eich_ausarbeitung

Universität Hamburg
Department Physik
Sommersemester 2006
12.452 Proseminar:
Von der Atombombe zum Quarkmodell Richard Feynman als engagierter Physiker
Ausarbeitung zum Vortrag:
„Funktion und Wirkung der ersten drei Atombomben“
Dozent: Prof. Dr. Martin B. Kalinowski
Ausgearbeitet von Andreas Eich
Studienfach: Physik/Diplom
Semesteranzahl: 6
Matr.-Nr.: 5614566
E-Mail: [email protected]
1
Gliederung
1. Allgemeine Einleitung
2. Grundlagen für den Bau eine Atombombe
2.1 Kernspaltung
2.2 Materialien
2.3 Die kritische Masse
3. Bombendesigns
3.1 Gun-Design
3.2 Implosionsdesign
3.3 Weitere Bombendesigns
4. Explosionsablauf und Wirkung
4.1 Explosionsablauf
4.2 Wirkung
4.3 Opfer durch „Little Boy“ & „Fat Man“
5. Schutz
6. Gefahrenszenarien
6.1 Nuklearer Krieg
6.2 Die terroristische Gefahr
7. Bewertung
8. Quellen
9. Anhang
2
1. Allgemeine Einleitung
Diese Arbeit entstand im Proseminar: „Von der Atombombe zum
Quarkmodell – Richard Feynman als engagierter Physiker“. Thema sind das
Leben, das Werk und die Persönlichkeit Richard Feynmans. Während des 2.
Weltkrieges arbeitete er im Manhatten-Projekt an dem Bau der Atombombe.
Der Bau einer Atombombe wäre ohne die Verpflichtung der ganzen Sparte
der Physiker nicht möglich gewesen. Damit muss zum ersten Mal ein ganzer
Berufszweig die Verantwortung für die Auswirkungen einer
Massenvernichtungswaffe auf sich nehmen, eine Verantwortung auf die die
meisten Mitarbeiter des Manhatten-Projektes nicht vorbereitet waren und
über die sie erst nachdachten, als die grundlegenden Forschungen bereits
abgeschlossen und Hiroshima und Nagasaki nuklear angegriffen worden
waren.
Das Versäumnis, die moralischen Konsequenzen ihrer Arbeit zu
berücksichtigen, hat für nachfolgende Generationen von Physikern zu einem
vollkommen neuen Verantwortungsgefühl der Wirkung ihrer Arbeit
gegenüber der Gesellschaft geführt.
Zwar hat Feynman bei der Entwicklung dieses neuen
Verantwortungsgefühls keine Rolle gespielt, im Gegenteil er hat sich der
Öffentlichkeit gegenüber niemals über die Konsequenzen seiner Mitarbeit
an dem Bau der Atombombe geäußert oder zu moralischen Fragen Stellung
bezogen.
Trotzdem soll Feynmans Verbindung zum Bau der Atombombe genutzt
werden, um über die moralischen Konsequenzen, die sich aus deren Bau
ergeben, zu diskutieren.
Dieser Vortrag soll für die Diskussion das Fundament legen, indem er über
Bauweise sowie Wirkung einer nuklearen Explosion berichtet. Dabei
werden in diesem Vortrag fast nur die physikalischen Auswirkungen auf die
Umgebung besprochen, die Auswirkungen auf den Menschen werden in
einem weiteren Vortrag besprochen.
3
2. Grundlagen für den Bau eine Atombombe
2.1 Kernspaltung/Fission
Bei jeder Bombe wird Energie von einer Zustandsform in eine andere
übertragen. Bei einer Kernwaffe wird die Energiegewinnung durch die
Spaltung/den Zerfall eines schweren Kerns in einen leichteren ausgenutzt.
Dieser Prozess ist als Kernspaltung oder Fission bekannt. (3)
Die Masse eines schweren Kerns ist geringer als die eigentliche Summe der
Massen der beteiligten Nukleonen. Diese Differenz, auch Massendefekt
genannt, lässt sich mit Hilfe Albert Einsteins Formel: E=mc² beschreiben,
wonach die Differenz in der Masse als Bindungsenergie vorliegt, welche
den Kern trotz der Coulomb-Wechselwirkung der Protonen zusammenhält.
Die Bindungsenergie ist gleichzusetzen mit der Energie, die frei wird, wenn
der Kern gespalten wird. Die Reaktionsprodukte sind leichter und benötigen
für ihren Zusammenhalt weniger Bindungsenergie als der Ausgangskern.
Die so freigewordene Energie wurde größtenteils in kinetische Energie der
Reaktionsprodukte umgewandelt. (3)
(
Abbildung 1: Kernspaltung (www.zum.de/dwn/pke001.htm)
4
In Abb.1 ist eine induzierte Kernspaltung dargestellt, d.h. hier wird die
Kernspaltung durch die Absorption eines Teilchens (hier ein Neutron)
ausgelöst. Neben den Tochterkernen (hier Barium und Krypton, auch andere
sind möglich) werden auch einzelne Neutronen freigesetzt. Erreichen diese
entsprechende Energien, um selbst eine Kernspaltung zu induzieren, kann in
dem vorhandenen Material eine so genannte Kettenreaktion, eine
Umwandlung, die gleichartige Umwandlungen nach sich zieht, starten. Für
eine Bombe benötigt man eine Kettenreaktion, bei der die Anzahl der
Reaktion pro Generation exponentiell ansteigt.
