DozentDt . K. Wi r t z Historisches zu denUranarbeiteninDeutschland inden Jahren 1940-1945 Am5.September1941hieltDozentDr.K.W 1r t zaufderPhysikertagung derDeutschenPhysikalischenCesellschaft inderBritischenZoneineinem zusammenfassendenBerichteinen Vortragmitdem Titelpeutsche Vorarbeiten zurKonstruktioneinesUranbrenners'mitdemUntertltel.Historischeszu denUranarbeiteninDeutschlandindenJ ahren1940-1945'.Fastgleichzeitig rnitdiesernVortraEerschienenVeroffentlichungenzudiesemGegenstand von ProfWH e Is e n b e reindenNaturwissenschaften 3 3(1941)S. 325sowie In Nature1 60(1947)S.211undvonDr. W I r t zin der GlittingerUniversittits- Zeitunr2(1947)Nr.20.BeideHerrenhabenferner gemeinsameinenausfiihr- lichenBerichtliberdieEreebnissederCroDversuchefurdieFIATReview geschrieben.derinTeilIi. desBandes,,KERNPHYSIK ~ UNDKOSMISCHk STRAHLUNG"derSerie..NaturwissenschaftundMedizininDeutschland, 1939-1946"imDieterich'schenVerlag.Wiesbaden.erscheintunddieEinzel- heitenderExperirnenternitteilt.DerTagungsvortrag vonDr.W i r t zstellte eine eektrzte FassunadesFIAT-Berichtesdarundnab.ebenso wiedieUbri- KenVerliffentlichurgen.einenhlstorischenRilckblickHeute wirdInDeutsch- landnichtmehrIIberdieseProblemegearbeitet.Wirbringenimfolgenden ausdiesemVortragelnenAuszug.dermitfreundlicher Erlaubnisder FIAT- Dienststellendurcheinige ZusiitzeausdemFIAT-Berichtergiinztwurde. DieArbeitenzumUranproblemlassensicheinteileninsolche,diekern- physikalischeEigenschaftendes Urans undderandcren imZusammenhang mit der Energiegewinnung wichtigenSubstanzenuntersuchenundinGroi3- versuche.Dieses warenAnordnungen,die inihrem Aufbauaufdeneigent- lichen Uranbrenner furanmaschine), den die Amerikaner Pile genannt haben, hinzielten.FurdieKernenergiegewinnungausUranbotensich,wieman schon1939 erkannte, zwei Wege.Es war sehr wahrscheinlich,daB rnitdem reinenUranisotop235,das mitschnellen undlangsamen Neutronenspaltet, eine Kettenreaktion moglichseinwurde. Wahrscheinlichwiirde sieexplo- sionsartigverlaufen.DieserWegwarzunachstversperrt,daes unmoglich schien,ohnegroBenAufwanddasselteneIsotop235 ingroBerenMengen reindarzustellen.Mankonnteaber auchversuchen,die Kettenreaktion mit langsamen NeutroneninnatiirlichemUran, indem das Isotop 235nuretwa 0,7 %ausmacht,zustande?tibringen.HierbestanddieHoffnung,die KettenreaktionderSpaltprczessezu steuern.FurdiesenWeg,derin Deutschlandausschlief3lichbeschrittenwurde, istes notwendig,dasUran rniteiner Bremssubstanzzuvermischen.Das Bremsmaterial sol1 die bei der Spaltung des U 235frei werdendenschnellen Neutronenraschan denReso- nanzabsorptionsliniendes U 238vorbeifuhren,indenensie sonst weggefan- genwurden undfur die qeaktionskette verlorengingen.Es istferner gun- stig, Uran und Bremsmittelraumlichzu trennen.damit die Neutronen, erst wennsie thermischgeworden sind, wiederin das Uran zuriickdiff'undieren. In einer solchen Anordnungkann die Anzahl derNeutronendurchfolgende Prozesse geandert werden: 1)Ein Neutron kann bei hoherer Energie in U238, bei beliebiger Energie inU235eineSpaltung hervorrufenunddabeineueNeutronenirei machen. 2)Es kann von U 238eingefangen werden irndU239 bilden, dasschlieb- lichinPlutonium ubergeht. 3)Es kannim Bremsmittel undindenHalterungsmaterialienverloren gehen. 4)Es kann durch die Oberfltichddes Brenners eatweichen EineKettenreaktionist nurmoglich,wenndie Vermehrung1)hlufiger ist als die Verluste 2),3)und 4).DieVerluste 4)konnen dabei durchgeeignete VergroRerungdes Pilesstets beliebigkleingemachtwerden.Wenn1)uber 2)und3)uberwiegt,sagtman,dieAnordnungseineutronenproduzierend oder ,brennbar'. 