Rezeptur der gesteuerten Kernspaltung

Der Mann mit der Axt

Rezeptur der gesteuerten Kernspaltung - Chicago Pole
Chicago Pile 1 - Rezeptur der gesteuerten Kernspaltung; Rechte bei Argonne National Laboratory;
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Rezeptur der gesteuerten Kernspaltung

Der Mann mit der Axt

Von der Ent­de­ckung der Kern­spal­tung im Jah­re 1938 in Deutsch­land bis zur ers­ten Demons­tra­ti­on und Beschrei­bung der Rezep­tur der gesteu­er­ten Kern­spal­tung im Jah­re 1942 in Chi­ca­go sowie der ers­ten Atom­bom­be im Jahr 1945 ver­gin­gen nur sie­ben Jah­re. Die­se Par­al­le­li­tät der Ent­fes­se­lung des ato­ma­ren Feu­ers des Pro­me­theus sowie des zwei­ten Welt­krie­ges set­zen das unheil­vol­le Wett­rüs­ten mit der Gefahr der Mensch­heits­ver­nich­tung in Gang. Kern­ener­gie wur­de aber auch als Ver­hei­ßung einer bes­se­ren Zukunft mit genü­gend Ener­gie für alle Men­schen wahr­ge­nom­men. Höchs­te Risi­ken in Ver­bin­dung mit dem Nut­zen führ­ten zu einer stän­dig ambi­va­len­ten Dis­kus­si­on hin­sicht­lich der Anwen­dung die­ser Ener­gie­quel­le, die im glo­ba­len Maß­stab und in Bezug auf die Anstren­gun­gen zur Wei­ter­ent­wick­lung zuge­hö­ri­ger Tech­no­lo­gien sicher­lich nicht abge­schlos­sen ist. 

Erst haben die Men­schen das Atom gespal­ten, jetzt spal­tet das Atom die Men­schen.“, Ger­hard Uhlen­bruck (*1929), dt. Apho­ris­ti­ker, Immun­bio­lo­ge u. Hoch­schul­leh­rer 

Inhaltsverzeichnis

  1. Die Ener­gie der Atomkerne
  2. Ener­gie­po­ten­zia­le der Kernspaltung
  3. Rezep­tur der gesteu­er­ten Kern­spal­tung oder „Der Mann mit der Axt”
  4. Tech­no­lo­gie­su­che zur Ener­gie­ge­win­nung mit Kern­spal­tung in der Gene­ra­ti­on I
  5. Har­ris­burg, Tscher­no­byl, Fuku­shi­ma und die Gene­ra­ti­on II
  6. Neue Sicher­heits­kon­zep­te und die Gene­ra­ti­on III
  7. Kern­kraft­wer­ke neu gedacht und die Gene­ra­ti­on IV
  8. Die Ener­gie der Son­ne durch Kern­fu­si­on und auf­kom­men­de Technologien

 

Sie verloren ihre Unschuld

Albert Ein­stein for­mu­lier­te im Jahr 1905 den Zusam­men­hang zwi­schen Ener­gie und Mas­se. Ener­gie ist gleich der Mas­se mal dem Qua­drat der Lichtgeschwindigkeit.

