Samstag vor einer Woche wurde die Kernenergie 75 Jahre alt. Alles Gute nachträglich! Und entschuldige, dass ich nicht zur Party kommen konnte.

Am 02. Dezember 1942 gelang einer Gruppe Wissenschaftler unter Leitung von Enrico Fermi in Amerika ein großer Erfolg. Unter der Tribüne einer Sporthalle der University of Chicago bauten sie den Chicago Pile-1, den ersten von Menschen gebauten Kernreaktor, in dem eine nukleare Kettenreaktion willentlich gestartet, erhalten, kontrolliert und willentlich beendet werden konnte. Er erbrachte den Beweis für die weniger als zehn Jahre zuvor aufgestellte Theorie, dass in einer genügend großen Masse spaltbaren Materials eine Energie freisetzende, sich selbst erhaltende, nukleare Kettenreaktion ablaufen sollte.

Eine nukleare Kettenreaktion läuft in etwa folgendermaßen ab: Ein freies Neutron wird von einem Atomkern eines Spaltstoffes absorbiert, die Anordnung von Protonen und Neutronen im Kern wird gestört. Durch diese Störung gerät der Kern in Schwingungen und zerfällt schließlich in Spaltprodukte, wobei 2-3 Neutronen frei werden, die in alle Richtungen fliegen können und von denen ein Teil aus dem Reaktor entkommen wird, der dann für die Kettenreaktion verloren geht. Der Rest kann neue Kerne spalten, die neue Neutronen freisetzen und so weiter. 1942 war das noch eine theoretische Möglichkeit. Für chemische Prozesse waren Kettenreaktionen zwar schon beobachtet worden, aber keiner wusste, ob sich der Atomkern ebenso verhalten würde. CP-1 wurde gebaut, um diese Frage zu klären.

Dabei gibt es etwas wichtiges zu beachten: Die Vorstellung, dass ein Neutron den Atomkern spaltet wie ein Keil den Holzscheit ist so nicht richtig. Vielmehr wird das Neutron absorbiert und zwingt die Nukleonen im Kern dazu, sich neu anzuordnen. Die dadurch ausgelöste Unruhe lässt den Kern instabil werden und schließlich zerfallen. Neutronen unmittelbar nach dem Zerfall sind sehr schnell und haben deswegen beim Vorbeiflug wenig Zeit für Wechselwirkungen mit einem Kern. Prinzipiell können sie zwar auch Kerne spalten, technisch ist das aber schwierig darzustellen. Besser ist es, wenn die Neutronen möglichst langsam sind, damit sie möglichst lange in Kernnähe bleiben und die Chance möglichst groß ist, vom Kern absorbiert zu werden. Es ist also gar nicht das Ziel, möglichst energiereiche – also schnelle Neutronen – wie mit einer Kanone auf ein festes Ziel zu schießen, sondern man muss im Gegenteil dafür sorgen, dass die Neutronen abgebremst werden. Das erreicht man, indem man dafür sorgt, dass die Neutronen auf ihrem Weg mit anderen Atomkernen elastisch stoßen, die nicht von ihnen gespaltet werden können und die sie auch nicht absorbieren. Indem man also zwischen Neutronenursprung und Zielkern ein passendes Material einbringt, lässt sich die Geschwindigkeit der Neutronen so weit senken, dass sie gerade noch der thermischen Bewegung entspricht. Auf Schlau heißen sie deswegen nicht langsame, sondern thermische Neutronen. Das Stoßmaterial nennt man Moderator und den Vorgang des Abbremsens Moderation. Geeignete Moderatormaterialien haben eine kleine Atommasse, damit beim Stoß möglichst viel Energie ausgetauscht wird (an zu schweren Kernen würde das Neutron einfach reflektiert). Beispiele sind z.B. Graphit und Wasser.

Soweit die theoretischen Vorstellungen, die im Dezember 1942 schon bekannt und experimentell zumindest einigermaßen abgeklopft waren. Die Erwartung der Phyisker war, dass bedingt durch den natürlichen Zerfall von Urankernen bzw. durch eine geeignete Neutronenquelle initial eine erste Generation Neutronen zu Verfügung steht. Durch den Graphitmoderator des Reaktors sollten die Neutronen so weit abgebremst werden, dass sie von benachbarten Urankernen absorbiert werden könnten, die dadurch ebenfalls zur Spaltung angeregt würden und bei der Spaltung eine neue Neutronengeneration entlassen, die wiederum neue Kerne spaltet und so weiter. In einer genügend großen Masse Uranes und bei ausreichender Moderation sollte es möglich sein, den hypothetischen Zustand künstlich darzustellen. Damit aber nicht genug.

