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Nr. 8,  August 1958

Wer baut das erste
ATOMFLUGZEUG?

In Ost und West wird Intensiv an einer
Verwirklichung gearbeitet Zahlreiche
Probleme sind allerdings noch ungeklärt


Von Manfred Jäger

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AUF DEM PAPIER hat bei den Lockheed-Werken ein Verkehrsflugzeug, das mit Atomkraft getrieben wird, schon Gestalt angenommen. Seine   Geschwindigkeit liegt wesentlich über der Schallgrenze. Die Firma hat von der amerikanischen  Luftwaffe einen Studienauftrag für Atomflugzeuge In Höhe von 13 Millionen Dollar erhalten.

Es ist ruhiger geworden um die Pläne, die Atomkraft auch der Luftfahrt zu erschließen. Die Verlagerung des Schwergewichts auf die Raketenentwicklung hat das bisherige Konzept durcheinandergebracht. Nun aber, da sich die Situation etwas beruhigt hat, lassen sich für das Flugzeug auch weiterhin reelle Chancen erkennen.

So erhebt sich erneut die Frage nach dem Sinn und Zweck von Flugzeugen mit Atomantrieb. Um es gleich vorweg zu sagen: die Flugzeugindustrie folgt keineswegs nur einer 'Mode wenn sie derartige Überlegungen anstellt.

In den letzten 15 Jahren haben die Geschwindigkeiten der Flugzeuge in so frappanter Weise zugenommen, daß man darüber allzuleicht die Tatsache übersieht, daß dieser Fortschritt mit einem entsprechenden Anwachsen des Kraftstoffbedarfs teuer erkauft werden mußte. Auch ist die Reichweite mit der Geschwindigkeit nicht nur nicht gewachsen, sondern sie blieb bestenfalls unverändert. Die Zeit, während der ein Flugzeug in der Luft bleiben kann, wurde sogar kleiner. Es ist deshalb interessant, einmal die Größen zu untersuchen, von denen das Verbleiben in der Luft abhängig ist. Hier gibt es die bekannte Breguet'sche Reichweitengleichung R = 863,5 , Ca/Cw * B * log G0/G1 Meilen.

Nimmt man nun das optimale Auftriebs-Widerstands-Verhältnis (ca/cw) mit bestens 25 und den spezifischen Kraftstoffverbrauch eines Kolbentriebwerks oder eines Propeller-Turbinentriebwerks mit B = 0,3 kg/PS/std und das Verhältnis von Abfluggewicht zu Landegewicht mit 2:1 an, dann erhält man ein Maximum von 20 000 Meilen. Die gesamte Zuladung würde in diesem Fall aus Kraftstoff bestehen. Wenn sich Nutzlast und Kraftstoffgewicht die Waage halten sollen, dann beträgt die theoretisch erzielbare Maximalreichweite nur noch 7500 Meilen. Nun gibt es zur Zeit aber kein derart großes Flugzeug, das mit seinem Kraftstoff Fassungsvermögen dieser Reichweite entsprechen würde. Bei Strahltriebwerken mit ihrem höheren spezifischen Kraftstoffverbrauch verschiebt sich das Verhältnis von G0:G1 so, daß die praktische Reichweite noch weiter heruntergedrückt wird.

