Erreichen der Kritischen Masse

Wissenschaft Physik
#1

Hallo,
ich hab in meinen Gedanken schon immer ein Problem mit dem „Super Gau“.
Ich hab ein wenig Ahnung von Metallen und was sich da chemisch so abspielt, dachte ich jedenfalls.
Mir kann aus meinem Umkreis aber niemand erklären, warum sich Uran o. ä. anders verhalten soll, als Eisen, Kupfer oder Zink usw…
Zu meinem Problem:
Ich kann Metalle oder auch andere Stoffe miteinander mischen (legieren), um bestimmte Eigenschaften zu erhalten. Löten, oder Bronze, Messing, verzinken usw…
Diese Legierungen sind so lange Stabil, bis ich sie aufschmelze. Natürlich sind Änderungen bei mechanischer oder thermischen Belastung vorher zu erkennen, die sind mir aber jetzt mal egal.
Wenn ich nun Stahl „machen“ will, schmelze ich Eisen, Kohlenstoff, Kupfer, Mangan, und und und, in einem Hochofen zusammen ein.
Da die verschieden Stoffe verschiedene Schmelz- und Siedepunkte haben, muss die Zugabe genau definiert sein, sonst vermischen sich die Metalle nicht richtig.
Ein Schichtspeicher bei einer Heizung funktioniert nun genau umgekehrt.
Kühleres und damit schwerers Wasser, setzt sich unten ab. Je wärmer das Wasser wird, um so weiter steigt es hoch. Das ist auch klar und funktioniert auch ganz gut. Ähnlich verhält es sich in einem Zinkkessel zum feuerverzinken. Da setzt sich auch das mit Eisen, Nickel und sonstigen Legierungsmetall in unterschiedlichen Höhen ab.
So weit so gut.
nun zu meinem Problem:
Ein Brennstab wird mit spaltbarem Material gefüllt, und zwar nur so wenig, dass die Kritische Masse nicht erreicht wird.
Dann kommen mehrere die Brennstäbe zusammen in einen Reaktor. Dabei wird die Kritische Masse überschritten. Wegen der Entfernung zueinander, den Bremsstäben und dem Kühlmittel wird aber eine unkontrollierte Kettenreaktion verhindert.
Auch gut.
Was aber wenn die Sch… schmilzt?
Die Kritische Masse von angereicherten Uran liegt bei etwa 50 kg.
Die Reaktoren in Japan haben etwa 2 to Brennstäbe.
Ich kann nicht glauben, dass bei einer Schmelztemperatur von Uran bei etwa 1200°C und einer Siedetemperatur von knapp 4000°C in dem Schmelzbad von einem „Super Gau“ es zu keiner „Schichtung“ kommt, vor allem auch wegen den Spezifischen Gewichten der verwendeten Materialien (Kohlenstoff ist da übrigens schon lange verbrannt).
Was hindert die lächerlichen 50 kg Uran (oder auch 64 kg bei der Little Boy) daran sich im Schichtaufbau zu vereinigen?
Und was dann?
Kommt es zu einer Nuklearen Kettenreaktion und damit zu einer Atomexplosion auf der Erdoberfläche (oder fast)?
Was ist mit dem Fallout?
Vielleicht bin ich auch nur zu negativ eingestellt, aber das Thema beschäftigt mich schon seit Tschernobyl und keiner kann mir eine Antwort geben (auch nicht im KKI in Ohu, wo ich schon öfter angefragt habe).
Eure Meinung zu dem Thema interessiert mich und ich hoffe, ich liege falsch oder es gibt einen guten Grund dafür, dass das nicht passiert.

MfG
Uli

#2

Hallo!

Gute Idee, sich mit der Funktion von Kernkraftwerken / Siedewasserreaktoren, Sicherheitskonzept usw. zu befassen. Ein Haufen Fragen … vielleicht etwas nachlesen (Links?) oder eine Liste hier.

Ich glaube, Du sprichst vom Uranisotop U235, das aber nur einen kleinen Prozentsatz des Kernbrennstoffs ausmacht. „Kritische“ Masse scheint mir auch eher ein Begriff für Kernwaffen zu sein.

mfG

#3

Die Kritische Masse von angereicherten Uran liegt bei etwa 50
kg.

Dazu muss es schon hochangereichert sein. Sowas steckt man in eine Atombombe, aber nicht in einen Atommeiler.

Was hindert die lächerlichen 50 kg Uran (oder auch 64 kg bei
der Little Boy) daran sich im Schichtaufbau zu vereinigen?

