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Nr. 1,  Januar 1956

KEINE ANGST VOR ATOMMEILERN

Kann ein Atommleier explodieren und zur Atombombe werden? - Ein gewagter Experiment!

Von Robert Gerwin

Für einen kurzen Moment zögerte Dr. Harold Lichtenberger, bevor er das Zeichen zum Beginn dieses entscheidenden Experiments gab. Gut, daß außer den paar eingeweihten Mitarbeitern niemand auf der Welt wußte, was sie jetzt machen würden. Nach den vorangegangenen rund 200 Experimenten konnten die hier arbeitenden Physiker zwar mit Sicherheit sagen, daß auch dieses Experiment harmlos verlaufen werde. Doch jeder Nichteingeweihte hätte wahrscheinlich gerufen: Das ist doch Wahnsinn!

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NUR MIT GEWALT war der Borax 1-Reaktor kleinzukriegen. Oben eine Aufnahme vom vorletzten Experiment, bei dein trotz Überschreitung der kritischen Größe um mehr als 2% nur eine Wasserfontäne ausgeschleudert wurde. Oben rechts Schnittzeichnung des Reaktors. Man erkennt die Brennstoffelemente, den Regulierstab in der Mitte und zwei der vier Regulierplatten.

Ihr macht ja den Atommeiler zur Atombombe und sprengt die ganze Versuchsstation damit in die Luft!


Aber gerade darum sollte dieses Experiment gemacht werden! Sie wollten endlich aufräumen mit dem allgemeinen Irrglauben, daß ein Atommeiler ein gefährlichesDing sei, das jeden Augenblick in die Luft gehen könne. Diese psychologischen Schwierigkeiten waren eigentlich noch die einzigen, die der allgemeinen großtechnischen Erzeugung von Elektrizität aus Kernenergie entgegenstanden. Die Filmkameras dort drüben sollten diesen historischen Augenblick im Bilde festhalten, um später der Welt beweisen zu können, daß ihre Angst vor den Atomkraftwerken unbegründet ist. Dr. Lichtenberger hob die Hand.

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Die Papierstreifen der Registriereinrichtungen begannen zu wandern, und gespenstisch huschten die Markierungsimpulse über die Oszillographen-Bildschirme. Plötzlich schien ein greller Blitz in dem grauen Hügel dort drüben aufzuflammen. Gleich darauf schoß eine weißlich-graue Dampfwolke heraus. Ein paar kleine glühende Metallteile flogen umher, einige größere Stahlplatten wirbelten durch die Luft ... und der Spuk war vorbei. Die Explosion war nicht stärker, als wenn einige Pfund Dynamit explodiert wären. Die Trümmer waren nicht weiter als 60 Meter fortgeflogen, und bis auf 100 Meter konnte man sich dem Explosionszentrum ungeschützt nähern, ohne ernsthaft radioaktive Schädigungen irgendwelcher Art befürchten zu müssen.

Dieses historische Reaktor-Experiment wurde am 22. Juli 1954 auf dem Versuchsgelände der amerikanischen Atomenergiekommission in der Nähe des kleinen Städtchens Arco, in der weiten Prärie von Idaho im Nordwesten der USA, durchgeführt. Es zeigte genau das, was man erwartet hatte: Ein Atomreaktor kann nur dann zur Explosion gebracht werden, wenn bewußt mehrere schwere Fehler bei seiner Konstruktion und seinem Betrieb gemacht werden. Eine solche Explosion ist dann aber eine ganz normale Kesselexplosion, wie sie durch Überhitzung in jedem Dampfkessel erzeugt werden kann. Zur Atombombe wird der Atommeiler also nicht, es findet keine atomare Explosion statt.

Wie kommt das? Wenn man auf eine heiße Herdplatte Wasser schüttet, dann geschieht nicht das, was man eigentlich erwarten sollte, nämlich, daß das Wasser sofort verdampft. Vielmehr tanzen die Wassertropfen eine ganze Zeitlang auf der Platte herum. Zwischen den Wassertropfen und der heißen Platte bildet sich ein Dampfpolster. Auf diesem jongliert der Tropfen sozusagen. Da Dampf ein schlechter Wärmeleiter ist, erwärmt sich der Tropfen nur langsam bis auf 100 Grad, um dann auch schlagartig zu zerspritzen und zu verdampfen. ich habe es noch nicht selbst versucht und will auch niemand dazu ermuntern, aber man soll seine vom Schweiß angefeuchtete Hand für einen kurzen Augenblick in flüssiges Eisen halten können, ohne sich zu verbrennen. Der verdampfende Schweiß bildet nämlich eine isolierende Schutzschicht rings um die Hand. Unter dem Namen Leiderfrost-Phänomen ist diese Erscheinung in der Physik berühmt geworden.

Etwas Ähnliches spielt sich in einem Atomreaktor ab: Die Erzeugung von Atomenergie aus schweren Atomkernen beruht ja bekanntlich auf der Kettenreaktion.

