Kernkraftwerk Isar, Deutschland

Abgebrannten Kernbrennstoff Pool

Turbine eines Kernkraftwerks

Kernspaltung

Kernspaltung

Es gibt zwei Wege, um mit Hilfe von Veränderungen des Kerns von einem oder mehreren Atomen Energie freizusetzen: Durch Verbinden der Kerne zweier Atome (in diesem Fall sprechen wir von Kernfusion) oder durch Spalten des Kerns eines Atoms (in diesem Fall sprechen wir von Kernspaltung).

Im Bereich Kernenergie bedeutet Kernspaltung die Teilung eines Atomkerns. Der Kern zerfällt in mehrere Fragmente, deren Masse fast genau die Hälfte der ursprünglichen Masse plus zwei oder drei Neutronen beträgt.

Die Summe der Massen dieser Fragmente ist kleiner als die ursprüngliche Masse. Dieser "Verlust" von Masse (ca. 0,1% der ursprünglichen Masse) wird nach Einsteins Gleichung (E = mc2.) in Energie umgewandelt. In dieser Gleichung steht E für die erzeugte Energie, m ist die Masse und c ist die Konstante der Lichtgeschwindigkeit: 299.792.458 m/s2.

Eine Kernspaltung kann auftreten, wenn der Kern eines schweren Atoms ein Neutron absorbiert (induzierte Spaltung). Außerdem kann es aufgrund der Instabilität eines Isotops zu einer spontanen Spaltung kommen.

Nukleare Kettenreaktionen

Schematische Darstellung einer Kette von Kernspaltungsreaktionen

Eine Kettenreaktion ist ein Prozess, bei dem die bei der ersten Kernspaltung freigesetzten Neutronen eine weitere Spaltung von mindestens einem Atomkern auslösen. Dieser Atomkern gibt wiederum Neutronen frei, sodass sich der Vorgang wiederholt.

Diese Kettenreaktionen können kontrolliert oder unkontrolliert ablaufen. Die kontrollierten Reaktionen sind die Kernreaktionen, mit denen in Kernkraftwerken kontinuierlich elektrische Energie erzeugt wird. Unkontrollierte Reaktionen werden in Atomwaffen eingesetzt.

Wenn bei jeder durch ein Neutron ausgelösten Kernspaltung zwei weitere Neutronen freigesetzt werden, verdoppelt sich die Anzahl der Kernspaltungen mit jeder Generation. So gibt es in 10 Generationen 1.024 Kernspaltungen und in 80 Generationen ungefähr 6 x 1023 Kernspaltungen.

Kritische Masse

Die kritische Masse ist die Menge an spaltbarem Material, die mindestens vorhanden sein muss, um eine nukleare Kettenreaktion am Leben zu halten.

Bei jeder Kernspaltung werden zwei oder drei Neutronen erzeugt. Die Reaktion wird aber nicht von allen Neutronen fortgesetzt, da einige von ihnen verloren gehen. Wenn die bei den einzelnen Kernreaktionen freigesetzten Neutronen schneller verloren gehen, als neue Neutronen durch Kernspaltung freigesetzt werden, kann sich die Kettenreaktion nicht alleine aufrechterhalten und wird unterbrochen.

Die Menge der kritischen Masse eines spaltbaren Materials hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie den physikalischen Eigenschaften, den nuklearen Eigenschaften, der Geometrie und der Reinheit des Materials.

Bei kugelförmigen Körpern ist die Oberfläche einer gegebenen Masse am kleinsten und damit der Verlust von Neutronen am geringsten. Wenn das spaltbare Material außerdem von einem Neutronenreflektor umgeben ist, gehen weit weniger Neutronen verloren und die kritische Masse sinkt.

Kontrollierte Kernspaltung

Schema für so die Neutronen freigesetzt werden gesteuert, um die Kernspaltung Kettenreaktion steuern

Um eine Kernreaktion unter Kontrolle zu halten, darf von den 2 oder 3 freigesetzten Neutronen nur eins auf einen anderen Atomkern treffen. Wenn das Verhältnis kleiner ist, bricht die Reaktion ab, wenn es größer ist, kommt es zu einem unkontrollierten Wachstum (einer nuklearen Explosion). Um die Anzahl der freien Neutronen im Reaktionsbereich zu regeln, ist ein Element erforderlich, das Neutronen absorbiert. Die meisten Reaktoren werden mittels Steuerstäben aus einem Absorbermaterial wie Bor oder Cadmium geregelt.

Die Neutronen müssen nicht nur aufgefangen werden, auch ihre hohe kinetische Energie (die Neutronen bewegen sich sehr schnell) ist zu berücksichtigen. Diese schnellen Neutronen werden durch den Einsatz eines Moderators, wie schwerem Wasser oder Leitungswasser gebremst. In einigen Reaktoren wird Graphit als Moderator eingesetzt, was allerdings verschiedene Probleme mit sich bringt. Sobald die schnellen Neutronen gebremst sind, neigen sie dazu, weitere Kernspaltungen zu produzieren oder von den Steuerstäben absorbiert zu werden.

Spontane Kernspaltung

spontane Spaltung

Bei dieser Art von Reaktion muss kein externes Neutron absorbiert werden. Bestimmte Uranisotope und insbesondere Plutonium haben eine so instabile Atomstruktur, dass sie spontan zerfallen.

Die Spontanspaltungsrate ist die Wahrscheinlichkeit pro Sekunde, dass ein bestimmtes Atom spontan, das heißt ohne äußere Einwirkungen, zerfällt. Plutonium 239 hat im Vergleich zu Uran 235 eine sehr hohe Spontanspaltungsrate.

Video über die Kernspaltung

Im folgenden Video wird dargestellt, wie ein Neutron auf einen Atomkern trifft und eine Kernspaltung auslöst, die weitere Kernspaltungen in einer Kettenreaktion hervorruft. Der erste Teil des Videos zeigt den Prozess in kleinem Maßstab, danach wird der Ablauf vergrößert dargestellt.

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Referenzen

Geändert am: 21. April 2014