Bei einer vollständigen Kernschmelze: nichts.

Und was dann?
Kommt es zu einer Nuklearen Kettenreaktion und damit zu einer
Atomexplosion auf der Erdoberfläche (oder fast)?

Im schlimmsten Fall kann es zu einer atomaren Verpuffung kommen. Eine Explosion wie bei einer Atombombe ist ausgeschlossen, weil die kritische Dichte bei der verdampfung des Spaltmaterials unterschritten und die Kettenreaktion dadurch wieder gestopt wird.

Soweit muss es aber gar nicht kommen, weil die kritische Masse im geschmolzenen Kern deutlich höher ist, als 50 kg. Das liegt u.a. an dem geringen Anreicherungsgrad des Urans, der durch die darin gelösten Fremdstoffe weiter herabgesetzt wird, der Geometrie der Schmelze (flach und nicht kugelförmig) und dem Vorhandensein von Neutronenfängern (Bor aus den Steuerstäben und aus der zugegebenen Borsäure). Außerdem scheinen die Brennstäbe schon ziemlich lange in den Reaktoren zu stecken. Da ist der Urangehalt schon ziemlich gering. Leider ist deshalb auch die Menge an hochradioaktiven Bestandteilen größer.

In den Abklingbecken sieht es ähnlich aus. Da ist der Anreicherungsgrad zwar noch niedriger und die Geometrie der Schmelze noch ungünstiger, aber dafür ist die Masse an Uran viel größer. Einige Experten fürchten deshalb eine unkontrollierte Kettenreaktion, die zu einer atomaren Verpuffung führen würde. Wahrscheinlicher (aber auch nicht viel schöner) ist allerdings, dass sich die Brennstäbe vorher an der Luft entzünden und einfach abbrennen.

Was ist mit dem Fallout?

Das kommt auf die Windrichtung an. Bei Westwind würde das meiste über dem Pazifik niedergehen (also u.a. auch über Hawaii). Das wäre zwar schlimm, aber immer noch das kleinere Übel. Der schlimmste Fall wäre ein Super-GAU bei Wind aus Nord-Ost und möglicherweise auch noch mit leichtem Regen über dem Großraum Tokio. Dabei könnte halb Honshū unbewohnbar werden. Was das bedeutet, kann sich jeder selbst ausmalen. An eine Evakuierung ist schließlich nicht zu denken. Über die Möglichkeit dieser Apokalypse denkt niemand laut nach, weil es nichts gibt, was man dann noch tun könnte. Man kann einfach nur hoffen, dass es nicht so schlimm kommt.

#4

Hallo

Der Begriff „kritische Masse“ bezeichnet hier nicht zwangsläufig die Menge, die notwendig für eine Bombe ist.

Ist es nur zu wenigen Prozent angereichertes Uran und wird damit eine kritische Masse überschritten, bedeutet das, das die Kernspaltung von alleine weiterläuft und sich auch noch steigern kann.
Man beachte, das der Anteil Uran, der nicht für die Kernspaltung geeignet ist, gute Abschirmwirkung hat, und somit eine kritische Masse aus solcher Substanz Zeit zum Verdampfen hätte, noch bevor es blitzartig explodiert.

Ich fürchte aber, es wird Dir niemand ganz genau sagen, was passieren wird, falls die Brennelemente schmelzen und sich alles am Boden sammelt.
Die Einwirkung von Wasser auf eine solche Schmelze wäre jedoch katastrophal, weil das Wasser dabei quasi explodiert.
Irgendwo hab ich gelesen, man könne eine Oxidschmelze mit Sand verdünnen.

MfG

#5

Hallo

Ich fürchte aber, es wird Dir niemand ganz genau sagen, was
passieren wird, falls die Brennelemente schmelzen und sich
alles am Boden sammelt.

