Kernspaltung ist die physikalisch-chemische Reaktion, bei der der Kern eines Atoms gespalten wird. Durch diesen Vorgang wird eine große Energiemenge gewonnen.
Der Atomkern besteht aus anderen kleineren Unterteilchen: Protonen und Neutronen. Je nach Element des Periodensystems variiert die Zusammensetzung dieser Unterteilchen. Protonen haben eine positive Ladung, daher neigen sie dazu, sich gegenseitig abzustoßen. Andererseits sind Neutronen neutral, d. h. sie haben keine Ladung.
Die Unterteilchen des Atoms werden dank einer Kernkraft zusammengehalten, die sie zusammenhält. Die Kernkraft ist hundertmal stärker als die elektromagnetische Kraft.
Der Zweck eines Kernspaltungsprozesses besteht darin, dieses Kräftegleichgewicht zu ändern, diese Kernkraft zu brechen und die Trennung der Nukleonen zu ermöglichen.
Nach der Atomkernspaltung erhalten wir diverse Bruchstücke, zwei oder drei Neutronen und die Emission einer großen Energiemenge. Diese Fragmente sind als Spaltprodukte bekannt, die, nachdem sie ihre Protonenzusammensetzung geändert haben, unterschiedliche chemische Elemente sind.
Die Kernspaltung sollte nicht mit der Kernfusion verwechselt werden, bei der Energie aus der Verschmelzung zweier leichter Atome gewonnen wird. Die Reaktionen, die in der Sonne stattfinden, sind Kernfusionen.
Woher kommt die Energie für Spaltreaktionen?
Bei jedem Spaltprozess kommt es zu einem Masseverlust: Die Summe der Massen der Spaltprodukte ist kleiner als die ursprüngliche Masse des Atoms. Die fehlende Masse wird nach Einsteins Gleichung in Energie umgewandelt:
E = m·c2
Woher:
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E ist die erhaltene Energie.
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m ist die "verlorene" Masse
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c ist eine Konstante: die Lichtgeschwindigkeit, die 299.792.458 m / s2 beträgt.
Die bei einer Spaltungsreaktion entstehende Energie liegt in Form von Wärme vor.
Kernspaltung kann auftreten, wenn ein Kern eines Schweratoms ein Neutron einfängt oder spontan aufgrund von Isotopeninstabilität.
Welches chemische Element wird bei einer Kernspaltungsreaktion verwendet?
Das als Kernbrennstoff verwendete Material hat eine sehr instabile Atomstruktur. Im Allgemeinen werden Uran- und Plutoniumisotope verwendet. Die Eigenschaften dieser Atome sind, dass sie sehr schwer sind, mit einer großen Anzahl von positiv geladenen Protonen im Kern.
Isotope sind Atome desselben Elements, aber mit unterschiedlicher Neutronenzahl. Zum Beispiel ist das Isotop von Uran-235 instabiler als natürliches Uran.
Mit so vielen positiv geladenen Protonen fällt es dem Kern schwer, die Kraftbindungen aufrechtzuerhalten, um sie zusammenzuhalten. Aus diesem Grund reicht die Kollision mit einem einzelnen Neutron aus, um die gesamte Struktur zu destabilisieren und zu brechen.
Kettenreaktionen zur Kernspaltung
Eine Kettenreaktion ist ein Prozess, bei dem Neutronen, die bei einer ersten Kernspaltung freigesetzt wurden, eine weitere Kernspaltung in mindestens einem weiteren Kern bewirken. Diese Atomkernspaltung setzt wiederum mehr schnelle Neutronen frei, was die Möglichkeit gibt, den Vorgang zu wiederholen.
Neutronen sind gute Projektile, um den Kern zu treffen, weil sie keine elektrische Ladung haben und der Atomkern sie nicht abstößt. Schnelle Neutronen können zu langsamen Neutronen werden, wenn sie in einem Moderator mit Teilchen kollidieren. Langsame Neutronen treffen eher auf den Kern eines anderen Brennstoffatoms.
Diese Kettenreaktionen können kontrolliert oder unkontrolliert sein.
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Kontrollierte Reaktionen sind solche, die in einem Kernreaktor ablaufen, um elektrische Energie zu erzeugen.
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Unkontrollierte Reaktionen führen zur Detonation einer Atombombe.
Was ist die kritische Masse?
Die kritische Masse ist die Mindestmenge an spaltbarem Material, damit eine nukleare Kettenreaktion stattfindet.
Obwohl bei jeder Kernspaltung zwei bis drei Neutronen erzeugt werden, stehen nicht alle Neutronen zur Fortsetzung der Spaltreaktion zur Verfügung; einige sind verloren. Wenn die bei jeder Kernreaktion freigesetzten Neutronen schneller verloren gehen als sie durch die Spaltung gebildet werden, ist die Kettenreaktion nicht selbsterhaltend und wird beendet.
Die Höhe der kritischen Masse eines spaltbaren Materials hängt von mehreren Faktoren ab: physikalischen Eigenschaften, nuklearen Eigenschaften, seiner Geometrie und seiner Reinheit.
Wie werden Spaltkettenreaktionen gesteuert?
Neutronenabsorptionselemente werden verwendet, um die Menge an freien Neutronen im Reaktionsraum zu kontrollieren. Die meisten Kernreaktoren werden mit Steuerstäben aus einem Material gesteuert, das die Eigenschaft hat, freie Neutronen zu absorbieren, beispielsweise Bor oder Cadmium.
Neben der Notwendigkeit, Neutronen einzufangen, haben Neutronen oft viel kinetische Energie. Die Geschwindigkeit dieser schnellen Neutronen wird durch die Verwendung eines Neutronenmoderators, wie z. B. schweres Wasser und fließendes Wasser, reduziert.
Einige Kernreaktoren verwenden Graphit als Moderator, aber dieses Design weist mehrere Probleme auf. Sobald schnelle Neutronen verlangsamt sind, produzieren sie eher mehr Kernspaltungen oder werden von Kontrollstäben absorbiert.
Spontane Kernspaltung
Bei spontanen Kernspaltungsreaktionen ist die Absorption eines Neutrons nicht erforderlich.
Die spontane Kernspaltungsrate ist die Wahrscheinlichkeit pro Sekunde, dass ein bestimmtes Atom spontan spaltet. Das heißt, ohne externe Eingriffe. Plutonium 239 hat eine sehr hohe Spontanspaltungsrate im Vergleich zur Spontanspaltungsrate von Uran 235.
Beispiele für Kernspaltung
Hier einige Beispiele für Kernspaltungsreaktionen:
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In einem Kernkraftwerk zur Stromerzeugung.
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Im Antrieb eines Atom-U-Bootes.
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Bei der Detonation einer Atombombe.
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Künstliche Gewinnung von Plutoniumatomen aus einem Urankern.