mini|1:1-Attrappe der Fat Man

Fat Man ( für Dicker Mann) war der Deckname des Mark-3-Kernwaffen-Designs, das im Rahmen des Manhattan-Projektes von US-amerikanischen, britischen und kanadischen Wissenschaftlern entwickelt wurde. Die erste Kernwaffenexplosion der Geschichte am 16. Juli 1945, der Trinity-Test, beruhte auf diesem Entwurf. Eine Fat-Man-Bombe wurde am 9. August 1945 von einem US-amerikanischen B-29-Bomber der 509. Composite Group abgeworfen und explodierte um 11:02 Uhr über der japanischen Stadt Nagasaki, die weitgehend zerstört wurde.

Die Bombe explodierte rund 550 Meter über dicht bewohntem Gebiet und entwickelte eine Sprengkraft von etwa 21 Kilotonnen TNT. Sie war nach der drei Tage zuvor abgeworfenen Little Boy die zweite – und zugleich letzte – in einem Krieg eingesetzte Atomwaffe. Die Mark-3-Kernwaffe war die erste Kernwaffe, die die Vereinigten Staaten nach dem Zweiten Weltkrieg in größerer Stückzahl in ihr Arsenal aufnahmen. 1946 und 1948 fanden fünf weitere Kernwaffentests mit diesem Typ statt. Die erste Kernwaffe der Sowjetunion, genannt RDS-1, war eine Kopie des Fat-Man-Entwurfs, der durch Spionage in die Sowjetunion gelangt war.

Geschichte der Fat Man Entwicklung bis Juli 1945

Als 1940/1941 das Element Plutonium von amerikanischen Wissenschaftlern entdeckt wurde, erkannte man schnell, dass sich vor allem das Isotop 239Pu ähnlich gut für den Bau von Kernwaffen verwenden lässt wie das natürlich vorkommende Uranisotop 235U. Als die Vereinigten Staaten 1942 die Entwicklung von Kernwaffen forcierten und das Manhattan-Projekt gründeten, wurde daher beschlossen, beide Isotope für die neuen Waffen zu nutzen. Man begann im März 1943 mit der Errichtung eines großen Komplexes zur Herstellung von Plutonium in Hanford im Bundesstaat Washington, der mehrere Produktionsreaktoren und chemische Anlagen zu dessen Gewinnung umfasste. Als Zwischenschritt wurde jedoch ein kleinerer Reaktor, genannt X-10, in Oak Ridge mit einer Leistung von 1 MW errichtet, der kleinere Mengen von Plutonium für Forschungszwecke liefern sollte. Dieser wurde im November 1943 zum ersten Mal kritisch.J. Baggott: Atomic – The first war of physics and the secret history of the atom bomb. 1939–1949. Icon Books, UK 2009, ISBN 978-1-84831-082-7.Nuclear Weapon Archive – Section 8.0 The First Nuclear Weapons

Das Plutonium sollte zunächst in einem Entwurf nach dem Kanonenprinzip wie der Mark 1 (Little Boy) eingesetzt werden. Die Daten von reinem 239Pu, das seit der Entdeckung des Elements 1940 in Zyklotronen gewonnen wurde, zeigten, dass dies möglich sein sollte. Zyklotrone selbst können aber nur kleinste Mengen Plutonium erzeugen und sind für die industrielle Produktion ungeeignet. Als 1944 die ersten geringen Mengen Reaktorplutonium vom X-10-Reaktor in Oak Ridge für Analysen zur Verfügung standen, wurde deutlich, dass das Kanonenprinzip für die Verwendung von Plutonium zu langsam ist. Im Juli 1944 zeigte Emilio Segrè, wie bereits im Jahr 1943 vom Mitentdecker des Plutoniums Glenn T. Seaborg vorausgesagt, dass Reaktorplutonium mit dem Isotop 240Pu verunreinigt sein würde. Dieses hat eine hohe Spontanspaltungsrate, das heißt, das Isotop erzeugt einen relativ hohen Hintergrund an Neutronenstrahlung. Würde man dieses in einer Kernwaffe nach dem Kanonenprinzip einsetzen, würde durch die von 240Pu erzeugten Neutronen die Kettenreaktion einsetzen, bevor die kritische Masse vollständig vereint ist. Durch diese Frühzündung würde die Bombe nur mit sehr geringer Sprengkraft explodieren.

