Kann eine offene, unsichere Kernfusionsreaktion die Atmosphäre verbrennen?

Nach dem, was ich in „American Prometheus: The Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer“ gelesen habe, war Teller der erste, der diese Besorgnis vor dem Trinity-Test zum Ausdruck brachte. Zitiert auch aus: http://www.sciencemusings.com/2005/10/what-didnt-happen.html

Der Physiker Edward Teller erwog eine andere Möglichkeit. Die enorme Temperatur einer Spaltungsexplosion – mehrere zehn Millionen Grad – könnte Kerne leichter Elemente wie Wasserstoff miteinander verschmelzen, ein Prozess, der auch Energie freisetzt (später würde diese Erkenntnis die Grundlage für Wasserstoffbomben sein). Wenn die Temperatur einer Detonation hoch genug wäre, würden Stickstoffatome in der Atmosphäre verschmelzen und dabei Energie freisetzen. Die Entzündung von atmosphärischem Stickstoff könnte dazu führen, dass Wasserstoff in den Ozeanen fusioniert. Das Trinity-Experiment könnte den gesamten Planeten versehentlich in eine Kettenreaktions-Fusionsbombe verwandeln.

Robert Oppenheimer, Chef der amerikanischen Atomwissenschaftler, nahm Tellers Vorschlag ernst. Er diskutierte darüber mit Arthur Compton, einem weiteren führenden Physiker. „Das wäre die ultimative Katastrophe“, schrieb Compton. "Besser die Sklaverei der Nazis akzeptieren, als die Chance zu nutzen, den letzten Vorhang über die Menschheit zu ziehen!"

Oppenheimer bat Hans Bethe und andere Physiker, ihre Berechnungen zur Zündtemperatur von Stickstoff und den zu erwartenden Abkühlungseffekten im Feuerball einer Atombombe zu überprüfen. Die neuen Berechnungen deuteten darauf hin, dass ein atmosphärischer Flächenbrand unmöglich war." Bethe zeigte dann offenbar überzeugend, dass die Atmosphäre nicht durch eine Atombombe in Brand gesetzt würde.

Ich möchte einfach die Antwort von Physicsphile ergänzen .

Die Hauptquelle für diese Frage ist

Konopinski, E.J.; C.Marvin; Edward Telle, „Ignition of the Atmosphere with Nuclear Bombs“, Technischer Bericht Nr. LA-602 des Los Alamos National Laboratory

Es zeigt, dass die Antwort auf die Frage des OP "höchst unwahrscheinlich" ist. Es beweist nicht die Unmöglichkeit. Es ist eine interessante Lektüre aus der Sicht, dass dies die Berechnungen und Überlegungen waren, mit denen die gesamte Zukunft des Lebens auf der Erde entschieden wurde.

Als Physiker würde ich sagen, dass das Dokument sehr solide ist. Insgesamt akzeptabel, um Entscheidungen über Geldausgaben jeglicher Art zu treffen, sogar so solide, dass man einem Experiment zustimmen würde, bei dem sogar Hunderte von Menschenleben riskiert werden könnten (obwohl es schwer ist, sich ein realistisches Beispiel vorzustellen). Aber es ist ein wenig beängstigend, daran zu denken, dass damit die gesamte Zukunft des Lebens auf der Erde entschieden wurde....