Ein Neutron stößt auf einen Uran-235-Kern. Dieser wird dadurch gespalten. Dabei entstehen neue Neutronen, die wieder einen weiteren U-235-Kern zur Explosion bringen. So geht das Spiel endlos weiter. Voraussetzung dafür ist aber, daß die bei der Kernspaltung erzeugten Neutronen abgebremst werden, denn eigenartigerweise haben nur langsame Neutronen die Fähigkeit, Uran-235-Kerne zuverlässig zu spalten. Dieses Abbremsen der Neutronen geschieht durch einen Moderator, meist schweres oder normales Wasser oder Graphit. AufmerksamehobbyLeser wissen das ja längst.

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BORAX II, ein Reaktor, der auf Grund der bei den Explosionsversuchen gemachten Erfahrungen gebaut wurde und am 28. Juni 1955 erstmalig eine kleine Stadt mit Elektrizität versorgte.

Um nun die Kettenreaktion in einem Meiler immer auf dem gleichen Niveau zu halten, ist jeder Reaktor mit einer automatischen Regeleinrichtung versehen. Stäbe aus Bor oder Kadmium - zwei Elementen, die die Eigenschaft haben, Neutronen in großer Zahl zu absorbieren - tauchen mehr oder weniger tief in die aktive Zelle des Reaktors ein und halten so die Zahl der freien Neutronen (und damit die Kettenreaktion) konstant. Versagt aber nun diese Steuereinrichtung - das ist die neue Erkenntnis aus den amerikanischen Experimenten -, dann tut bei einer etwas höheren Temperatur die Natur von sich aus genau das gleiche wie die Regeleinrichtung: sie stellt den Meiler ab. Der Moderator, die Bremsflüssigkeit, beginnt auf der Oberfläche der Heizelemente zu verdampfen. Dadurch wird das Wasser aus der aktiven Zelle des Reaktors heraus gedrängt, es kann keine Neutronen mehr abbremsen, und die Kettenreaktion wird unterbrochen. Danach kondensiert die Bremsflüssigkeit unter Umständen wieder, kehrt in die aktive Zelle des Reaktors
zurück, und das Spiel beginnt von vorne. Etwa alle 2 bis 3 Sekunden braust der Reaktor erneut auf, aber er explodiert nicht, er kocht nicht über. So, wie der Deckel eines Kochtopfs zu klappern beginnt, wenn das Wasser kocht und der Dampf stoßweise ausgeblasen wird, so blubbert und gluckst der Reaktor, sobald seine Wärmeproduktion zu groß wird. Chugging (sprich: tschagging) haben die Amerikaner den Vorgang getauft, ein Wort aus dem Eisenbahner-Slang für das Rattern eines Zuges, wenn er über die Schienenstöße fährt.
Die Experimente, von denen hier die Rede ist, wurden an dem Reaktor Borax 1 durchgeführt, einem Versuchsmodell eines Kraftwerkreaktors, das eigens für die Explosionsversuche 1953 konstruiert wurde. Es handelt sich dabei um einen sogenannten Kochend-Wasser-Reaktor. Das ist der einfachste Reaktortyp, den man sich zur Zeit denken kann. Man braucht keine Wärmeaustauscher und hat nur einen einzigen Wasserkreislauf, der zugleich auch die Funktion des Bremsmittels übernimmt. Wie ein elektrischer Tauchsieder in einem Kochtopf, so stehen die Brennstoffelemente des Reaktors mitten in einem nahezu bis zum Rand mit Wasser gefüllten Stahltank.

Die Brennstoffelemente sind langgestreckte, viereckige Kästen. Ihre Wände
bestehen aus drei aufeinandergewalzten Metallschichten. Für die äußere und die innere Schicht nimmt man reines Aluminium, für die mittlere ein gesintertes Gemisch aus Aluminium und angereichertem Uran. So kommt das Uran nicht mit dem Wasser, das frei zwischen den Wänden der Kästen auf- und absteigen kann, in Berührung. Ein einzelner Kasten dieser Art, ein Brennstoffelement, ist vollständig ungefährlich. Erst wenn mehrere dicht beieinander stehen, kann der Austausch ihrer Neutronen so intensiv werden, daß eine Kettenreaktion in Gang kommt. Bei diesem Versuchsreaktor bildeten 26 solcher Brennstoffelemente gerade die kritische Masse des Reaktors. Stellte man ein oder zwei weitere Brennstoffelemente dazu, dann wurde der Reaktor überkritisch, dann mußten die Regulierstäbe aus Bor oder Kadmium ein Stückchen tiefer in die aktive Zelle eintauchen, um die überzähligen Neutronen zu absorbieren.

Der Versuchsreaktor besaß insgesamt fünf solcher Regulierplatten bzw. Stäbe. Vier Platten waren, wie in der Schnittzeichnung auf Seite 29 zum Teil zu sehen ist, kreuzförmig angeordnet. Ein runder Stab saß in der Mitte. Die vier Platten wurden nur dann eingefahren, wenn der Reaktor vollständig abgebremst werden sollte. Der mittlere Stab wurde automatisch von einer Ionisationskammer aus gesteuert und diente als Reguliermittel.