2.2 Materialien
Als Sprengstoff wurden Materialien gesucht, die sich induziert spalten
lassen und die genug Neutronen freisetzen, welche eine hohe
Wahrscheinlichkeit haben, selbst eine Spaltung zu induzieren.
Eines der geeigneten Materialien ist das bereits in Abb.1 gezeigte Uran-235
(Kernladungszahl 92). Uran ist ein in der Natur relativ oft vorkommendes
Element und kann in Lagerstätten abgebaut werden. Dieses Natururan
besteht zu 99,27% aus U-238, zu 0,72% aus U-235 und aus einigen anderen
Isotopen des Urans. U-238 ist im Gegensatz zu U-235 nicht für eine
exponentielle Kettenreaktion geeignet, da für die Fission „schnelle“
Neutronen mit kinetischen Energien im MeV-Bereich benötigt werden,
wohingegen U-235 bereits von „langsamen“ Neutronen mit kinetischen
Energien im Bereich von 0,025 eV bis 2 MeV gespaltet werden kann. Durch
diese Anforderungen werden beim U-235 pro Reaktion genügend geeignete
Neutronen für die exponentielle Kettenreaktion frei, beim U-238 dagegen
nicht. Für die Verwendung in Bomben benötigt man U-235 mit einem
Reinheitsgrad ab 80% aufwärts, hier spricht man dann von waffenfähigem
Uran. Zur Anreicherung von U-235 verwendet man Zentrifugen, welche die
Isotope aufgrund ihrer unterschiedlichen Massen trennen. U-235 hat eine
Halbwertzeit von 703,8 Mio. Jahren (5)
Als zweites Material verwendet man das auf der Erde nur als Spurenelement
vorkommende Plutonium-239 (Kernladungszahl 94). Man kann es aufgrund
5
der Seltenheit nicht abbauen, sondern muss es selbst erzeugen, indem man
U-238 mit Neutronen beschießt. Das Neutron wird absorbiert, das
neuentstandene U-239 geht unter zweifachem Betazerfall (2 Mal
Aussendung eines Elektrons) in Pu-239 über. Pu-239 hat eine Halbwertzeit
von 24.110 Jahren. Bei der Herstellung von Pu-239 in Reaktoren lässt sich
nicht vermeiden, dass auch ein nicht unbedeutender Anteil an Pu-240
entsteht. Pu-240, mit einer Halbwertzeit von 6564 Jahren, hat eine viel
höhere spontane Zerfallsrate als Pu-239 und macht die Möglichkeit einer
spontanen Kettenreaktion viel wahrscheinlicher gegenüber reinem Pu-239.
Dieser Eigenschaft muss beim Bombendesign Rechnung getragen werden.
Waffenfähiges Plutonium besteht zu mindestens 93% aus Pu-239 und zu
höchstens 7% aus Pu-240. (6)(7)
2.3 Die kritische Masse
Damit in einem geeigneten Material eine Kettenreaktion stattfinden kann,
muss die Wahrscheinlichkeit der Neutronen für eine Absorption möglichst
hoch sein. Diese Wahrscheinlichkeit steigt mit der Anzahl möglicher
Reaktionspartner auf seiner Flugbahn, ist also abhängig von der Länge der
Flugbahn im geeigneten Material und so von dessen Masse. Die Masse, bei
der die Kettenreaktion einsetzt, wird kritische Masse genannt. Ist die Masse
geringer, heißt sie unterkritisch, ist sie höher, heißt sie überkritisch. Neben
der Masse hängt die Wahrscheinlichkeit für eine Reaktion auch noch von
der Form und der Dichte des Materials ab. Die Dichte des Materials lässt
sich jedoch nicht einfach und genau verändern und als Form wird aufgrund
der statistischen Abstrahlung der Neutronen, d.h. ohne eine bevorzugte
Richtung, vom Reaktionsort immer die Kugelform gewählt, da hier alle
Richtungen gleich berücksichtigt werden. Dichte und Form sind somit
konstant. Daher ist die Masse als entscheidendes Kriterium gerechtfertigt.
(8)
Die kritische Masse U-235 (Reinheitsgrad 93,5%) beträgt 49 kg (2), für Pu239 (Reinheitsgrad 93%) beträgt sie 8 kg. (30)
6
3. Bombendesigns
Um eine Masse oder Massenansammlung aus einem unterkritischen in einen
überkritischen Zustand zu bringen, kann man verschiedene Wege
beschreiten. In diesem Abschnitt werden die beiden grundlegenden
Bombendesigns vorgestellt, sowie weiter kurz angesprochen.