Schauen wir uns also die experimentellen Daten an. Wir haben die Atmosphäre noch nicht entzündet. Ich denke, diese experimentelle Tatsache ist wichtig für Ihre Frage: Soweit ich es verstehe, werden die feinen Details der Explosionsdynamik zu einem großen Teil durch Versuch und Irrtum gefunden, und solche experimentellen Daten werden sowieso alle klassifiziert. Aber die folgenden Kommentare sind wahrscheinlich relevant. Die bisher größte Bombe war die sowjetische Zarenbombe, die entwischte$2.4\times10^{17}J$, oder$2.6{\rm kg}$(das ist richtig, Kilogramm!) Energie (57MT TNT-Äquivalent). Der Feuerball dieses Monsters hatte einen Durchmesser von acht Kilometern. Bei dieser Bombengröße haben Sie wahrscheinlich eine Skala erreicht, bei der größere Bomben ein proportional größeres Raumvolumen bei ungefähr denselben Temperaturen bedeuten (in der Größenordnung von$10^8{\rm K}$). Darüber hinaus berechnete Edward Teller, dass bei nicht viel höheren Ausbeuten die Auswirkung der erhöhten Ausbeute (soweit es die Atmosphäre betrifft) vernachlässigbar ist: Ein großer Teil der Atmosphäre um die Explosion herum wird auf die Fluchtgeschwindigkeit der Erde beschleunigt und geht in den Weltraum verloren. Das Hinzufügen von Ertrag bedeutet also einfach, dass das entweichende Gas schneller entweichen wird: Es kommt nicht zurück, sobald es erreicht ist$11{\rm km\, s^{-1}}$, also ist es egal, was damit passiert.

Zusammenfassung : Die Hauptreaktionen in der Luft beinhalten Stickstoff und im Meer Deuterium. Basierend auf dem Wissen, das Bethe in den 1940er Jahren hatte, und unter sehr optimistischen Annahmen, schien eine außer Kontrolle geratene Fusion in der Luft unmöglich zu sein, aber mit einem kleinen Sicherheitsfaktor von weniger als 2, wenn Sie eine Fusionsbombe mit einem Radius von 3 Metern verwenden würden flüssiges Deuterium. Das wäre eine Superbombe, die viel mächtiger wäre als jede Bombe, die wir uns vorstellen könnten. Eine außer Kontrolle geratene Fusion im Ozean war nie plausibel.

1975 wurde jedoch in einem Kommentar von Dr. Gilbert zu einem Artikel zu diesem Thema klar, dass die Atmosphäre bei weitem nicht dicht genug für eine anhaltende Fusionsreaktion ist, selbst wenn die Stickstoffreaktion die gleiche Energieausbeute wie die Deuterium-Tritium-Fusion hatte (die meisten reaktive bekannte Fusionsreaktion) aufgrund von Energieverlusten - und was das Meer betrifft, so würden die Energieverluste für eine Fusionsreaktion es selbst in einem Meer aus reinem D2O anstelle von H2O unmöglich machen. Die Energieverluste sind zu groß für eine anhaltende Fusion bei den Drücken, die wir in einem Erdozean erreichen können.

Dies sollte nicht allzu überraschend sein. Schließlich wurde die Erde im frühen Sonnensystem vor allem in den ersten Milliarden Jahren häufig von großen Impaktoren mit einem Durchmesser von hundert Kilometern und mehr getroffen. Keine unserer Atombomben kommt auch nur annähernd an die Erwärmung der Atmosphäre oder des Ozeans heran, und offensichtlich verursachten sie keine anhaltenden Fusionsreaktionen in der Atmosphäre oder im Ozean. Schließlich gibt es viel Wasser im Ozean und es wurde nicht alles in Helium umgewandelt, und die Atmosphäre wurde nicht in Magnesium umgewandelt – wir würden sicherlich die Signatur eines solchen Ereignisses sehen, selbst wenn es später irgendwie wieder aufgefüllt würde . Sogar der Chicxulub-Impaktor hatte eine Energie von etwa 100 Millionen Megatonnen, die er freisetzte, oder zwei Millionen Mal stärker als die Tsar Bomba. SehenWissenschaftler von UT Austin berichtet über Ergebnisse einer Untersuchung des Yucatan-Kraters im Zusammenhang mit dem Massensterben von Dinosauriern

Es ist möglich, dass Braune Zwerge eine sporadische Deuteriumfusion haben, aber das ist bei viel höheren Drücken in den Kernen dieser Objekte. Siehe DIE DEUTERIUM-VERBRENNENDE MASSENGRENZE FÜR BRAUNE ZWERGE UND RIESENPLANETEN

EINZELHEITEN

Hier gibt es eine gute Darstellung des historischen Hintergrunds und der Zitate, und es fasst die Reaktionen zusammen, die sie berücksichtigt haben:

• (Die Unmöglichkeit) Atmosphärisches Feuer zu entzünden

Dongwoo Chung, 16. Februar 2015, eingereicht als Kursarbeit für die Stanford University.

