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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Atombombe. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Atomwaffen (oder Atomwaffen) – eine Reihe von Atomwaffen, deren Transportmittel zum Ziel und Kontrollen. Bezieht sich auf Massenvernichtungswaffen sowie biologische und chemische Waffen. Atommunition ist eine explosive Waffe, die auf der Nutzung von Kernenergie basiert, die infolge einer lawinenartigen nuklearen Kettenreaktion der Spaltung schwerer Kerne und/oder einer thermonuklearen Fusionsreaktion leichter Kerne freigesetzt wird. Die Welt des Atoms ist so fantastisch, dass ihr Verständnis einen radikalen Bruch mit den üblichen Vorstellungen von Raum und Zeit erfordert. Atome sind so klein, dass, wenn ein Wassertropfen auf die Größe der Erde vergrößert werden könnte, jedes Atom in diesem Tropfen kleiner als eine Orange wäre. Tatsächlich besteht ein Wassertropfen aus 6000 Milliarden Milliarden (6000000000000000000000) Wasserstoff- und Sauerstoffatomen. Und doch hat das Atom trotz seiner mikroskopischen Größe eine Struktur, die in gewisser Weise der Struktur unseres Sonnensystems ähnelt. In seinem unfassbar kleinen Zentrum, mit einem Radius von weniger als einem Billionstel Zentimeter, befindet sich eine relativ riesige „Sonne“ – der Kern eines Atoms. Um diese atomare "Sonne" kreisen winzige "Planeten" - Elektronen -. Der Kern besteht aus zwei Hauptbausteinen des Universums - Protonen und Neutronen (sie haben einen einheitlichen Namen - Nukleonen). Ein Elektron und ein Proton sind geladene Teilchen, und die Ladungsmenge in jedem von ihnen ist genau gleich, aber die Ladungen unterscheiden sich im Vorzeichen: Das Proton ist immer positiv geladen und das Elektron ist immer negativ. Das Neutron trägt keine elektrische Ladung und hat daher eine sehr hohe Permeabilität. In der atomaren Messskala wird die Masse von Proton und Neutron als Einheit genommen. Das Atomgewicht jedes chemischen Elements hängt daher von der Anzahl der in seinem Kern enthaltenen Protonen und Neutronen ab. Beispielsweise hat ein Wasserstoffatom, dessen Kern nur aus einem Proton besteht, eine Atommasse von 1. Ein Heliumatom mit einem Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen hat eine Atommasse von 4. Die Kerne von Atomen desselben Elements enthalten immer die gleiche Anzahl an Protonen, aber die Anzahl an Neutronen kann unterschiedlich sein. Atome, die Kerne mit der gleichen Anzahl von Protonen haben, sich aber in der Anzahl der Neutronen unterscheiden und mit Sorten des gleichen Elements verwandt sind, werden Isotope genannt. Um sie voneinander zu unterscheiden, wird dem Elementsymbol eine Zahl zugeordnet, die der Summe aller Teilchen im Kern eines bestimmten Isotops entspricht. Es stellt sich die Frage: Warum zerfällt der Kern eines Atoms nicht? Schließlich handelt es sich bei den darin enthaltenen Protonen um elektrisch geladene Teilchen gleicher Ladung, die sich mit großer Kraft abstoßen müssen. Dies erklärt sich dadurch, dass es innerhalb des Kerns auch sogenannte intranukleare Kräfte gibt, die die Teilchen des Kerns anziehen. Diese Kräfte kompensieren die Abstoßungskräfte von Protonen und verhindern, dass der Kern spontan auseinanderfliegt. Die intranuklearen Kräfte sind sehr stark, wirken aber nur auf sehr kurze Distanz. Daher erweisen sich Kerne schwerer Elemente, die aus Hunderten von Nukleonen bestehen, als instabil. Die Teilchen des Kerns sind hier in ständiger Bewegung (innerhalb des Volumens des Kerns), und wenn Sie ihnen zusätzliche Energie hinzufügen, können sie innere Kräfte überwinden - der Kern wird in Teile geteilt. Die Menge dieser überschüssigen Energie wird als Anregungsenergie bezeichnet. Unter den Isotopen schwerer Elemente gibt es solche, die kurz vor dem Selbstzerfall zu stehen scheinen. Nur ein kleiner „Anstoß“ genügt, zum Beispiel ein einfacher Treffer eines Neutrons im Kern (und es muss nicht einmal auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt werden), damit die Kernspaltungsreaktion startet. Einige dieser "spaltbaren" Isotope wurden später künstlich hergestellt. In der Natur gibt es nur ein solches Isotop - es ist Uran-235.
