kernspaltungs- oder Fusionsreaktionen in Frage. Bei ersteren werden Kerne radioaktiver Schwermetalle durch Neutronen-Kettenreaktion in Bruchstücke und Neutronen gespalten, bei letzteren verschmelzen leichte Atomkerne.

Kernspaltung mittels Neutronenkette findet auch in Kernreaktoren statt: dort läuft sie langsam ab. Leistungsreaktoren werden [außerhalb des früheren Ostblocks] so konstruiert, dass die Geschwindigkeit der Reaktion sich selbst reguliert...

Wird der Reaktor durch Leistungsanstieg heißer, entfernen sich die Spaltstoffkerne voneinander und (was der wichtigere Effekt ist): die Dichte des Moderators-plus-Kühlmittel Wasser sinkt. Die Neutronen werden nicht mehr so stark moderiert (= abgebremst)...

...wodurch die Wahrscheinlichkeit, dass sie Spaltungen auslösen, sinkt -- die Leistung fällt. Wird der Reaktor durch zu starkes Absinken der Leistung zu kühl, greift der umgekehrte Effekt. Er pendelt sich auf Soll-Leistung ein! Man nennt dies *negativer Temperaturkoeffizient*.

Bei schnellen Reaktoren kann der Moderatoreffekt nicht genutzt werden, Konstruktionen mit negativem Temperaturkoeffizient sind aber auch hier möglich (Beispiel: der amerikanische EBR-II).

Damit ein Kernreaktor steuerbar ist, sind die sogenannten *verzögerten Neutronen* essentiell. Diese werden nicht bei der Spaltung selbst frei, sondern von den Kernbruchstücken ca. 30 Sekunden später emittiert. Gäbe es sie nicht, würde die geringste Abweichung vom Sollzustand...

...zum exponentiellen Abdriften des Reaktors von diesem führen. In einem Kraftwerk hat dies nichts zu suchen.
Um Kernspaltungsexplosionen auszulösen, ist jedoch exakt dieser Effekt erwünscht: Eine Aktiniden¹⁾portion muss prompt-überkritisch werden.

¹⁾ radioaktive Schwermetalle

"Prompt" bedeutet: nur die prompten Neutronen -- jene, die bei der Spaltungsreaktion selbst schon frei werden -- sind beteiligt;

"überkritisch": Neutronendichte und freigesetzte Energie wachsen exponentiell.

Fusionsreaktionen sind schwieriger auslösen. In Plasmatori wie dem JET, dem Wendelstein-7X oder dem im Aufbau befindlichen ITER lässt man sie langsam ablaufen, wozu man ein Deuterium-Tritium-Gemisch auf über 100 Megakelvin erhitzt und in ein kompliziertes Magnetfeld sperrt.

Die hohen Temperaturen sind nötig, weil die Kerne positiv geladen sind, sich abstoßen und deshalb beträchtliche kinetische Energie aufweisen müssen, um überhaupt mit nichtvernachlässigbarer Wahrscheinlichkeit "ineinanderzutunneln".

Allerdings verbrauchen bislang deshalb Aufheizung und Betrieb der Magnetspulen mehr Energie, als die Kernreaktion freisetzt; dies soll ITER ändern. Explosive Fusion mit Energiefreisetzung ist dagegen schon seit den 1950ern möglich. Um zu verstehen, wie dies funktioniert...

...müssen wir uns zunächst die Kernspaltungsbombe genauer ansehen.

Die einfachste Kernbombe ist die Kanonenrohrbombe.
Ein Projektil aus Kernsprengstoff wird von einer chemischen Treibladung beschleunigt und mit einem stehenden Kernsprengstofftarget zur Kollision gebracht.

Jede der beiden Portionen alleine ist harmlos. Zusammengepresst ergeben sie jedoch eine prompt-überkritische Anordnung: es befinden sich soviele Aktinidenkerne versammelt in einem hinreichend kleinen Volumen, dass die Kettenreaktion exponentiell anwächst zur Detonation.

Als Kernsprengstoff kommt ²³⁵U in Frage (welches natürlich als 0.7-prozentige Beimischung des Natururans auftritt) oder potentiell ²³³U, das sich aus ²³²Th erbrüten ließe.

Damit das Uran als Sprengstoff geeignet ist, muss der Anteil an ²³⁵U gegenüber dem ²³⁸U sehr stark erhöht werden: auf >90% ("waffenfähiges Uran"). Zur Anreicherung werden typischerweise Zentrifugen genutzt, aber es gibt auch einige andere Verfahren (Diffusion, Laser).