Es gibt zwei konkurrierende Berichte darüber, wie ernst sie es damals genommen haben, beide wahrscheinlich in der Erzählung überdramatisiert.

Bob Serber:

Edward [Teller] brachte die berüchtigte Frage auf, die Atmosphäre zu entzünden. Bethe ging auf seine übliche Weise los, trug die Zahlen ein und zeigte, dass das nicht passieren konnte. Es war eine Frage, die beantwortet werden musste, aber es war nie etwas, es war nur eine Frage für ein paar Stunden. Oppy machte den großen Fehler, es in einem Gespräch mit Arthur Compton am Telefon zu erwähnen. Compton hatte nicht genug Verstand, um darüber die Klappe zu halten. Es kam irgendwie in ein Dokument, das nach Washington ging. Ab und zu bemerkte es danach zufällig jemand, und dann kam die Leiter runter und die Frage kam, und das Ding wurde nie zur Ruhe gebracht.

Bucks-Interview mit Compton

Während der nächsten drei Monate diskutierten Wissenschaftler in geheimen Konferenzen die Gefahren der Fusion, jedoch ohne Einigung. Wieder übernahm Compton die Führung in der Endentscheidung. Wenn sich nach Berechnungen herausstellte, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Erde durch die Atomexplosion verdampft, bei mehr als etwa drei zu einer Million liege, würde er das Projekt nicht weiterführen. Berechnungen ergaben etwas weniger Zahlen – und das Projekt ging weiter.

Wie er sagt:

Beide Berichte haben sicherlich auf ihre jeweilige Weise ein ansprechendes dramatisches Flair, aber wenn sie so unterschiedliche Bilder der beteiligten Diskussionen zeichnen, müssen wir ihre genauen Details für die Nachwelt als verloren betrachten.

DETAILS VON BETHE'S BERECHNUNG

Dongwoo Chung scheint in seinen Zusammenfassungen des Papiers einige kleinere numerische Fehler gemacht zu haben, vielleicht weil der Text stellenweise schwer zu lesen ist. Also gehe ich für die Berechnungen zum Papier selbst.

Zündung der Atmosphäre mit Atombomben .

Kurz gesagt sind die Hauptreaktionen in der Luft

N14 + N14 → Mg24 + α + 17,7 MeV

Bethe berechnet einen Sicherheitsfaktor von etwa 1,6 bei etwa 10 MeV

Er berechnet jedoch eine mittlere freie Weglänge in Luft von 57 Metern, sodass für eine anhaltende Fusion ein Bereich mit einem Radius von mindestens 57 Metern erhitzt werden muss.

Um so viel Atmosphäre auf 10 MeV aufzuheizen, müssen seiner Berechnung nach 1.500 Tonnen spaltbares Material verbrannt werden (er sagt nicht, ob es U235 oder Plutonium ist). Aber normalerweise geht nur 1 % in die Erwärmung der Luft, sodass 150.000 Tonnen auf einmal gezündet werden müssten, um die Temperatur von 10 MeV zu erreichen.

Für eine Fusionsreaktion berechnet er, dass zum Erreichen von 10 MeV über einen Radius von 57 Metern ein Radius von 3 Metern flüssiges Deuterium auf einmal zur Detonation gebracht werden müsste.

[Dongwoo Chung sagt aus irgendeinem Grund, dass es ein Radius von 7 Metern ist - der Text ist an manchen Stellen etwas unklar, vielleicht hat er ihn nur falsch gelesen]

Es gibt eine zusätzliche Reaktion

N14 + N14 → O12 + C16 + 10,6 MeV

Dies erfordert "nur" eine Deuteriumkugel mit einem Radius von 1 bis 1,5 Metern, aber der Sicherheitsfaktor erhöht sich auf 2,67

Im Ozean sind die Reaktionen:

