70 Jahre Kernspaltung - Das deutsche Uranprojekt

70 Jahre Kernspaltung Das deutsche Uranprojekt

Vorgeschichte:

Der Beginn des Zeitalters der modernen Atomphysik wurde durch die Quantenhypothese von Max Planck 1900 eingeläutet. Der offene Bruch mit der klassischen Physik geschah aber erst durch Albert Einstein, der 1905 die kompromißlose Korpuskulartheorie des Lichtes vorstellte. Die Relativitätstheorie und die Quantenhypothese haben die Physik wie kein anderes Ereigniss beeinflusst.

Neue Möglichkeiten eröffnete das Atommodell von Sir Ernest Rutherford (1871 - 1937; rechts im Bild) und das darauf aufbauende Bohr’sche Atommodell. Wichtigen Einfluß nahm auch die Quantenmechanik durch ihre deutschen Pioniere Arnold Sommerfeld (1868 - 1951) und Max Born (1882 - 1970).

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Weizäcker in Deutschland und Bethe in den USA haben unabhänging voneinander die Idee Wasserstoffkerne in Heliumkerne zu verschmelzen (Fusion).

1932 führten Experimente mit Alpha Partikeln durch Sir James Chadwick zur Entdeckung des Neutrons. Dabei baute er auf Experimente von Irene Curie und Frederic Joliot auf. Diese Neutronen benutzte der italienische Physiker Enrico Femi (1901 - 1954) für den künstlichen Beschuss von radioaktiven Stoffen, wofür er 1938 den Nobelpreis erhielt. Schon vier Jahre früher behauptete er fälschlicher Weise Transurane¹ erzeugt zu haben.

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Enrico Fermi

Die Begründung der Kernspaltung in Deutschland:

Der deutsche Chemiker Otto Hahn (8.3.1879 - 28.7.1968) wird bezeichnet als „Vater der Kernspaltung“. Er studierte in Marburg Chemie und Mineralogie, als Nebenfach wählte er Mathematik und Physik. Schon 1904 entdeckte er in London das Radiothorium und ein Jahr später bei Nachforschungen mit Rutherford das Radioactinium. 1906 ging er nach Berlin, wo er Professor des Kaiser Wilhelm (später Max Planck) Instituts wurde.

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In Berlin lernte er Elise Meitner (7.11.1878 - 27,10.1968) kennen.

Otto Hahn

1: Transurane sind Elemente, die aus Uran, das mit langsamen Neutronen beschossen wird, entstehen. Sie haben eine größere Ordnungszahl als Uran.

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Sie studierte in ihrer Heimatstadt Wien Physik und Mathematik unter anderem bei Ludwig Boltzmann. Nach dessen Freitod trat Max Planck an seine Stelle in Wien. Kurz darauf folgte Elise Meitner ihm nach Berlin. Zusammen mit Otto Hahn arbeitete sie an der Zerfallsreihe Thorium - Mesothorium I - Mesothorium II - Radiothor - Thorium X - Thoriumemanation und sie entdeckten neue radioaktive Elemente. Nachdem Hahn 1912 zum Leiter des modernen chemischen Institutes in Berlin-Dahlem, gegründet durch die Kaiser Wilhelm-Gesellschaft, wurde, Elise Meitner beschäftigten sie sich mit der Suche nach dem Element mit der Ordnungs- zahl 91, das zwischen Thorium und Uran lag. Erst 1918 konnten sie das Element Protactinium (Pa) bekanntgeben. Außerdem entdeckten sie die Isomerie, also dass sich 2 Elemente weder in den chemischen Eigenschaften, noch im Atomgewicht unterscheiden, sondern nur in ihren radioaktiven Eigenschaften. 1929 nahm Fritz Straßmann, der Organische, Physikalische und Technische Chemie studierte, eine Stipendiatenstelle bei Otto Hahn am Institut an. Später wurde er sein Assistent.

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Wichtig für ihre Arbeit waren 1932, kurz vor der Machtergreifung Hitlers, folgende neue Erkenntisse:

- Chadwick fand das Neutron. Kernladungszahl und Massenzahl bekamen einen Sinn und konnten so plausibel in das Mendelejef’sche Periodensystem eingeordnet werden.
- Urey isolierte das Wasserstoffisotop Deuterium.
- Anderson konnte das Positron in der kosmischen Strahlung nachweisen. n Lawrence baute das erste Zyklotron.

Elise Meitner muss nach Kopenhagen fliehen, da sie jüdisch ist. Dort trifft sie auf Niels Bohr und ihren Neffen und späteren Arbeitskollegen Robert Frisch. Seit 1933 hegt sie den ständigen Schriftwechsel mit Hahn, in dem sie sich gegenseitig helfen.