Uranus wurde 1783 von Klaproth entdeckt, der ihn aus Uranpech isolierte und nach dem kürzlich entdeckten Planeten Uranus benannte. Wie sich später herausstellte, handelte es sich tatsächlich nicht um Uran selbst, sondern um sein Oxid. Reines Uran – ein silberweißes Metall – wurde erst 1842 von Peligo gewonnen. Das neue Element hatte keine bemerkenswerten Eigenschaften und erregte erst 1896 Aufmerksamkeit, als Becquerel das Phänomen der Radioaktivität von Uransalzen entdeckte. Danach wurde Uran Gegenstand wissenschaftlicher Forschung und Experimente, hatte aber noch keine praktische Anwendung. Als den Physikern im ersten Drittel des 1934. Jahrhunderts der Aufbau des Atomkerns mehr oder weniger klar wurde, versuchten sie zunächst, den alten Traum der Alchemisten zu verwirklichen – sie versuchten, ein chemisches Element in ein anderes umzuwandeln. XNUMX berichteten französische Forscher, die Eheleute Frederic und Irene Joliot-Curie, der Französischen Akademie der Wissenschaften von folgendem Experiment: Beim Beschuss von Aluminiumplatten mit Alphateilchen (Heliumatomkernen) verwandelten sich Aluminiumatome in Phosphoratome, aber nicht gewöhnlich, aber radioaktiv, das sich wiederum in ein stabiles Siliziumisotop umwandelte. So wurde aus einem Aluminiumatom, dem ein Proton und zwei Neutronen hinzugefügt wurden, ein schwereres Siliziumatom. Dieses Experiment führte zu der Idee, dass, wenn Neutronen auf die Kerne des schwersten in der Natur vorkommenden Elements - Uran - "gefeuert" werden, man ein Element erhalten kann, das unter natürlichen Bedingungen nicht existiert. 1938 wiederholten die deutschen Chemiker Otto Hahn und Fritz Strassmann allgemein die Erfahrung der Joliot-Curie-Ehegatten, Uran statt Aluminium zu nehmen. Die Ergebnisse des Experiments waren überhaupt nicht das, was sie erwartet hatten - statt eines neuen superschweren Elements mit einer Massenzahl größer als die von Uran erhielten Hahn und Strassmann leichte Elemente aus dem mittleren Teil des Periodensystems: Barium, Krypton, Brom und einige andere. Die Experimentatoren selbst konnten das beobachtete Phänomen nicht erklären. Erst im folgenden Jahr fand die Physikerin Lisa Meitner, der Hahn von ihren Schwierigkeiten berichtete, eine korrekte Erklärung für das beobachtete Phänomen, die darauf hindeutete, dass beim Beschuss von Uran mit Neutronen sein Kern gespalten (gespalten) wurde. In diesem Fall sollten sich Kerne leichterer Elemente gebildet haben (dort wurden Barium, Krypton und andere Substanzen entnommen) sowie 2-3 freie Neutronen freigesetzt. Weitere Forschungen ermöglichten es, das Bild dessen, was passiert, im Detail zu klären. Natürliches Uran besteht aus einer Mischung von drei Isotopen mit den Massen 238, 234 und 235. Die Hauptmenge an Uran fällt auf das Isotop 238, dessen Kern 92 Protonen und 146 Neutronen umfasst. Uran-235 ist nur 1/140 des natürlichen Urans (0%) (es hat 7 Protonen und 92 Neutronen in seinem Kern), und Uran-143 (234 Protonen, 92 Neutronen) macht nur 142/1 der Gesamtmasse von Uran aus (17500 %). Das am wenigsten stabile dieser Isotope ist Uran-0. Von Zeit zu Zeit teilen sich die Kerne seiner Atome spontan in Teile, wodurch leichtere Elemente des Periodensystems gebildet werden. Der Prozess wird von der Freisetzung von zwei oder drei freien Neutronen begleitet, die mit einer enormen Geschwindigkeit rasen - etwa 006 km / s (sie werden als schnelle Neutronen bezeichnet). Diese Neutronen können andere Urankerne treffen und Kernreaktionen verursachen. Jedes Isotop verhält sich dabei anders. Uran-238-Kerne fangen diese Neutronen in den meisten Fällen einfach ohne weitere Umwandlungen ein. Aber in etwa einem von fünf Fällen, wenn ein schnelles Neutron mit dem Kern des 238-Isotops kollidiert, tritt eine merkwürdige Kernreaktion auf: Eines der Uran-238-Neutronen gibt ein Elektron ab und verwandelt sich in ein Proton, dh das Uranisotop verwandelt sich in ein schwereres Element - Neptunium-239 (93 Protonen + 146 Neutronen). Aber Neptunium ist instabil - nach einigen Minuten emittiert eines seiner Neutronen ein Elektron und verwandelt sich in ein Proton, woraufhin sich das Neptunium-Isotop in das nächste Element im Periodensystem verwandelt - Plutonium-239 (94 Protonen + 145 Neutronen). Wenn ein Neutron in den Kern von instabilem Uran-235 eintritt, kommt es sofort zur Spaltung - die Atome zerfallen unter Emission von zwei oder drei Neutronen. Es ist klar, dass diese Reaktion im natürlichen Uran, dessen Atome größtenteils zum Isotop 238 gehören, keine sichtbaren Folgen hat – alle freien Neutronen werden schließlich von diesem Isotop absorbiert. Aber was, wenn wir uns ein ziemlich massives Stück Uran vorstellen, das vollständig aus dem Isotop 235 besteht? Hier wird der Prozess anders verlaufen: Die bei der Spaltung mehrerer Kerne freigesetzten Neutronen, die wiederum in benachbarte Kerne fallen, verursachen deren Spaltung. Dadurch wird eine neue Portion Neutronen freigesetzt, die die nachfolgenden Kerne spaltet. Unter günstigen Bedingungen verläuft diese Reaktion wie eine Lawine und wird als Kettenreaktion bezeichnet. Ein paar Bombardierungspartikel können ausreichen, um es zu starten. Lassen Sie in der Tat nur 235 Neutronen Uran-100 bombardieren. Sie werden 100 Urankerne