Im 6. August 1945 war es eine Kernbombe dieses Kanonenrohrtyps, die das Grauen des Weltkriegs zu einem surrealen Höhepunkt und Ende führte.

Die Bombe, die von der B-29 Superfortress "Enola Gay" abgeworfen wurde, enthielt soviel Energie wie 20.000 Tonnen TNT (= 20 kt).

Zwei Tage später warf die US Air Force eine zweite Kernbombe auf Nagasaki. Kurz darauf unterzeichnete die japanische Führung das Potsdamer Protokoll.

Die Nagasaki-Bombe war anders aufgebaut. Es war eine Plutoniumbombe.

In einer solchen komprimieren chemische Sprenglinsen eine kugelsymmetrische Anordnung von ²³⁹Pu, so dass die Dichte der spaltbaren Kerne so stark erhöht wird, dass eine exponentiell wachsende Kettenreaktion entsteht.

Um die Neutronendichte anzuheizen, kann noch zusätzlich eine Alpha-Beryllium-Neutronenquelle eingebaut werden: de.wikipedia.org/wiki/Neutronen…

Der Manga bzw. Anime "Barefoot Gen" (übrigens der erste Manga, der in Deutschland verlegt wurde -- unter dem Titel "Eine Bildgeschichte gegen den Krieg") zeigt die Wirkung derartiger Waffen, wenn sie über bewohntem Gebiet gezündet werden, in grausigem Detail.

Die unsägliche Vernichtungskraft beruht auf dreierlei Effekten:
** Hitze;
** Druck;
** ionisierende Strahlung.

Wie kommen diese zustande?

Wenn in dem Kernsprengstoff -- U oder Pu -- die exponentiell wachsende Kettenreaktion zündet, verwandelt er sich nahezu instantan in ein Plasma aus Spaltprodukt- und unverbrauchten Aktinidenkernen und Elektronen, welches Neutronen sowie Röntgen- und Gammastrahlung abgibt.

Die Röntgenstrahlung entsteht dadurch, dass die Magnetfelder im Plasma die Elektronen auf Korkenzieherbahnen zwingen -- es ist also Synchrotronstrahlung --, die Gammastrahlung stammt aus den Spaltprodukten. Physikalisch sind sie jedoch identisch...

Hochenergetische elektromagnetische Strahlung mit hoher Schadwirkung und Durchdringungsvermögen.

In kürzester Zeit wird jegliche Materie in der Nähe der Bombe, egal, ob Luft, Wasser, Mauerwerk, etc., ebenfalls zu ionisiertem Gas. Der Plasmaball erzeugt eine ungeheure Druckwelle.

Zusätzlich gibt er massiv Wärmestrahlung ab, die, wie im Anime gezeigt, jegliche brennbare Materie in weitem Umkreis in Brand setzt -- einschließlich Lebewesen. Die Druckwelle reißt Häuser in Stücke, und verwandelt selbst in größerer Entfernung noch Fenster in Schrapnell.

Wer direkt in den Atomblitz sieht, ist auf der Stelle blind.

Hinzu kommt, dass die Magnetfelder im Plasma und die durch sie beschleunigten Elektronen jegliches Elektrogerät durch Stromspitzen unbrauchbar machen. ("Elektromagnetischer Schock")

Neutronen, Röntgen- und Gammastrahlung führen im Umkreis der Explosion zu massiven Strahlenbelastungen im Bereich mehrerer Gray. Barefoot Gen im Manga fällt nur das Haar aus -- ihn schützte eine zusammenbrechende Mauer vor dem initialen Hitze- und Strahlungsschock.

Andere Einwohner Hiroshimas und Nagasakis erlitten tödliche Strahlenvergiftungen -- Erbrechen, blutige Diarrhoe, Versagen jeglicher Organe.

Schon wenige Jahre nach dem 2. WK zeichnete sich jedoch ab, dass in punkto Zerstörungskraft extremer Spielraum nach oben blieb, wenn man Fusionsreaktionen miteinbezog.

