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Am 2. Dezember 1942 gelang Enrico Fermi und Leo Szilard an der Universität Chicago ein Durchbruch: 410 Tonnen Graphit, Uran und Uranoxid lieferten 28 Minuten lang eine stabile Kettenreaktion. Der Reaktor war der erste Schritt zur Atombombe.

Heute schreiben wir das Anthropozän, davor lebten wir im Computer-, Kunststoff-, Weltraum- und Atomzeitalter. Bei letzterem kann man sich streiten, wann es anfing: War es 1945 mit der Atombombe auf Hiroshima oder 1954, als der erste Reaktor zur Energieversorgung in Betrieb ging? Oder fiel der Startschuss doch schon vor genau 75 Jahren, an dem Tag, an dem der erste Forschungsreaktor kritisch wurde? Doch zunächst geht es dorthin, wo einst vieles in Wissenschaft und Technik begann, nach Berlin.

Entdeckung der Kernspaltung

Im Dezember 1938 experimentierten in Berlin-Dahlem im Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie Otto Hahn und Fritz Straßmann mit Uran. Bei der Bestrahlung mit Neutronen ergab sich als Folgeprodukt radioaktives Barium. Die Physikerin Lise Meitner, die bis Juli 1938 im Institut mitgearbeitet hatte, fand im schwedischen Exil die Erklärung: das Uran hatte sich in das halb so leichte Barium geteilt – unter Abgabe von Energie. Die Kernspaltung war entdeckt.

Hahn und Straßmann publizierten ihre Resultate Mitte Januar 1939 in der Zeitschrift Naturwissenschaften [1]. Am 26. Januar 1939 verkündete Nobelpreisträger Niels Bohr Lise Meitners Deutung auf einer Physikertagung in Washington. Noch während der Konferenz bestätigten US-amerikanische Forscher die Messungen aus Berlin. Was zuvor nur in utopischen Romanen stand, rückte plötzlich in den Bereich des Möglichen: immerwährende Energiequellen und alleszerstörende Superwaffen.

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Erste künstliche Kettenreaktion (0 Bilder) [2]

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In Europa und den USA setzten Projekte zur praktischen Nutzung der Atomspaltung ein. An der New Yorker Columbia University forschten ab Frühjahr 1939 der Italiener Enrico Fermi – er gewann 1938 den Physiknobelpreis – und sein ungarischer Kollege Leo Szilard. Er hatte bereits 1934 in England ein Patent für einen hypothetischen Reaktor angemeldet, das von einer "chain reaction" sprach. Eine solche Kettenreaktion setzt Elementarteilchen frei, die andere Atome zur Produktion von Energie und von neuen Teilchen anregen.

Arbeit für die Atombombe

1942 startete dann das streng geheime Manhattan-Projekt mit dem Ziel einer US-amerikanischen Atombombe. Eine der vielen Voraussetzung war der Nachweis einer stabilen Kettenreaktion, und diese Aufgabe übernahmen Fermi und Szilard. Die beiden arbeiteten inzwischen in der Universität Chicago. Die Aktivitäten der Hochschule zur Bombe liefen unter dem Namen Metallurgisches Labor. Dazu gehörte auch der "Chicago Pile 1" CP-1, der erste wissenschaftliche Atommeiler.

Unter der Oberleitung von Enrico Fermi begann am 16. November 1942 sein Aufbau. Der ausgewählte Platz war eine frühere Squash-Halle unter der Haupttribüne des Football-Stadions der Uni. Auf einer Fläche von 7,6 mal 7,6 Metern türmten dreißig Helfer in Tag- und Nachtschichten 45.000 Blöcke aus hochreinem Graphit auf. In ihnen steckten 19.000 Uran-Würfel und Uranoxid-Zylinder. Am Ende war das Gebilde gut sechs Meter hoch und wog 410 Tonnen.

Das Prinzip des Reaktors war einfach. Die Uranatome zerfielen in einem bestimmten Verhältnis und stießen dabei Neutronen aus, zwei bei jedem Zerfallsprozess. Die Graphitziegel bremsten oder "moderierten" die Teilchen. Sofern sie nicht im Graphit verblieben oder aber herausflogen, regten die verlangsamten Neutronen weitere Atome zur Spaltung und zur Produktion von Neutronen an. Außerdem wurde Wärme frei. Im Idealfall lief eine Kettenreaktion mit konstanter Neutronenbildung und Energieausbeute ab.