Die Ent­de­ckung der Kern­spal­tung durch den Che­mi­ker Otto Hahn gemein­sam mit Fritz Straß­mann und der Kern­phy­si­ke­rin Lise Meit­ner im Jah­re 1938 offen­bar­te die prak­ti­schen Mög­lich­kei­ten die­ser Glei­chung. Dafür erhielt Otto Hahn im Jahr 1945 den Nobel­preis für Che­mie. Der zeit­li­che Zusam­men­hang die­ser For­schun­gen mit dem zwei­ten Welt­krieg erwies sich bald als trei­ben­de Kraft einer Epo­che des Wett­rüs­tens. Füh­ren­de Wis­sen­schaft­ler – unter ihnen auch Albert Ein­stein — warn­ten die US-Regie­rung vor einem mög­li­chen Ein­satz von Kern­spal­tungs­waf­fen durch die Deut­schen. Sie emp­fah­len die Ent­wick­lung der Atom­bom­be in den Ver­ei­nig­ten Staa­ten. Die Zusam­men­füh­rung der klügs­ten Köp­fe in Natur­wis­sen­schaft und Mathe­ma­tik unter wis­sen­schaft­li­cher Lei­tung des deut­schen Phy­si­kers Robert Oppen­hei­mer, der direk­te und indi­rek­te Ein­satz von 150.000 Men­schen sowie eine Mil­li­ar­den Dol­lar schwe­re Finan­zie­rung führ­ten zum Bau der ers­ten Atom­bom­ben. Mit dem Ein­satz die­ser Waf­fen im August 1945 in den japa­ni­schen Städ­ten Hiro­shi­ma und Naga­sa­ki ver­lo­ren die Phy­si­ker ihre Unschuld. Doch dies war nur der Anfang.

Das Ende des zwei­ten Welt­krie­ges war gleich­zei­tig der Beginn eines Zeit­al­ters der Tei­lung unse­res Pla­ne­ten in zwei feind­li­che Blö­cke. Der Wie­der­auf­bau Euro­pas schuf einen ste­tig wach­sen­den Ener­gie­hun­ger. Die Idee zum Ein­satz der Kern­spal­tung als Ener­gie­quel­le war nahe­lie­gend. Damit star­te­te die Ent­wick­lung von Kern­re­ak­to­ren für den Ein­satz in der Strom­erzeu­gung. Gleich­zei­tig führ­te die Spal­tung Euro­pas mit Stell­ver­tre­ter­kon­flik­ten in ande­ren Tei­len der Welt zur Spi­ra­le des Wett­rüs­tens und der Wei­ter­ent­wick­lung von Atom­bom­ben mit immer grö­ße­rer Spreng­kraft. Auch vor der Quel­le der Son­nen­en­er­gie mach­te dies kei­nen Halt. Nach Ent­wick­lung der Was­ser­stoff­bom­be, die statt der Kern­spal­tung die Kern­fu­si­on nutzt, schien das Ende der Mensch­heit nahe.

Sowohl die Ent­wick­lung von Kern­re­ak­to­ren als auch von Kern­waf­fen mit zuge­hö­ri­ger Rake­ten­tech­nik ver­schlang immense Finanz­mit­tel. Die Furcht vor Auf­rüs­tung der jewei­lig ande­ren Sei­te führ­te zur Prio­ri­sie­rung der Waf­fen­ent­wick­lung. Somit muss­ten sich tech­no­lo­gi­sche Kon­zep­te zur Umset­zung der Rezep­tur der gesteu­er­ten Kern­spal­tung für die Ener­gie­ge­win­nung an ihrer Nutz­bar­keit für die Rüs­tungs­ma­schi­ne­rie mes­sen. 

Rezeptur der gesteuerten Kernspaltung und zugehörige Prozeduren

Brennstoffe

Im Kapi­tel „Ener­gie­po­ten­zia­le der Kern­spal­tung“ beschäf­tig­ten wir uns mit den Zuta­ten der Tech­no­lo­gie zur Ener­gie­ge­win­nung mit gesteu­er­ter Kern­spal­tung. Genau wie beim Kochen genügt die Kennt­nis der Rezep­tur nicht, um das per­fek­te Gericht zuzu­be­rei­ten. Der Koch muss auch die Zube­rei­tungs­schrit­te ken­nen, um die Zuta­ten in der rich­ti­gen Rei­hen­fol­ge ein­zu­set­zen und zu nut­zen. Des­halb gehen wir zunächst auf die Aus­wahl mög­li­cher Zuta­ten und Pro­ze­du­ren ein. Vor­erst belas­sen wir es bei weni­gen grund­le­gen­den Infor­ma­tio­nen, um den Über­blick zu straf­fen. Im Rah­men der ver­schie­de­nen Tech­no­lo­gien in den nächs­ten Kapi­teln wer­den wir die Zuta­ten aus­führ­li­cher betrachten.