Verschmelzungen leichter Atomkerne liefern noch mehr Energie pro Elementarteilchen als Spaltungsreaktionen. Die am einfachsten auszulösende Fusionsreaktion beruht auf schwerem (Deuterium) und überschwerem (Tritium) Wasserstoff:

²D + ³T ---> ⁴He + n + 17.6 MeV

Doch auch diese einfachste Fusionsreaktion ist schwierig genug einzuleiten -- weil die Kerne stark beschleunigt und auf ein enges Volumen eingeschlossen werden müssen. Die extreme Hitze und die Druckwelle, die eine Spaltungsbombe erzeugt, gaben Waffenforschern die richtige Idee.

Eine Bombe, die Deuterium und Tritium miteinander zu Helium verschmilzt, nennt man Wasserstoff- oder Fusionsbombe oder thermonukleare Waffe.

Eine ganz einfache Wasserstoffbombe entsteht, wenn man im Zentrum einer Plutoniumbombe eine Kapsel montiert, die mit einem Gemisch von gasförmigem Deuterium und Tritium gefüllt ist. Aus Sicht der Waffenkonstrukteure bestand der Reiz des Konzeptes jedoch darin...

...die Sprengkraft fast beliebig steigern zu können. Hierzu war ein etwas komplizierterer Aufbau nötig, den man nach seinen Entwicklern Teller-Ulam-Design nennt.

Wie die Grafik zeigt, befinden sich eine klassische Plutoniumbombe und ein Zylinder aus Lithiumdeuterit, der mit Uran ummantelt ist und in seinem Zentrum einen Plutoniumstab enthält, in einer gemeinsamen Hülle.

Die Spaltungsbombe dient als Zünder für die Fusionsladung: Sie verwandelt das Lithiumdeuterit in ein Gemisch aus Lithium- und Deuteriumplasma, welches sehr stark zusammengepresst wird. Zugleich wirkt der Plutoniumstab als Neutronenvervielfacher.

Der Clou an dieser Konstruktion: Die eine Komponente des Fusionssprengstoffs, das Tritium, wird erst *bei Zündung der Bombe* erzeugt. Die Neutronen aus dem Plutoniumstab prasseln auf die Lithiumkerne und transmutieren sie dadurch in Tritium.

Druck und Temperatur sorgen dafür, dass Tritium und Deuterium verschmelzen: hierbei wird der Hauptteil der Explosionsenergie frei.

Da man den Lithiumdeuteritzylinder in sehr weiten Grenzen vergrößern kann, wurde hierdurch eine Bombe von apokalyptischer Sprengstoff möglich...

...die sich zu derjenigen von Hiroshima verhielt wie diese zu einer herkömmlichen, chemischen Bombe.

Die größten Wasserstoffbomben erreichen Sprengkräfte im Bereich von mehreren (zehn) Megatonnen TNT. Die Sowjetunion zündete 1961 mit der "Zarenbombe" die größte menschengemachte Explosion der Geschichte: 50 Mt TNT, entsprechend 1 kg Materie+Antimaterie.

Kermbomben decken ein weites Sprengkraftspektrum ab. Sie reichen von der "Davy Crockett", eine Mini-Kernwaffe, die von einem einzelnen Soldaten gegen sowjetische Panzerverbände eingesetzt werden sollte und ca. 20 t TNT entspricht (ausreichend, um einen Häuserblock abzureißen)...

...bis zu Wasserstoffbomben mit vielen Megatonnen Sprengkraft: eine solche würde die Île-de-France (den Großraum Paris) in Sekundenbruchteil in eine brennende Trümmerhalde verwandeln.

(Simulation mittels: nuclearsecrecy.com/nukemap/)

Die farbigen Kreise, die die Wirkung der Zarenbombe über Paris darstellen, bedeuten von außen nach innen:

~~ Verbrennungen dritten Grades (bis über Fontainebleau hinaus)

~~ Druckwelle 5 psi: die meisten Häuser stürzen ein (bis Versailles)

~~ Druckwelle 20 psi: auch massive Betonkonstruktionen bersten (bis Saint-Denis).

~~ Feuerball: mit 4.6 km Radius dem Innenstadtbereich von Paris entsprechend.

~~ Strahlenbelastung > 500 rem (50%-90% Sterblichkeit ohne med. Versorgung) im Umkreis von 3.14 km...

...was in diesem Fall allerdings egal ist, da alles in diesem Bereich zu ionisiertem Gas wird.

~~ 200 psi Überdruck im 3. und 4. Arrondissement, ausreichend, um selbst Bunkeranlagen zu zerstören.

