Kernkraftwerk Isar, Deutschland

Abgebrannten Kernbrennstoff Pool

Turbine eines Kernkraftwerks

Kernspaltung

Kernspaltung

Kernspaltung ist die physikalisch-chemische Reaktion, durch die der Kern eines Atoms gespalten wird. Das Hauptinteresse von Spaltreaktionen besteht darin, dass durch diesen Vorgang eine große Energiemenge erhalten wird. Gemäß der Definition von Kernenergie ist Atomenergie die im Atomkern enthaltene Energie, und die gewonnene Energie ist Wärmeenergie, Energie in Form von Wärme.

Die andere Form der Ausbeutung erfolgt durch Kernfusionsreaktionen. In diesem Fall ist der Prozess invers und verschmilzt zwei verschiedene Kerne, die einen einzelnen Atomkern bilden.

Nach der Spaltung des Atomkerns erhalten wir mehrere Fragmente mit einer Masse, die fast der Hälfte der ursprünglichen Masse plus zwei oder drei Neutronen entspricht. Es ist bemerkenswert, dass diese zwei oder drei Neutronen freigesetzt werden, da sie eine neue Reaktion in einem anderen Atom ermöglichen.

Die Summe der Massen dieser Fragmente ist geringer als die ursprüngliche Masse. Dieser Massenmangel (etwa 0,1 Prozent der ursprünglichen Masse) wurde gemäß der Einstein-Gleichung in Energie umgewandelt (E = mc 2 ). In dieser Gleichung entspricht E der erhaltenen Energie, ma der Masse, von der wir sprechen, und c ist eine Konstante, die der Lichtgeschwindigkeit: 299.792.458 m / s 2 . Die gewonnene Energie entsteht in Form von Wärme; es ist also thermische energie.

Kernspaltung kann auftreten, wenn ein Kern eines schweren Atoms ein Neutron einfängt (induzierte Spaltung), oder es kann spontan aufgrund der Instabilität des Isotops (spontane Spaltung) auftreten.

Das als Kernbrennstoff verwendete Material hat eine sehr instabile atomare Struktur. Uran und Plutonium werden im Allgemeinen verwendet. Die Eigenschaften dieser Atome sind, dass sie sehr schwer sind, mit einer großen Anzahl von Protonen mit einer positiven Ladung im Kern. Da so viele Protonen eine positive Ladung zum Kern haben, ist es sehr schwierig, die Verbindungen der Kräfte aufrechtzuerhalten, um sie zusammenzuhalten. Aus diesem Grund reicht die Kollision mit einem einzelnen Neutron aus, um die gesamte Struktur zu destabilisieren und zu brechen.

Kernspaltungsreaktionen

Diagramm einer Kette von Kernreaktionen der Spaltung

Eine Kettenreaktion ist ein Prozess, bei dem Neutronen, die in einer ersten Kernspaltung freigesetzt wurden, eine zusätzliche Spaltung in mindestens einem weiteren Kern erzeugen. Dieser Atomkern zersplittert und setzt wiederum mehr Neutronen frei, wodurch sich der Prozess wiederholen kann.

Diese Kettenreaktionen können kontrolliert oder unkontrolliert sein. Die kontrollierten Reaktionen wären die Kernreaktionen, die im Kernreaktor eines Kernkraftwerks erzeugt werden, in dem es darum geht, elektrische Energie konstant und ausgewogen zu erzeugen. Die unkontrollierten nuklearen Reaktionen treten bei Kernwaffen auf, bei denen das Ziel darin besteht, innerhalb eines Augenblicks eine große Menge an Energie zu erzeugen.

Wenn in jeder durch ein Neutron verursachten Kernspaltungsreaktion zwei weitere Neutronen freigesetzt werden, verdoppelt sich die Anzahl der Spaltungen in jeder Generation. In diesem Fall gibt es in 10 Generationen 1.024 und in 80 Generationen ca. 6 x 10 23  .

Kritische Masse

Die kritische Masse ist die Mindestmenge an spaltbarem Material für die Aufrechterhaltung einer nuklearen Kettenreaktion.

Obwohl in jeder Kernspaltung zwei bis drei Neutronen vorkommen, stehen nicht alle Neutronen zur Verfügung, um die Spaltreaktion fortzusetzen. einige sind verloren Wenn die Neutronen, die durch jede Kernreaktion freigesetzt werden, schneller verloren gehen als durch Spaltung gebildet werden, ist die Kettenreaktion nicht autark und stoppt.

Die Menge der kritischen Masse eines spaltbaren Materials hängt von mehreren Faktoren ab: physikalischen Eigenschaften, nuklearen Eigenschaften, Geometrie und Reinheit.

Eine Kugel hat die minimal mögliche Oberfläche für eine gegebene Masse und minimiert daher den Neutronenverlust. Wenn wir das spaltbare Material auch mit einem Neutronenreflektor umrunden, gehen viel weniger Neutronen verloren und die kritische Masse wird reduziert.

Obwohl Uran natürlich vorkommt, wird das in Kernreaktoren verwendete Uran als angereichertes Uran bezeichnet. Angereichertes Uran ist Uran, das einer Behandlung unterzogen wurde, um es zu einem instabileren Isotop zu machen. Man nennt es Isotopenatome desselben Elements, deren Kerne eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen haben und sich daher in der Massenzahl unterscheiden.

Kontrollierte Kernspaltung

Schema, wie die freigesetzten Neutronen kontrolliert werden, um die Kettenspaltungsreaktion zu kontrollieren

Um eine dauerhafte Kontrolle der Kernreaktion aufrechtzuerhalten, muss für jeweils 2 oder 3 Neutronen nur eines mit einem anderen Urankern kollidieren. Wenn dieses Verhältnis weniger als eins ist, stirbt die Reaktion, und wenn sie größer ist, gerät sie außer Kontrolle (eine atomare Explosion).

Neutronenabsorptionselemente werden verwendet, um die Menge an freien Neutronen im Reaktionsraum zu kontrollieren. Die meisten Kernkraftreaktoren werden mit Steuerstäben aus einem Material gesteuert, das die Eigenschaft besitzt, freie Neutronen zu absorbieren, beispielsweise Bor oder Cadmium.

Neben der Notwendigkeit, Neutronen einzufangen, haben Neutronen oft viel kinetische Energie (sie bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit). Diese schnellen Neutronen werden durch den Einsatz eines Moderators wie schweres Wasser und fließendes Wasser reduziert. Einige Kernreaktoren verwenden Graphit als Moderator, aber diese Konstruktion weist mehrere Probleme auf. Sobald sich die schnellen Neutronen verlangsamt haben, produzieren sie mit höherer Wahrscheinlichkeit mehr Kernspaltung oder werden von den Steuerstäben absorbiert.

Spontane Kernspaltung

Bei den Reaktionen der spontanen Kernspaltung ist die Absorption eines Neutrons nicht erforderlich 

Die Rate der spontanen Kernspaltung ist die Wahrscheinlichkeit pro Sekunde, dass ein bestimmtes Atom spontan abgefeuert wird, das heißt ohne externen Eingriff. Plutonium 239 hat eine sehr hohe spontane Spaltungsrate im Vergleich zur spontanen Spaltung von Uran 235. Bei bestimmten Isotopen von Uran und insbesondere Plutonium haben sie eine derart instabile Atomstruktur, dass sie spontan spalten.

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Referenzen

Geändert am: 15. März 2019