3.1 Das Gun-Design
Abbildung 2: Gun-Design (1)
Bei diesem Design, dass in Abb.2 dargestellt wird, werden zwei
unterkritische Massen zu einer überkritischen Masse zusammengefügt,
indem die eine Masse, die Kugel/bullet, mit konventionellem Sprengstoff
auf die zweite Masse, das Ziel/target, geschossen wird.
Der Vorteil dieses Designs liegt in seiner Einfachheit. So konnte dieses
Design ohne vorherigen Test eingesetzt werden und war als Bombe mit der
Bezeichnung „Little Boy“ am 6.8.1945 über Hiroshima, die erste Kernwaffe
im Einsatz und hatte dabei eine Sprengkraft, die 13-16 kt TNT entsprach.
Allerdings gehen mit diesem Design auch einige Nachteile einher: Die
Sprengkraft ist stark begrenzt, da bei zwei unterkritischen Massen die
Gesamtmasse maximal nicht das zweifache der kritischen Masse
überschreiten kann. Der Geschwindigkeit der Kugel, bei „Little Boy“ ca.
300 m/s, sind Grenzen gesetzt so, dass die Kettenreaktion bereits startet,
bevor die Kugel die Aushöhlung des Zieles ganz ausfüllt, also dem Punkt an
7
dem die Bedingungen für die exponentielle Kettenreaktion am besten sind.
Durch das zu frühe Starten der Kettenreaktion ist auch die Verweildauer im
überkritischen Zustand verkürzt, da mit Beginn der Kettenreaktion sich das
Material ausdehnt, so seine Dichte verringert und in einen unterkritischen
Zustand übergeht. Durch das zu frühe Zünden verringert sich die Effizienz
der Kettenreaktion, so wurden bei der Bombe „Little Boy“ nur 0,1% der
60 kg U-235 gespalten. Des Weiteren verhindert die Langsamkeit der Kugel
den Einsatz von Plutonium, da die hohe spontane Zerfallsrate von Pu-240 zu
so einer frühen Zündung führt, dass es statt zu einer Explosion nur zu einer
Verpuffung kommt.
Die prinzipiellen Probleme durch die Funktionsweise dieses Bombentyps,
haben dazu geführt, dass heutzutage größtenteils nicht mehr auf dieses
Design zurückgegriffen wird. (1) (2)
3.2 Das Implosions-Design
Abbildung 3: Implosionsdesign (1)
Als zweites Design, wird das in Abb. 3 dargestellte Implosions-Design
verwendet. Dabei wird eine unterkritische Hohlkugel aus U-235 oder Pu239 durch eine, von gleichzeitigem Zünden so genannter Explosionslinsen
ausgehende, Schockwelle gleichmäßig so komprimiert, d.h. die Dichte
vergrößert, dass die Masse überkritisch wird und die Kettenreaktion startet.
8
Das gleichzeitige Zünden der Explosionslinsen und das gleichmäßige
Komprimieren des Spaltmaterials macht diesen Bombentyp in der
Realisierung wesentlich aufwendiger und komplizierter. Die Bombe mit
dem Namen „Fat Man“, die am 9.8.1945 über Nagasaki eingesetzt wurde,
sowie die Bombe des Trinity-Tests am 16.7.1945 und somit die erste Bombe
überhaupt, waren Bomben dieses Typs. Beide hatten eine Sprengkraft von
ca. 20-21 kt TNT und als Spaltmaterial Pu-239.
Die Vorteile dieses Designs gegenüber dem Gun-Design, sind die größeren
Mengen an Spaltmaterial, die verwendet werden können sowie die
schnellere Zündung, die eine höhere Verweildauer im überkritischen
Zustand ermöglicht und die die Verwendung von Pu-239 zulässt, dessen
wesentlich geringere kritische Masse gegenüber U-235 das Gewicht der
Sprengköpfe reduziert.(1)(2)
In Abb.3 sind auch ein Pusher und eine Neutronenquelle enthalten. Der
Pusher soll für eine gleichmäßigere Stoßübertragung des konventionellen
Sprengstoffes auf das Spaltmaterial sorgen. Die Neutronenquelle soll
verhindern, dass die Kettenreaktion zu spät startet, indem sie zum optimalen
Zeitpunkt Neutronen in das Spaltmaterial induziert. Ansonsten wäre man
auf ein Neutron aus der Kosmischen Strahlung oder von einem spontanen
Zerfall angewiesen, also aus einem nicht steuerbaren/vorherbestimmbaren
Prozess. Als eine weitere Erweiterung kann man um das Spaltmaterial eine
Schicht aus Beryllium oder U-238 hinzufügen, die als Reflektor (Tamper)
Neutronen, die aus dem Spaltmaterial entweichen, reflektieren, damit deren
Reaktionswahrscheinlichkeit erhöhen und so die kritische Masse senken.