1st die AnordnungsogroB, daB1) auch die Verluste 4)noch ubersteigt.dannsagtman,diekritischeGroBederAnordnungseiuber- schritten. Die Substanz ist dann nicht nur brennbar, sondern auch ,entzund- bar'.InuntcrkritischenAnlagenverhinderndieVerlustedurchdieOber- flache die Ausblldung der unendlichen Kettenreaktion. Wohl aber kanneine solcheAnlagcNeutronen,dievoneinerQuelleausgesandtwerden,ver- mehren. DieGrofiversuchehattenallezumZiel,festzustellen,obesAnordnungen vonUranundBremssubstanzgibt, indenendie Vermehrung1) groRerist alsdieVerluste2) und3).AlleVersuchewurdennachfolgendemSchema ausgefuhrt. fur dasAbb. 1 das BeispieleinerAnordnung zeigt. I mDieAnordnungaus UranundBremS- substanz beflndetsichin einem groBen, rneistzylindrischen oder kugelformigen GefaR.IrnZentrumliegteineNeutro- nenquelle.DasGefaBistumgebenvon einern Ruckstreumantel, in den meisten 'Fallen einfachWasser,dasetwaaus- tretende Neutronen wenigstensteilweise indenPilezuruckstreut. UmdieBilanzzwischendenProzessen l), 2)und3)festzustellen,machtman stark vergrmertgezeichn'et)1. ManbringtindenleerenInnen- Abb. 1.Schema der Versuchanordnung ,(VersuchB,;Neutronenquelleim Blld_folgende Messungen:' D11..n..mumdesGefaBesdie Neutronen- -s - 5 - - -- Paraffin 0Neutronenquelle quelle und miBt im auOeren Wasser die stationare Gesamtzahl der Neu- tronen : No. No istbestirnmtdurchdas Gleichgewicht zwischendenvonder QuelleDro ZeiteinheitgeliefertenNeutronenunddenirnAuBenraumproZeiteinheit absorbierten Neutronen.1st der Absorptionskoeffizientdes AuBenraumsy , soverschwindenauBenproSekunde Nuy,Neutronen. Diesistgleichder Zahl der Quellenneutronen. 2.Manmachtdasselbemi tFullung.DannPndetmandieGesamtzahl DenQuotientenZr - N, /No nenntmandenV e r m e h r u n g s f ak t o r der Anordnung. Er hangt ab erstens vonder Gute der Anordnung, der Brenn- barkeit,undzweitensvonderGroBe.ZgroRerals1 heiBt:DieVermeh- rung 1) uberwiegt die Verluste 2) und 3).ManweiRalso dann, daBdieSub- stanz brennbarist und daBeine blol3e VergroBerungder Anlage genugt, um die kritischeGroBe zu erreichen. Manniijchteaber nochunabhangig von Z die Giite der Anordnung spezifischkennzeichnen. Dies geschieht durchAn- gabedesNeutronenproduktionskoeffizienten desInnerenv.Sindnamlich imAuBenraum N, No -mehrNeutronenvorhandenals imLeerversuch,so mussen sie im Innern erzeugt wordensein. IrnInnern werden erzeugt N,v -DanngiltdieBilanz:N,y = (N, - No ) y,, v= Y,(N, -No )INiDer ProduktionskoeffizientygibtgewisserTnaBenan,wievieleNeutronenpro 372I N,im AuBenraumundN,im Innenraum. Sekunde in der Volumeneinheitim Innerender Anordnungerzeugt werden. vgro5er als 0bedeutetNeutronenvermehrung,vkleinerals0Neutronen- verminderungimPile.J e groDery , destogeringeristdieSubstanzmenge, die notwendig ist, um die kritische GroRe zu erreichen. Wir charakterisieren also die Anlagen,die im folgendenbeschrieben werden, durch zwei Angaben: 1.v kennzeichnet die Substanzgute, und zwar istvbezogenaufdie Sub- stanzdichte1, ist alsodividiertdurchdie Dichte. 