Bisherige A-Bombeneinsätze im Krieg
Infolge des Krieges in der Ukraine und der Drohung von Putin mit dem möglichen Einsatz von Atombomben, hat die Furcht und damit die Diskussion über derartige Massenvernichtungswaffen wieder in die öffentliche Diskussion gebracht.
Die bisher einzigen Atombomben, die in einer kriegerischen Auseinandersetzung eingesetzt wurden, waren die Atombombenabwürfe auf Hiroshima am 6. August 1945 und auf Nagasaki am 9. August 1945 auf Befehl des 33. US-amerikanischen Präsidenten Harry S. Truman (1884-1972).
Hiroshima
In Hiroshima kamen schätzungsweise 45.000 Menschen sofort durch die Hitze- und Druckwelle sowie durch die dabei entstandene Strahlung – besonders Gamma- und Neutronenstrahlung ums Leben.
Die Druckwelle hatte sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 1.500 km/h = 417 m/s in alle Richtungen ausgebreitet. Große Teile der Stadt (etwa 80%) wurde dabei teilweise oder ganz völlig zerstört. Geradezu verstörend ist der Schatten eines Menschen an einer Mauer, der nur noch von ihm übriggeblieben war. Die Bombe besaß eine Sprengkraft von ca. 12,5 kT (Kilotonnen TNT).
Die etwa 3.000 kg schwere Bombe mit der Bezeichnung „Little Boy“ war mit hochangereichertem U 235 bestückt. Sie wurde von einem B-29 Bomber abgeworfen und in einer Höhe von etwa 550 m zur Explosion gebracht. Im Explosionszentrum der Bombe betrug die Temperatur für kurze Zeit viele 1 Millionen °C und am Boden unter dem Explosionsort bis zu 4.000° C. Kurz nach der Explosion waren etwa 45.000 Menschen verstorben, während in den folgenden vier Monaten die Zahl der Toten auf ca. 136.000 gestiegen war. Der spätere Tod trat entweder durch die nicht heilbaren schweren Verbrennungen oder die Strahlung ein. Erwähnenswert ist, dass die Mortalität von Menschen, die sich zwischen 2 bis 5 km vom Explosionsort entfernt aufgehalten hatten, nur etwa 3% betrug, während sie in einer Entfernung 1 bis 1,5 km etwa 20% betrug.
Nagasaki
In Nagasaki mit etwa 240.000 Einwohnern war eine 4.000 kg schwere Plutoniumbombe (Pu 239) mit der Bezeichnung „Fat Man“ mit einer Sprengkraft von ca. 21 kT TNT in einer Höhe von rund zum Einsatz gekommen, die am Tag der Explosion etwa 22.000 Menschenleben und in den nächsten vier Monaten ca. insgesamt 64.000 gekostet haben.
Hinweis
Die Russen und Amerikaner verfügen jeweils über 6.000 taktische und strategische Kernwaffen. Weitere Atommächte sind Frankreich, Großbritannien, Indien, Pakistan, Nordkorea, China und Israel. In Deutschland werden einige Atombomber der Amerikaner gelagert.
Taktische, Strategische Kernwaffen
Im Verlauf des Krieges in der Ukraine hat Russland mit dem Einsatz taktischen A-Bomben gedroht.
Nach Berichten westlicher Korrespondenten aus Moskau wird im rusischen Staatsfernsehen mittlerweile ganz offen über einem derartigen Einsatz diskutiert. Umfragen zufolge sollen sogar etwa 70% der Russen einen derartigen Einsatz befürworden.
Taktische A-Bomben
Unter taktischen Kernwaffen werden Atombomben mit einer Sprengkraft zwischen etwa 0,1 kT und weniger als 10 kT angesehen. Man spricht deshalb von taktischen Kernwaffen, da sie primär gegen militärische Einrichtungen und Soldaten und weniger gegen Städte und deren Bevölkerung eingesetzt würden. Ihr Zerstörungsradius wäre durchaus beträchtlich, bliebe auf ein Gebiet von mit einem Radius von mehreren 100 m begrenzt.
Strategische Kernwaffen
Strategische Kernwaffen sind Atombomben mit einer Sprengkraft von mehr als etwa 10 kT. Zudem gehören alle Wasserstoffbomben dazu. Ihre Zerstörungskraft umfasst viele Quadratkilometer mit extremen Zerstörungen und tausenden von Toten. Der Einsatz einer Wasserstoffbombe mit der Sprengkraft von über 1 MT auf eine Millionen-Großstadt könnte sogar Millionen Tote und die nahezu vollständige Vernichtung der Stadt zur Folge haben.