mini|hochkant|Seth Neddermeyer leitete zuerst die Implosions­forschung in Los Alamos (Los-Alamos-Dienstausweis)mini|hochkant|George Kistiakowsky, Leiter der Abteilung X (Los-Alamos-Dienstausweis) Daher mussten die Wissenschaftler des Manhattan-Projektes eine neue Methode entwickeln, mit der Plutonium sehr viel schneller von einer subkritischen in eine überkritische Masse verwandelt werden konnte, bevor der hohe Neutronenhintergrund eine Kettenreaktion auslöste. Zu jenem Zeitpunkt wurde in Los Alamos bereits an der Implosionstechnik geforscht. Dies erfolgte in der Abteilung für Sprengkörper (Ordnance Division), die von William Sterling Parsons geleitet wurde. Dieser war aber hauptsächlich mit der Entwicklung des Kanonenprinzips beschäftigt, und die Entwicklung des Implosionsprinzipes oblag Seth Neddermeyer. Dessen Gruppe machte zu diesem Zeitpunkt aber nur wenige Fortschritte, weswegen Robert Oppenheimer den Chemiker George Bogdan Kistiakowsky nach Los Alamos holte, um Neddermeyer zu unterstützen. Die Idee zu diesem Zeitpunkt war, den Plutoniumkern mit einer Schicht von hochexplosivem Sprengstoff zu umhüllen, der an vielen Punkten gleichzeitig gezündet wird und so die Plutoniumkugel im Inneren zu einer überkritischen Masse verdichten sollte. Jedoch breiten sich die einzelnen Detonationsfronten von den Zündern ausgehend sphärisch divergierend aus, wodurch die Plutoniumkugel bei der Komprimierung deformiert wird. So sah die Implosionstechnik Mitte 1944 zunächst nach einer Sackgasse aus, und die Verwendung von Plutonium in Kernwaffen schien zweifelhaft.

Die Lösung des Problems lieferte der Physiker James Tuck, der Teil der britischen Delegation in Los Alamos war. Tuck arbeitete zuvor an der Entwicklung von Hohlladungen für panzerbrechende Munition. Er hatte daher Erfahrung mit Sprengkörpern, die ihre Explosivkraft in eine Richtung abgeben sollten. Er schlug daher vor, den Plutoniumkern mit einer Anordnung von Sprengstofflinsen zu umgeben, die aus Sprengstoffen mit unterschiedlichen Detonationsgeschwindigkeiten bestehen sollten. Durch einen entsprechenden Aufbau der Linsen könnte man die Form der Detonationsfront steuern und so perfekt sphärisch nach innen richten. Dies wurde zunächst allerdings nicht als erstrebenswert angesehen, da eine Implosionsanordnung mit Sprengstofflinsen ungleich komplizierter ist als die bis dahin angestrebte einfache Sprengstoffhülle. Unterstützung erhielt Tuck vom ebenfalls britischen Hydrodynamiker G. I. Taylor, der durch Berechnungen zeigen konnte, dass eine einfache Anordnung nicht funktionieren würde.

Im August 1944 löste Robert Oppenheimer schließlich die Ordnance Division auf und ersetzte sie durch zwei neue Abteilungen, die G Division (G für Gadget) unter Leitung von Robert Bacher und die X Division (x für eXplosives) unter Leitung von Kistiakowsky. Die G Division sollte die Physik für Implosion erarbeiten und die Fat-Man-Bombe entwerfen und die X Division die dafür nötigen Sprengstofflinsen.

Im Gegensatz zur länglichen, zylindrischen Form der Mark-1-Bombe nach dem Kanonenprinzip auf Uranbasis resultierte die Implosionsanordnung mit den Sprengstofflinsen in einer dicken, kugelförmigen Gestalt der Bombe. Daher wurde die Mark-3 als Fat Man bezeichnet (zu Deutsch „Dicker Mann“), der Entwurf nach dem Kanonenprinzip hatte den Namen Thin Man („Dünner Mann“).

mini|Der B-Reaktor in Hanford Im Herbst 1944 näherten sich die Arbeiten an den Produktionsreaktoren in Hanford ihrem Ende. Drei Reaktoren wurden gebaut, genannt B, D und F. Die Anlagen in Hanford mit den Reaktoren wurden zum damaligen Zeitpunkt vom Chemiekonzern DuPont betrieben. Am 15. September 1944 wurde der B-Reaktor mit Brennstoff beladen und unter der Leitung von Enrico Fermi angefahren. Zunächst verhielt sich der Reaktor wie geplant, und am 26. September wollte man ihn zu voller Leistung bringen. Der Physiker John Wheeler überwachte zu dem Zeitpunkt den Reaktor. Jedoch ließ sich der Reaktor nur bis auf etwa 9 MW Leistung bringen, dann reduzierte er diese wieder. Man versuchte dem durch ein weiteres Ausfahren der Steuerstäbe aus Cadmium entgegenzuwirken, aber am Abend des 27. September schaltete der Reaktor bei voll ausgefahrenen Steuerstäben dennoch gänzlich ab. Er ließ sich am nächsten Tag wieder anfahren, schaltete aber nach dem Erreichen von 9 MW wiederum von selbst ab. Wheeler identifizierte das Problem schließlich als eine Selbstvergiftung des Reaktors durch das Isotop 135Xe. Dieses entsteht bei der Spaltung von 235U, welche die Neutronen für die Erbrütung von 239Pu aus 238U liefert. Das Xenon-Isotop absorbierte so viele Neutronen, dass nicht mehr genug für die Aufrechterhaltung der Kettenreaktion übrigblieben. Die Bauweise der Reaktoren in Hanford ließ es allerdings zu, dieses Problem zu lösen, indem man den Reaktor mit mehr Brennstoff beschickte. Dadurch konnte der Vergiftungseffekt überwunden werden. Am 17. Dezember 1944 wurde der D-Reaktor angefahren und am 28. Dezember der reparierte B-Reaktor, der F-Reaktor folgte im Februar 1945. Am 4. Februar erreichten die Reaktoren ihre volle Leistung von je 250 MW und konnten von nun an 19 bis 21 kg Plutonium pro Monat produzieren – genug für zwei bis drei Bomben.