spalten. Dabei werden 250 neue Neutronen der zweiten Generation freigesetzt (durchschnittlich 2 pro Spaltung). Die Neutronen der zweiten Generation werden bereits 5 Spaltungen erzeugen, bei denen 250 Neutronen freigesetzt werden. In der nächsten Generation wird es 625 sein, dann 1562, dann 3906 und so weiter. Die Anzahl der Divisionen erhöht sich unbegrenzt, wenn der Prozess nicht gestoppt wird. In Wirklichkeit gelangt jedoch nur ein unbedeutender Teil der Neutronen in die Atomkerne. Der Rest, schnell zwischen ihnen hineilend, wird in den umgebenden Raum getragen. Eine selbsterhaltende Kettenreaktion kann nur in einer ausreichend großen Anordnung von Uran-235 ablaufen, das eine kritische Masse haben soll. (Diese Masse beträgt unter normalen Bedingungen 50 kg.) Es ist wichtig zu beachten, dass die Spaltung jedes Kerns mit der Freisetzung einer enormen Energiemenge einhergeht, die etwa 300 Millionen Mal höher ist als die für die Spaltung aufgewendete Energie ! (Es wurde geschätzt, dass die gesamte Spaltung von 1 kg Uran-235 so viel Wärme freisetzt wie die Verbrennung von 3 Tonnen Kohle.) Dieser kolossale Energieschub, der in wenigen Augenblicken freigesetzt wird, manifestiert sich als eine monströse Explosion Kraft und liegt dem Einsatz von Atomwaffen zugrunde. Damit diese Waffe jedoch Realität werden kann, muss die Ladung nicht aus natürlichem Uran bestehen, sondern aus einem seltenen Isotop - 235 (solches Uran wird als angereichert bezeichnet). Später wurde festgestellt, dass reines Plutonium ebenfalls ein spaltbares Material ist und anstelle von Uran-235 in einer Atomladung verwendet werden kann. Alle diese wichtigen Entdeckungen wurden am Vorabend des Zweiten Weltkriegs gemacht. Bald begannen in Deutschland und anderen Ländern geheime Arbeiten zur Schaffung einer Atombombe. In den Vereinigten Staaten wurde dieses Problem 1941 aufgegriffen. Der gesamte Werkkomplex erhielt den Namen „Manhattan Project“. Die administrative Leitung des Projekts lag bei General Groves, die wissenschaftliche Leitung bei Professor Robert Oppenheimer von der University of California. Beide waren sich der enormen Komplexität der vor ihnen liegenden Aufgabe bewusst. Daher war Oppenheimers erstes Anliegen die Gewinnung eines hochintelligenten wissenschaftlichen Teams. In den Vereinigten Staaten gab es damals viele Physiker, die aus dem faschistischen Deutschland emigriert waren. Es war nicht einfach, sie in die Herstellung von Waffen einzubeziehen, die gegen ihre ehemalige Heimat gerichtet waren. Oppenheimer sprach alle persönlich an und setzte dabei die ganze Kraft seines Charmes ein. Bald gelang es ihm, eine kleine Gruppe von Theoretikern zu versammeln, die er scherzhaft "Koryphäen" nannte. Und in der Tat umfasste es die größten Experten der damaligen Zeit auf dem Gebiet der Physik und Chemie. (Unter ihnen sind 13 Nobelpreisträger, darunter Bohr, Fermi, Frank, Chadwick, Lawrence.) Neben ihnen gab es viele andere Spezialisten mit unterschiedlichen Profilen. Die US-Regierung sparte nicht an Ausgaben, und die Arbeit nahm von Anfang an einen grandiosen Umfang an. 1942 wurde in Los Alamos das größte Forschungslabor der Welt gegründet. Die Bevölkerung dieser Wissenschaftsstadt erreichte bald 9 Menschen. In Bezug auf die Zusammensetzung der Wissenschaftler, den Umfang der wissenschaftlichen Experimente, die Anzahl der an der Arbeit beteiligten Spezialisten und Arbeiter war das Labor von Los Alamos in der Weltgeschichte einzigartig. Das „Manhattan-Projekt“ hatte seine eigene Polizei, Spionageabwehr, Kommunikationssystem, Lagerhäuser, Siedlungen, Fabriken, Labors und sein eigenes kolossales Budget. Das Hauptziel des Projekts war es, genügend spaltbares Material zu erhalten, aus dem mehrere Atombomben hergestellt werden können. Neben Uran-235 könnte, wie bereits erwähnt, das künstliche Element Plutonium-239 als Ladung für die Bombe dienen, das heißt, die Bombe könnte entweder Uran oder Plutonium sein. Groves und Oppenheimer waren sich einig, dass die Arbeiten gleichzeitig in zwei Richtungen durchgeführt werden sollten, da nicht im Voraus entschieden werden kann, welche von ihnen erfolgversprechender ist. Beide Methoden unterschieden sich grundlegend voneinander: Die Akkumulation von Uran-235 musste durch Abtrennung von der Masse des natürlichen Urans erfolgen, und Plutonium konnte nur als Ergebnis einer kontrollierten Kernreaktion durch Bestrahlung von Uran-238 mit gewonnen werden Neutronen. Beide Wege erschienen ungewöhnlich schwierig und versprachen keine einfachen Lösungen. Denn wie lassen sich zwei Isotope voneinander trennen, die sich nur geringfügig in ihrem Gewicht unterscheiden und sich chemisch genau gleich verhalten? Weder die Wissenschaft noch die Technologie