So kann die kritische Masse von U-235 (93,5%) von 48 kg durch Beryllium
(10 cm Dicke) auf 14,1 kg und durch U-238 (10 cm Dicke) auf 18,4 kg
reduziert werden.(1)(2)
9
3.3 Weitere Bombendesigns
Die Sprengkraft einer Fissionsbombe geht in den Bereich von einigen
hundert kt TNT. Den Rekord erreichte die Testbombe „Ivy King“ der USA
mit einer Sprengkraft von 500 kt TNT, wobei 75 kt durch eine
Ummantelung aus U-238 erzeugt wurden, die Spaltung wurde hier durch
schnelle Neutronen aus der Kettenreaktion im eigentlichen Sprengsatz
ausgelöst, der eine Sprengkraft von 425 kt hatte. (2)
Für eine größere Sprengkraft benötigt man eine Fusionsbombe (Abb.4 im
Teller-Ulam-Design).
Abbildung 4: Teller-Ulam-Design (1)
Dabei wird als primäre Stufe eine Fissionsbombe gezündet. Das
resultierende Plasma strahlt im Röntgen-Bereich und erhitzt so die
Ummantelung der 2. Stufe. Die Ummantelung dehnt sich explosionsartig
aus und komprimiert den Sprengstoff bestehend aus mit Lithium-6 chemisch
gebundenem Deuterium. Dadurch wird der Fusionsprozess gestartet bei dem
durch die Verschmelzung von leichten Kernen Energie freigesetzt wird. Die
Zündung eines Plutonium-Kerns im Zentrum des Fusionssprengstoffes sorgt
für einen effizienteren Ablauf der Fusion. Eine derartige zweistufige Bombe
hat eine Sprengkraft von 10-25 Mt. Die sowjetische Testbombe „Zar“ hatte
die bis heute größte Sprengkraft mit 50 Mt, dabei wurde als 3.Stufe ein
10
weiterer Fusionssprengkopf verwendet. Bei regulären Fusionsbomben
spricht man von sauberen Bomben, da beim Fusionsprozess im Vergleich
zum Fissionsprozess weniger Verstrahlung pro kt Sprengkraft entsteht.
Noch höhere Sprengkräfte erreicht man indem man die Fusionsbombe mit
einem U-238-Mantel umgibt, der durch schnelle Neutronen aus dem
Fusionsprozess gespalten wird. Hätte die „Zar“-Bombe über eine derartige
Ummantelung verfügt, wäre die Sprengkraft auf 100 Mt verdoppelt worden.
Eine Bombe mit einer derartigen Ummantelung wird als schmutzige Bombe
bezeichnet, da hier die Verstrahlung pro kt durch den Fissionsprozess im U238 wesentlich höher ist. (2)
Eine Fusionsbombe kann so konstruiert werden, dass sie über eine
vergleichsweise geringe Sprengkraft verfügt aber starke Neutronenstrahlung
freisetzt. Eine Bombe dieser Art, Neutronenbombe genannt, bleibt tödlich
ohne dabei die Infrastruktur bzw. die gepanzerten Einheiten im betroffenen
Areal stark zu zerstören. (2)
Eine weitere Bombe unter Einsatz radioaktiven Materials ist die
radiologische Bombe, die heute auch unter dem Namen „Schmutzige
Bombe“ bekannt ist. Dabei wird keine Fission ausgelöst, sondern es wird
eine konventionelle Bombe mit radioaktivem Material versetzt, z.B.
Cäsium-137 (Halbwertzeit 30,17 Jahre), welches dann die nähere
Umgebung kontaminiert. (2)
11
4. Explosionsablauf und Wirkung
4.1 Explosionsablauf
1. nukleare Kettenreaktion
Dauer: 0,01 µs
Dabei werden pro gespaltetem Kern 200 MeV frei, davon 160 Mev als
kinetische Energie. Für 20 kt Sprengkraft benötigt man 2*1024 Spaltungen,
die im Verlauf von 82 Generationen stattfinden. 95% der Gesamtenergie
wird dabei in den letzten 5 Generationen freigesetzt. Dabei entsteht eine
Hitze von bis zu 100 Mio.° Celsius. (31)(9)
2. Strahlungsstoß, Feuerball & EMP entsteht 1 µs-0,1 s nach der
Explosion
Der Strahlungsstoß besteht aus Gamma-Strahlen und schnellen Neutronen
und enthält 5% der Gesamtenergie der Bombe.
Der Feuerball enthält 35% der Gesamtenergie der Bombe. Diese wird in
zwei Strahlungspulsen an die Umgebung abgegeben. Der erste hat eine
Dauer von Sekundenbruchteilen, besteht aus UV-Strahlung und ist
ungefährlich solange man nicht in Richtung der Explosion schaut. Der
zweite hat eine Dauer von mehreren Sekunden, besteht aus thermischer
Strahlung und transportiert fast die gesamte Hitze des Feuerballs.
Der EMP (elektro-magnetischer-Puls) entsteht aufgrund von ComptonStreuung der Gamma-Strahlung (enthält 0.1-0,5% der Gesamtenergie). Die
entstehenden elektro-magnetischen-Felder induzieren Ströme in Leitern,
wodurch besonders transistorbasierte Bauteile, wie CPUs, zerstört werden.