Ein Reaktor unter der Football-Tribüne

Zur Steuerung des Reaktors dienten Holzstäbe, die schmale Streifen aus Cadmium trugen. Das Metall hat die Eigenschaft, Neutronen einzufangen. Die Physiker glaubten ihren Messgeräten und hofften, einen gefährlichen Neutronenanstieg rechtzeitig erkennen und stoppen zu können. Für den Notfall stand ein Eimer mit einer Cadmiumsalzlösung bereit, den ein Forscher über dem Reaktor ausgekippt hätte. Ansonsten war der einzige Strahlenschutz eine handelsübliche Ballonhülle, die den Graphitstapel umschloss.

Am 2. Dezember 1942 war CP-1 fertig [4]. Auf dem Balkon daneben versammelten sich 49 Wissenschaftler, darunter Leo Szilard und Arthur Compton, der Chef des Metallurgischen Labors. Von 9:54 Uhr an wurden die Steuerstäbe vorsichtig herausgezogen und immer wieder die Neutronen gemessen. Gegen halb zwölf machte Fermi zweieinhalb Stunden Mittagspause. Um 15:25 Uhr setzte im Graphit die selbsterhaltende Kettenreaktion ein. 28 Minuten später überschritt der Neutronenfluss die Gefahrengrenze, und Fermi beendete das Experiment.

Die Wissenschaftler begossen den Erfolg vor Ort mit einer Flasche Chianti-Wein. Spätere Berechnungen zeigten, dass der Reaktor über viereinhalb Minuten eine Leistung von einem halben Watt erreicht hatte. Nach dem Versuch rief Arthur Compton den Chemiker James Conant an, Präsident der Harvard Universität und hochrangiger Politikberater: "Der italienische Seefahrer ist in der neuen Welt gelandet." Conant verstand ohne weitere Erläuterung.

Noch mehr Reaktoren

CP-1 wurde in der Folgezeit noch einige Male kritisch. Ende Februar wurden die Graphitblöcke abgebaut und an den Stadtrand von Chicago transportiert. Dort bildeten sie den "Chicago Pile 2", der bis 1954 in Betrieb war. Am 4. November 1943 startete in Oak Ridge der Graphit-Reaktor X-10; im September 1944 folgte der größere "B Reactor" in Hanford. Sie erbrüteten aus Uran das Element Plutonium, das 1945 in der Atombombe für Nagasaki steckte. Die Hiroshima-Bombe nutzte das Uran-Isotop U-235.

Parallel zum Manhattan-Projekt lief in Deutschland das kleinere und dezentral organisierte Uranprojekt. 1942 stand in der Universität Leipzig ein Reaktor, der mit schwerem Wasser als Moderator arbeitete. Darin enthalten die Moleküle statt normalem Wasserstoff das Isotop Deuterium. Die Anlage wurde am 23. Juni 1942 durch eine Knallgasexplosion [5] zerstört. Spätere Versuche in Berlin und im schwäbischen Haigerloch endeten ohne die gewünschte Neutronenausbeute.

Das Football-Stadion von Chicago erhielt 1952 eine Gedenktafel; fünf Jahre später wurden Tribüne und Squash-Halle abgerissen. Heute erinnert eine Skulptur von Henry Moore an die Kettenreaktion sowie ein Ölbild [6] des Pressezeichners Gary Sheahan – am 2. Dezember 1942 nahm niemand Fotos auf. Enrico Fermi starb 1954, Leo Szilard 1964. Beide sind in einer Dokumentation [7] zu sehen, die 1946 das Geschehen nachstellte. Ein fiktiver Fermi trat 1947 in einem atomgeschichtlichen Spielfilm [8] auf (ab Minute 27:30).

1972 stießen französische Forscher in Uranerzen aus Afrika auf Spuren von Kernspaltungen. Sie ermittelten, dass sich im Erdreich vor zwei Milliarden Jahren ein mineralischer Atommeiler gebildet hatte. Der Naturreaktor Oklo [9] lief etwa eine halbe Million Jahre. Gottvater – oder Mutter Erde – war also schneller als die Physiker gewesen. (mho [10])

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Links in diesem Artikel:
[1] http://www.chemteam.info/Chem-History/Hahn-fission-1939a-German/Hahn-1939a-fission-German.pdf
[2] https://www.heise.de/bilderstrecke/bilderstrecke_3906800.html?back=3906649;back=3906649
[3] https://www.heise.de/bilderstrecke/bilderstrecke_3906800.html?back=3906649;back=3906649
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Chicago_Pile-1
[5] http://www.zeit.de/2012/17/S-Kernforschung
[6] http://digitalcollection.chicagohistory.org/cdm/ref/collection/p16029coll3/id/1668
[7] https://www.youtube.com/watch?v=iTJJ7tkD5L4
[8] https://archive.org/details/TheBeginningOrTheEndClassicFilm
[9] https://de.wikipedia.org/wiki/Naturreaktor_Oklo
[10] mailto:mho@heise.de

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