2.Z , Vermehrungsfaktor, gibtan, wieweitmanvonderselbstandigen Kettenreaktionentferntist.Z= rnbedeutet,daRdieAnlageselb- standig brennt:EinNeutronwirdunendlichfachvermehrt. Indenstrengen Formelnfur dieseGroBensind nochgewisseKorrekturen anzubringen,diewirhierubergehen.ykanntheoretischausdenkern- physikalischenDatenberechnetwerden.DieseTheorieistvonH e i s e n - b e r g , W e i z s a c k e r , H o c k e ru. a.ausgearbeitetworden.Einewich- tigeAufgabe der GroRversuchewar, die Theorie zuprufen. UBERSICHTUBERDIEGROSSVERSUCHE Mankann4 GruppenvonGroRversuchenunterscheiden,dievon1940 bis 1945 durchgefuhrt wurden: 1) GroRversuche vonmehrvorbereitendemCharakter, 2)Versuche desPhysikalischenInstitutsder UniversitatLeipzig(L1bis L4, Dopel undHei senber g) ,3)Versuche der Versuchsstelle Gottow des Heereswaffenamtes (GI bis Gs, B er kei ,Czul i us, Di ebner , H ar t wi gundHer r mann) .4)Die umfangreicheren Versuche .des Kaiser-Wilhelm-Instituts fur Physik inBerlin(B,bisBE, Bopp, F i scher , Hei senber g, Wi rtz), von denen die letzten zusammen mit dem Heidelberger KWI(Bo t h e , J e n s e n , R i t t e r)ausgefuhrt wurden. I n Tabelle1)sindinzeitlicher ReihenfolgedieVersuche unterdenange- gebenenBezeichnungen,ihr Durchfuhrungsjahr undihre Ergebnisse zusam- mengestellt.Manerkenntdeutlich die Fortschritte andemWachsenvonZ. Die Versuche seien nun im einzelnenkurz behandelt. 19401941 B~LIBP4GIB38 4 HgL2L3 V: -295-378- 770-575-522-209-217-344< 0< 0 . .. .--- L4G2G3aOabB6aB6bB6cB6dB7B8 y : +23,5+l80+215+I62+1454-118+96+146+215 2:1.11.371,652.1$?2,352.122,063,066,7 Tab.I . NeutronenproduktionskoeffizientenvundVermehrungsfaktorenZder GroDversuche(vinsec-',bezogenaufdiemittlereDichte1von UranplusBremssubstanz). Zudenvor ber ei t endenGr oDver suchengehortdersog.CO2- Yersuchvon Har teck, , J ensen, K nauer undS U BinHamburgvoni August1940, beidem15 tofestes Kohlensaiireeisundeinerelativgeringe Menge Uranoxyd (185 kg) diskontinuierlich zu einem etwa 2X2x2 m groaen Block zusammengebaut wurden, in dem die Diffusion, die Bremsung und der EinfangderNeutroneneiner(Ra JrBe)-Quellestudiert wurde.EinEinfluB des Uransaufdie Neutronenvermehrung wurdenichtbeobachtet,dagegen die BremslLinge und die Diffusionslange der NeutroneninCO2-Eisbestimmt. 373 khnlicheMessungenan einemWurfei vonetwa1 mKante, bestehendaus 2000Stuck Paketen Natrium-Uranat(NazUaO7$.6HzO) ZU1 kg, eingepackt in Papier, das gewissermaBenzusammen mitdem Hydratwasserals Brems- substanz diente, fuhrte v.D r o s t ein Berlin (September 1940) aus. Wesent- lichgenauereErgebnissefur di2theoretischeAuswertunglieferte einVer- suchvonB o t h e -u n dF 1 amm e r s f e 1 d(BF)(Mai 1941), derdie Neu- tronenvermehrungineinemhomogenenGemischvon4432kgUs08und 435kgWasserineinemZylindervon9921,dersichineinem HZO-Streu- mantelbefand,untersuchteunddenNeutronenproduktionskoeffizienten v bestimmte. DieGruppen2)bis 4) umfasseninsgesanit19GroOversuche,vondenenim folgenden 9 ausfuhrlicher, etwa inhistorischer Reihenfolgebesprochen wer- den.Eswirdsichzugleicheine ReihenfolgewachsenderProduktionskoeff i- zientenvundVermehrungsfaktorenZergeben.AuBerphysikalischen GesichtspunktenstandanderSpitzeallerVersuchedieFragenachdein Material. I n dem erstenVersuchdes K W If urP h y s i k , BI (1940) wurden6800 kg Uranoxyd(UsOs) derDichte4,- dieeinzigeForm,inderUranzurVer- fugung stand - in 16 Schichten von 7cm Dicke, getrennt durch 2.1 cm dicke Paraffinschichtenals Bremssubstanz in einem zylindrischen GefaR von1,4 m Querschnitt und1,4 mHoheangeordnet(Abb.1). DiegameAnlagebefand sichinleichtemWasseralsStreumantel.ImZentrumlagdie Neutronen- quelle. DieSchichtung hattenachdemdamaligenStandderTheorieopti- maleDimensionen,wasdurchVariationderSchichtdicke(B 2)bestatigt wurde. Es ergab sich erwartungsgemaaeinnegativerProduktionskoeffizient v = -295.No, Na undN, wurden mittels Dysprosiumindikatoren gemessen, diezunachstpunktweise,spaterinintegrierenderAnordnungiiberdie Anordnungverteiltwurden. Dererste VersuchderGot t ow erGr uppe GI(1941)verwandte6800 Stuck Wurfelaus UsOs-Pulvervon9,7cmKante, insgesamt 25to,getrennt durchWande aus Paraffinvon2cin Dicke.Das ganze befandsichin einem zylindrischenKesselaus Aluminiumblech von2,5 mQuerschnittund2,3 !n Hohe,derinWasserstand.DieDimensionderWurfelwarnichtoptimal. DerProduktionskoeffizient v= - 522warschlecht, aber besser,als nach der damaligen TheoriebeidiesenDimensionenzu erwartenwar.Dies war ein erster Hinweis dafur, daR Wurfel im Prinzip gunstiger als Schichten sind (Hocker). DieseVersuchezeigten,ebenso wiedermitBIverwandte Versuch L1,daR mitUrnanoxydundParaffinals Bremssubstanzauch beioptimaler Anord- nung keine brennbareSubstanz mitv> 0 erzielt werdenwiirde. Deshalb wurdeangestrebt,dasUranoxydU308,durchUranmetallzuersetzen. AlsBremssubstanzabersollte kunftigschweresWasserdienen.UrnUran- metal1falltdieBremsunganSauerstoffundinfolgedessendieerhohte ResonanzabsorptioninU238weg.ImDzOsinddieNeutronenverluste uber lOOmal kleiner als in Paraffin. ZunachststandUranmetallin FormvonPulver der Dichte10-12zur Ver- fugung. DerbesteVersuchaus einer Reihe vonVersuchenmit diesem Pul- ver und Paraffin als Bremsmittel imKWI fur Physik(B3-Bs)war Bs.Hier wurden 551 kg U-Pulverin19Schichten von1.7 CI% Dicke abwechselnd mit Paraffinschichten von1,6 cm Dicke angeordnet. Das sich ergebende v = - 209 zeigte eine deutliche Verbesserung, war aber immer noch negativ. DenentscheidendenFortschrittbrachteerstdasschwereWasser.Eskam zuerstbeidenL e i p z i g e rV e r s u c h en inkleinerenMCngeninver- schiedenenVersuchenLp. . . L4 (1942) zurAnwendung.DerbesteVersuch warL4. ErbestandausKugelschalen,abwechselndbestehendausDo0 374 undUran(Abb. 2).Insgesamt750 kgUranmetaIl-Pulveruod220 1 D& wurdenin einer Kugel vonetwa 37crnRadius eingebaut,die wiederumin leichtemWasserstand. Esergabensiche r s t x q a 1i gp o s i t i v eW e r t e desProduktiDnskoeffizienten v = +23,5 und des V er meh-r ungsf ak t or s Z = 1,l. Das Ergebnis vonLd warbesserals vonder Theorie erwartet; diesererfreuliche Effektwurde. einallgemeinerZugder D20-Brenner.Dami twardi e pr i nzi pi 6l l e Mogl i chkei t sel b-st andi gerU r anbr ennerer wi esen,und das nachste Ziel war, die kritischeGroRe zuerreicben. Abb.2.SchemaderLeipzigerVer- suchsanordnungL,(Neutronenquelle imBildstarkvergr6Rertgezeichnet) Uran Wasser SchweresWasser - -- ,.-. .., P . - INeutronenquelle Es sei hier eine Bemerkung uber die BeschaffuhgdesschwerenWassers eingeschaltet. SchonbeiBeginnder GroBversuchewarklar,dasschwe- resWassereinePuBerstgunstige BremssubstanzfurUranbrennerist. DierascheBremsungder Neutronen wurde kleine Anordnungenmit ver- haltnismaRiggeringen Substanzmen- gen ermoglichen. Deshalbwurde von BeginnderArbeitenabversucht, DzOin groBerenMengenzubeschaf- fen.Dieeinzige Stelle, die es produ- zierte,war damals dieFirmaNorsk HydroinRjukaninNorwegen.Bei KriegsbeginnbetrugihreLeistung etwa101imMonat,diebis1941 auf120VMonatundspaterbis aufuber3001;MonatmitHi& verschiedenerZusatzanlage?gestei- gertwurde.1943 wurdedieAnlage zuerstdurchefnSprengkommando, danndurcheinenLuftangriffzer- ktort.DasaelieferteD?O(D-Gehalt etwa99 70) verunreinigtesichim LaufederVersuchernitH20.Des- Ha113 wurde in1 KWIfur Physik in Berlin-Dahlem eine elektrolytische D.0- Aufbereitungsanlage errichtet, diein