Zur Rezep­tur gehört der „Brenn­stoff“. Des­sen Spal­tung kann direkt erfol­gen oder durch Umwand­lung eines ande­ren Ele­men­tes gewon­nen, qua­si mit einer Kern­re­ak­ti­on gebrü­tet wer­den. Hier­zu kam zuerst direkt spalt­ba­res Uran-235 in Fra­ge. Aber auch Plu­to­ni­um-239, das bei Kern­re­ak­tio­nen ent­steht, sowie Tho­ri­um-232, das in spalt­ba­res Uran-233 umge­wan­delt wer­den kann, fan­den bei der Ent­wick­lung ers­ter Kern­re­ak­to­ren Beach­tung. 

Der Brenn­stoff kann im fes­ten als auch im flüs­si­gen Zustand ein­ge­setzt wer­den. Beim Ein­satz fes­ter Brenn­stof­fe ist die Ver­ar­bei­tung zu Pel­lets, die dann in Brenn­stä­be gesta­pelt wer­den, weit ver­brei­tet. Aber auch die Ver­ar­bei­tung zu klei­nen Kugeln, die als Kugel­hau­fen in den Reak­tor ein­ge­bracht wer­den, ist mög­lich. 

Langsame und schnelle Neutronen

Neu­tro­nen lösen die Kern­spal­tungs­pro­zes­se des Brenn­stof­fes aus. Kern­phy­si­ker bestimm­ten die Spal­tungs­wahr­schein­lich­keit in Abhän­gig­keit von der Geschwin­dig­keit der Neu­tro­nen. Dabei stell­ten sie fest, dass lang­sa­me Neu­tro­nen mit höhe­rer Wahr­schein­lich­keit die Spal­tung der Atom­ker­ne aus­lö­sen als schnel­le Neu­tro­nen, die auch als ther­mi­sche Neu­tro­nen bezeich­net wer­den. Aber da mit schnel­len Neu­tro­nen wie­der­um ande­re Kern­brenn­stof­fe erzeugt – oder auch erbrü­tet — wer­den konn­ten, fan­den Rezep­tu­ren und Pro­ze­du­ren mit schnel­len Neu­tro­nen unter dem Begriff „Schnel­ler Brü­ter“ wei­te­re Beachtung.

Da sich Reak­to­ren mit ther­mi­schen Neu­tro­nen durch­set­zen, wur­de als wei­te­re Zutat der Rezep­tur zur Kern­spal­tung ein Mode­ra­tor benö­tigt, des­sen Auf­ga­be in der Abbrem­sung der bei Spal­tungs­re­ak­tio­nen frei­wer­den­den schnel­len Neu­tro­nen besteht. Neu­tro­nen wer­den dabei am bes­ten von Teil­chen abge­bremst, die nicht viel schwe­rer sind. Wenn eine Stahl­ku­gel gegen eine gleich schwe­re Stahl­ku­gel stößt, wird die sto­ßen­de Kugel lang­sa­mer und die ange­sto­ße­ne Kugel rollt wei­ter. Stößt aber eine Stahl­ku­gel gegen einen ton­nen­schwe­ren Stahl­block, prallt die Kugel mit glei­cher Geschwin­dig­keit zurück und der Stahl­block bewegt sich nicht. Ana­log ver­hal­ten sich Atom­ker­ne gegen­über den Neu­tro­nen. Schwe­re Ele­men­te sto­ßen schnel­le Neu­tro­nen ein­fach zurück. Bei Zusam­men­stö­ßen mit leich­ten Atom­ker­nen wer­den die sto­ßen­den Neu­tro­nen lang­sa­mer und die ange­sto­ße­nen Ato­me des Mode­ra­tors neh­men die Bewe­gungs­en­er­gie auf. 