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Daß nun ein Flugzeug-Atomreaktor entsprechender Leistung aber nicht einmal ein halbes Pfund Atombrennstoff für eine Rundreise um den Globus verbrauchen würde, zeigt, wie verlockend die Atomkraft als Antrieb von Flugzeugen ist, besonders dann, wenn es erwünscht ist, ein Flugzeug sehr lange Zeit in der Luft zu halten oder wenn der Kraftstoffnachschub zu einem Problem wird. Außerdem sind die Atomkraftstoff-Kosten bei den heutigen Preisen durchaus tragbar sie würden sich nur um ein Drittel erhöhen. Daß Atomreaktoren sich in der Praxis bei der Gewinnung von Elektrizität und beim Antrieb von Schiffen bewährt haben, ist bekannt. Was macht ihre Verwendung im Flugzeug so kompliziert? Bevor diese Frage beantwortet werden kann, muß erst auf das Zustandekommen dernutzbaren Energie in einem Reaktor eingegangen werden. Ein Atomkern kann gespalten werden, wenn ein Neutron mit hoher Geschwindigkeit auf ihn auftrifft. Dabei fliegen die gespaltenen Teile mit immenser Geschwindigkeit auseinander. Wenn auf diese Weise freigesetzte Neutronen auf andere Kerne treffen, wiederholt sich der Vorgang, der auf natürliche Weise zum Beispiel beim Uran-Isotop 235 entsteht. Die fortlaufende Kettenreaktion kann unter bestimmten Voraussetzungen Energien freisetzen, wie sie von den Atombomben her bekannt sind. Setzt man nun zwischen die als Neutronenquellen fungierenden Atombrennstoff-Elemente einen sogenannten Moderator, der die Neutronen etwas abbremst, dann ergibt sich bei diesem Bremsvorgang zusätzliche kinetische Wärme. Diese Wärme kann durch ein Kühlmittel aus dem Moderator abgeführt und in einer Wärmekraftmaschine in verwertbare Energie umgesetzt werden.

 

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Gleichzeitig mit dem Abbremsen der Neutronen erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, daß diese auf vorhandene U-235-Kerne auftreffen und die Kettenreaktion in Gang halten. Damit wird vermieden, daß man eine so große Brennstoffmenge wie bei einer Bombe braucht. Ein Leistungsreaktor kann also gar nicht 'explodieren', weil die vorhandene spaltbare Masse die kritische Grenze nicht erreicht. (Er kann höchstens schmelzen und den Kühlmittelkreislauf zum Platzen bringen.) Der Moderator muß einen Kern haben, der in der Größe einem Neutron möglichst nahekommt, und er darf Neutronen nicht oder nur wenig absorbieren. Das ist zum Beispiel bei Graphit, Beryllium, schwerem Wasser und Wasser der Fall. Die Größe eines Leistungsreaktors wird so bemessen, daß bei dem Spaltungsvorgang immer so viel neue Neutronen freigesetzt werden, daß die Kettenreaktion weiterläuft, das heißt, es ist von vornherein ein gewisser Überschuß eingeplant. Das führt dazu, daß dieser Überschuß allmählich anwächst und die entstehende Hitze über die vertretbare Grenze hinaus anwachsen könnte, wenn es nicht möglich wäre, den Neutronenhaushalt durch neutronenabsorbierende Stoffe zu kontrollieren.

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Solche Stoffe werden in Form von Steuerstäben je nach Bedarf mehr oder weniger in den Reaktorkern eingeschoben. Wo es nun darum geht und das gilt besonders für die Anwendung von Leistungsreaktoren in einem räumlich engen Flugzeug -, den Raumbedarf eines Reaktors auf ein Minimum zu beschränken, kann sich die Notwendigkeit des Moderators als unüberwindliches Hindernis bei der Verwirklichung in den Weg stellen. Im Uran sind die Uranisotopen so verteilt, daß dem U-235-Teil 139 neutronenabsorbierende U-238-Teile gegenüberstehen. Reichert man das natürliche Uran nun künstlich an, so daß sich das Mischungsverhältnis umkehrt, dann erhält man unter bestimmten Voraussetzungen auch ohne Moderator eine fortlaufende kontrollierbare Kettenreaktion. Weil die Neutronen hier nicht abgebremst werden, bezeichnet man solche Reaktoren als 'schnelle' Reaktoren. Sie zeichnen sich dadurch aus, daß bei ihnen der Reaktorkern sehr klein gehalten werden kann. Allerdings ergibt sich dabei eine sehr starke radioaktive Abstrahlung. Legt man einen relativ dünnen Mantel eines Moderators um den Reaktorkern, dann fängt dieser einen Großteil der Neutronenstrahlung auf und wirkt als Reflektor nach innen, erhöht also den Wirkungsgrad.

