Schnelle Neutronen, thermische Neutronen

In der Dezember-Ausgabe des „Spektrum der Wissenschaft“-Magazins findet sich ein interessanter Artikel von Manfred Popp mit der Titel „Hitlers Atombombe – Störfall der Wissenschaftsgeschichte“. Susanne Päch berichtet nebenan ausführlich über die Spurensuche zur Atombombe, die es nie gab. Mir ist bei der Lektüre ein Aspekt aufgefallen, der gut zu einem Thema passt, das ich seit der Frage „Wie schnell ist langsam?“ immer wieder aufgegriffen habe: Die Geschwindigkeit von Atomen und Elementarteilchen und ihre Auswirkung.

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Abrupte Klimaschwankungen seit 2000 Jahren

Innerhalb der letzten zwei Jahrtausende sind verschiedene abrupte Klimaschwankungen nachweisbar. Der fortwährende Wandel des Klimas verzeichnete allein fünf große Klimaepochen und zahlreiche kleinere, die anhand von Klimadiagrammen nachvollzogen werden können:

– Klimaoptimum während der Römerzeit (200 v.Chr. – 400 n.Chr.),
– Klimaverschlechterung zur Zeit der germanischen Völkerwanderungen (400 – 800),
– Mittelalterliches Klimaoptimum (800 – 1300),
– allgemeine Klimaverschlechterung im 14. Jh. mit Kleiner Eiszeit (1450 – 1850),
– zeitgenössisches Klimaoptimum (seit 1850).

Die zugrundeliegenden Prozesse für das Auftreten und die Amplitude der Schwankungen sind umstritten, da als Ursache nicht die menschengemachte CO2-Emission in Frage kommt. Doch aufgrund neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse über die Sonnenaktivität ist nun eine Lösung in Sicht.

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Wesentliche Unterschiede zwischen einem Atomreaktor der ersten Generation und einer Atombombe (Uranbombe) sind die Geschwindigkeit der Neutronen und der Wirkungsquerschnitt der Spaltreaktionen.

Wirkungsquerschnitt

Was Geschwindigkeit ist wissen Sie, der Wirkungsquerschnitt ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, mit der eine Teilchen- oder Kern-Reaktion abläuft. Fliegt ein Teilchen durch eine Ansammlung möglicher Reaktionspartner, so hängt die Wahrscheinlichkeit, dass eine bestimmte Reaktion eintritt, von der Dichte der Ansammlung und von dem Weg des Teilchens ab.

Beide Faktoren sind positiv: Je höher die Dichte von Reaktionspartnern, desto höher die Reaktions-Wahrscheinlichkeit. Je weiter das Teilchen durch die Wolke fliegt, desto sicherer ist eine Reaktion.

Nun ist die Einheit für eine Teilchendichte Teilchen pro Kubikzentimeter. Die Einheit für den zurückgelegten Weg ist Zentimeter. Wenn wir eine Konstante brauchen, die mit Teilchendichte und Wegstrecke multipliziert eine Wahrscheinlichkeit ergibt, dann muss diese Konstante die Einheit Quadratzentimeter haben. Quadratzentimeter bezeichnen einen Querschnitt, den Wirkungsquerschnitt. Wirkungsquerschnitt mal Teilchendichte integriert über die Wegstrecke ergibt eine einheitenlose Größe, die Reaktions-Wahrscheinlichkeit.

Reaktions-Wahrscheinlichkeiten sind Geschwindigkeitsabhängig. Ich hatte das für Fusionsreaktionen einmal herausgesucht. Bei konventionellen Atomreaktoren und Atombomben1 haben wir es mit Spaltreaktionen zu tun, die durch den Einfang von Neutronen ausgelöst werden.

Thermische Atomspaltung

Nun ist dieser Neutroneneinfang um so effektiver, je langsamer die Neutronen sind. Der Wirkungsquerschnitt langsamer Neutronen für diesen Vorgang ist größer. Um einen Reaktor effektiv zu betreiben, lohnt es sich also, die schnellen Neutronen, die bei jeder Kernspaltung auftreten, abzubremsen. Ein Atomreaktor besteht aus den Uranhaltigen Brennstäben und aus einem Moderator, der den Neutronen die Energie nimmt, sie auf seine Temperatur abkühlt und sie somit langsam macht. Die Abgebremsten Neutronen können dann wieder in die Brennstäbe eindringen und dort einen neuen Spaltprozess auslösen.

Wenn die Reaktions-Wahrscheinlichkeit jedes Neutrons gerade so groß ist, dass jede Atomspaltung im Schnitt eine weitere auslöst, ist der Reaktor kritisch.2 Die Reaktion erhält sich selbst. Zieht jede Spaltung mehr als eine nach, ist der Reaktor überkritisch. Er brennt zunehmend heftiger und heizt sich auf. Schlimmsten Falls bis zur Explosion.

Manfred Popp stellt nun klar, dass sich mit diem Konzept, thermische Neutronen zur Kettenreaktion zu verwenden, keine brauchbare Bombe bauen lässt. Und zwar, weil thermische Neutronen nicht viel schneller sind als die Atome in einem lauwarmen Gas. Sobald das Spaltmaterial warm wird und sich ausdehnt, läuft es den thermischen Neutronen davon. Die Reaktion kommt zum Erliegen.

Schnelle Atomspaltung

Unter schnellen Reaktoren habe ich mir früher immer welche vorgestellt, bei dem die Reaktion besonders schnell geht. Das Gegenteil ist der Fall. Bei schnellen Reaktoren sind die Neutronen schnell, damit ist ihre Reaktionsfreudigkeit deutlich gedämpft. Sie reagieren eher langsam. Die Neutronen selbst sind aber so schnell, dass sie die einsetzende Explosion einholen können. Nur so kann eine Atombombe effektiv funktionieren.

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