Neutronenquelle und Neutronenabsorber

Um dau­er­haft Ener­gie abzu­ge­ben, hält ein Kern­re­ak­tor eine Ket­ten­re­ak­ti­on In Gang. Dabei erzeugt jeder gespal­te­ne Atom­kern neue Neu­tro­nen, die wie­der­um Atom­ker­ne spal­ten kön­nen. Die Spal­tungs­vor­gän­ge kön­nen expo­nen­ti­ell anwach­sen und somit in eine ver­hee­ren­de Explo­si­on mün­den. Aus die­sem Grun­de muss die Rezep­tur zur gesteu­er­ten Kern­spal­tung eine Zutat beinhal­ten, die freie Neu­tro­nen je nach Bedarf ein­fängt. Für die­se Zutat unter der Bezeich­nung Neu­tro­nen­ab­sor­ber gibt es ver­schie­de­ne Möglichkeiten.

Ein­ge­setzt wer­den bei­spiels­wei­se das Metall Cad­mi­um oder Bor in Form von Bor­säu­re. Tref­fen Neu­tro­nen auf Atom­ker­ne die­ser Mate­ria­li­en, kön­nen sie sich anla­gern und wan­deln die Ele­men­te in eine Vari­an­te mit höhe­rer Neu­tro­nen­zahl um. Sie absor­bie­ren also über­schüs­si­ge Neu­tro­nen. Reak­tor­steu­er­stä­be zur Rege­lung der Neu­tro­nen­zahl ent­hal­ten Ele­men­te mit gro­ßer Wir­kungs­wahr­schein­lich­keit für eine Absorp­ti­ons­re­ak­ti­on, bei­spiels­wei­se Cad­mi­um oder Bor. Bei Reak­to­ren mit Was­ser als Kühl­mit­tel wird auch Bor­säu­re zuge­setzt, um durch die Kon­zen­tra­ti­ons­än­de­rung die Neu­tro­nen­zahl zu regeln. Die Zuga­be von Bor­säu­re in das Was­ser ermög­licht auch die Not­ab­schal­tung, wenn die Steu­er­stä­be versagen.

Da erst mit Kern­spal­tun­gen Neu­tro­nen frei­ge­setzt wer­den, die wei­te­re Kern­spal­tun­gen bewir­ken, benö­tigt der Start der Ket­ten­re­ak­ti­on eine geson­der­te Neu­tro­nen­quel­le. Hier­zu wird zum Hoch­fah­ren des Kern­re­ak­tors eine Neu­tro­nen­quel­le in den Bereich der Brenn­stof­fe ein­ge­fah­ren; zum Bei­spiel Cali­for­ni­um-252. 

Wärmeenergie und Kühlung

Die dau­er­haf­te Ket­ten­re­ak­ti­on im Reak­tor erzeugt somit her­um­flie­gen­de Spalt­pro­duk­te und Neu­tro­nen. Die mitt­le­re Bewe­gungs­en­er­gie aller Teil­chen bestimmt die Tem­pe­ra­tur des Medi­ums. Je höher der Tem­pe­ra­tur­un­ter­schied zur Umge­bung ist, des­to mehr Bewe­gungs­en­er­gie kann an die Umge­bung in Form von Wär­me­en­er­gie abge­ge­ben wer­den. Ver­schie­de­ne flüs­si­ge oder gas­för­mi­ge Umge­bungs­me­di­en kön­nen im Kern­re­ak­tor die Wär­me auf­neh­men, abtrans­por­tie­ren und zur Umwand­lung der Wär­me­en­er­gie in ande­re Ener­gie­for­men genutzt wer­den. Die ers­ten Reak­tor­ty­pen ver­wen­de­ten Was­ser. Aber auch Flüs­sig­s­al­ze oder flüs­si­ge Metal­le kön­nen als Medi­um zur Auf­nah­me von Wär­m­ener­gie und zur Küh­lung der hei­ßen Zone der Kern­spal­tung im Reak­tor genutzt werden.