74d.jpg (7958 Byte) DIE MILITÄRS sind an einem Atomflugzeug natürlich sehr Interessiert. Links das Projekt eines Atombombers, das von Lockheed veröffentlicht wurde. Die Zeichnung rechts gibt einen Aufriß des Triebwerkes wieder.

Noch einen Schritt weiter führt der 'Brutreaktor', bei dem dieser Mantel aus 'fruchtbaren' Stoffen besteht, die unter Neutronenbeschuß selbst zu spaltbaren Brennstoffen werden. So verwandelt sich z. B. U 238 in Pluto nium 239 und Thorium 232 in Uran 235. Man kann damit Brutreaktoren bauen, die mehr spaltbaren Brennstoff erzeugen, als sie verbrauchen. Daß man auf diese Weise also Leistungsreaktoren genügender Kapazität mit einem Durchmesser von noch nicht einmal einem Meter konstruieren könnte; klingt sehr vielversprechend.

76a.jpg (18303 Byte) MIT EINEM ATOMREAKTOR AN BORD flog schon vor zwei Jahren eine Convair NB-36 H. Allerdings gab der Reaktor keine Leistung für den Antrieb der Motoren ab; es sollte nur sein Verhalten während des Fluges erprobt werden.

Abgesehen von der Tatsache, daß bei dem Spaltprozeß auch Spaltprodukte von hoher Neutronenabsorption anfallen (die den Prozeß stören oder zum Erliegen bringen würden, wenn man sie nicht durch zusätzliche technologische Maßnahmen neutralisieren könnte), entsteht beim Betrieb eines Reaktors eine sehr starke Strahlung (Gamma-Strahlen und Neutronen). Selbst wenn der Reaktor außer Betrieb ist, verbleibt eine beträchtliche Reststrahlung (Gammastrahlen aus dem radioaktiven Zerfall der Spaltprodukte). Die Auswirkung dieser Strahlung ist nun ganz verschieden. Nicht nur beim Menschen führt sie zu schweren Schäden, wenn sie eine bestimmte Grenze überschreitet; sie ist auch imstande, die Eigenschaften fester und flüssiger Stoffe zu verändern.

76b.jpg (8402 Byte) HELIUM ist als Kühlmittel bei einem Atomtriebwerk für ein Transportflugzeug der englischen De HavillandWerke vorgesehen. Die Wärmetauscher, die bei Temperaturen um 1000 Grad Celsius arbeiten, ersetzen das Verbrennungssystem konventioneller Turbotriebwerke.

Der Mensch kann zum Beispiel im Vergleich zu den nächstempfindlichen Gegenständen wie Transistoren und Glas nur den zehntausendsten Teil der Neutronenstrahlung aushalten. Die bisher festgestellten Veränderungsgrenzen sind nachfolgend aufgeführt: 10hoch14 Neutronen/cm²: Germanium-Transistoren verlieren Verstärkereigenschaften; Glas verfärbt sich; 10hoch15 Neutronen/cm² 10hoch16 Neutronen/cm²: Wasser und weniger stabile organische Flüssigkeiten 'sprudeln'; 10hoch17 Neutronen/cm²: Butyl-Gummi verformt sich, wird weicher; 10hoch18 Neutronen/cm²: Natürlicher Gummi verformt sich, wird härter; Kohlenwasserstoff-Öle vergrößern Viskosität; bei Metallen kann die Elastizitätsgrenze heraufgesetzt werden; 10hoch19 Neurtronen/cm²: Polystyrene verlieren an Zerreißfestigkeit; 10hoch 20 Neutronen/cm²: Alle Kunststoffe werden unbrauchbar für Bauteile und Formteile; kohlehaltiger Stahl verliert an Leitfähigkeit, verdoppelt Elastizität; rostfreier Stahl verdreifacht Elastizität. 10hoch21 Neutronen/cm²: Aluminium Legierungen verlieren etwas an Leitfähigkeit, zeigen aber sonst kaum eine Einwirkung. Nun werden aber in einem Flugzeug nicht nur Hunderte, sondern sogar Tausende verschiedener Materialien und Werkstoffe verwendet. Zur Zeit liegen einfach noch nicht genügend Ergebnisse über Strahleneinwirkung vor. Das von der US Air Force und Lockheed eingerichtete Atomflugzeug-Laboratorium in Georgia beschäftigt sich hauptsächlich mit diesen Fragen. Kompliziert werden die Probleme noch dadurch, daß die Stoffe infolge der Bestrahlung zeitweise selbst radioaktiv werden können. Bei organischen Stoffen setzt dies ein, bevor sie durch die Bestrahlung in ihren Eigenschaften verändert werden; hei den Metallen ist das umgekehrt. Die Empfindlichkeit gegenüber Gammastrahlen verhält sich ebenfalls anders als gegenüber Neutronenstrahlen.

