Eine nukleare Kettenreaktion tritt auf, wenn die Neutronenmengen durch Spaltung multipliziert werden. Ein Neutron löst eine Spaltung aus, die dazu führt, dass das gespaltene Atom mehrere Neutronen freisetzt. Wenn von diesen mehreren Neutronen im Durchschnitt eines eine andere Spaltung verursacht, haben wir eine kontrollierte nukleare Kettenreaktion wie in einem Kernreaktor, während nukleare Sprengstoffe eine exponentielle Vervielfachung haben, da mehr als eines der freigesetzten Neutronen andere Spaltungen verursacht.
Was ich mich bei nuklearen Kettenreaktionen jedoch immer gefragt habe, ist: Wie beginnt die Kettenreaktion? Irgendwo muss es ein Neutron geben, das die Kettenreaktion auslöst.
Laut Wikipedia-Artikel über freien Neutronenzerfall hat ein freies Neutron, wenn es irgendwo ein freies Neutron gibt, eine Halbwertszeit von nur 10 Minuten und zerfällt nach dieser Zeit in Proton und Elektron (und ein Neutrino). Auf dieser Grundlage sollten freie Neutronen also wirklich selten sein – schließlich ist das Universum über 13 Milliarden Jahre alt, also sollten alle verbleibenden freien Neutronen etwa 0,7*10 15 Halbwertszeiten bis zum Zerfall gehabt haben.
Offensichtlich gibt es einige Prozesse, die neue Neutronen freisetzen. Beispielsweise können einige Atome spontan spalten. In Plutonium-239-Bomben ist immer eine gewisse Menge Plutonium-240 vorhanden, das durch spontane Spaltung Neutronen freisetzt. Daher muss jeder Kernsprengstoff aus Plutonium extrem schnell bis über die kritische Masse zusammengesetzt werden und der Anteil an Plutonium-240 muss niedrig gehalten werden, sonst beginnt die Kettenreaktion zu früh, wenn die Masse noch nicht über der kritischen Masse liegt eine ausreichend große Marge.
Allerdings sollten Uran-235-Bomben und Kernreaktoren, die heute meist angereichertes Uran-235 verbrennen, zunächst kein Plutonium-240 enthalten, wenn sie mit dem Brennstoff beladen werden. Offensichtlich wird Plutonium-240 später durch zwei Neutroneneinfänge durch Uran-238 gebildet, aber zunächst sollte es nicht vorhanden sein. Auch Spaltprodukte können verzögerte Neutronen emittieren, aber wenn der Reaktor anfänglich mit Brennstoff beladen wird, sollten keine Spaltprodukte in der Nähe sein.
Wie also beginnt eine nukleare Kettenreaktion? Wie erreicht das erste Neutron die kritische Masse eines spaltbaren Materials?
Allerdings sollten Uran-235-Bomben und Kernreaktoren, die heute meist angereichertes Uran-235 verbrennen, zunächst kein Plutonium-240 enthalten, wenn sie mit dem Brennstoff beladen werden.
Die spontane Spaltung ist nicht exklusiv für Plutonium-240. Uran, Thorium und die Transurane (einschließlich aller Plutoniumisotope) haben ebenfalls eine geringe Wahrscheinlichkeit einer spontanen Spaltung. Es besteht also immer die Möglichkeit, dass irgendwo in Ihrer Baugruppe das erste Neutron entsteht und eine Kettenreaktion gestartet wird.
In der Praxis werden Spaltungskettenreaktionen in Kernreaktoren jedoch häufig durch Einfügen einer Neutronenquelle in den Kern gestartet.
In einer Atombombe spaltet sich das spaltbare Bombenmaterial immer spontan und erzeugt dadurch Neutronen – aber die Form des Uran- oder Plutoniummaterials ist so, dass die meisten Neutronen entweichen, ohne weitere Spaltungen zu verursachen. Zum Beispiel kann man die kritische Masse von Uran in zwei Halbkugeln aufteilen und sie weit genug voneinander entfernt anordnen, dass die von der einen emittierten Neutronen in der anderen keine Spaltungen auslösen.
Um die Bombe zu zünden, zünden Sie herkömmliche Sprengstoffe, die die Teile zusammendrücken, und sobald der Materialklumpen fast kugelförmig ist, müssen die Neutronen weitere Spaltungen auslösen, bevor sie entweichen können. Da eine Spaltung (im Durchschnitt) etwas mehr als zwei freie Neutronen erzeugt, "läuft der Spaltungsprozess dann weg" und innerhalb einer Mikrosekunde oder so explodiert die gesamte Bombe.
Sie können das spaltbare Material auch in Form eines länglichen Eis herstellen und es dann mit Sprengstoff in eine Kugelform pressen oder das Material zu einer Hohlkugel formen und es mit Sprengstoff umgeben, um es in eine Kugelform zu zerkleinern.
Um sicherzustellen, dass die Bombe wie beabsichtigt explodiert, ist es auch üblich, in ihr eine Neutronenquelle zu platzieren, die bei Aktivierung einen schnellen und intensiven Neutronenblitz genau in der Mitte der Bombe in dem Moment erzeugt, in dem der Sprengstoff das spaltbare Material zertrümmert.
Frühe Bombendesigns verwendeten eine Neutronenquelle, die aus Beryllium und Polonium bestand, die durch das Zerkleinern des umgebenden spaltbaren Materials durch die Sprengstoffe miteinander vermischt wurden. Die vom Polonium spontan emittierten Alphateilchen trafen dann auf die Berylliumkerne und veranlassten sie, Neutronen zu emittieren. Diese Neutronen garantierten dann die sofortige Kritikalität der spaltbaren Masse.
Die Aktivität des Poloniums lässt mit der Zeit stark nach, was bedeutet, dass seine Wirksamkeit während der Lagerung der Waffe nachlässt und daher nachgefüllt werden musste. Spätere Bombenkonstruktionen verwendeten Neutronengeneratoren außerhalb der spaltbaren Kernmasse, die beim Auslösen Neutronen hineinschossen, die zum Nachfüllen leichter zerlegt werden konnten.
Die modernsten Konstruktionen verwenden Miniatur-Teilchenbeschleuniger, die Protonen auf Ziele schießen, die hochenergetische Neutronen erzeugen, die dann in den Kern geleitet werden. Diese gepulsten Neutronenquellen müssen nicht regelmäßig nachgefüllt werden, da sie kein Polonium enthalten.
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