(9)(31)(34)
12
3. Druckwelle
entsteht 0,1 s bis 10 s nach der Explosion
Die Druckwelle trägt 50% der Gesamtenergie der Bombe. Sie ist anfangs
überschallschnell und bremst sich dann auf Schallgeschwindigkeit ab.
Durch die Explosion wird die Luft der direkten Umgebung rasant
weggedrückt. Der dort entstehende Unterdruck saugt die Luft ebenso rasant
wieder in die entgegengesetzte Richtung zurück. Der Druckwelle, die sich
von der Explosion entfernt, folgt damit eine ähnlich starke Druckwelle in
die entgegengesetzte Richtung. (31)(9)
4. Bildung der Pilzwolke
Dauer: Sekunden bis Minuten
(31)(9)
5. Ausbreitung der Pilzwolke & Fallout
Dauer: Minuten bis Monate
Die Pilzwolke enthält die kondensierten Spaltprodukte, welche 10% der
Gesamtenergie der Bombe tragen. Diese sind meist selbst radioaktiv und
haben verschiedenste Halbwertzeiten. Die Fissionsprodukte fallen als
„radioaktiver Niederschlag“ (Fallout) innerhalb der nächsten Minuten in der
näheren Umgebung nieder (lokaler Fallout) oder werden in die Stratosphäre
getragen und regnen innerhalb des nächsten Jahres auf die Erde nieder
(globaler Fallout). 80% des Fallouts sind lokal, 20% global. Die
Spaltprodukte zerstrahlen fast komplett in der Stratosphäre, bis auf
Strontium-90 (Halbwertzeit 28,78 Jahre), Cäsium-137 (Halbwertzeit 30,17
Jahre) und einige andere langlebige Isotope. (31)(9)
13
4.2 Wirkung
Die Stärke und Reichweite der thermischen Strahlung und der Druckwelle
sind nicht nur abhängig von der Sprengkraft der Bombe sondern auch von
der Höhe des Hypozentrums, also der Höhe in der die Bombe gezündet
wird, von den klimatischen Bedingungen und von der Art der Bebauung
bzw. von der Art der Flora des betroffenen Gebiets.
Bomben, die in Bodennähe gezündet werden, haben eine stärkere Wirkung
in unmittelbarer Nähe der Explosion, dagegen hat eine Explosion in
größerer Höhe (bei 20 kt ca. 500-600 m) stärkere Auswirkungen auf
entferntere Gebiete als eine Bodenexplosion.
Hohe Wolken reflektieren thermische Strahlung und steigern damit deren
Intensität in dem betroffenen Gebiet, während tiefe Wolken die Intensität
der thermischen Strahlung senken.
Mit der Zunahme brennbaren Materials im betroffenen Gebiet steigt auch
die Gefahr von durch die Explosion ausgelösten Bränden.
Abb.5 stellt die Wirkungsradien von verschiedenen Sprengstärken, bei
unterschiedlichen Explosionshöhen und ihrer möglichen Schäden für die
thermische Strahlung sowie die Druckwelle dar. (31)(9)
14
Abbildung 5: Wirkungsradien von der thermalen Strahlung und Blast (22)
Abb.6 zeigt die Abnahme der Strahlungsintensität für die erste Woche nach
der Explosion. Anders als bei dem Super-GAU eines Kernkraftwerkes, kann
man das betroffene Gebiet relativ schnell wieder betreten, ohne einer
gesundheitsgefährdenen Strahlungsdosis ausgesetzt zu sein. (32)
Abbildung 6: Abfall der Aktivität (23)
15
Allerdings ist die radioaktive Belastung in den ersten Tagen nach der
Exploson extrem gesundheitsgefährdend. So stiegen die hohen Opferzahlen
in Hiroshima, und Nagasaki in den Monaten nach dem Einsatz der Bomben
noch einmal beträchtlich an.
Einwohner
Opfer direkt
Weitere Opfer bis Ende `45
Hiroshima
250-350.000
70.-120.000
20.000-30.000
Nagasaki
Ca. 240.000
Ca. 40.000
Ca. 40.000
Tabelle 1: Opfer der Bomben „Little Boy“ & „Fat Man“ (10)-(17)
Bis heute sterben noch Menschen durch die Auswirkungen der Bomben. So
liegt die Krebsrate in den betroffenen Gebieten über den Normalwerten und
auch die Zahl der Fehlgeburten sowie der Geburten mit Behinderungen liegt
über den Normalwerten. (10)
16
5. Schutz
Um gegen eine Kernwaffenexplosion geschützt zu sein, benötigt man einen
umfassenden Schutz gegen die direkte radioaktive Strahlung, die thermische
Strahlung, die Druckwelle sowie die Strahlung des Fallouts. Schutz vor
thermischer Strahlung, Druckwelle sowie der direkten alpha- und betaStrahlung, bieten verstärkte Gebäude, die vor allem der Druckwelle
standhalten müssen. Alpha-Strahlung (Helium-Kerne) und beta-Strahlung
(Elektronen, Positronen) haben eine Reichweite in der Luft im cm- bzw.