der Lage gewesenware, aus1 toD,O iinLaufe vonetwa 2 Monaten einige ProzentH20zuentfernen.DieseAn- lage war beiKriegsende kurz vorihrerInbetriebnahme.SchlieBlichsei be- merkt, da13 in Berlin-Dahlem eine besondereTankanlage zurAufbewahrung von D.0inglasiertenStahlkesseln eingerichtet worden war. NachdemdieMoglichkeit,brennbareSubstanzenherzustellen,bewiesen war,kamallesdaraufan,dasMaterialzuverbessernundzuversuchen, durch systematische Versuche genauere physikalische Daten uber die Bren- ner zuerhalten. Letzteres ware imHinblickaufdas Zielder Fertigstellung eines Brenners nicht so wichtiggewesen, wenndieMaterialknappheit nicht dazu gezwungenhatte,optimale Anordnungen,d. h.maximalesvzuerrei- chen. Die Versuche wurden deshalb zunachst in zwei Richtungen fortgefuhrt: Die VersuchsstelleGottow experimentierte mit Wurfeln, das KWI fur Physik systematischmitSchichtenanordnungen.InzwischenwurdenocheinFort- schrittdurchOberfuhrungdesU-MetallpulversingegossenesUranmetall erzielt. 1m.zweitenVersuchderGottowerGruppeGn(1943) wurden100 Sttick U-Metallwurfelvon2,2 kgGewichtund5 cmKantenlange(Dichte 18) in einemraumlichenGitter(dichteste Kugelpackung rnit8cmAbstand) ohm 375 allesHalterungsmatefialin 2201 D20 - E i seingebettet. DerVersuchfand imTieftemperaturraumderChemisch-TechnischenReichsanstaltinBerlin statt. Das DZO-Eiswardirckt voneiner Paraffinhulle als Bremsmantel um- geben.DieAnlage war ungeeignet alsAusgangsbasisfureine Entwicklung vontechnischenUranbrennern,dochwarendie VerlusteaufeinMinimum reduziert. Esergab sich dementsprechend der sehr groBe Produktionskoeffi- zent y= 180 und einVefmehrungsfaktorZ= 1.37.Einahnlicher Versuch warG,,,indem240Stuck Wurfel derselbenDimensionin 5251 flussigen DpOinnerhalbeiner Aluminium-Kugelvon51cmRadius aufgehangtwur- den. Der Vermehrungsfaktorstieg aufZ= 2.1.Erstmals wareine Verdop- pelung derQuellenneutronenerreicht.DerVersuchG,,stellte eine Modi- fikationdieses Versuchesdar. Bei den nun folgenden VersuchenBs, B7 und Bs(194-5)des KWI fur Phy- sikhandeltees sich um die schonerwahntensystematischen Untersuchun- gen,umVariationeninUranmengeundBremsmaterial,zuaeichmitdem Ziel,auchdie technische SeitederBrennerkonstruktioneninRichtungauf dieAnforderungenzuentwickeln,diebeimOberschreitenderkritischen GroBenotwendigwerdenwurden.ZunachstwurdenwiederumS c h i c h - t u n g e nversucht, die sich hinsichtlichDicke undAbstand leicht variieren lassen. Der optimale Versuchder Gruppe B6war B6b. 7Schichten Uranmetall, ins- gesamt1.25to,von 1 cm Dickeund der Dichte18wurdenin18cm Abstand ineinem zylindrischenMagnesiumskesselvon124cmQuerschnittund124 cm Hoheeingebaut. DerauBereStreumantelwarWasser.AlsBremsmittel wurdenca.15001 DzO eingefullt.DieDimensionierungdieserAnordnung war,wievonderTheorievorausgesagt, undwieBotheundFiinferschon fruherankleinerenModellanordnungenfestgestellthatten,optimal( Z= 2.35).DieVersucheB6a, u6cundB,,,dieVariationenderSchichtdicke unddes Schichtabstandes darstellten, warenungunstiger. Die optimale Schichtung B6,wurde indemV e r s u c hB,wiederholt, mit demUnterschied,daBhierzunachsteinStreumantelvonGraphitkohlein einer Schicht von 40 cm Dicke (insgesamtetwa 10 to Kohle) den Magnesiums- kesselumgab.DieKohle war wiederumumhulltvoneinemzweitenAlu- miniumkessel,der sichwiederumin HzO als Streumantel befand.Die Neu- tronenvermehrungstiegdurchdieseMaBnahmeaufZ= 3.6.DieUrsache ist,daB Kohle als Streusubstanz die Neutronen sehr vie1 weniger absorbiert