Für Hahn und Straßmann taucht 1938 ein Problem auf, das Meitner mit Frisch löste. Bei der Bestrahlung von Uran mit Neutronen entstanden Radiumisotope, die sich aber wie Barium verhielten. Dieses Phänomen war die Geburt der Kernspaltung. Frisch und Meitner fanden bei der Massendefektkurve zwischen den Ordnungszahlen 40 bis 60 ein tiefes Tal. Der Massendefekt ist der Massenverlust, der bei der Spaltung eines schweren Kerns entsteht und hängt von dessen Bindungsenergie ab. Zerfällt dieser schwere Kern in 2 leichtere, so entsteht Energie, die dem Massenverlust Dm entspricht. Nach Einstein gilt dann:

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Für Uran (Ordnungszahl 92) kommen die Produkte Barium (56) und Krypton (36), oder Strontium (38) und Xenon (54) in Frage. Bei dem Vergleich der Summe der Massenzahlen erkannten sie, dass in den Produkten zu wenige Neutronen vorhanden waren. Diese Neutronen werden bei der Kernspaltung freigesetzt und können wiederum Kerne spalten. Das führt zur Kettenreaktion. Meitner und Frisch erbrachten den Beweis, dass beim Zerplatzen eines Kerns eine ungeheure Energie (~ 200 MeV) frei wird.

Die Frage nach den Transuranen wurde durch die Feststellung geklärt, dass Uran aus zwei Isotopen besteht ( U 235 und U 238). Während U 235 in z.B. Barium und Xenon gespalten wird, führt U 238 in einem Resonanzprozess zum Transuran Neptunium (Z=93), welches sich wiederum in Plutonium (Z=94) umwandelt. An dieser Stelle beginnt die Diskussion um mögliche explosive Kettenreaktionen zur Energieerzeugung.

Der deutsche Uranverein:

Das Heereswaffenamt, unterrichtet von der Entdeckung der Kernspaltung durch Otto Hahn, ruft das Referat Kernphysik ins Leben und errichtet ein dafür ausgelegtes Labor in Gottow, bei Berlin, unter der Leitung des Kernphysikers Kurt Diebner. Der Staatsrat Abraham Esau (Leiter der Physikalisch - Technischen Reichsanstalt und der Fachsparte Physik im Reichsforschungsrat) koordiniert die Forschungen, obwohl er „Nichtphysiker“ ist.

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Weiterhin beruf das Heereswaffenamt Wissenschaftler für das Arbeitsprogramm „Uranverein“ angeführt von Werner Heisenberg. Im Dezember ’39 proklamiert er, dass man Sprengstoff durch hochangereichertes Uran 235 herstellen kann, welches eine Explosionskraft besitzt, das die herkömmlichen Mittel um mehrere Zehnerpotenzen übersteigt. Im Juni 1940 kennzeichnet Weizäcker den im Kernreaktor aus U238 entstehenden Stoff als Element 93 oder 94. Damit besitzen die Deutschen die selben Kenntnisse wie die Amerikaner, die das Element 94 schon Plutonium genannt haben.

Werner Heisenberg

Das vorrangige Ziel beider Mächte ist die Atombombe.

Anfang ’42 erklären Atomforscher Hermann Göhring, dass die Atombombe in höchstens 2 Jahren entstehen könnte, da man zwar über das theoretische Wissen verfüge, aber diese technisch sehr schwierig zu bewerkstelligen sei. Man wußte, dass Kernenergie durch Uranspaltung freigesetzt wurde, wenn reiches oder angereichertes U 235 verwendet wird, und dass die Isotopentrennung theoretisch durchführbar war.

Ein zweiter Weg war, wenn U 238 Neutronen absorbiert und ein neuer Stoff (Plutonium) entsteht, der noch leichter zu spalten ist.

Aber die Großtechnische Verwirklichung stellte sich als schwierig heraus: n Es gab kein praktisches Verfahren zur Isotopentrennung. n Die Uranmengen in Deutschland waren beschränkt.

- Es waren keine Schwerwasseranlagen vorhanden, da sie zerbombt wurden.