mini|Funktion einer Sprengstofflinse: und detonierende Sprengstoffe formen eine konvexe zu einer konkaven. Für die Trinity-Bombe und Fat Man wurden Baratol und Composition B verwendet. mini|Aufnahme eines Röntgenblitzgeräts zeigt die sphärisch konvergierende Detonationsfront Die X Division arbeitete unter Kistiakowskys Leitung im Winter 1944/45 hart an der Entwicklung der Implosionslinsen und verbrauchte rund eine Tonne Sprengstoff am Tag. Der Mathematiker John von Neumann entwickelte schließlich eine Linse, bestehend aus einer äußeren Lage Sprengstoff mit hoher Detonationsgeschwindigkeit und einer inneren Lage mit geringerer Detonationsgeschwindigkeit. Die innere Lage fokussierte die Schockwelle der äußeren Lage und machte eine perfekte Implosion möglich. Im Februar 1945 wurden auf einem Treffen von Oppenheimer, General Leslie R. Groves (militärischer Leiter des Manhattan Projektes), James Bryant Conant, Hans Bethe und Kistiakowski die endgültige Zusammensetzung der Sprengstofflinsen und das generelle Design der Fat-Man-Bombe beschlossen. Am 1. März gründete Oppenheimer das Kuhhirten-Komitee unter Leitung von Samuel Allison, dem auch Bacher und Kistiakowski angehörten. Dieses sollte die Herde der Fat-Man-Entwickler durch die Endphase treiben. Im selben Monat ließ Oppenheimer alle weiteren Entwicklungen zur Verbesserung der Sprengstofflinsen einstellen. Analysen der jüngsten Versuche mit den Sprengstofflinsen zeigten, dass man eine sphärische Implosion im Einklang mit den theoretischen Modellen erreicht hatte. Oppenheimer meldete an Groves, dass die erste Plutoniumbombe am 1. August 1945 bereit sei.

Trinity-Test

Durch den komplizierten Aufbau des Fat-Man-Entwurfs im Gegensatz zum Kanonenprinzip der Mark-1-Bombe Little Boy hielt man einen Test für unabdingbar. Im Jahr 1944 wurde dafür ein Teil des Bombenabwurfgebietes der Alamogordo Test Range in New Mexico ausgewählt. Oppenheimer nannte das Testgelände Trinity, inspiriert durch ein Sonett von John Donne. Er übertrug die Verantwortung für die Vorbereitung des Tests an den Physiker Kenneth Bainbridge und stellte ihm seinen Bruder Frank Oppenheimer zur Unterstützung an die Seite.

Im Vorfeld wurde am 7. Mai 1945 eine Explosion von 108 t konventionellem Sprengstoff (Komposit B), vermischt mit Abfällen aus abgebranntem Brennstoff aus Hanford, auf dem Trinity-Testgelände durchgeführt. Dies diente der Kalibrierung von Testinstrumenten sowie der Untersuchung der Ausbreitung von radioaktivem Material (Fallout) durch die Explosion. Die Ergebnisse waren besorgniserregend, da sie nahelegten, dass benachbarte bewohnte Gebiete durch den Fallout des Trinity-Tests betroffen sein könnten. Man hoffte, dass dies durch die größere Explosionshöhe der Trinity-Bombe verhindert würde. Die Gadget genannte Testbombe sollte auf einem rund 30 m hohen Stahlturm explodieren.Nuclear Weapons Archive – Trinity

Das Plutonium für die Testbombe erreichte Los Alamos am 24. Juni 1945. Eine Gruppe unter Leitung von Otto Frisch bestätigte, dass der eingetroffene Kern ausreichend für die Bombe war. Er wog rund 6,1 kg und hatte einen Durchmesser von rund 9,2 cm mit einem 2,5 cm messenden Hohlraum in der Mitte, der die Polonium-Beryllium-Neutronenquelle beinhalten sollte.