Beim Ein­satz von Was­ser als Kühl­mit­tel sind ver­schie­de­ne Pro­ze­du­ren umsetz­bar. Unter nor­ma­lem Luft­druck auf Mee­res­spie­gel­ni­veau sie­det Was­ser bei 100 Grad Cel­si­us. Ent­spre­chen­de Reak­to­ren wer­den des­halb als Sie­de­was­ser­re­ak­to­ren bezeich­net. Sie erzeu­gen den Dampf zum Antrieb der Tur­bi­nen direkt im Reak­tor. Bei Kern­kraft­wer­ken mit nur einem Kühl­kreis­lauf besteht ein erhöh­tes Risi­ko für eine radio­ak­ti­ve Kon­ta­mi­na­ti­on außer­halb des Reak­tor­be­rei­ches. Aus die­sem Grund sowie auf­grund der mög­li­chen kom­pak­te­ren Bau­wei­se ent­wi­ckel­ten Wis­sen­schaft­ler und Inge­nieu­re den soge­nann­ten Druck­was­ser­re­ak­tor. Was­ser wird bei die­sem Reak­tor­typ unter so hohen Druck gesetzt, dass die Sie­de­tem­pe­ra­tur auf 300 Grad Cel­si­us steigt. Damit ent­ste­hen im Nor­mal­be­trieb nur weni­ge Dampf­bla­sen. Die Dampf­erzeu­gung erfolgt in einem zwei­ten Wasserkreislauf.

Die­ser Sekun­där­kreis­lauf muss nun die mit dem Kühl­mit­tel trans­por­tier­te Wär­me über einen Wär­me­tau­scher auf­neh­men und dem eigent­li­chen Ver­wen­dungs­zweck, der Erzeu­gung elek­tri­scher Ener­gie, zufüh­ren. Dar­aus erge­ben sich ver­schie­de­ne Umset­zungs­for­men von Pri­mär- und Sekun­där­kreis­läu­fen sowie der ange­schlos­se­nen Tur­bi­nen und Gene­ra­to­ren. Dar­auf gehen wir noch in den Kapi­teln zu den ver­schie­de­nen Kraft­werks­ge­ne­ra­tio­nen ein. 

Sicherheit und Abfälle

Schluss­end­lich benö­tigt ein Kern­re­ak­tor ver­schie­de­ne Zuta­ten zur Gewähr­leis­tung der Kraft­werks­si­cher­heit und zum Schutz der Men­schen. Das gilt ins­be­son­de­re für Maß­nah­men, die das Schmel­zen des Kern­brenn­stof­fes und das Ein­tre­ten in den Erd­bo­den sowie das Frei­set­zen von hoch radio­ak­ti­vem Mate­ri­al bei explo­si­ven Vor­gän­gen nach einem Kon­troll­ver­lust bezüg­lich der Ket­ten­re­ak­ti­on ver­hin­dern sol­len. Dazu gehö­ren phy­si­ka­li­sche Funk­tio­nen, wie zum Bei­spiel der noch zu erklä­ren­de  Dampf­bla­sen­ko­ef­fi­zi­ent oder die Aus­deh­nung des Kern­brenn­stof­fes im Not­fall. Dazu gehö­ren aber eben­so tech­ni­sche Ein­rich­tun­gen, die die wei­te­re akti­ve oder pas­si­ve Küh­lung des Brenn­stof­fes bei Abschal­tung und Aus­fall der exter­nen Strom­ver­sor­gung sicher­stel­len. Wei­ter­hin ist das Abküh­len von aus­ge­brann­tem und aus dem Reak­tor ent­fern­tem Brenn­ma­te­ri­al zu gewähr­leis­ten. Zum Bei­spiel lagern die Brenn­stä­be klas­si­scher Reak­tor­ty­pen in mit Was­ser gefüll­ten Abkling­be­cken, die eben­so dau­er­haft zu küh­len sind. 