standen jemals vor einem solchen Problem. Auch die Plutoniumproduktion erschien zunächst sehr problematisch. Zuvor war die gesamte Erfahrung mit Kernumwandlungen auf mehrere Laborexperimente reduziert. Jetzt war es notwendig, die Produktion von Kilogramm Plutonium im industriellen Maßstab zu beherrschen, eine spezielle Anlage dafür zu entwickeln und zu bauen - einen Kernreaktor - und zu lernen, wie man den Verlauf einer Kernreaktion steuert. Und hier und da musste ein ganzer Komplex komplexer Probleme gelöst werden. Daher bestand das „Manhattan Project“ aus mehreren Teilprojekten, die von prominenten Wissenschaftlern geleitet wurden. Oppenheimer selbst war Leiter des Los Alamos Science Laboratory. Lawrence leitete das Radiation Laboratory an der University of California. Fermi leitete die Forschung an der University of Chicago zur Schaffung eines Kernreaktors. Das wichtigste Problem war zunächst die Beschaffung von Uran. Vor dem Krieg hatte dieses Metall eigentlich keine Verwendung. Jetzt, da es sofort in großen Mengen benötigt wurde, stellte sich heraus, dass es keine industrielle Möglichkeit gab, es herzustellen. Das Unternehmen Westinghouse nahm seine Entwicklung auf und erzielte schnell Erfolge. Nach Reinigung von Uranharz (in dieser Form kommt Uran in der Natur vor) und Gewinnung von Uranoxid wurde es in Tetrafluorid (UF4) umgewandelt, aus dem durch Elektrolyse metallisches Uran isoliert wurde. Standen den amerikanischen Wissenschaftlern Ende 1941 nur wenige Gramm metallisches Uran zur Verfügung, so erreichte die industrielle Produktion in den Westinghouse-Fabriken bereits im November 1942 6000 Pfund pro Monat. Gleichzeitig wurde an der Schaffung eines Kernreaktors gearbeitet. Der Prozess der Plutoniumherstellung lief eigentlich auf die Bestrahlung von Uranstäben mit Neutronen hinaus, wodurch ein Teil des Uran-238 in Plutonium umgewandelt werden musste. Neutronenquellen könnten in diesem Fall spaltbare Uran-235-Atome sein, die in ausreichender Menge zwischen Uran-238-Atomen verstreut sind. Aber um eine konstante Reproduktion von Neutronen aufrechtzuerhalten, musste eine Kettenreaktion der Spaltung von Uran-235-Atomen beginnen. Inzwischen kamen, wie bereits erwähnt, auf jedes Atom Uran-235 140 Atome Uran-238. Es ist klar, dass Neutronen, die in alle Richtungen fliegen, sie auf ihrem Weg mit viel größerer Wahrscheinlichkeit treffen. Das heißt, eine große Anzahl freigesetzter Neutronen wurde vom Hauptisotop vergeblich absorbiert. Offensichtlich konnte die Kettenreaktion unter solchen Bedingungen nicht ablaufen. Wie sein? Zunächst schien es, dass ohne die Trennung zweier Isotope der Betrieb des Reaktors im Allgemeinen unmöglich sei, aber ein wichtiger Umstand stellte sich bald heraus: Es stellte sich heraus, dass Uran-235 und Uran-238 für Neutronen unterschiedlicher Energie empfindlich waren. Es ist möglich, den Kern eines Uran-235-Atoms mit einem Neutron relativ niedriger Energie zu spalten, das eine Geschwindigkeit von etwa 22 m/s hat. Solche langsamen Neutronen werden nicht von Uran-238-Kernen eingefangen – dafür müssen sie eine Geschwindigkeit in der Größenordnung von Hunderttausenden Metern pro Sekunde haben. Mit anderen Worten, Uran-238 ist machtlos, um den Beginn und Fortgang einer Kettenreaktion in Uran-235 zu verhindern, die durch Neutronen verursacht wird, die auf extrem niedrige Geschwindigkeiten verlangsamt werden - nicht mehr als 22 m/s. Dieses Phänomen wurde von dem italienischen Physiker Fermi entdeckt, der seit 1938 in den Vereinigten Staaten lebte und hier die Arbeiten zur Schaffung des ersten Reaktors überwachte. Fermi entschied sich für Graphit als Neutronenmoderator. Nach seinen Berechnungen hätten die von Uran-235 emittierten Neutronen, nachdem sie eine 40 cm dicke Graphitschicht passiert hatten, ihre Geschwindigkeit auf 22 m/s verringert und eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion in Uran-235 gestartet. Als weiterer Moderator könnte das sogenannte „schwere“ Wasser dienen. Da die Wasserstoffatome, aus denen es besteht, in Größe und Masse Neutronen sehr nahe kommen, könnten sie diese am besten abbremsen. (Bei schnellen Neutronen passiert ungefähr das Gleiche wie bei Bällen: Trifft ein kleiner Ball auf einen großen, rollt er zurück, fast ohne an Geschwindigkeit zu verlieren, aber wenn er auf einen kleinen Ball trifft, überträgt er einen erheblichen Teil seiner Energie auf ihn - so wie ein Neutron bei einem elastischen Stoß von einem schweren Kern abprallt und dabei nur geringfügig abgebremst wird und beim Stoß mit den Kernen von Wasserstoffatomen sehr schnell seine gesamte Energie verliert.) Gewöhnliches Wasser ist jedoch nicht zum Abbremsen geeignet, da sein Wasserstoff dazu neigt Neutronen