Genau sicher nicht, aber es gab Präzedenzfälle, die untersucht wurden und man weiß es in groben Zügen. [Mit dem in Deutschland erwarteten Weltuntergang hat es jedoch wenig zu tun.] mfG

#6

D umachst da, glaube ich, einen Denkfehler, der sehr vielen Menschen bei diesem Thema unterläuft. Die kritische Masse ist kein fester Wert. Der Wert ist von vielen Faktoren abhängig, wie z.B. Geometrie (eine Kugel aus Pu-239 hat eine niedrigere kritische Masse als eine flache Platte Pu-239), Umgebung (Neutronenreflektor anwesend? Neutronen"bremse" anwesend? Etc.), Temperatur, etc. pp… So kann aus einer unterkritischen Hohlkugel Pu-239 durch eine Implosion eine mehrfach überkritische Kugel werden. Im Grunde sagt der Wert nur aus, wie viel Material vorhanden sein muss, umbei den gegebenen Umgebungsvariablen eine Kettenreaktion aufrecht zu erhalten. Bei wirklich perfekten Ausgangsbedingungen mit 100% Neutronenausbeute (also: jedes freigewordenen Neutron verursacht eine weitere Kernspaltung) wären das z.B. nur wenige Gramm die für einen ausreichend starken „Rumms“ sorgen würden, in der Realität muss dagegen wesentlich mehr Material vorhanden sein.

Recht gut erklärt wird das im Wikipedia-Artikel zu Kernwaffen, bzw. Kernwaffentechnik.

#7

Hallo,
danke erstmals an alle, die mir eine Antwort geschickt haben.
Ähnliche Antworten habe ich auch von Angestellten der Kernkraftwerke Isar I und II bekommen.
Ich bin auch nicht unbedingt ein Gegner solcher Anlagen.
Die einhellige Aussage der Betreiber ist jedoch, dass der Prozentanteil an angereicherten Uran relativ gering ist. Was auch stimmen mag, aber was genau heißt relativ - unter 50 % oder „nur“ 20% oder doch weniger?
Aber bei einer Gesamtmasse von 2 000 kg in den Brennstäben brauche ich auch nur 2,5 % und überschreite dann die kritische Masse (für Uran 235).
Und niemand kann mir sagen, wie sich geschmolzenes Uran in den verschiedenen Anreicherungsstufen verhält. Vielleicht brauchen wir ja 200 kg Mischung und eine „gemischte kritische Masse“ zu erhalten. Das immer noch erst 10 %.
Und wie gesagt, bei den hohen Temperaturen, die bei einer Kernschmelze auftreten entstehen auch Kräfte, die einer Durchmischung entgegen stehen.
Sicher wird es eher nicht zu einer kompakten Geometrie im Schmelzbad kommen. Da aber die Wärme nicht von Außen in das System gebracht wird, sondern die Wärme aus dem Material selbst kommt, kann ich mir sehr gut vorstellen, dass es sowohl in der Horizontalen als auch in der Vertikalen eine Art „Schichtung“ geben wird. Also dass das sich abtrennende Material nicht flach wie eine Scheibe in Schichten aufeinander liegt, sondern dass sich gleiche Materie „zusammenzieht“ und somit zwar keine Kugel, aber doch ein oben abgeflachtes Ei bildete, welches irgendwo in der Mitte „schwimmt“, denn die Wärme kommt ja aus dem „Ei“ und wird nicht von Außen in das System eingebracht.
Meine angenommen Masse von 50 - 60 kg bezieht sich auch auf Uran 235.
Wenn sich das Uran abreichert, wird die kritische Masse aber doch eher weniger.
Als Beispiel:
Ich habe als Kind einmal ein bauchiges Glasgefäß, in der einer Kerze gebrannte hat, mit Wasser übergossen und in der Mikrowelle geschmolzen, um das Wachs aus dem Gefäß zu bekommen.
Das kann man natürlich nicht vergleichen, aber es entstand ein faszinierender Effekt. Das Wachs ist langsam geschmolzen und nach oben geschwommen, während das Wasser nach unten drückte. Teile des Wachses, welche noch nicht ganz aufgeschmolzen waren, lagen am Boden des Gefäßes (festgeklebt). Dabei entstand genau die von mir vorher beschriebene „Eiform“.
Sicher gibt es viele Faktoren, die den Vergleich in dem Zusammenhang nicht rechtfertigen, aber so ähnlich stell ich mir die Abläufe in einer Schmelze mit so extremen Temperaturen vor.
Mein Experiment endete übrigens mit einer Dampfexplosion und die Mikrowelle war Schrottreif (wegen dem Wachs), das Glas der Kerze war auch kaputt.

Der Fallout
Hat es wirklich noch niemals eine Atomexplosion auf der Oberfläche der Erde (oder knapp darunter) gegeben?
Und hatten wir nicht erst vorletzte Woche Saharastaub im Wind (zumindest in Bayern)?
Ich hoffe ich hab niemanden Angst gemacht, aber meinem anscheinend beschränkten Verstand ist bei dem Gedanken einfach nicht wohl.