Genauso wichtig wie das Darstellen der Kettenreaktion per se ist ihre anschließende Kontrolle. Ein unbeeinflusster Reaktor, in dem eine unkontrolliert anschwellende Kettenreaktion abläuft, ist eine potentiell äußerst gefährliche Maschine und dem Laienpublikum unter dem Namen Atombombe bekannt. Man musste also dem Moderator, der die Kettenreaktion begünstigt einen Antagonisten zur Verfügung stellen, der sie wieder begrenzt. Dafür war CP-1 so konstruiert, dass Stäbe aus einem Neutronen absorbierenden Material (geeignet dafür sind z.B. Cadmium und Bor) eingebracht werden konnten. Für den Notfall war direkt über dem Kern ein Kontrollstab an einem Seil befestigt. Walter Zinn stand mit einer Axt bereit, um im Notfall das Zeil zu durchtrennen und die Kettenreaktion zu stoppen. Angeblich hat Fermi selbst für Zinn das humoristische Backronym Safety Cut Rope Axe Man geprägt (Die Realität ist wieder mal weniger romantisch. (To) Scram heißt auf deutsch so viel wie Stiften gehen und war schon vorher ein Begriff für die Schnellabschaltung von Turbomaschinen).

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Kommentare (12)

  1. […] als Atomkraft-Gegner kann man durchaus den Wissenschaftlern Tribut zollen, die die erste Kettenreaktion in einem Versuchsreaktor 1942 durchgeführt haben. […]

  2. #2 bom.tmp
    15. Dezember 2017

    Hallo Oliver,
    alles Gute nachträglich zur Kernkraft. Was ist gut an einer Kraft, die die Erde zerstören und unbewohnbar machen kann? Die Kernkraft wird sich zum Fluch entwickeln, als Beweis der menschlichen Hybris.
    Hier in Stuttgart hat sich der Nulleffekt der rad. Strahlung in den letzten 30 Jahren um 30 % erhöht.
    Von 12 mikroS/h auf 16 mikroS/h . Warte auf den nächsten Störfall in irgendeinem KKW , dann bist du der Asylant , der in Marokko um Asyl bittet.

    • #3 Oliver Gabath
      15. Dezember 2017

      Was ist gut an einer Kraft, die die Erde zerstören und unbewohnbar machen kann?

      So wie Wind und Wasser. Machen wir uns schon seit Jahrtausenden zunutze, auch wenn sie sehr zerstörterisch sein können. Dereinst wird ja auch die Sonne die Erde unbewohnbar machen, lange vor ihrem eigenen Ende.

      Hier in Stuttgart hat sich der Nulleffekt der rad. Strahlung in den letzten 30 Jahren um 30 % erhöht. Von 12 mikroS/h auf 16 mikroS/h

      16 µSv/h entsprechen 140 mSv/a oder der 7-fachen erlaubten Jahresdosis für beruflich Strahlenexponierte Personen. Bitte gib mir eine verlässliche Quelle für Deine Zahlen in denen auch genannt wird, ob es ein Stuttgarter Mittelwert, oder ein ausgezeichneter Hotspot ist (in diesem kurzen Artikel ist z.B. von weit, WEIT kleineren Dosen an einer besonderen Stelle aus einem besonderen Grund die Rede. Das scheint mir vorsichtig ausgedrückt etwas plausibler. Hier ist eine interessante Karte, sogar mit Angabe des Messgerätetyps).

      Warte auf den nächsten Störfall in irgendeinem KKW , dann bist du der Asylant , der in Marokko um Asyl bittet.

      Unwahrscheinlich. Marokko ist etwas weiter weg als einige zehn Kilometer. Und die reichen schon. Wenn in Phillipsburg die Luft brennt, würde ich wahrscheinlich sogar ganz nahe dran sein. Dann sagt der Landrat vermutlich “Jetzt ist Katastrophe.” und als aktives SEG-Mitglied wäre ich dann dienstverpflichtet.

  3. #4 bom.tmp
    15. Dezember 2017

    OG,
    da habe ich ein Komma unterschlagen. Es muss wahrscheinlich heißen 0,16 mikroS/h. Ich habe gerade meinen Geigerzähler mit Gebrauchsanleitung ausgeliehen. Aber es geht ja um die Steigerungsrate.
    Vor dem Verzehr von Pilzen aus dem Baltikum wird immer noch gewarnt. Mein Sohn war in Cernobyl und da ist im Umkreis alles tot.
    Also so harmlos wie du tust ist die rad. Verstrahlung nicht. Mann muss auch langfristig an die Lebensmittel denken.