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CHUGGING nennen die Atommeiler-Konstrukteure den hier dargestellten Vorgang. Die Leistung des Reaktors steigt steil an, sobald der Regulierstab herausgeschleudert wird, geht dann zurück und schwankt ständig um einen ungefährlichen Mittelwert. Dieses Experiment dauerte 10 Sekunden.

 

In rund 200 Experimenten hat man dann untersucht, was in und mit dem Reaktor geschieht, wenn sein Steuermechanismus versagt. Nachdem er so nicht 'kleinzukriegen' war, hat man ihn zuletzt bewußt stark überkritisch gemacht, um in seinem Stahltank wenigstens eine zünftige Kesselexplosion zu inszenieren - das letzte, eingangs geschilderte Experiment. Die Experimente wurden dabei immer wie folgt durchgeführt: Der mittlere Regulierstab wurde durch Federkraft und sein eigenes Gewicht aus dem Zentrum des Reaktors herausgeschleudert. Sofort stieg die Leistung des Reaktors steil an, erreichte nach etwa einer zehntel Sekunde bereits ihren Höhepunkt und fiel dann mindestens ebenso steil wieder ab. Nach einigen Sekunden wurden die vier anderen Platten durch Preßluft eingefahren und beendeten so das Experiment.

Das wurde bei verschiedenen Anfangsbedingungen und auch mit verschiedenen Zusammenstellungen der Brennstoffelemente durchexerziert. Nie erlitt der Reaktor dabei ernsthaft Schaden. Um das bewußt zu erreichen, mußte man besondere Maßnahmen treffen. Man mußte dafür sorgen, daß sich die Bleche der Heizelemente schneller erwärmten, als sie die Wärme wieder an das Wasser abgeben konnten, der Leistungszuwachs mußte schlagartig erfolgen. Beim zweitletzten Experiment erreichte man schließlich, daß sich die EnergieErzeugung innerhalb einer hundertstel Sekunde verzehnfachte (bei früheren Experimenten geschah das in etwa fünf hundertstel Sekunden). Jetzt endlich gelang es, eine neun Meter hohe Wassersäule aus dem Tank ausbrechen zu lassen.

Dabei deformierten sich zwar die Heizelemente etwas, aber diese Verformung hatte rein mechanische Ursachen, denn die Temperatur der Elemente stieg nicht über 350° C.

Beim letzten Experiment wurde der Reaktor dann noch kritischer eingestellt (mit einem weite-
ren Brennstoffelement versehen) und der Steuerstab noch schneller herausgeschleudert. Da endlich schmolzen die Brennstoffelemente zusammen, ehe sie genügend Dampf entwickeln konnten. Der Kessel explodierte. Für den Bruchteil einer Zehntelsekunde stieg dabei die Leistung des Reaktors auf 20 Millionen Kilowatt an. Eine atomare Explosion ereignete sich nicht. Nach diesem Gewaltexperiment wurde ein neuer, etwas größerer Borax-Reaktor gebaut, den man dann an eine Turbine und diese an einen 2000-Kilowatt-Generator anschloß. Mit diesem Strom wurde am 28. Juni 1955 die in der Nähe des Versuchsgeländes gelegene Stadt Arco einige Stunden lang versorgt.

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EINE EXPLOSION des Borax I-Reaktors gelang erst, als die kritische Größe um 3,3 überschritten wurde.

1 bis 4 sind Aufnahmen aus dem dabei aufgenommenen Film.

1) Vor dem Versuch.
2) Eine Wasserdampfwolke bricht aus.
3) Bruchstücke glühender Brennstoffelemente (weiße Punkte in der Wolke) werden ausgeschleudert.
4) Zuletzt geht auch die Steuereinrichtung hoch. Um eine atomare Explosion handelte es sich dabei nicht.

 

Aufmerksame Leser werden nun mit Recht fragen: Was geschieht bei den anderen Atommeilern, die nicht nach dem Kochend-Wasser-Prinzip gebaut sind ? Nun, man hat eine ganze Reihe anderer Reaktortypen in ähnlicher Weise untersucht und hat auch dort ähnliche, wenn auch nicht immer so günstige Ergebnisse erhalten; auf Einzelheiten einzugehen, würde zu weit führen. Zusammenfassend kann man aber sagen, daß fast alle Typen aus prinzipiellen Gründen wie der Kochend-WasserReaktor nicht zur Atombombe werden können. Eine Kesselexplosion kann man aber dadurch unwirksam machen, daß man den Reaktor in ein gasdichtes, massives Kesselhaus aus Beton setzt. Sollte dann wirklich einmal durch das Zusammentreffen verschiedener Konstruktions- und Bedienungsfehler der Reaktor platzen und radioaktive Stoffe ausschleudern, dann können diese nicht in die freie Atmosphäre gelangen. Bei einem KochendWasser-Reaktor ist jedoch das nicht notwendig. Ein künftiges Atomkraftwerk, das nach diesem Prinzip gebaut ist, kann, das haben die Experimente bewiesen, so dimensioniert werden, daß auch eine einfache Kesselexplosion ausgeschlossen ist.

aus:
hobby Das Magazin der Technik
Nr. 1 Januar 1956

Bearbeitet am: 02.01.2006/ad


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