O16 + H1 → F17 + γ D2 + D2 → H3 + H1 D2 + D2 → He3 + n D2 + H1 → He3 + γ

Aber die Sicherheitsfaktoren sind hier weitaus höher

AKTUALISIERTE ERGEBNISSE VON DR. GILBERT IM JAHR 1975

Dies sind Kommentare von Dr. Gilbert, stellvertretender Direktor der Militäranwendung der US Energy R&D Administration Washington,

LLL-Kommentare zur ultimativen Katastrophe

• Für die Atmosphäre hat die Atmosphäre eine viel zu geringe Dichte für eine anhaltende Reaktion

Einfache Berechnungen zeigen, dass die Atmosphäre eine so geringe Dichte hat, dass selbst bei enorm hoch angenommenen Querschnitten die Verbrennung viel langsamer abläuft als die Prozesse, die dazu neigen, die Materie mit ihrer Strahlung in ein Tieftemperaturgleichgewicht zu klemmen. Die verfügbare Energie pro Volumeneinheit in Luft selbst bei vollständiger Verbrennung des atmosphärischen Stickstoffs reicht nur aus, um eine Gleichgewichtstemperatur von weniger als 1,5 keV zu erzeugen, wobei über 99% der Energie in Strahlung liegen.

Erklärt auch früher

Die Auswirkungen ungewöhnlich großer Querschnitte für die Stickstoffverbrennung wurden noch nie bei Sternen beobachtet, die die erforderlichen Bestandteile, hohe Temperaturen und Milliarden von Jahren Reaktionszeit aufweisen. Die Reaktion N14 + N14 -> + Mg24 wurde von Konopinski et. Die starke elektrostatische Abstoßung der geladenen Stickstoffionen erfordert jedoch eine relative Energie von ungefähr 8,6 MeV, damit sie sich nahe genug annähern, um zu verschmelzen. ... Wir kennen keine Möglichkeit, auch nur 10 % der erforderlichen Temperaturen zu erzeugen.

Die Wirkungsquerschnitte für die Reaktionen N14 (a,p) und O17 (a,n) in der Kette, die Dr. McNally als „die gefährlichste Vervielfachungskette in der Luft“ ansieht, wurden ebenfalls gemessen und zeigen keine Resonanz über 250 mb, mehr als eine Größenordnung zu niedrig, um eine Fusionskettenreaktion aufrechtzuerhalten, selbst wenn ausreichende Temperaturen erreicht werden könnten. ... Selbst wenn Stickstoff um ein Vielfaches so reaktiv wäre wie DT, der reaktivste bekannte Kernbrennstoff, würde die thermonukleare Energieerzeugungsrate bei jeder plausiblen Temperatur immer noch nicht ausreichen, um die Energieverluste durch Bremsstrahlung und den inversen Compton-Effekt zu überwinden.

• Für das Meer scheitert die Ausbreitung selbst in einem Meer aus reinem D2O unter hohem Druck.

Das Meer wurde auf einfachste, aber konservativste Weise modelliert, indem angenommen wurde, dass es sich um zwei Prozent D2O bei hohem Druck handelt – mehr als das 100-fache der tatsächlichen Deuteriumkonzentration. Anfänglich hohe Temperaturen in der Nähe einer 500 Mt masselosen Energiequelle sanken in 2 x 10^-8 Sekunden um einen Faktor ~100. Modellmeer produzierte zusätzliche 0,006 Prozent der Quellenergie, bevor die Ertragsproduktion stoppte. Die tatsächliche Deuteriumkonzentration im Meerwasser hätte selbst bei dieser winzigen Verbrennung um den Faktor 20.000 abgenommen. Tatsächlich scheiterte die Ausbreitung (mit großem Abstand) in einem Modellmeer aus reinem D2O unter hohem Druck!

Um die 60er Jahre wurde ein Vertrag unterzeichnet, um die Entwicklung von Kernfusionsanlagen mit einer Ausbeute von mehr als etwa 50 MT (genaue Zahl nicht mehr zu erinnern) zu verbieten, um die Fusion von atmosphärischem Wasserstoff und damit die unkontrollierte Vervielfachung der Sprengkraft der Anlage zu verhindern. Das war, bevor der Threshold Test Ban Treaty 1974 unterzeichnet wurde und 1990 in Kraft trat.