Entwicklung der Atombombe
Die erste Kernwaffenexplosion (Trinity-Test) fand am 16. Juli 1945 in der Wüste von Nevada statt. Die Bombe war das Resultat des 1942 begonnenen "Manhattan-Projekts, in dem alle Tätigkeiten der Vereinigten Staaten während des Zweiten Weltkrieges zur Entwicklung und zum Bau einer Atombombe gebündelt wurde. Ziel war die militärische Entwicklung der 1938 von Otto Hahn (1879-1968) und Fritz Straßmann (1902-1980) entdeckten Kernspaltung. Der militärische Leiter des Projekts war General Leslie R. Groves (1896-1970).
An dem Projekt waren Tausende Menschen direkt oder indirekt beschäftigt, darunter zahlreiche auch namhafte Wissenschaftler wie die ungarischen Wissenschaftler Leó Szilárd, Edward Teller (1908-2003) und Eugene Wigner oder Otto Frisch, Rudolf Peierls oder Robert Oppenheimer (1904-1967), Niels Bohr (1885-162), Albert Einstein (1879-1955) und Enrico Fermi (1901- 1954). Die erste A-Bombe der damaligen Sowjetunion, mit der Bezeichnung RDS-1, war eine Kopie des Fat-Man-Entwurfs, die durch Spionage in die Sowjetunion gelangt war.
Die Bombe wurde am 29. August 1949 auf Atomwaffentestgelände Semipalatinsk in Kasachstan in einer Höhe von ca. 30 m gezündet. Die erste Wasserstoffbombe der USA mit einer Sprengkraft von 10,4 Megatonnen TNT und einem Gewicht von über 60.000 kg wurde am 1. November 1952 in Bodennähe zur Explosion gebracht. Der Ort der Explosion war die Insel Elugelab im Eniwetok-Atoll im Pazifik. Die erste sowjetische Wasserstoffbombe - eine RMS-6 mit einer Sprengkraft von 400 kT TNT wurde am 12. August 1953 auf dem Atomwaffentestgelände Semipalatinsk in Kasachstan gezündet.
Und die so genannte Zarenbombe der Sowjetunion war mit einer Sprengkraft von 57 Megatonnen TNT die größte jemals gezündete Wasserstoffbombe.
Wirkungen auf den Menschen
Wie erwähnt, hat eine Kernwaffe im Prinzip drei Wirkungen: Es sind eine enorme Druck- und Hitzewelle und die ionisierende Strahlung, wobei man die unmittelbar bei der Explosion freiwerdende Strahlung – vor allen Neutronen- und Gammastrahlung - von der später freigesetzten Strahlung (Fall out) von den bei der Explosion freigesetzten verschiedene Zerfallsprodukten (Radionuklide) unterscheiden muss. Ionisierende Strahlung kann mit Dosen über etwa 1 bis 2 Sievert (Sv) zur sehr gefährlichen Strahlenkrankheit führen, während kleinere Dosen später eine Krebserkrankung auslösen können. Das Risiko, an Krebs zu erkranken beträgt bei einer Dosis von 1 Sv etwa 7,5% über dem üblichen Krebsrisiko.
Eine Atom-Bombe mit etwa der Sprengkraft der Hiroshima-Bombe würde in einer westlichen Industriestadt bei einem Überraschungsangriff 20 000 bis 30 000 Todesopfer zur Folge haben. Den besten Schutz gewährt natürlich ein Luftschutzraum, aber unterirdische Keller oder die Innenräume eines großen Gebäudes bieten zur Not auch einen gewissen Schutz.
In einem durchschnittlichen schweizerischen Luftschutzraum beispielsweise ist die Chance groß, eine Explosion wie jene in Hiroshima unversehrt zu überstehen, sogar in der Nähe des Nullpunktes der Explosion. Da die Strahlung durch den Fallout jedoch sehr schnell abnimmt, sind die Überlenschancen nach dem Überstehen der Explosion relativ gut. So ist die Strahlung bereits nach zwei Tagen auf ein Prozent der Intensität, die eine Stunde nach der Explosion geherrscht hatte, gefallen.
Ein erster kurzer Aufenthalt außerhalb des Schutzraumes ist dann bereits möglich. Nach zwei Wochen ist die Strahlenintensität auf 0,1 Prozent gesunken und nach einem Jahr auf 1/200 000. Doch bei einer relativ tief gezündeten Wasserstoffbombe ist man in einem großen Umkreis um den Explosionsort selbst in Schutzräumen nahezu chancenlos. Eine ausführliche Beschreibung der Wirkung von ionisierender Strahlung findet man bei Goruma für:
Strahlenwirkungen von hohen Dosen
Strahlenwirkungen von kleinen Dosen
Technische und physikalische, Details
Atombombe
Natürlich vorkommendes Uran mit der Ordnungszahl 92 besteht zu 99,27% aus U 238 und zu 0,72% aus U 235. Der Rest sind kleinste Spuren weiterer Uranisotope. Das Prinzip einer Atombombe besteht darin, mittels verschiedener Techniken die kritische Masse von Uran 235 oder Plutonium 239 extrem kurz zu erreichen oder sogar zu übertreffen, sodass die bei der Spaltung eines Atomkerns freigewordenen Neutronen das Uran bzw. Plutonium nicht mehr verlassen, sondern explosionsartig zu weiteren Kernspaltungen führen, es kommt also zu einer Kettenreaktion. So einfach das Ganze klingt, so aufwendig und schwierig war die Realisierung einer derartigen Bombe. Allein die Herstellung der kritischen Masse des Urans 235 mit einer Reinheit von über 90% erfordert einen gewaltigen Aufwand. Die kritische Masse von Uran 235 beträgt ohne den Einsatz eines Neutronen- Reflektors ca. 49 kg und mit einem 20 cm dicken Reflektor aus Wasser etwa 22,8 kg.