Die Zarenbombe war natürlich eine experimentelle Einmal-Konstruktion -- aufgrund ihrer Größe (entsprechend einem Reisebus) musste sie außen am Flugzeug befestigt werden. Aber das Ende des 2. WK zeigte, dass schon die Wirkung einer 20-kt-Waffe über einer Stadt alptraumhaft ist.

Militärisch werden Kernwaffen in taktische und strategische unterteilt. Taktische haben Sprengwirkungen bis zu einigen hundert kt. Sie haben nur eine kleine oder gar keine Fusionsstufe. Strategische Waffen sind Wasserstoffbomben von mehreren 100 kt bis zu Multi-MT-Wirkung.

Waffen im Megatonnenbereich sind Produkte der Doktrin des Kalten Krieges: maximale Abschreckung durch Androhung, die Ballungszentren des Feindlandes zu vernichten.

Natürlich ist der Gefechtskopf noch kein einsatzbereites Waffensystem: es braucht auch eine Methode, ihn irgendwie ins Ziel zu transportieren.

Taktische Kernwaffen sind relativ klein: Sie können von Bombern abgeworfen oder auf Marschflugkörpern montiert...

...oder auch aus Artilleriegeschützen abgefeuert werden.

Strategische Waffen wiegen mehrere Tonnen. Für sie braucht es entweder ein sehr großes Bombenflugzeug (die B-52 und die Tu-95 wurden u.a. hierzu entwickelt) oder, was im Laufe des Kalten Krieges zu der präferierten Methode wurde, man montiert sie auf ballistischen Raketen.

Ballistische Interkontinentalraketen (ICBMs) können mehrere thermonukleare Gefechtsköpfe ins Ziel tragen. Man unterscheidet die älteren MIRVs (Multiple independently targetable reentry vehicles) und die moderneren MARVs (Maneuverable reentry vehicle)...

...die bis kurz vor der Detonation Kurskorrekturen durchführen und Abwehrsystemen durch präzise Flugmanöver entgehen können.

Gibt es eigentlich auch friedliche Einsatzmöglichkeiten für Kernexplosionen?

Hierzu gab es in den USA im Rahmen des "Project Plowshare" (abgeleitet von "Schwerter zu Pflugscharen") verschiedene Vorschläge. Hafenbecken, Kanäle und künstliche Seen könnten von nuklearen Sprengungen ausgehoben werden.

Auch eine etwas verrückte Art, die Fusionsenergie als Stromquelle zu nutzen, wurde ins Spiel gebracht: Man löst in einer unterirdischen Kaverne z. B. eine thermonukleare Explosion pro Stunde aus und erzeugt dadurch Dampf, der einen Turbosatz treibt.

In der Sowjetunion hatte man wenig Hemmungen, Kernbomben zu zünden, um Erzvorkommen freizulegen oder Badeseen zu kreieren:

In dem Fall, dass Menschheit sich gegen einen auf die Erde zielenden Asteroiden verteidigen muss, könnten Wasserstoffbomben dazu dienen, diesen abzulenken.

Und zuletzt ließe sich mittels nuklearer Detonationen der stärkste mit bekannter Physik mögliche Raketenantrieb konstruieren: Project Orion.

Eine solche Rakete -- nukleare Ladungen schleudern Plasma gegen Prallplatte, Stoßdämpfer wandeln dies zu stetiger Beschleunigung -- würde Raumfahrt in sciencefictionhafter Dimension ermöglichen, weit jenseits von Saturn V, Energia, Starship und sonstiger chemischer Ochsenkarren.

Tausende Tonnen von Nutzlast, Hunderte von Astronauten, die mit einem einstufigen(!!) Raumschiff von der Erde starten, auf dem Mars oder einem Gasriesenmond landen und dann in niedrige Erdumlaufbahn zurückkehren.

Bei Treibladungen im Megatonnen-Bereich könnten Geschwindigkeitsänderungen bis 10% Licht erzielt werden, d.h. für interstellare Missionen interessant.

Die politischen und gesellschaftlichen Hürden zum Bau eines Orion-Schiffs sind jedoch aus offensichtlichen Gründen beträchtlich.

Dennoch vermute ich, dass Raketen dieser oder ähnlicher Konstruktion eines Tages die Menschheit in großem Stil ins Weltall bringen und dadurch vielleicht sogar ein Zeitalter des Friedens einläuten könnten.

@threadreaderapp unroll