als Wesser. BeidiesenVersuchenwar eine hinreichendeObelreinstimmungmitder im Laufe der Zeitimmerweiterverfeinerten Theorieder Schichtenanordnun- generzielt worden. Da sich vor allemdurchdie Gottower Versuche heraus- gestellthatte,dal3UranwurfeleinehohereNeutronenvermehrungliefern wiirden,unddieTheoriederBrennerdiesbestatigte,wurdealsnachster Versuchdes KWI fur Physik ein Raumgitter aus Uranwurfelnindemselben Magnesiumkesselmitderselben Menge DpOundin demselbenKohlemantel wieB,geplant.DieserVersuch,derschlieBlichinHaigerlochkurzvor Kriegsendedurchgefuhrt, wurde,werdealsBeispieleinesGroBversuches genauer beschrieben. ENDVERSUCH DES KWIFUR PHYSIK IN HAIGERLOCH Die gunstigste Dimensionder Wurfelsolltenachder Theorie etwa 6-7cm Kantenlange sein.VondenGottowerVersuchenwarjedocheinegrol3ere Anzahl Wurfelvon5cmKante vorhanden.Es wurdedeshalb im Hinblick autdieUnmoglichkeit,genugendraschandereWurfelzuproduzieren, 376 beschlossen, weitere Wurfel von5cm herzustellen, umdie vorhandenen zu erganzen. Umdie Versuche mit den fruheren, speziell rnit Beund B7verglei- chen zu konnen, sollten sie, wie gesagt, in demselben Magnesiumzylinder rnit Kohlestreumantelwie B7 ausgefuhrt werden. Hierzu waren, wennein mog- lichst gunstiges raumliches Wurfelgittererzielt werden sollte, rund 680 Stuck Uranwurfel erforderlich, insgesamt etwa 1,5 to.(Abb. 3).Sie muBten an Al- Drahten am Deckel des Zylinders inKetten in das DzO hineingehangtwer- den.DerDeckeldesKesselsmuateumkonstruiert werden,umdiesesGe- wicht tragen zu konnen. IneinemWasserbassinimFuRbodendesLaborsstehtaufHolzrostender auaerezylindrischeAl-Kesselvon210cmQuerschnitt,210cmHoheund 5mmWandstarke.ObenwirdeingewolbterDeckelwasserdichtauf- geschraubt,der einen aus demWasser herausragenden ,Kamin tragt, durch den Praparat undInnensondc sowie das DzOeingefiihrt werden. Dann folgt innendieca.40cmdickeSchicht I l m Abb. 3.SchemadesGroBversuchsB, InHaigerloch.(Neutronenquelleim Bildstarkvergr60ertgezeichnet) Wasser Graphitkohle Neutronenquelle :+t 0 ausGraphitkohlevomGesamtge- wicht10to.Siebestehtaus recht- eckigenBlockenvon 5X 10 X 50cm derDichte1,7.Eshandelte sich um eineverhaltnismaiBig reine Kohle, die jedochnichtspeziellfurdievorlie- gendenBedurfnissehergestelltwar unddeshalbwohlbeiweitemnicht dieReinheitbesessenhabenkann, die die von den Amerikanernfur die Piles hergestellteSpezialkohle besit- Zendurfte. IndiesemKohlenmantel eingebautbefandsichderzyiindri- scheMagnesiumkesselvon124cm Breiteund164cmHoheund3mm Wandstarke.Indiesenwurdeoben ein Deckeleinsatzca. 40cm tiefein- gelassen,dessenBodenzumAuf- hangender,Ketten vonU-Wurfeln diente.DiescrBodenbestandaus einer1cm dickenMagnesiumplatte, dienachobendurchvierEisen- stangenzusatzlichmiteinemeiser- nenTraggerust verbundenwar,das queruberdemEinsatzlag.Diese Konstruktionwurdegewahlt,damitdasEisen,dasNeutronenstarkab- sorbiert,moglichstweitvomInnernderAnordnungentferntwar.DurCh denBodendes EinsatzeswurdeimInnerndes KesselseinRaumvon124 cm Hohe begrenzt,in den das schwere Wassereingefullt wurde undin den die Wurfelketten hineinhingen.I ndiesenKetten- insgesamt78Stuck - warendieU-WurfeldurchAl-Drahtvecbunden,derdurcheindBohrung im Kesselbodenhindurchgefuhrt und dort befestigtwurde. Die Wurfel hin- genindichtester Kugelpackung rniteinern Abstandder nachstenNachbarn von14cm.IndenDeckeleinsatzselbstwurdeebenfallsKohleeingefullt unddadurchderKohlestreumantelindenverlangertenMagnesiumkessel hinemfortgesetzt. Axial ist