    • #5 Oliver Gabath
      15. Dezember 2017

      Es muss wahrscheinlich heißen 0,16 mikroS/h

      Was zwei Größenordnungen doch ausmachen…

      Ich habe gerade meinen Geigerzähler mit Gebrauchsanleitung ausgeliehen.

      So was…

      Aber es geht ja um die Steigerungsrate

      Unter anderem deswegen würde ich gerne wissen, wo die Zahl herkommt und für welche Orte sie gilt.

      Mein Sohn war in Cernobyl und da ist im Umkreis alles tot.

      Na ja…. Wenn Du meinst, dass dort keine Menschen wohnen sollten, die Nachkommen aufziehen wollen, geb ich Dir recht. Alles andere ist möglicherweise ein kleines bisschen übertrieben.

      Also so harmlos wie du tust ist die rad. Verstrahlung nicht. Mann muss auch langfristig an die Lebensmittel denken.

      Harmlos würde ich auch nie sagen. Aber, um mal wieder Herman Kahn zu zitieren: “A catastrophy can be pretty catastrophic without being total.

  4. #6 tomtoo
    16. Dezember 2017

    @Robert
    Mach mal locker. Aber rein statistisch , hätte es Tschernobyl und Fukushima nicht geben dürfen. Und den Müll vergraben wir in Olivers Garten.

    • #7 Oliver Gabath
      17. Dezember 2017

      Vielleicht nicht grade in meinem Garten – der dürfte für die oberirdirschen Einrichtungen zu klein sein. Aber auf dem Gelände nebendran – warum nicht, wenn’s technisch möglich ist? Irgendwo muss jede Art Müll hin.

      Das besondere an abgebrannten Kernbrennstoffen ist, dass sie im Gegensatz zu den schwächer aktiven Arten von Müll (für die es überall auf der Welt schon Endlager gibt, bei denen auch die Katastrophe ausbleibt, wenn so was passiert, noch jede Menge Wärme entwickelt, die sicher abgeführt werden muss. Ohne jetzt ein großer Experte für Entsorgung zu sein, ist meine Vermutung, dass das das große Problem ist.

  5. #8 bom.tmp
    16. Dezember 2017

    tomtoo,
    du bist der Praktiker. Ob Olivers Garten ausreicht? Andererseits bekommt er damit eine Wärmequelle für die nächsten 10 000 Jahre. Selbst bei Schneefall sieht man dann von der ISS einen schwarzen Punkt. Ich glaube, er will nur Aufmerksamkeit. Das ist zutiefst menschlich.

  6. #9 bom.tmp
    16. Dezember 2017

    Oliver Gabath,
    die Zahl kommt von meinem Geigerzähler. Ich habe ihn mir damals nach Cernobyl gekauft und messe regelmäßig in meinem Keller und in meinem Garten. Vor Cernobyl hatten wir 0,12 mikroS/h, gemessen mit einem teuren geeichten Zählrohr, danach 0,16 mikroS/h.
    Seitdem bin ich hellhörig, wenn jemand so sorglose Posts loschickt.

    • #10 Oliver Gabath
      17. Dezember 2017

      In diesem Fall ist die natürliche Strahlenexposition in Deinem Keller und Garten außergewöhnlich niedrig.

      30 % mehr oder weniger von Jahr zu Jahr können bei dieser niedrigen Dosis schon durch Schwankungen in der Radonkonzentration plausibel erklärt werden. Wenn Du über viele Jahre einen kontinuierlichen Anstieg misst, dann wäre das ein Indiz dafür, dass etwas nicht in Ordnung ist, aber zwei Datenpunkte am unteren Ende des Messbereichs sind dafür ein bisschen wenig. Schau Dir noch mal die Grafik von Stuttgart bei opengeiger.de an – da haben die Leute deutlich größere Schwankungen gemessen, nur weil sie ein paar Straßen weiter gingen.

  7. #11 MX
    16. Dezember 2017

    Hallo bom.tmp, Lebensmittel eingelagert, für den Fall der Fälle?

  8. #12 Roland B.
    17. Dezember 2017

    Aber vielleicht besser nicht in dem Keller, in dem die Strahlenbelastung ansteigt!