zu absorbieren. Deshalb sollte für diesen Zweck Deuterium verwendet werden, das Bestandteil von "schwerem" Wasser ist. Anfang 1942 begann unter der Leitung von Fermi der Bau des allerersten Atomreaktors auf dem Tennisplatz unter der Westtribüne des Chicago Stadium. Alle Arbeiten wurden von den Wissenschaftlern selbst durchgeführt. Die Reaktion kann auf die einzige Weise gesteuert werden - durch Einstellen der Anzahl der an der Kettenreaktion beteiligten Neutronen. Fermi stellte sich vor, dies mit Stäben aus Materialien wie Bor und Cadmium zu tun, die Neutronen stark absorbieren. Als Moderator dienten Graphitsteine, aus denen die Physiker 3 m hohe und 1 m breite Säulen errichteten, zwischen denen rechteckige Blöcke mit Uranoxid eingebaut wurden. Etwa 2 Tonnen Uranoxid und 46 Tonnen Graphit gingen in die gesamte Struktur. Zur Verlangsamung der Reaktion dienten in den Reaktor eingebrachte Cadmium- und Borstäbe. Als ob das nicht genug wäre, standen zur Sicherheit auf einer Plattform über dem Reaktor zwei Wissenschaftler mit Eimern, die mit einer Lösung von Cadmiumsalzen gefüllt waren - sie sollten sie auf den Reaktor gießen, wenn die Reaktion außer Kontrolle gerät. Glücklicherweise war dies nicht erforderlich. Am 2. Dezember 1942 befahl Fermi, alle Steuerstäbe auszufahren, und das Experiment begann. Vier Minuten später begannen die Neutronenzähler immer lauter zu klicken. Mit jeder Minute wurde die Intensität des Neutronenflusses größer. Dies deutete darauf hin, dass im Reaktor eine Kettenreaktion stattfand. Es dauerte 28 Minuten. Dann signalisierte Fermi, und die abgesenkten Stangen stoppten den Vorgang. Damit hat der Mensch erstmals die Energie des Atomkerns freigesetzt und bewiesen, dass er sie nach Belieben steuern kann. Jetzt gab es keinen Zweifel mehr daran, dass Atomwaffen eine Realität waren. 1943 wurde der Fermi-Reaktor demontiert und zum Aragonese National Laboratory (50 km von Chicago entfernt) transportiert. Bald wurde hier ein weiterer Kernreaktor gebaut, in dem schweres Wasser als Moderator verwendet wurde. Es bestand aus einem zylindrischen Aluminiumtank mit 6 Tonnen schwerem Wasser, in den 5 Stäbe aus Uranmetall, eingeschlossen in eine Aluminiumhülle, vertikal geladen wurden. Die sieben Steuerstäbe wurden aus Cadmium hergestellt. Um den Tank herum befand sich ein Graphitreflektor, dann ein Schirm aus Blei- und Cadmiumlegierungen. Die gesamte Struktur war von einer Betonhülle mit einer Wandstärke von etwa 120 m umgeben.Experimente an diesen Versuchsreaktoren bestätigten die Möglichkeit der industriellen Produktion von Plutonium. Das Hauptzentrum des "Manhattan Project" wurde bald die Stadt Oak Ridge im Tennessee River Valley, deren Bevölkerung in wenigen Monaten auf 79 Menschen anwuchs. Hier wurde in kurzer Zeit die erste Anlage zur Herstellung von angereichertem Uran errichtet. Unmittelbar im Jahr 1943 wurde ein Industriereaktor in Betrieb genommen, der Plutonium produzierte. Im Februar 1944 wurden daraus täglich etwa 300 kg Uran gewonnen, aus dessen Oberfläche durch chemische Trennung Plutonium gewonnen wurde. (Dazu wurde das Plutonium zunächst gelöst und dann ausgefällt.) Das gereinigte Uran wurde dann wieder in den Reaktor zurückgeführt. Im selben Jahr begann in der kargen, trostlosen Wüste am Südufer des Columbia River der Bau der riesigen Hanford Plant. Hier befanden sich drei leistungsstarke Kernreaktoren, die täglich mehrere hundert Gramm Plutonium lieferten. Parallel dazu lief die Forschung zur Entwicklung eines industriellen Verfahrens zur Urananreicherung auf Hochtouren. Nachdem sie verschiedene Optionen in Betracht gezogen hatten, entschieden sich Groves und Oppenheimer, sich auf zwei Methoden zu konzentrieren: Gasdiffusion und elektromagnetische. Die Gasdiffusionsmethode basierte auf einem Prinzip, das als Grahamsches Gesetz bekannt ist (es wurde erstmals 1829 vom schottischen Chemiker Thomas Graham formuliert und 1896 vom englischen Physiker Reilly entwickelt). Leitet man nach diesem Gesetz zwei Gase, von denen eines leichter ist als das andere, durch einen Filter mit vernachlässigbar kleinen Öffnungen, so wird etwas mehr leichtes Gas hindurchtreten als schweres Gas. Im November 1942 entwickelten Urey und Dunning an der Columbia University ein Gasdiffusionsverfahren zur Trennung von Uranisotopen auf der Grundlage des Reilly-Verfahrens. Da natürliches Uran ein Feststoff ist, wurde es zunächst in Uranfluorid (UF6) umgewandelt. Dieses Gas wurde dann durch mikroskopisch kleine – in der Größenordnung von Tausendstel Millimetern – Löcher im Filterseptum geleitet. Da der Unterschied in den Molmassen der Gase sehr gering war, stieg der Gehalt an Uran-235 hinter dem Baffle nur um den Faktor 1,0002 an. Um die Uran-235-Menge noch weiter zu erhöhen, wird die resultierende Mischung erneut durch eine Trennwand geleitet und die Uranmenge erneut um das 1-fache erhöht. Um den Gehalt an Uran-0002 auf 235% zu erhöhen, musste das Gas also durch 99 Filter geleitet werden. Dies fand in einer riesigen Gasdiffusionsanlage in Oak Ridge statt. 