MfG
Uli

#8

Moin auch,

nur kurz: Der Anreicherungsgrad für AKWs beträgt IMHO ca. 3%. Bei einer Atom(Uran)bombe sind es, glaube ich, >97%.

Ralph

#9

Hallo,

Hat es wirklich noch niemals eine Atomexplosion auf der
Oberfläche der Erde (oder knapp darunter) gegeben?

Doch – z. B. in Hiroshima und Nagasaki. Vorher in New Mexico bei den Tests. Und danach noch öfter, im Wikipedia-Artikel „Bikini-Atoll“ findest du eine Liste.

Gruß

#10

Hallo,

Aber bei einer Gesamtmasse von 2 000 kg in den Brennstäben
brauche ich auch nur 2,5 % und überschreite dann die kritische
Masse (für Uran 235).

Nach http://de.wikipedia.org/wiki/Brennelement#Abgebrannt… (so deute ich das jedenfalls, kann es aber nicht glauben, daher wäre hier Expertenwissen willkommen) sind in Grafenrheinfeld maximal 4t U235 (praktisch dürfte die Hälfte, also 2t hinkommen, weil ja immer nur ein Teil neue Brennstäbe sind).
Positiv ist, daß in der Natur selten etwas dazu neigt sich von selbst anzureichern sondern sich eher verdünnt (Entropie will ich nicht weiter ausführen). Das natürlich Vorkommen von Uran deutet auch nicht darauf hin, als würde es dazu neigen sich zu „verklumpen“ (Metallurgie ist nicht mein Gebiet, daher kenne ich da die Fachbegriffe auch nicht)

Der Fallout
Hat es wirklich noch niemals eine Atomexplosion auf der
Oberfläche der Erde (oder knapp darunter) gegeben?

Doch, Hiroshima und Nagasaki dürften die bekanntesten sein. Die Versuche im Bikini-Atoll http://de.wikipedia.org/wiki/Bikini-Atoll sind auch einigermaßen gut untersucht.

Und hatten wir nicht erst vorletzte Woche Saharastaub im Wind
(zumindest in Bayern)?

Für eine weiträumige Verbreitung muß es aber erstmal einen Vorgang geben, der die Partikel in großer Anzahl (hier vor allem die Spaltprodukte, Uran oder Plutonium ist viel schwerer) in die hohen Luftschichten befördert, sonst bleibt das recht lokal (also einige 100km, je nach Wetterlage). Bei Tschernobyl war das der Brand.
Dennoch sind an der Westküste der USA die Auswirkungen schon meßbar (aber in keiner Weise gefährlich), genaues dazu muß ich aber noch suchen.

Cu Rene

#11

Hallo,
Nach
http://de.wikipedia.org/wiki/Brennelement#Abgebrannt…
(so deute ich das jedenfalls, kann es aber nicht glauben,
daher wäre hier Expertenwissen willkommen) sind in
Grafenrheinfeld maximal 4t U235 (praktisch dürfte die Hälfte,
also 2t hinkommen, weil ja immer nur ein Teil neue Brennstäbe
sind).
Positiv ist, daß in der Natur selten etwas dazu neigt sich von
selbst anzureichern sondern sich eher verdünnt (Entropie will
ich nicht weiter ausführen). Das natürlich Vorkommen von Uran
deutet auch nicht darauf hin, als würde es dazu neigen sich zu
„verklumpen“ (Metallurgie ist nicht mein Gebiet, daher kenne
ich da die Fachbegriffe auch nicht)
Cu Rene

Hi.
Dazu erstmal folgender Link.
http://de.wikipedia.org/wiki/Naturreaktor_Oklo
Dann weiter… Im Reaktor befindet sich ausreichend viel Uran-235 für z.B. eine Bombe, nur setzen die Bedingungen im Reaktor die bei den dort vorliegenden Umgebungsvariablen den Wert „kritische Masse“ so hoch, dass dieser bei einer Kernschmelze wohl weit unterschritten wird.

#12

Im Reaktor befindet sich ausreichend viel
Uran-235 für z.B. eine Bombe, nur setzen die Bedingungen im
Reaktor die bei den dort vorliegenden Umgebungsvariablen den
Wert „kritische Masse“ so hoch, dass dieser bei einer
Kernschmelze wohl weit unterschritten wird.