Jedes Kraft­werk, dass zur Ener­gie­ge­win­nung Brenn­stof­fe benö­tigt, erzeugt Abfall. Bei der Ver­bren­nung im Koh­le­kraft­werk ent­steht Ruß und Koh­len­di­oxid. Das Kern­kraft­werk erzeugt zwar gerin­ge­re Abfall­men­gen, aber die­se Abfäl­le sind bei bestimm­ten Ver­fah­ren hun­dert­tau­sen­de Jah­re hoch radio­ak­tiv und damit über geo­lo­gi­sche Zeit­räu­me vor mensch­li­chem Zugriff und vor einem Kon­takt mit ande­ren Erd- oder Was­ser­schich­ten sicher zu lagern. 

Die Not­wen­dig­keit der End­la­ge­rung sowie der Kon­troll­ver­lust über die Ket­ten­re­ak­ti­on stel­len bei den ers­ten bei­den Kraft­werks­ge­ne­ra­tio­nen die Haupt­ar­gu­men­te gegen den Ein­satz von Kern­ener­gie dar.

Bezüg­lich der beschrie­be­nen Zuta­ten und Abläu­fe für den Betrieb von Kern­re­ak­to­ren wer­den wir in den nächs­ten Kapi­teln unter­schied­li­che Reak­tor­ty­pen in den Gene­ra­tio­nen I bis IV erläu­tern und ein­ord­nen. 

Der Mann mit der Axt

Wir fas­sen noch ein­mal zusam­men. Um ein Kern­kraft­werk auf Basis der Kern­spal­tung zu bau­en, muss­ten sich Wis­sen­schaft­ler und Inge­nieu­re zu fol­gen­den Kom­po­nen­ten der Rezep­tur Gedan­ken machen:

       I.         Brennstoffe

a.      Wel­che Atom­ker­ne sind für Spal­tungs­vor­gän­ge beson­ders geeignet?

b.     In wel­chem Aggre­gat­zu­stand und in wel­cher Form wird der Brenn­stoff zugeführt?

     II.         Neu­tro­nen­quel­le und Neutroneneinfang

a.      Neu­tro­nen­quel­le zum Start der Kettenreaktion

b.     Neu­tro­nen­ab­sor­ber zum Ein­fan­gen von Neu­tro­nen zwecks Regu­lie­rung oder Unter­bin­dung der Kettenreaktion

    III.          Neu­tro­nen­ge­schwin­dig­keit als Aus­lö­ser der Spal­tungs­pro­zes­se sowie Moderatoren

a.      Lang­sa­me (ther­mi­sche) Neutronen

b.     Schnel­le Neutronen

c.      Mode­ra­tor zum Abbrem­sen der Neu­tro­nen 

    IV.         Wär­me­en­er­gie, Trans­port und Kühlung

a.      Medi­en zur Auf­nah­me der Wär­me­en­er­gie der Spaltungsprodukte

b.     Wär­me­trans­port

c.      Küh­lung

     V.         Sicher­heits­kon­zep­te und Abfallbehandlung

a.      Kern­schmel­ze

b.     Abklin­gen aus­ge­brann­ter Brennstoffe

c.      Abfäl­le und Abfalllagerung

Die auf­ge­führ­ten Rezep­tur­po­si­tio­nen I.a bis V.c wer­den bei der Beschrei­bung ver­schie­de­ner Reak­tor­ty­pen zur Ein­ord­nung und zum Ver­gleich immer wie­der benutzt.