1940 begann unter der Leitung von Ernst Lawrence an der University of California die Forschung zur Trennung von Uranisotopen durch die elektromagnetische Methode. Es galt, solche physikalischen Verfahren zu finden, die es ermöglichen, Isotope anhand ihres Massenunterschieds zu trennen. Lawrence unternahm einen Versuch, Isotope nach dem Prinzip eines Massenspektrografen zu trennen – ein Instrument, das die Massen von Atomen bestimmt. Das Funktionsprinzip war wie folgt: Vorionisierte Atome wurden durch ein elektrisches Feld beschleunigt und dann durch ein Magnetfeld geführt, in dem sie Kreise beschrieben, die sich in einer Ebene senkrecht zur Richtung des Feldes befanden. Da die Radien dieser Bahnen proportional zur Masse waren, landeten die leichten Ionen auf Kreisen mit kleinerem Radius als die schweren. Legte man Fallen entlang der Bahn der Atome, ließen sich auf diese Weise verschiedene Isotope getrennt sammeln.
Das war die Methode. Unter Laborbedingungen lieferte er gute Ergebnisse. Doch der Bau einer Anlage, in der die Isotopentrennung im industriellen Maßstab durchgeführt werden konnte, erwies sich als äußerst schwierig. Lawrence gelang es jedoch schließlich, alle Schwierigkeiten zu überwinden. Das Ergebnis seiner Bemühungen war das Erscheinen des Calutron, das in einer riesigen Anlage in Oak Ridge installiert wurde.
Diese elektromagnetische Anlage wurde 1943 gebaut und erwies sich als die vielleicht teuerste Idee des Manhattan-Projekts. Die Methode von Lawrence erforderte eine große Anzahl komplexer, noch nicht entwickelter Geräte, die Hochspannung, Hochvakuum und starke Magnetfelder erforderten. Die Kosten waren enorm. Calutron hatte einen riesigen Elektromagneten, dessen Länge 75 m erreichte und etwa 4000 Tonnen wog. In die Wicklungen dieses Elektromagneten flossen mehrere tausend Tonnen Silberdraht. Die gesamten Arbeiten (ohne die Kosten für Silber im Wert von 300 Millionen Dollar, die die Staatskasse nur vorübergehend zur Verfügung stellte) kosteten 400 Millionen Dollar. Nur für den vom Calutron verbrauchten Strom zahlte das Verteidigungsministerium 10 Millionen. Ein Großteil der Ausrüstung in der Fabrik in Oak Ridge war in Größe und Präzision allem überlegen, was jemals auf diesem Gebiet entwickelt wurde. Aber all diese Ausgaben waren nicht umsonst. Mit Ausgaben von insgesamt etwa 2 Milliarden Dollar schufen US-Wissenschaftler bis 1944 eine einzigartige Technologie zur Urananreicherung und Plutoniumproduktion. Währenddessen arbeiteten sie im Labor von Los Alamos am Design der Bombe selbst. Das Prinzip seiner Funktionsweise war lange Zeit allgemein klar: Der spaltbare Stoff (Plutonium oder Uran-235) hätte zum Zeitpunkt der Explosion in einen kritischen Zustand überführt werden müssen (für eine Kettenreaktion sollte die Masse von die Ladung muss noch merklich größer als die kritische sein) und mit einem Neutronenstrahl bestrahlt, was den Start einer Kettenreaktion zur Folge hat. Berechnungen zufolge überstieg die kritische Masse der Ladung 50 Kilogramm, konnte jedoch erheblich reduziert werden. Im Allgemeinen wird die Größe der kritischen Masse stark von mehreren Faktoren beeinflusst. Je größer die Oberfläche der Ladung ist, desto mehr Neutronen werden nutzlos in den umgebenden Raum emittiert. Eine Kugel hat die kleinste Oberfläche. Folglich haben Kugelladungen unter sonst gleichen Bedingungen die kleinste kritische Masse. Außerdem hängt der Wert der kritischen Masse von der Reinheit und Art der spaltbaren Materialien ab. Sie ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Dichte dieses Materials, wodurch beispielsweise durch Verdoppelung der Dichte die kritische Masse um den Faktor vier reduziert werden kann. Der erforderliche Grad an Unterkritikalität kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das spaltbare Material durch die Explosion einer konventionellen Sprengladung in Form einer die Kernladung umgebenden Kugelhülle verdichtet wird. Die kritische Masse kann auch verringert werden, indem die Ladung mit einem Schirm umgeben wird, der Neutronen gut reflektiert. Als solche Abschirmung können Blei, Beryllium, Wolfram, natürliches Uran, Eisen und viele andere verwendet werden.