Meter-Bereich und bedeuten keine Gefahr durch externe Bestrahlung. (25)
(9)
Gamma-Strahlung mit einer Energie von 2 MeV wird durch Luft alle
12.000 cm, durch Wasser alle 14 cm, durch Beton alle 9 cm und durch Blei
alle 1,4 cm halbiert. (18)
Die Spaltprodukte des Fallouts legen sich in den Minuten nach der
Explosion über die nähere Umgebung und sind in der Luft enthalten. Die
unmittelbare Nähe zu Spaltprodukten, macht die von ihnen ausgehende
alpha- und beta-Strahlung zu einem bedeutendem Gefahrenpotential, auch
und besonders bei Körperkontakt oder Aufnahme in den Körper. (9)
Schutz vor den Spaltprodukten bieten nur Gebäude deren Luftzufuhr mittels
Kohlefiltern gereinigt wird.
Besonders die letzte Maßnahme läst einen umfassenden Schutz nur zu,
wenn vor dem Einsatz der Kernwaffe eine gewisse Vorwarnzeit besteht, um
entsprechende Schutzräume, falls vorhanden, aufzusuchen oder noch das
bald betroffene Gebiet zu verlassen.
17
6. Gefahrenszenarien
6.1 Nuklearer Krieg
Die Zahl der heute (Stand 2005) noch vorhanden Sprengköpfe (siehe Tab.
1) und die Möglichkeit mit ihnen innerhalb von Minuten einen feindlichen
Staat umfassend anzugreifen, macht eine militärische Auseinandersetzung,
Staat
Sprengköpfe
Staat
Sprengköpfe
USA
10240
G.Britannien
185-200
Russland
8400
Pakistan
24-48
China
400-600
Indien
30-35
Frankreich
348-350
Israel*
75-200
Tabelle 2 : Arsenale der Staaten mit Atomwaffen (19) *= Israel gilt offiziell nicht als
Nuklearmacht, dabei ist nicht zu leugnen, dass sie über Kernwaffen verfügen (19)
die hauptsächlich auf nukleare Waffen zurückgreift immer noch möglich,
auch wenn die Hauptkontrahenten des kalten Krieges, die USA und die
Sowjetunion (bzw. Russland), sich nicht mehr feindlich gegenüberstehen
und ihre Arsenale bereits bedeutend abgerüstet haben (Stand 1990 USA ca.
22.000 Sprengköpfe, UDSSR ca. 41.000) (20) .
Im Folgenden wird ein Szenario (in den folgenden beiden Abb. Szenario A,
dickerer, roter Graph) benutzt bei dem es zum Einsatz von ca. 10.400
Sprengköpfen mit einer Gesamtsprengkraft von 5000 Mt gegen militärische
wie auch zivile Ziele kommt (Weitere Szenarien in den Abb.: B: 22.500
Sprengköpfe/5.000 Mt Sprengkraft, schwache oberirdische Explosionen; C:
16.160/10.000 Mt, mittlerer Schlagabtausch; D: 5.433/3.000 Mt, mittlerer
Schlagabtausch; E: 2.250/1000 Mt, begrenzter Schlagabtausch; H: 1000/100
Mt, Angriff auf Ballungsräume) (27). Szenario A beruht noch auf den
Kapazitäten gegen Ende des kalten Krieges. Die Zahl der Sprengköpfe hat
sich inzwischen verringert. So begrenzt sich die Zahl der Sprengköpfe der
18
USA nach dem START II-Abkommen auf ca. 4.000 mit einer Sprengkraft
von insgesamt ca. 1.000-2.000 Mt und soll sich nach dem SORTAbkommen 2012 auf ca. 2.500 Sprengköpfe mit einer Gesamtsprengkraft
von ca. 290-600 Mt verringern (START II und SORT sind Abkommen
zwischen den USA und Russland)(33). Allerdings lassen sich mit diesem
Arsenal und einem entsprechenden auf der gegnerischen Seite noch die
Szenarien E und H erfüllen.
Die direkten Auswirkungen einer einzelnen Kernwaffe wurden bereits im 2.
Abschnitt dargelegt.
Als Ergebnis wäre die Infrastruktur der angegriffenen Gebiete nahezu
vollständig zerstört, inklusive der Nahrungsspeicher. Der Zusammenbruch
der Kommunikation, des Transports und der Stromversorgung würde aber
auch auf Gebiete übergreifen, die nicht direkt von den Explosionen
betroffen sind, aber aus den zerstörten Gebieten versorgt werden bzw. mit
ihnen vernetzt sind. Betroffen wäre so auch die Infrastruktur von Staaten,
die nicht am Konflikt teilgenommen haben.
Der lang anhaltende Fallout einer solchen Auseinandersetzung, würde auch
weit größere Gebiete betreffen als direkt angegriffen werden bis hin zu
einem weltweiten Fallout. Als Folge gäbe es in den betroffen Gebieten
einen rapiden Anstieg der Krebserkrankungen sowie an Fehlgeburten und
Behinderungen von Neugeborenen als Folge von Mutationen des Genoms.