In Amerika war man inzwischen mit dem „Manhattan-Projekt“ beschäftigt. 150 000 Menschen arbeiteten am Bau der amerikanischen Atombombe. Unter den führenden Wissenschaftlern der USA zählte Enrico Fermi. Mit einem Etat von 2 Mrd Dollar und einem Uranverbrauch von 5,5 Tonnen Uran, 37 Tonne Uranoxyd und 350 reinem Graphit (Moderator) für den ersten Reaktor lagen die USA weit über den Bedingungen Deutschlands. Bis zum Ende des Krieges gelang es den Deutschen Wissenschaftlern nicht die Kernreaktoren zu einer Kettenreaktion zu führen oder erfogreiche Isotopentrennung durchzuführen. Die Amerikaner erlebten im April 1945, bei der Besetzung der jeweiligen Anlagen in Berlin- Dahlem, Kummersdorf und im württembergischen Haigerloch, eine Überraschung: „Die Deutschen, die man stets im Vorsprung geglaubt hatte“, lagen mindestens zwei Jahre hinter der Atomforschung der Amerikaner zurück. „Sie besaßen weder die Fabriken zu Herstellung des für eine Kettenreaktion in der Bombe notwendigen U 235 oder U 239 (Plutonium) oder auch Uran-Brenner“, die mit amerikanischen Anlagen zu vergleichen gewesen wären. Die Wissenschaftler des Uranvereins und auch Otto Hahn wurden 1945 interniert. In englischer Gefangenschaft hörten sie auch von den Atombombenangriffen auf Hiroshima und Nagasaki. Otto Hahn, welcher der Entdecker der Kernspaltung war, fühlte sich dafür verantwortlich und verkraftete dies erst sehr spät.

1946 bekam er den Nobelpreis Chemie ’44 ausgehändigt, rückwirkend für seine Entdeckungen.

Kernforschung am Hahn-Meitner-Institut:

Die Pariser Verträge verbieten Deutschland die Wiederaufnahme der Arbeit an Kernenergieprogammen bis 1955. Im Jahr 1958 konnte einer der ersten Forschungsreaktoren in Betrieb genommen werden. Es war der BER I (Berliner-Experimentier-Reaktor), am Hahn-Meitner-Institut in Berlin, mit einer Leistung von 50 kW. Das Institut, das erst ein Jahr nach dem Reaktor eingeweiht wurde, wird um die Sektoren Mathematik und Strahlenchemie erweitert, später kommen noch die Sektoren Kernphysik und Datenverarbeitung hinzu. 1965 wird ein 5,5 MW Van-de-Graaff- Beschleuniger für die Kernphysik aufgebaut.

Die Nachfolge von BER I, der 1971 außer Betrieb genommen wird, tritt BER II, mit einer Leistung von 5 Megawatt, an. Von 1985 bis 1989 erfolgt der Ausbau auf 10 Megawatt verbunden mit besseren Experimentiermöglichkeiten. Es ist ein sogenannter „Schwimmbad- reaktor“. Die thermische Leistung ist hierbei um einige hundert mal geringer als die übliche thermische Leistung eines Kernkraftwerks mit etwa 3000 bis 4000 Megawatt. Entsprechend kleiner ist damit die Größe der Anlage und die Menge des eingesetzten Urans. Unter der Reaktorhalle liegt die Experimentierhalle und die angrenzende Versuchshalle. Dort enden fünf Neutronenleiter-Rohre, mit denen die Neutronen vom Reaktorkern durch das Wasserbecken und die Betonabschirmung zu den Experimentierplätzen geleitet werden. Der Forschungsreaktor erzeugt Neutronen. Diese treffen aus dem Reaktorkern auf die Atome in der Probe. Dabei weden sie gestreut und in Detektoren registriert. Die Art der Streuung erlaubt Einblicke in den Aufbau der verschiedenen Stoffe aus Atomen un Molekülen. Die Neutronen dienen der Wissenschaft gleichsam als Sonde für das Innere der Materie. Es ist auch möglich

- die Bewegung der Atome zu studieren,
- den Aufbau sehr komplizierter Atomgebilde zu bestimmen, z.B. den der Fadenmoleküle von Kunststoffen oder von Makromolekülen biologischer Substanzen,
- Baufehler in der Atomanordnug zu erklären, wie sie bei hohen Temperaturen oder bei Bestrahlung in festen Körpern entstehen.

Die Neutronenstreuung ist in Chemie, Metallkunde und Festkörperphysik durch keine andere Methode ersetzbar.

So viele Vorteile die Wissenschaft auch mit sich bringt, es sei gesagt, dass sie immer auch für schlechte Zwecke verwendet werden kann. Dies ist an keinem Beispiel so deutlich wie an der Kernspaltung, die zum Bau der Atombombe führte und hunderttausenden von Menschen das Leben kostete.

Referent: Alexander Scheerbaum Datum: 24.Januar 2000

Quelle: http://www.hmi.de/grossgeräte/reaktor.html PH1 13/1

http://www.homeworx.net/daten/homeworx/physik/phy0004.htm

http://www.wh2.tu-dresden.de/~sledge/abombe.html

http://www.bbso.hjit.edu/~cdenker/html/hahn-meitner.html http://www.kernenergie.de/wissen/history.cfm