Bei Plutonium liegt die kritische Masse bei ca. 10 kg und mit einem Wasserreflektor bei etwa 5,4 kg. Eine Möglichkeit die kritische Masse zu überschreiten besteht darin, dass unkritische Uran oder Plutonium kugelförmig anzuordnen und mittels eines konventionellen Sprengstoffs in extrem kurzer Zeit so zu komprimieren, dass es zur Kettenreaktion und Explosion kommt. So eifach das klingt, so kompliziert ist der Prozess mittels eines konventionellen Sprengstoff die kritische Masse zu erreichen bzw. zu übertreffen. Einen wesentlichen Anteil an der Funktionsweise dieser in der Abbildung schematisch dargestellten Art von Atombombe hatte der in Ungarn geborene US-amerikanische Mathematiker John von Neumann (1903-1957)
Wasserstoffbombe
Bei einer Wasserstoffbombe werden im Prinzip Wasserstoffatome zu Helium verschmolzen, was im Prinzip in der Sonne geschieht. Um diesen Verschmelzungsprozess (Fusionsprozess) in Gang zu setzen, bedarf es jedoch einer extrem hohen Temperatur, die durch die Explosion einer A-Bombe erreicht werden kann. Also wird eine Wasserstoffbombe durch eine Atombombe gezündet.
Hinweis
In einem Kernreaktor liegt der erforderliche Reinheitsgrad von Uran 235 bei etwa 2- 5%, der Rest besteht aus U 238.
Kernspaltung (etwas genauer)
Es gibt eine Reihe von Atomen, die beim Auftreffen von Neutronen in mehrere Teile - also andere Atome - gespalten werden. Gute Beispiele dafür sind - neben anderen - Uran, Plutonium oder Thorium. So gut wie alle Kernreaktoren weltweit beruhen auf der Spaltung des Uranisotops U 235. Da es im Natururan nur zu ca. 0,7% vorkommt - der Rest ist überwiegend U 238 - muss das Natururan so bearbeitet werden, dass man auf einen Anteil des U 235 von 3-5% kommt. Dieser recht aufwendige Prozess wird als Anreicherung bezeichnet. Um allerdings einen Uran 235-Kern optimal spalten zu können, benötigt man so genannte thermische Neutronen, das sind Neutronen mit einer geringen Energie (ca. 0,025 eV.) Je größer die Energie von Neutronen ist, umso weniger sind sie in der Lage, den Urankern des U 235 zu spalten. Da bei der Spaltung jedoch sehr energiereiche Neutronen entstehen, müssen diese so abgebremst werden, dass die für die Spaltung günstigste Energie besitzen. Diese "Abbremsung" wird als Moderation bezeichnet - und geschieht in einem Reaktorkern z.B. mit Hilfe von Graphit, Wasser oder schwerem Wasser. Sofern ein U235-Kern gespalten wird, kann er z.B. in Caesium 140 (Cs 140) und Rubidium 94 (Rb 94) zerfallen. Aber ein anderer Kern kann auch in Barium 143 (Ba143) und Krypton 90 (Kr90) oder in Xenon 140 (Xe140) und Strontium 93 (Sr 93) zerfallen. Werden sehr viele Urankerne von Neutronen getroffen, so zerfallen sie mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten in die genannten, sowie weitere andere Atome. Es entsteht daher eine riesige Anzahl verschiedener neuer Atomkerne, die ihrerseits oft radioaktiv sind und weiter zerfallen. Mit 6% ist die Spaltung in Xe 140 und Sr 93 am häufigsten. Ganz wichtig ist, dass bei jedem Spaltprozess zwischen zwei und drei Neutronen freiwerden (im Mittel 2,43), die ihrerseits wieder zur Spaltung weiterer Urankerne führen können - nach einer entsprechenden Abbremsung. Außerdem wird bei jedem Spaltprozess Energie frei und zwar in Höhe von 200 MeV (Megaelektronenvolt) pro Atomkern, von denen allerdings10 MeV über die Antineutrinos verloren gehen.