Wie bewäl­tig­ten nun die Pio­nie­re der ers­ten Stun­de die­se Her­aus­for­de­rung beim Bau des ers­ten Kern­re­ak­tors? Der Bau einer Atom­bom­be war dage­gen die ein­fa­che­re Auf­ga­be. Hier­zu muss­te man sich nur um den Brenn­stoff, die initia­le Neu­tro­nen­quel­le sowie die rich­ti­ge Neu­tro­nen­ge­schwin­dig­keit Gedan­ken machen. Der Neu­tro­nen­ein­fang für eine gesteu­er­te Ket­ten­re­ak­ti­on, der Abtrans­port der Wär­me­en­er­gie, die Küh­lung sowie die Abfall­be­hand­lung spiel­ten kei­ne Rol­le. Sicher­heits­kon­zep­te betra­fen nur die Ver­hin­de­rung der unge­plan­ten Zündung.

Trotz­dem umfass­te das ers­te Expe­ri­ment auf dem Weg zur Atom­bom­be im Man­hat­tan-Pro­jekt die Demons­tra­ti­on der gesteu­er­ten Ket­ten­re­ak­ti­on. Der Beweis, dass eine nuklea­re Ket­ten­re­ak­ti­on über­haupt mög­lich ist, wur­de mit dem Pro­jekt Chi­ca­go Pile 1 erbracht. Sicher­heits­kon­zep­te spiel­ten dabei noch eine unter­ge­ord­ne­te Rol­le. Heu­te völ­lig undenk­bar, fand die­ses Expe­ri­ment mit­ten in Chi­ca­go auf der Tri­bü­ne eines Fuß­ball­sta­di­ons der städ­ti­schen Uni­ver­si­tät statt. Der Phy­si­ker und Nobel­preis­trä­ger Enri­co Fer­mi lei­te­te das Vor­ha­ben. 

Als Brenn­stoff (Rezep­tur­po­si­ti­on I.a) dien­te Uran im fes­ten Zustand und in Form ein­zel­ner Blö­cke (Rezep­tur­po­si­ti­on I.b) mit der zuvor bestimm­ten kri­ti­schen Mas­se zur Aus­lö­sung einer Ket­ten­re­ak­ti­on. Gra­phit über­nahm die Rol­le des Mode­ra­tors (Rezep­tur­po­si­ti­on III.c) zur Abbrem­sung der bei der Spal­tung frei­wer­den­den schnel­len Neu­tro­nen (Rezep­tur­po­si­ti­on III.b) zu ther­mi­schen Neu­tro­nen (Rezep­tur­po­si­ti­on III.a). Die­se Grund­bau­stei­ne wur­den als sechs Meter hoher Turm mit 5,4 Ton­nen Uran­me­tall und 45 Ton­nen Uran­oxid für den Brenn­stoff sowie 360 Ton­nen Gra­phit für den Mode­ra­tor [Bild­quel­le: Chi­ca­go Pile 1]. Als Steu­er­stä­be zur Neu­tro­nen­ab­sorp­ti­on dien­ten her­aus­zieh­ba­re Cad­mi­um-Stan­gen (Rezep­tur­po­si­ti­on II.b). Das Her­aus­zie­hen der Cad­mi­um-Stan­gen beschleu­nig­te die Ket­ten­re­ak­ti­on und das Ein­fah­ren brems­te die Reak­ti­on ab. Eine Neu­tro­nen­quel­le wur­de nicht ver­wen­det (Rezep­tur­po­si­ti­on II.a), da sich Uran auch spon­tan spal­ten und damit Neu­tro­nen frei­set­zen kann, jedoch nicht zeit­lich deter­mi­niert und steuerbar.