(9)
Aufgrund der nuklearen Explosionen und der durch sie ausgelösten Feuer,
geraten in diesem Szenario bis zu 225 Mio.t Rauchpartikel und 65 Mio.t
Staubpartikel von einer Größe unter 1 µm in die Atmosphäre. Partikel dieser
Größe würden das Licht der Sonne zu einem Großteil reflektieren, die
thermische Strahlung, die auf der Erde entsteht, aber in den Weltraum
ablassen. Als Folge würde die Erde verdunkeln und abkühlen.(27)
19
Abbildung 7: Temperraturveränderung nach einem nuklearen Krieg (26)
Abbildung 8: Veränderung des Solarenergieflusses nach einem Nuklearkrieg (26)
Dazu gesellen sich überlange Nächte, (Staub-)Stürme und giftiger Smog.
Diese Auswirkungen werden unter dem Begriff „Nuklearer Winter“
zusammengefasst.
Allein die Opferzahlen des Angriffes selbst, also ohne Opfer des Nuklearen
Winters oder infolge des Zusammenbruchs der Infrastruktur, wären
exorbitant hoch, wie Abb. 9 zeigt. Die oberen beiden Zeilen gehen von
einem 1.000 Mt Angriff auf die USA aus, die unteren beiden von einem
Angriff mit 10.000 Mt. (24)
20
Abbildung 9: Opfer nach einem nuklearen Angriff auf die USA bez. auf
Einwohnerzahl 1962 (ca. 180 Mio) (24)
6.2 Die terroristische Gefahr
Zurzeit ist die wahrscheinlichste Attacke auf einen westlichen Staat ein
terroristischer Anschlag. In dem Zusammenhang drängt sich die Frage auf,
ob Terroristen in der Lage, wären eine Kernwaffe zu erwerben, zu bauen
oder in der Lage wären, eine radiologische Bombe zu bauen.
„Den meisten scheint nicht klar zu sein, dass die Auslösung einer
Atomexplosion eine simple Aufgabe ist, wenn hochangereichertes Uran zur
Verfügung steht ... selbst der Schüler einer High-School könnte innerhalb
kurzer Zeit eine Bombe bauen“ (Luiz Alvarez, Veteran des ManhattenProjekts) (28)
Das Zitat wird verständlich, wenn man sich die Einfachheit des GunDesigns in Erinnerung ruft. Die einzige Schwierigkeit besteht darin,
waffenfähiges Material zu erwerben. Zwar sind die meisten Arsenale
bestens bewacht, doch ist die wirtschaftliche und soziale Situation in den
Nachfolgestaaten der Sowjetunion dermaßen bedenklich, dass die Gefahr
waffenfähiges Material durch Bestechung zu erwerben, ohne dass dessen
21
Verschwinden, aufgrund von fehlerhafter Verwaltung, auffallen könnte,
nicht zu unterschätzen. Ebenso unproblematisch erscheint das Abzweigen
von Plutonium aus Wiederaufbereitungsanlagen. So konnten 3 kg
hochangereicherten Urans 1994 in Tschechien sichergestellt werden, 1993
400 kg in der Ukraine und ebenfalls 1994 400 g waffenfähiges Plutonium in
Deutschland. (29)
Der Bau einer radiologischen Bombe wäre noch einmal um ein vielfaches
leichter als der einer Kernwaffe, da hier nur eine konventionelle Bombe mit
radioaktivem Material versetzt werden muss. Die Anforderungen an dieses
Material sind wesentlich geringer, da es nicht zu einer Kettenreaktion
gebracht werden soll. Geeignete Materialien wären Kobalt-60 und
Cäsium-137, welche in medizinischen Anlagen zum Einsatz kommen, also
in zivilen Anlagen, die weit geringere Sicherheitsstandards haben, als
militärische Einrichtungen oder Wiederaufbereitungsanlagen. (2)(21)
22
7. Bewertung
Die Auswirkungen einer nuklearen Explosion sind dermaßen heftig,
nachhaltig und unkontrollierbar, da vor allem nicht vorhergesagt werden
kann welche Gebiete vom Fallout betroffen werden und somit selbst bei
einem Angriff nur auf militärische Ziele davon ausgegangen werden muss,
dass eine große Anzahl ziviler Opfer anfällt, von dem völkerrechtswidrigen
Angriff auf zivile Ziele noch gar nicht gesprochen, dass der Einsatz einer
solchen Waffe zutiefst verantwortungslos und amoralisch ist.
Selbst der Einsatz einer einzelnen, „kleinen“, Waffe, ist als ein äußerst
schweres Verbrechen anzusehen.
Zum Ablehnen eines Krieges mittels nuklearen Sprengköpfen benötigt man
noch nicht einmal das Heranziehen von moralischen Fragen, man muss nur
seinen Selbsterhaltungstrieb zu Rate ziehen. Die Zerstörung der Zivilisation
der Menschheit bis hin zur ihrer kompletten Auslöschung, sowie der Tierund Pflanzenwelt, so wie wir sie kennen, sind Argument genug gegen die
nuklearen Arsenale der Welt.