Eine der möglichen Konstruktionen der Atombombe besteht aus zwei Uranstücken, die zusammen eine Masse bilden, die größer als die kritische ist. Um eine Bombenexplosion zu verursachen, müssen Sie sie so schnell wie möglich zusammenbringen. Das zweite Verfahren basiert auf der Verwendung einer nach innen konvergierenden Explosion. In diesem Fall wurde der Gasstrom eines herkömmlichen Sprengstoffs auf das darin befindliche spaltbare Material gerichtet und komprimiert es, bis es eine kritische Masse erreichte. Das Aufschalten der Ladung und deren intensive Bestrahlung mit Neutronen bewirkt, wie bereits erwähnt, eine Kettenreaktion, in deren Folge die Temperatur in der ersten Sekunde auf 1 Million Grad ansteigt. In dieser Zeit gelang es nur etwa 5 % der kritischen Masse, sich abzuscheiden. Der Rest der Ladung in den Bomben des frühen Designs verdampfte ohne Erfolg. Die erste Atombombe der Geschichte (mit dem Namen Trinity) wurde im Sommer 1945 zusammengebaut. Und am 16. Juni 1945 wurde auf dem Atomtestgelände in der Wüste von Alamogordo (New Mexico) die erste Atomexplosion auf der Erde durchgeführt. Die Bombe wurde in der Mitte des Testgeländes auf einem 30 Meter hohen Stahlturm platziert. Um ihn herum waren in großer Entfernung Aufnahmegeräte aufgestellt. Bei 9 km gab es einen Beobachtungsposten und bei 16 km einen Kommandoposten. Die Atomexplosion machte auf alle Zeugen dieses Ereignisses einen ungeheuren Eindruck.
Nach der Beschreibung von Augenzeugen hatte man das Gefühl, dass viele Sonnen zu einer verschmolzen und das Polygon gleichzeitig beleuchteten. Dann erschien ein riesiger Feuerball über der Ebene, und eine runde Wolke aus Staub und Licht begann sich langsam und bedrohlich darauf zu erheben. Nach dem Start vom Boden flog dieser Feuerball in wenigen Sekunden in eine Höhe von mehr als drei Kilometern. Mit jedem Moment wuchs es an Größe, bald erreichte sein Durchmesser 1 km, und es stieg langsam in die Stratosphäre auf. Der Feuerball machte dann einer wirbelnden Rauchsäule Platz, die sich bis zu einer Höhe von 5 km erstreckte und die Form eines riesigen Pilzes annahm. All dies wurde von einem schrecklichen Gebrüll begleitet, von dem die Erde erbebte. Die Wucht der explodierten Bombe übertraf alle Erwartungen. Sobald es die Strahlungssituation zuließ, rasten mehrere Sherman-Panzer, von innen mit Bleiplatten ausgekleidet, in das Explosionsgebiet. Auf einem von ihnen war Fermi, der gespannt auf die Ergebnisse seiner Arbeit war. Vor seinen Augen erschien tote verbrannte Erde, auf der alles Leben in einem Umkreis von 1 km zerstört wurde. Der Sand sinterte zu einer glasigen, grünlichen Kruste, die den Boden bedeckte. In einem riesigen Krater lagen die verstümmelten Überreste eines Stahlstützturms. Die Wucht der Explosion wurde auf 5 Tonnen TNT geschätzt. Der nächste Schritt sollte der Kampfeinsatz der Bombe gegen Japan sein, das nach der Kapitulation des faschistischen Deutschlands allein den Krieg mit den Vereinigten Staaten und ihren Verbündeten fortsetzte. Damals gab es noch keine Trägerraketen, also musste die Bombardierung von einem Flugzeug aus durchgeführt werden. Die Bestandteile der beiden Bomben wurden mit großer Sorgfalt von der USS Indianapolis nach Tinian Island transportiert, wo die 509th Composite Group der US Air Force stationiert war. Nach Art der Ladung und des Designs unterschieden sich diese Bomben etwas voneinander. Die erste Bombe - "Kid" - war eine großformatige Fliegerbombe mit einer Atomladung aus hochangereichertem Uran-235. Seine Länge betrug etwa 3 m, Durchmesser - 62 cm, Gewicht - 4 Tonnen Die zweite Bombe - "Fat Man" - mit einer Ladung Plutonium-1 hatte eine eiförmige Form mit einem großen Stabilisator. Seine Länge betrug 239 m, Durchmesser 3 m, Gewicht - 2 Tonnen. Am 6. August warf der B-29-Bomber Enola Gay von Colonel Tibbets die „Kid“ über der japanischen Großstadt Hiroshima ab. Die Bombe wurde mit einem Fallschirm abgeworfen und explodierte wie geplant in einer Höhe von 600 m über dem Boden. Die Folgen der Explosion waren schrecklich. Auch auf die Piloten selbst machte der Anblick der von ihnen im Nu zerstörten friedlichen Stadt einen deprimierenden Eindruck. Später gab einer von ihnen zu, dass sie in diesem Moment das Schlimmste gesehen haben, was ein Mensch sehen kann. Für diejenigen, die auf der Erde waren, sah das, was geschah, wie eine echte Hölle aus. Zunächst zog eine Hitzewelle über Hiroshima hinweg. Seine Wirkung dauerte nur wenige Augenblicke, war aber so stark, dass er sogar Fliesen und Quarzkristalle in Granitplatten schmolz, Telefonmasten in einer Entfernung von 4 km in Kohle verwandelte und schließlich menschliche Körper so einäscherte, dass nur noch Schatten von ihnen übrig blieben auf dem Asphalt oder an den Wänden von Häusern. Dann entkam ein monströser Windstoß unter dem Feuerball und raste mit einer Geschwindigkeit von 800 km / h über die Stadt und fegte alles auf seinem Weg weg. Die Häuser, die