einMeRkanal -eingebaut, der gestattet, die Neu- tronenquelleindasZentrumdes Brennerszubringen.Derkomplizierte Deckeleinsatz, der notwendig war, umdie Uranketten aufhangenzu konnen, dieKohleschichtdaraufzu bringenundzugleichdasD20 sicher einzuful- len, erforderte eine ziemlich groRe Materialmenge, namlichinsgesamt 32kg 37 7 Magnesiummetall und 75kg Eisenim Traggerust. DasEisenmuate beider Auswertung der Messungenberucksichtigtwerden.Durchden Kaminsoll- tenspaterdieCd-Schiebereingelassenwerden,diedann, wenndiekriti- scheGroBeerreichtwerdenkann,zweckmal3igzurStabilisierung derAn- lage verwendetwerden. DerZusammenbauerfolgte derart, daRzuerstindengroDenAl-Kesseldie Bodenschicht Kohlekam,daraufderMagnesiumkessel zentrischaufgestellt unddanndie seitliche KohlefullungbiszueinemoberenRandgefuhrt wurde.DannwurdedieserTeilderApparaturabgedecktunddaruberan einemKranderDeckeleinsatzaufgehangtundanseinemBodendievor- bereitetenU-Metall-Wurfelkettenbefestigt. NachdemEinlassenwurdedeyDeckeleinsatzmitKohlegefulltundder RestderauDerenKohleschichtvollendet.NachAufbringen -desPuReren Kesseldeckels wurdedas mitAntikorrosionsmittelnversehene Wasserdes Streumantels eingelassen,und erst wenn sichdie Apparaturals wasserdicht envies, wurdedurchdenKaminunddenzentralenKana1derSchichtung das DzOin das Innere gepumpt. Dabeiwurde die Zunahme der Neutronen- intensitatIdurchSilberindikatorenverfolgt.DieNeigungder Kurve14, aufgetragengegendieMengedeseingefulltenDzO, 1aRtsoforterlrennen, beiwelcherFullungdieIntensitatI=.(13,d. h.selbstandige Reaktiondes Brenners,voraussichtlicherreichtwurde.Auchbeidemvorliegenden Ver-* such wurde dieser Labilitatspunktnichterreicht. Es ergab sichv= 215und ein Vermehrungsfaktor Z= 6,. FOLGERUNGEN FUR DEN ENERGIELIEFERNDENURANBRENNER Die UbersichtuberdieimVorhergehendenbeschriebenenGroRversuche zeigt,daB mandurchVergroDerungderbeschriebenenApparaturen- bei dem letzten Haigerlocher Versuchwurdeeine relativ geringeVergroDerung geniigthaben - denkritischenPunkt erreichen unddamitzu einemener- gielieferndenBrennerkommenkann.Es entstanddaherdieFrage, welche Vorgange in diesem Fall eintreten und wie man dafur sorgen kann, daRman denAblaufderKettenreaktionstetsinderGewaltbehalt.Fur dasOber- schreitendeskritischenPunktes machtdieTheoriedieAngabe,daRdas ,Anlaufen derNeutronendichteuinsolangsamergeschieht,jewenigerdie GroBederAnordnungdiekritischeGroDeuberschreitet.AuBerdemwird, wie ausamerikanischenArbeitenhervorgeht, dieAnlaufzeitnochdadurch erheblicherhoht,daRzumTeildiebeimSpaltungsprozeRfreiwerdenden Neutronen die Atomkerne nicht sofort, sondern mit einer gewissenzeitlichen Verzogerung verlassen. Das exponentielle Anwachsender Neutronendichte findetpraktischdadurch ein Ende, daRrnit diesemAnwachsen eine ErwarmungderApparaturHand in Hand gehtr Diese Erwarmung kanninzweierleiWeisezurStabilisierung desBrennersbeieinerbestimmtenTemperaturfuhren:Zunachstbewirkt die Erwarmung des Urans eine Verbreiterung der Resonanzlinien durch Dopp- lereffektunddamiteineErhohungderResonanzabsorption.DieTempc- raturerhohungunddamitdieverstarkteResonanzabsarptionwirdsolange fortschreiten,bisdietatsachlicheGroRedesBrennersmilderkritischen GroBe ,beiderbetreffendenTemperaturubereinstimmt.DerBrennerwird sichalsovonselbstaufeinerbestimmtenTemperaturstabilisieren. wobei dieseTemperaturdurchdie GroBedes Brennersgegebenist.Eineweitere Stabilisierung wirdmanzweckmaRignacheinemVorschlagvonJo 1 i o t