Kettenreaktion
Angenommen, fast alle bei der Spaltung freigewordenen Neutronen spalten wiederum einen weiteren Urankern, so entstehen bei der ersten Spaltung z.B. zwei Neutronen, die dann zwei weitere Urankerne spalten, wobei dann bereits vier Neutronen freiwerden, danach werden es acht, dann 16, 32 und 64 usw. Da ein solcher Prozess extrem schnell verläuft kommt es in extrem kurzer Zeit zu einer Spaltung großer Menge von Kernen und damit zur Freisetzung von einer riesigen Menge Energie. Das ist beispielsweise vereinfacht dargestellt das Prinzip einer Atombombe. Unterhalb eines bestimmten Volumens und damit einer bestimmten Masse, "fliegen" aber so viele Neutronen aus dem Urangemisch hinaus, dass es in einem solchen Fall nicht zu einer explosionsartigen Kettenreaktion kommt. Man bezeichnet die Masse, ab der dies geschehen kann, als kritische Masse. In einem Kernreaktor wird die kritische Masse natürlich nicht erreicht. Hier wird z.B. mit Hilfe von Neutronenabsorbern die Anzahl der mittleren freiwerdenden Neutronen gesteuert und liegt etwas über "eins". Bei einer mittleren Neutronenrate von exakt eins würde der Spaltprozess gerade in Gang gehalten, unter eins käme er zum Erliegen. Die in der Abbildung schematisch dargestellte Kettenreaktion entspricht insofern nicht ganz der Realität, da bei den weiteren Spaltungen nicht immer Barium 139 (Ba 139) und Krypton 95 (Kr 95) entsteht, sondern auch andere Spaltprodukte - und zwar mit einer gewissen statistisch verteilten Häufigkeit. Eine relativ exakte Darstellung hätte aber die Abbildung zu unübersichtlich gemacht.
Neutronen
Die elektrisch neutralen Neutronen bilden zusammen mit den elektrisch positiv geladenen Protonen den Atomkern. Wie erwähnt besitzt mit Ausnahme des Wasserstoffnuklids (H1) jedes Element und jedes Nuklid Neutronen in seinem Atomkern. So besitzt schwerer Wasserstoff (H2) neben dem Proton ein Neutron in seinem Kern und das radioaktive Tritium (H3) sogar 2. Im Atomkern können die Neutronen stabil sein, aber bei einer Reihe von Atomen auch in ein Proton, ein Betaminusteilchen und ein Antineutrino zerfallen. Dann erhöht das Atom wegen des entstandenen Protons seine Ordnungszahl - es entsteht ein anderes Element - während das Betaminusteilchen "davonfliegt". So zerfällt beispielsweise Jod 131 mit einer Halbwertszeit von rund 8 Tagen über einen Betaminuszerfall in Xenon 131. Es hat sich bei dem Zerfall zwar die Ordnungszahl um den Wert 1 erhöht, da sich ein Neutron in ein Proton "umgewandelt" hat, ist aber die Massenzahl gleich geblieben, da die Summe von Protonen und Neutronen sich nicht geändert hat. Das bei dem Zerfall entstandene Antineutrino fliegt mit dem Betateilchen davon, da es aber mit Materie nur extrem selten reagiert, spielt es nur in der Grundlagenforschung eine besondere Rolle. Neutronen besitzen eine etwas größere Masse als Protonen. Sie entstehen in großer Anzahl in Kernreaktoren oder, wie erwähnt, bei der Explosion von Atombomben.
Freie Neutronen sind immer instabil und zerfallen, genau wie im Atomkern, in ein Proton, ein Betaminusteilchen und ein Antineutrino. Ihre Halbwertszeit, also die Zeit, nach der von sehr vielen freien Neutronen die Hälfte zerfallen ist, beträgt etwas mehr als 10 Minuten. Für ein einzelnes Neutron kann man allerdings keine Zerfallszeit angeben. Hat man aber z. B. 1 Milliarde Neutronen vorliegen, so sind es nach ca. 10 Minuten nur noch 500 Millionen und nach weiteren 10 Minuten noch 250 Millionen, usw. Das Neutron wurde im Jahr 1932 von dem britischen Physiker James Chadwick (1891-1974) – ein Schüler Rutherfords - das erste Mal experimentell nachgewiesen. Für seinen Nachweis des Neutrons erhielt Chadwick 1935 den Nobelpreis für Physik. Es sei erwähnt, dass Neutronenstrahlung für den Menschen extrem gefährlich ist. Bei der Explosion von Atombomben und in Kernreaktoren spielen Neutronen eine entscheidende Rolle, da sie z.B. U 235 oder Pu 239 spalten können. Der Zerfall eines Neutrons lässt sich wie folgt schematisch darstellen:
n0 → p+ + β-+ ν
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