23
8. Quellen
die Websites wurden während 4.2006 recherchiert
(1) http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapon_design
(2) http://de.wikipedia.org/wiki/Kernwaffentechnik
(3) http://de.wikipedia.org/wiki/Kernspaltung
(4) http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fission
(5) http://de.wikipedia.org/wiki/Uran
(6) http://de.wikipedia.org/wiki/Plutonium
(7) http://en.wikipedia.org/wiki/Plutonim_239
(8) http://de.wikipedia.org/wiki/Kritische_Masse
(9) http://de.wikipedia.org/wiki/Kernwaffenexplosion
(10) http://de.wikipedia.org/wiki/Hiroshima
(11) http://de.wikipedia.org/wiki/Nagasaki
(12) http://de.wikipedia.org/wiki/little_boy
(13) http://de.wikipedia.org/wiki/fat_man
(14) http://en.wikipedia.org/wiki/Hiroshima
(15) http://en.wikipedia.org/wiki/Nagasaki
(16) http://en.wikipedia.org/wiki/little_boy
(17) http://en.wikipedia.org/wiki/fat_man
(18) http://de.wikipedia.org/wiki/Halbwertsschicht
(19) http://de.wikipedia.org/wiki/Kernwaffe
(20) http://en.wikipedia.org/wiki/nuclear_weapon
(21) http://de.wikipedia.org/wiki/Cäsium
(22) The Editors of McGraw-Hill (1962): “Nuclear Attack And Industrial
Survival” In: Nucleotronics 1, Seite S5
(23) Ders., Seite S7
(24) Ders., Seite S3
(25) Ders., Seite S12 & S13
(26) Turco R.P. et al. (1984): “Die klimatischen Auswirkungen
eines Nuklearkrieges.“ In: Spektrum der Wissenschaft 10, Seite 43
(27) Ders., Seite 41
24
(28) Barnaby, F. und Mutalik, G. (1997): Primitive Atomwaffen:
Proliferation und Terrorismus-Gefahr.-IPPNW Global Health Watch
Report Nr.1, Seite 11
(29) Ders., Seite 8
(30) Ders., Seite 10
(31) The Editors of McGraw-Hill (1962): “Nuclear Attack And Industrial
Survival” In: Nucleotronics 1, Seiten S4 & S5
(32) http://de.wikipedia.org/wiki/Katastrophe_von_Tschernobyl
(33) Kalinowski, M. B. (2004): “International Control of Tritium for
Nuclear Nonproliferation and Disarmament”. CRC Press: Boca
Ration/London/New York/Washington, D.C., Seite 34
(34) http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_pulse
25
9. Anhang
Um die verheerenden Auswirkungen einer nuklearen Explosion besser
erfassen zu können, wird hier im Anhang der hypothetische Fall eines
Nuklearangriffes auf Hamburg versucht darzustellen. Es wird von einem
Angriff mit einer Luftexplosion (600 m über Boden) und einer Sprengkraft
von 100 kt ausgegangen. Für diese Sprengkraft liegen mir keine
Wirkungsradien vor. Ein Vergleich der Wirkungsradien für 1 Mt, 10 Mt
und 100 Mt aus Abb. 5 sowie der Quotient der Schadenradien (anderer Art)
der Website:
http://home.datacomm.ch/nick/chemglobe/special/atomwaffen/kernwaffen.p
df
(Seite 14)
führen bei linearer Extrapolation jeweils zu einem von Faktor ca. 2.5 für
thermische Strahlung bzw. 2.2 für die Druckwelle, um den die Radien
kleiner sind als für die 1 Mt Bombe in Abb. 5.
Damit ergibt sich für die thermische Strahlung:
Radien ca.
Wirkung
0,9 km
Metall verdampft
1,7 km
Metall schmilzt
3,4 km
Polster entzündet sich
4,9 km
Verbrennungen 3. Grades, tr. Blätter entzünden sich
5,6 km
Verbr. 2. Grades, zerknitterte Zeitungen entzünden sich
8,1 km
Verbrennungen 1. Grades
Tabelle 3: Wirkung der thermischen Strahlung
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Und für die Druckwelle ergibt sich:
Radien ca.
Wirkung
1 km
Strassen werden unpassierbar, Lungenschäden
2 km
Verstärkte Gebäude werden beschädigt
2,9 km
Trommelfelle reißen, Strom-/Tel-Masten stürzen um
4 km
(Holz-)Häuser werden zerstört, Bäume stürzen um
6,5 km
Gegenstände fliegen durch die Luft
Tabelle 4: Wirkung der Druckwelle
In der nachfolgenden Abbildung sind die Wirkungsradien der thermischen
Strahlung durch rote Kreise dargestellt, die Wirkungsradien der Druckwelle
sind durch weiße Pfeile gekennzeichnet.
In dieser Darstellung würde das Rathaus am Ground Zero stehen.
Das Department der Physik ist durch einen weiteren Pfeil gekennzeichnet.
Abbildung 10: Wirkungsradien auf Karte aufgetragen (Karte Google Earth)
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