Die­se Kon­struk­ti­on mit­ten in der Stadt war aben­teu­er­lich. Zu ver­zei­hen ist dies nur durch den Umstand, dass damals die Gefah­ren noch unzu­rei­chend bekannt waren. Für wel­ches Sicher­heits­kon­zept ent­schie­den sich die Wis­sen­schaft­ler? Hier kommt der Mann mit der Axt ins Spiel. Über dem Pile hing an einem an der Decke befes­tig­ten, star­ken Seil ein Regel­ele­ment aus Cad­mi­um. Dane­ben stand ein Mann mit einer Axt. Bei einer zu stark anstei­gen­den Leis­tung der Ket­ten­re­ak­ti­on soll­te der Mann mit der Axt das Seil durch­schla­gen. Das Cad­mi­um-Regel­ele­ment wäre her­un­ter­ge­fal­len, um die Reak­ti­on zu stop­pen. Zusätz­lich stan­den drei Mit­ar­bei­ter bereit, um im Not­fall den Chi­ca­go Pile mit einer Cad­mi­um-Salz­lö­sung zu flu­ten. Das ers­te Kon­zept der Schnell­ab­schal­tung war gebo­ren. Seit­her heißt die Reak­tor­schnell­ab­schal­tung Scram. Die­ser eng­li­sche Begriff steht für „abhau­en“ oder „Lei­ne ziehen“.

Da die­ser Ver­suchs­auf­bau nicht das Ziel hat­te, Ener­gie in rele­van­ter Grö­ßen­ord­nung zu gewin­nen und zu nut­zen, wur­den Medi­en zur Wär­me­auf­nah­me, zum Wär­me­trans­port und zur Küh­lung nicht benö­tigt (Rezep­tur­po­si­ti­on IV.a bis IV.c). Eben­so erüb­rig­te sich damit das Pro­blem einer mög­li­chen Kern­schmel­ze durch zu hohe Tem­pe­ra­tu­ren und das not­wen­di­ge Abklin­gen eines hei­ßen und hoch reak­ti­ven Brenn­stof­fes (Rezep­tur­po­si­ti­on V.a und V.b).

Über die Behand­lung des Abfal­les aus die­sem Expe­ri­ment ist nichts bekannt (Rezep­tur­po­si­ti­on V.c).

Am 2. Dezem­ber 1942 konn­te das Expe­ri­ment erfolg­reich durch­ge­führt wer­den. Es demons­trier­te die Mög­lich­keit einer gesteu­er­ten Ket­ten­re­ak­ti­on mit einer Leis­tung von 0,5 Watt. Der Mann mit der Axt Georg Weil sowie die anwe­sen­den Wis­sen­schaft­ler unter Leis­tung von Enri­co Fer­mi ris­kier­ten dafür ihr Leben.

Im nächs­ten Kapi­tel beschäf­ti­gen wir uns mit den Reak­tor­ent­wick­lun­gen der ers­ten Gene­ra­ti­on, die für die Ener­gie­ge­win­nung geeig­ne­te Kon­struk­tio­nen und Varia­tio­nen der Reak­tor­re­zep­tur auf­zeig­ten. 

 

Quellen

[Chi­ca­go Pile 1] Bild: Chi­ca­go Pile 1 — Rezep­tur der gesteu­er­ten Kern­spal­tung; Rech­te bei Argon­ne Natio­nal Labo­ra­to­ry; This work is licen­sed under Crea­ti­ve Com­mons Attri­bu­ti­on-Non­Com­mer­cial-ShareA­li­ke 2.0 Gene­ric Licen­se; http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/

 

Rezep­tur der gesteu­er­ten Kern­spal­tung” — Lei­men / Hei­del­berg — 20. Dezem­ber 2022

Andre­as Kieß­ling, ener­gy design

Über Andreas Kießling 99 Artikel
Andreas Kießling hat in Dresden Physik studiert und lebt im Raum Heidelberg. Er beteiligt sich als Freiberufler und Autor an der Gestaltung nachhaltiger Lebensräume und zugehöriger Energiekreisläufe. Dies betrifft Themen zu erneuerbaren und dezentral organisierten Energien. Veröffentlichungen als auch die Aktivitäten zur Beratung, zum Projektmanagement und zur Lehre dienen der Gestaltung von Energietechnologie, Energiepolitik und Energieökonomie mit regionalen und lokalen Chancen der Raumentwicklung in einer globalisierten Welt.

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