Zuletzt gehört zur Kontrolle eines Technischen Prozess auch eine Messeinrichtung, denn ohne präzise Messungen kann man keine Aussagen über dessen aktuellen Zustand treffen. Für die Kontrolle der Kettenreaktion ist die wichtigste Messgröße damals wie heute der Neutronenfluss, also die Anzahl der in der Spaltzone befindlichen Neutronen in Abhängigkeit der Zeit. Die Wissenschaftler mussten schon im Vorfeld abschätzen, wie groß der Messbereich würde sein müssen, damit alle Zustände sicher würden erfasst werden können. Das Messgerät musste auch ausreichend genau sein, die drei Zustände ansteigender, stationärer und sinkender Neutronenfluss sicher zu unterscheiden. Die Messeinrichtung zu bauen war Aufgabe von Leona Woods, der meines Wissens nach einzigen Frau im Team und einer der wenigen Frauen im Manhattan-Project, die aktiv an der Entwicklung mitarbeiteten.

In der Reaktorphysik ist eine der wichtigsten Größen die Kritikalität als ein Maß für die zeitliche Entwicklung des Neutronenflusses, ausgedrückt durch den Multiplikationsfaktor k. Durch das Ein- und Ausbringen von Absorbermaterial in die Spaltzone kann man k verändern. Wenn k < 1 ist der Reaktor unterkritisch: das heißt, dass nicht genug Neutronen bei der Kettenreaktion freiwerden bzw. zu viele Neutronen absorbiert werden, um diese zu erhalten. Die Kettenreaktion nimmt ab, die Leistung des Reaktors sinkt. Ist k = 1 ist der Reaktor kritisch: das ist der stationäre Zustand, in dem Leistung und Neutronenfluss konstant sind. Ist k > 1 ist der Reaktor überkritisch: Neutronenfluss und Leistung steigen, die Kettenreaktion schwillt an. Die Zustände k ungleich 1 müssen für An- und Abfahrvorgänge beherrscht werden. Um einen Eindruck davon zu geben, was viel oder wenig ist: Ohne jetzt genau auf die Physik einzugehen[1] bedeutet in einem idealen Reaktor ohne Neutronenverluste ein k > 1,0068 für Uran den Start einer fast unkontrollierbaren Kettenreaktion, für Plutonium liegt der Faktor sogar bei k > 1,0022. In der Wirklichkeit, wo immer Neutronen aus dem Reaktor entkommen, ohne an Kernspaltungsreaktionen beteiligt zu sein muss k immer noch Werte nicht größer als etwa 1,03 haben, damit die Kettenreaktion stabil läuft.

Zu Testen ob die vorhandenen Daten stimmen, ob die gemachten Experimente richtig interpretiert wurden, ob die Vorhersagen der Theorien sich bewahrheiten – das waren die Ziele, die man mit CP-1 verfolgte und er sollte die Erwartungen voll erfüllen. An jenem 02. Dezember 1942 gegen 14:00 Ortszeit entfernte George Weil zum Auftakt des erfolgreichen Experiments, nachdem ein erster Versuch am Vormittag abgebrochen werden musste, den ersten Absorberstab. Anderthalb Stunden später interpretierte Enrico Fermi aus den Messdaten, dass die Kettenreaktion in Gang sei. Eine halbe Stunde später, nachdem die Messgeräte einen unzulässig großen Neutronenfluss anzeigten, wurde das Experiment beendet. Geschichte war geschrieben worden: die erste von Menschen gemachte nukleare Kettenreaktion. Es war die Geburtsstunde der Kernenergie.

CP-1 sah primitiv aus, war aber durchdacht. Im Prinzip enthielt er schon alles, was für einen Kernreaktor nötig ist. Seine kruden Formen täuschen über die in vielen Experimente gewonnene Erfahrung hinweg, ohne die weder Geometrie der Anlage, noch Anordnung von Spaltstoff, Absorberstäben und Messgeräten, noch die praktischen Fertigkeiten im Umgang mit den Kontroll- und Sicherheitseinrichtungen möglich gewesen wären. Im Zuge der Jahre 1941/1942 wurden rund 30 kleinere Versuchsanlagen gebaut, mit denen man Schritt für Schritt dem großen Ziel näher rückte. An anderer Stelle (und witziger weise auch in Bezug auf Kernreaktoren) habe ich angedeutet, wie wichtig es ist, erst mit kleinen Anlagen Erfahrungen zu sammeln und peu à peu die Größe zu steigern. CP-1 ist dafür ein gutes Beispiel. So bahnbrechend er war, so wenig kam er aus dem Nichts und so sehr war er selbst Teil eines viel größeren Prozesses, nämlich der Entwicklung der Kernwaffen.

Auf einer abstrakten Ebene bestand CP-1 aus denselben Baugruppen, wie praktisch alle Anlagen, in denen irgendein Prozess abläuft: Ein Teil setzt den Prozess in Gang (Neutronenquelle), ein Teil erfasst Daten aus dem Prozess (Neutronendetektor), ein Teil beeinflusst den Prozess (Moderator und Absorberstäbe). Was das Experiment so besonders macht, ist seine Abhängigkeit von der Richtigkeit theoretischer Modelle. Die Wissenschaflter und Techniker mussten auf Basis ganz weniger experimenteller Daten eine Maschine bauen, die einen nie vorher willentlich herbeigeführten Effekt nicht nur darstellen, sondern auch beherrschen und wieder kontroliiert beenden konnte. Eine gute Theorie der Kernphysik, die verlässliche Aussagen über Prozesse ermöglicht, die potentiell kataklysmische Energien freisetzen können, wenn sie unkontrolliert ablaufen, war unabdingbare Voraussetzung dafür, dass CP-1 so gebaut und betrieben werden konnte.

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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!