dadurcherreichenkonnen,daDmanCadmium-SchieberindieApparatur bringt, die die thermischen Neutronen und insbesondere auchdie Neutronen etwashoherer Temperaturenstark absorbieren.Beieiner Temperaturerho- 375 hungderindas UraneindringendenthermischenNeutronenwirddas Hliuflgkeitsverhaltnis derimCadmiumabsorbiertenNeutronen,verglichen mitdenim Uranabsorbierten Neutronen, zugunstenderersteren verscho- ben. Dies fuhrt zu einer Verminderung der Spaltungsprozesse und damit zur Stabilisierung.BeidieserFormderStabilisierungnutztmandieErwar- mungdes schweren Wassers aus, dieallerdings zunachstsehr vielgeringer ist als die Erwarmung des Urans.(Der Hauptteil der Spaltungsenergie wird imUraninWarmeumgesetzt,wahrendnurderkleinereTeilderEnergie, der aufdie Neutronen entfallt, zurErwarmungdes schweren Wassers ver- wendetwird.) ErstdurchWarmeleitungvomUranherwirdeingroBerer TeilderbeiderSpaltungerzeugtenWarmefiachtraglichauchinsD20 ubergefuhrt.DieTemperaturderthermischenNeutronenwirdsichnach derTemperaturdesschwerenWassers,nichtnachderdesUransrichten. WiegroBdieCadmiumschieber seinmussen, umeinezuvrrlassigeStabili- sierungderAnlage zugeben,bedarfimeinzelnenFallnocheiner naheren Untersuchung.ReintechnischsinddieCadmiumschieberschondeswegen besonderszweckmaBig,weilmandurchHeraus-undHineinschiebendes Cadmiums die kritischeGroBeund damit die Temperatur, aufder sich der Brenner stabilisiert, willkurlicheinstellenkann. WendetmandieallgemeinenUberlegungenaufdiespeziellennumerischen Verhaltnisse des Haigerlacher Brenners (BE) an, so ergibt sich, daB der kriti- sche Punkt. (Z+*.bei VergroBerungdes Radius der Haigerlocher Anord- nungvon71 cmauf80cmwareerreichtworden,waseinerVergroBerung desVolumensumnichtganzdieHalfteentspricht.Praktischwaraller- dings nichtdie direkte VergroBerunggeplant, da mehrD?O nicht zur Ver- fugungstand,sondernessolltenauchindenKohlenmantelU-Stucke gebrachtwerden,waswahrscheinlichauchzurErreichungdeskritischen' Punktes geniigthatte. HinsichtlichderEnergieerzeugungdesUranbrennersmuBnochfolgender Punkt beachtetwerden: Die Temperatur, aufdie sich der Brenner einstellt, hangtwiegesagt,vonderkritischenGroBe, also etwa vonder Stellung des Cadmiumschiebers ab. Diese Temperaturwird von dem Brenner eingehalten, unabhangigdavon, wievielEnergie demBrennerentzogenwird. Die Frage der Energielieferung hangtalsoalleindavonab,wievielEnergieausdem BrenneretwadurchWarmeleitung,Konvektionusw.abgefuhrtwerden kann. Wenn viel Energie entzogenwird, so sinkt die Temperaturim. Innern umeinenganzgeringenBetrag.DamitsinktdiekritischeGroRe,waszu einersostarkenSteigerungderNeutronenproduktionundderSpaltungs- prozessefuhrt,daBdie entzogeneEnergie sofort nachgeliefert wird. uberblicktmanabschliefienddenVerlaufderGroRversuche,sokannman sagen,daBdiewissenschaftlichenGrundlagenderEnergiegewinnungin BrennernausUranundschwerem, WassermitrelativgeringenMittelnim ganzengeklartwordensind.. TechnischwardieEntwicklunginihrenAn- fangen.BeimUberschreitenderkritischenGr6BewareeineReihevon neuenProblemenaufgetreten, wieautomatischeBrennerkontrolle,Warme- abfuhr,KorrosionsschutzdesUrans,Aufbereitungdesverunreinigten schweren Wassers,Strahlenschutz usw.,deren Lijsungzum Teil in Vorberei- tungwar,unddieeineerheblicheAusweitungdestechnischenApparates erfordert hatten. Die vorgetragenenErgebnisse konnen heute nur nochhistorisches Interesse beanspruchen; sie sindIangstuberholt. Sie gebenaber eindeutlichesBild vondem, was in Deutschland wirklich gemacht wordenist. - 379