Und selbst wenn er überschritten wird, muss es nicht zu einer explosiven Kettenreaktion kommen. Wird die Kettenreaktion beispeilsweise durch Wasser angeheizt, dann ist es viel wahrscheinlicher, dass es durch die plötzliche Wärmefreisetzung zu einer Wasserdampfexplosion kommt. Wenn ich mich recht entsinne ist die Wasserdampdexplosion auch in Tschernobyl der atomaren Verpuffung zuvor gekommen.

#13

Atomexplosion auf der Erdoberfläche
Sorry, das muss ich wiederspechen.
Hiroshima und Nagasaki explodierten im Luftraum über den Städten.
Die Tests in New Mexiko fanden auf Türmen statt und Bikini war entweder in der Luft, auf einem Turm oder über/unter Wasser.
Es geht ja 1. um den Wirkungsgrad einer Waffe und 2. um den späteren Nutzen des Gebietes.
Die Halifax-Explosion am 6. Dezember 1917 machte es deutlich.
Siehe dazu auch Wikipedia Kernwaffenexplosion.
Zu 2.
welchen Sinn macht es, ein Gebiet zu erobern (entvökern) wenn man es dann nicht betreten kann?
Deshalb werden Kernwaffen immer über dem Zielort explodieren und nicht darauf.
Es ist auch nicht bekannt, dass in Tschernobyl der Surge-Effekt auftrat.

Da mir aber immer noch nichts über einer Explosion direkt auf der Erde bekannt ist, richte ich die Frage nochmal an die Gemeinde hier.

Also nochmal:
Eine Atomexplosion auf der Erdoberfläche oder auch mit 10-20 m losen Schutt bedeckt, wie wirkt sich das aus?
Sicher wird es bei uns kein Plutonium Regnen, wenn es in Japan kracht.
Aber der Schutt und die Sandkörner?
Ja der Westwind weht das Zeug nach Hawaii, aber die Eder ist rund und es geht nicht nur ein Westwind. Und der Jetstream?
Also nichts für Ungut, aber mit wiederholen von Aussagen der sog. Experten und politischen Beratern, die auch mal in der Schule waren und von den Leuten im Hintergrund gesagt bekommen was richtig ist, kann ich nicht viel anfangen.
Ps.
Deutschland hat keine Atomwaffen, das ist soweit richtig.
Deutschland hat aber Waffen, mit denen man Atommunition verschießen kann. Die Bundeswehr verfügt über sogenannte Spez.-Züge. Diese Einheiten haben keine schweren Waffen und keinen Munition. Sie sind ausgebildet, mit ihren LKW´s die Munition (Murmeln) von den amerikanischen Streitkräften zu empfangen und zu den bereits in Stellung gebrachten Kanonen und Panzern (-Haubitzen) zu bringen und dort zu verschießen, dann die Stellung zum nächsten Gechsütz zu wechseln. Auch diese einfachen und kleinen Murmeln sind normalerweise nicht dazu gedacht, auf dem Boden zu detonieren.
Natürlich wird einzelne Soldat dumm gehalten, aber wenn man genau zuhört und etwas liest, bekommt man schon das Eine oder Andere mit.

MfG
Uli

#14

Hallo,

Was hindert die lächerlichen 50 kg Uran (oder auch 64 kg bei
der Little Boy) daran sich im Schichtaufbau zu vereinigen?

Weil die Massenunterschiede der verschiedenen Uran-Isotope zu gering sind. Die Trennung von Isotopen ist eine ganz andere Sache als die Trennung von verschiedenen Elementen z.B. bei Metall-Legierungen. Die Brennstäbe bestehen ja fast ausschließlich aus Uran, aber eben nur zu 4% aus Uran-235, dass für die Kettenreaktion geeignet ist. Der Rest ist Uran-238. Dieses hat aber praktisch genau die gleichen chemischen Eigenschaften wie Uran-235, es ist schließlich das gleiche Element mit gleich vielen Protonen und Elektronen und gleichem Aufbau. Deshalb ist die Anreicherung von Uran ja auch so aufwändig. Wenn man das einfach anreichern könnte, in dem man es einfach schmilzt und sich dann die Stoffe selbstständig trennen, dann würde man das ja machen. Dagegen braucht man hierfür Hochgeschwindigkeits-Zentrifugen mit einigen zehntausend Umdrehungen und selbst damit braucht es sehr viel Zeit, um eine nennenswert hohe Anreicherung zu bekommen.

vg,
d.

#15

Ja, Wasserdampfexplosion und danach durch die einströmende Luft das chemische Abbrennen der Graphitteile, was für die radioaktive Wolke gesorgt.