seinem wütenden Ansturm nicht standhalten konnten, stürzten ein, als wären sie abgeholzt worden. In einem riesigen Kreis mit einem Durchmesser von 4 km blieb kein einziges Gebäude intakt. Wenige Minuten nach der Explosion fiel ein schwarzer radioaktiver Regen über die Stadt - diese Feuchtigkeit verwandelte sich in Dampf, der in den hohen Schichten der Atmosphäre kondensierte und in Form großer Tropfen, gemischt mit radioaktivem Staub, zu Boden fiel. Nach dem Regen traf eine neue Windböe die Stadt, diesmal in Richtung des Epizentrums. Er war schwächer als der erste, aber immer noch stark genug, um Bäume zu entwurzeln. Der Wind entfachte ein riesiges Feuer, in dem alles brannte, was brennen konnte. Von den 76 Gebäuden wurden 55 vollständig zerstört und niedergebrannt. Zeugen dieser schrecklichen Katastrophe erinnerten sich an Menschenfackeln, aus denen verbrannte Kleidung zusammen mit Hautfetzen zu Boden fiel, und an Massen von verstörten Menschen, die mit schrecklichen Brandwunden übersät waren und schreiend durch die Straßen stürmten. Ein erstickender Gestank von verbranntem Menschenfleisch lag in der Luft. Überall lagen Menschen, tot und sterbend. Viele waren blind und taub und stocherten in alle Richtungen und konnten in dem Chaos, das ringsum herrschte, nichts erkennen. Die Unglücklichen, die sich vom Epizentrum in einer Entfernung von bis zu 800 m befanden, brannten im wahrsten Sinne des Wortes in Sekundenbruchteilen aus - ihr Inneres verdampfte und ihre Körper verwandelten sich in Klumpen rauchender Kohlen. Sie befanden sich in einer Entfernung von 1 km vom Epizentrum und wurden von der Strahlenkrankheit in extrem schwerer Form heimgesucht. Innerhalb weniger Stunden begannen sie sich stark zu übergeben, die Temperatur stieg auf 39-40 Grad, Atemnot und Blutungen traten auf. Dann traten nicht heilende Geschwüre auf der Haut auf, die Zusammensetzung des Blutes änderte sich dramatisch und die Haare fielen aus. Nach furchtbarem Leiden, meist am zweiten oder dritten Tag, trat der Tod ein. Insgesamt starben etwa 240 Menschen an der Explosion und der Strahlenkrankheit. Etwa 160 erkrankten in milderer Form an der Strahlenkrankheit - ihr schmerzhafter Tod verzögerte sich um mehrere Monate oder Jahre. Als sich die Nachricht von der Katastrophe im ganzen Land verbreitete, war ganz Japan vor Angst gelähmt. Sie stieg weiter an, nachdem Major Sweeneys Box Car-Flugzeug am 9. August eine zweite Bombe auf Nagasaki abgeworfen hatte. Auch hier wurden mehrere hunderttausend Einwohner getötet und verletzt. Die japanische Regierung konnte den neuen Waffen nicht widerstehen und kapitulierte – die Atombombe beendete den Zweiten Weltkrieg. Der Krieg ist vorbei. Es dauerte nur sechs Jahre, aber es gelang ihm, die Welt und die Menschen fast bis zur Unkenntlichkeit zu verändern. Die menschliche Zivilisation vor 1939 und die menschliche Zivilisation nach 1945 unterscheiden sich auffallend voneinander. Dafür gibt es viele Gründe, aber einer der wichtigsten ist das Aufkommen von Atomwaffen. Man kann ohne Übertreibung sagen, dass der Schatten von Hiroshima über der gesamten zweiten Hälfte des 6. Jahrhunderts liegt. Es wurde zu einem tiefen moralischen Brennen für viele Millionen Menschen, sowohl für die Zeitgenossen dieser Katastrophe als auch für die Jahrzehnte danach Geborenen. Der moderne Mensch kann die Welt nicht mehr so denken, wie sie vor dem 1945. August XNUMX gedacht wurde – er versteht zu deutlich, dass diese Welt in wenigen Augenblicken zu Nichts werden kann. Ein moderner Mensch kann den Krieg nicht so sehen, wie seine Großväter und Urgroßväter zugesehen haben - er weiß mit Sicherheit, dass dieser Krieg der letzte sein wird und es weder Gewinner noch Verlierer geben wird. Atomwaffen haben alle Bereiche des öffentlichen Lebens geprägt, und die moderne Zivilisation kann nicht nach denselben Gesetzen leben wie vor sechzig oder achtzig Jahren. Niemand hat das besser verstanden als die Schöpfer der Atombombe selbst. "Die Menschen unseres Planeten", schrieb Robert Oppenheimer, "sollten sich vereinen. Der Schrecken und die Zerstörung, die der letzte Krieg gesät hat, diktieren uns diese Idee. Die Explosionen von Atombomben haben es mit aller Grausamkeit bewiesen. Andere Leute haben zu anderen Zeiten ähnliches gesagt Worte - nur über andere Waffen und andere Kriege. Es ist ihnen nicht gelungen. Aber wer heute sagt, dass diese Worte nutzlos sind, wird von den Wechselfällen der Geschichte getäuscht. Davon können wir nicht überzeugt werden. Die Ergebnisse unserer Arbeit lassen der Menschheit keine andere Wahl um eine geeinte Welt zu schaffen. Eine Welt, die auf Recht und Humanismus basiert.“ Autor: Ryzhov K.V.
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