77a.jpg (6806 Byte) GESCHWINDIGKEITEN VON MACH 2,5 könnte dieser Überschallbomber in 18000 Meter Höhe erreichen, der von De Havilland entworfen wurde. Ein einziger gasgekühlter Reaktor von 90 MW Leistung leitet die erzeugte Wärme zu einem Zwillingstriebwerk. Der Reaktor ist teilweise abgeschirmt, um die radioaktive Ausstrahlung nach vorne zu vermindern. Eine zweite, zusätzliche Schutzwand umgibt die Besatzungskabine und setzt dadurch die radioaktive Einstrahlung auf ein erträgliches Maß herab.

Eines der wichtigsten Probleme bildet somit die Abschirmung gegen die Strahlung. Und während das Gewicht beim Atombrennstoff gar keine Rolle spielt weil man so wenig braucht -, geht es bei der Abschirmung darum, aus' möglichst wenig schwerem Material soviel wie möglich Wirkung herauszuholen.

 

77b.jpg (14151 Byte) DAS FLUGBOOT erscheint einigen westlichen Experten am ehesten den Bedingungen eines atomgetriebenen Flugzeuges zu entsprechen. Auch dieser Entwurf stammt von De Havilland. Ein gasgekühlter Reaktor arbeitet zusammen mit einer angeschlossenen Gasturbine, in der Helium als Arbeitsgas verwendet wird. Das Helium wird im Reaktor erhitzt, durch eine Turbine verdichtet und zu den Triebwerken geleitet. Eine gesondert arbeitende Turbine Ist für den Antrieb des Kreislaufs bestimmt.

 

 

Es mag eigenartig klingen, daß Blei die leichteste Abschirmung gegen Gamma-Strahlen ergibt. Leichtere Stoffe müßte man in noch höheren Gewichtsmengen heranziehen. Die beste Neutronenabschirmung wäre Wasserstoff. Leider kann in der Praxis nicht darauf zurückgegriffen werden. So weicht man auf feste oder flüssige Stoffe mit hohem Wasserstoffgehalt aus. Wasser, Polyäthylen, gewöhnliches Benzin oder Petroleum ergeben gute Resultate bei der Abschirmung von Neutronen. Es gilt also, diese beiden Typen von Abschirmungen so zu kombinieren, daß sie jede Art von Strahlung bis auf ein annehmbares Maß reduzieren. Da nun die Strahlungsintensität mit dem Quadrat der Entfernung von der Strahlungsquelle abnimmt, kann man die Frage so angehen, daß man den Reaktor im Flugzeug möglichst weit weg von den empfindlichsten Teilen einschließlich der Besatzung unterbringt, und daß man die Abschirmung progressiv verteilt.

So wäre es möglich, zum Beispiel den Reaktor mit einer leichteren Primärabschirmung zu versehen, die am Boden bei abgeschaltetem Reaktor die Reststrahlung abfängt und im Flug nicht mehr als die zulässige Strahlendosis an die Flugzeugzelle und die Nutzlast gelangen läßt, während die Besatzung durch eine schwere Sekundärabschirmung geschützt wird. Das klingt im Prinzip sehr einfach, ist aber in Wirklichkeit ein Problem so komplizierter mathematischer Art, daß es nur mit elektronischen Rechenmaschinen angegangen werden kann. Jede Gewichtsveränderung an den verschiedenen Stellen bringt ja gleichzeitig auch eine Veränderung der statischen Anforderungen an die Flugzeugzelle mit sich.

Die im Reaktor entstehende Hitze muß durch geeignete Kühlmittel aus ihm herausgeführt werden, um in einer Wärmekraftmaschine etwa einer Turbine in Bewegungsenergie umgesetzt zu werden. Da das Kühlmittel durch die Strahlung selbst radioaktiv wird, muß es in einem geschlossenen Kreislauf gehalten werden und kann seine Aufgabe nur über einen zusätzlichen Wärmeaustauscher erfüllen, sonst würden Spaltprodukte in die freie Atmosphäre gelangen. Als Kühlmittel empfehlen sich auf Grund ihrer früher genannten Eigenschaften Flüssigkeiten wie Wasser (Druckwasser-Reaktoren), Gase wie Helium und niedrig schmelzende Metalle wie Natrium. Studien über heliumoder natriumgekühlte Flugzeugreaktoren und Triebwerke wurden beispielsweise bei Rolls Royce und De hiavilland in England und bei verschiedenen amerikanischen Firmen angestellt. Im Rahmen dieser Berechnungen erschien es möglich, mit einem 30-MW-Reaktor von. etwa einem Meter Durchmesser und Länge und 750° Celsius im Wärmeaustauscher einem Flugzeug von insgesamt 100 Tonnen Startgewicht eine Antriebsleistung von 10 000 PS zu vermitteln. Dieser Wert ist nicht gerade sensationell, aber er läßt doch erkennen, daß bei weiterer Entwicklung noch einiges 'drin' sein muß.

Die am schwersten wiegende Frage beim Betrieb eines Atomflugzeuges ist: Was passiert bei einem Absturz oder einer Bruchlandung? Das Hauptrisiko liegt darin, daß in einem solchen Fall radioaktive Stoffe durch Lecks aus dem System austreten und ein weites Gebiet verseuchen könnten. Ein sekundäres Problem entstünde für das Rettungspersonal und die Räummannschaft.

Aus diesem Grund möchte man vorläufig dem Flugboot bei der Anwendung der Atomkraft den Vorrang geben.

Es wird sich nicht umgehen lassen, für den Fall eines Versagens oder einer Störung des Reaktors Hilfstriebwerke vorzusehen, die dann eine sichere Notlandung noch ermöglichen. Sie könnten auch als Starttriebwerke Verwendung finden, so daß der Reaktor in Bodennähe überhaupt nicht eingeschaltet werden muß, was die Bodenorganisation im Hinblick auf den Strahlenschutz ebenfalls vereinfachen würde. Das zusätzliche Gewicht und den zusätzlichen Nutzen aufeinander abzustimmen, ist eine weitere schwere Aufgabe für die Konstrukteure. Die Liste der Schwierigkeiten ist aber noch nicht vollständig: auch das 'Betanken' und das Entnehmen des 'Atommülls` 'setzen umfangreiche Vorrichtungen und Sicherheitsmaßnahmen am Boden voraus. Das Ausmaß der Probleme konnte hier nur sehr vereinfacht angedeutet werden. Das Atom-Flugzeug ist eine technische Möglichkeit, soviel steht auf jeden Fall fest. Bis zu seiner Verwirklichung gilt es aber, noch umfangreiche Forschungsund Entwicklungsarbeiten auf den verschiedensten Gebieten durchzuführen. Weil der Umfang dieser Arbeiten aber über das hinausgeht, was einzelne Firmen darin investieren können, hängt es weiterhin von der Bewilligung staatlicher Mittel ab, ob und wann einmal Atomflugzeuge gebaut werden können.

aus: hobby Das Magazin der Technik Nr. 8 August 1958

Bearbeitet am: 02.04.2005/ad


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