Kernspaltung ist eine Kernreaktion, bei der der Kern eines schweren Atoms in zwei oder mehr kleinere Fragmente gespalten wird und dabei eine große Menge Energie freigesetzt wird.
Diese Reaktion kann durch den Einfang eines Neutrons durch einen Atomkern oder spontan aufgrund der Instabilität des Isotopes ausgelöst werden.
Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen. Protonen haben eine positive Ladung und neigen dazu, sich gegenseitig abzustoßen, während Neutronen keine Ladung haben. Diese Teilchen werden durch die starke Kernkraft zusammengehalten, die viel stärker ist als die elektromagnetische Kraft, die die Elektronen um den Kern herum hält.
Bei der Kernspaltung wird diese Kernkraft aufgebrochen, wodurch die Trennung der Nukleonen (Protonen und Neutronen) möglich wird.
Wie funktioniert Kernspaltung?
Bei der Kernspaltung handelt es sich um einen Vorgang, bei dem der Kern eines schweren Atoms, beispielsweise Uran-235 oder Plutonium-239, in zwei oder mehr leichtere Kerne gespalten wird, wobei große Mengen Energie freigesetzt werden.
Dieser Prozess beginnt, wenn ein freies Neutron auf den Kern eines spaltbaren Atoms trifft, wodurch der Kern instabil wird und auseinanderbricht. Bei der Spaltung des Atomkerns werden weitere Neutronen freigesetzt, die wiederum auf andere Atomkerne einwirken und so eine Kettenreaktion auslösen können.
Die bei der Kernspaltung freigesetzte Energie stammt aus dem Masseverlust während der Kernspaltung und wird gemäß Einsteins berühmter Gleichung \( E = mc^2 \) in Energie umgewandelt. Bei der Kernspaltung entstehen Spaltprodukte, also unterschiedliche chemische Elemente, und die freigesetzten Neutronen können zur Fortsetzung des Prozesses genutzt werden.
In Kernreaktoren erzeugt diese kontrollierte Reaktion Wärme, die in elektrische Energie umgewandelt wird. Bei Atomwaffen kommt es jedoch zu unkontrollierter Kernspaltung, bei der enorme Energiemengen freigesetzt werden.
Energieerzeugung durch Kernspaltung
Die bei der Kernspaltung freigesetzte Energie stammt aus der Umwandlung einer kleinen Menge Masse in Energie gemäß Einsteins Gleichung \( E = mc^2 \), wobei:
- E ist die gewonnene Energie,
- m ist die bei der Kernspaltung „verlorene“ Masse,
- c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (299.792.458 m/s).
Diese Energie wird in Form von Wärme freigesetzt, die in Kernreaktoren zur Stromerzeugung genutzt werden kann.
Das chemische Element bei der Kernspaltung
Das bei Kernreaktionen verwendete spaltbare Material ist üblicherweise Uran-235 (U-235) oder Plutonium-239 (Pu-239).
Diese Isotope sind aufgrund der großen Anzahl an Protonen in ihren Kernen instabil, wodurch die Atomstruktur bei der Wechselwirkung mit einem Neutron zur Spaltung neigt. Isotope sind Versionen desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl. Zur Kernspaltung kommt es typischerweise, wenn ein Neutron auf ein Uran-235- oder Plutonium-239-Atom trifft und so eine Kettenreaktion auslöst.
Kettenreaktionen
Kernspaltung kann eine Kettenreaktion auslösen.
Bei diesem Prozess lösen die bei einer Kernspaltung freigesetzten Neutronen neue Kernspaltungen in anderen Atomen aus, wodurch mehr Neutronen erzeugt und mehr Energie freigesetzt wird. Die entstehenden Neutronen können von anderen Brennstoffatomen absorbiert werden, wodurch die Reaktion weitergeht. Diese Kette kann kontrolliert oder unkontrolliert sein:
- Kontrolliert : In Kernreaktoren wird die Neutronenmenge durch Steuerstäbe (aus Materialien wie Bor oder Cadmium, die Neutronen absorbieren) reguliert, wodurch die Reaktion auf einem konstanten und sicheren Niveau gehalten werden kann.
- Unkontrolliert : Bei einer nuklearen Explosion, wie beispielsweise bei Atombomben, gerät die Reaktion außer Kontrolle und es wird schnell und mit zerstörerischer Wirkung eine enorme Energiemenge freigesetzt.
Kritische Masse und Reaktionskontrolle
Die kritische Masse ist die Mindestmenge an spaltbarem Material, die erforderlich ist, damit die Kettenreaktion selbsterhaltend ist.
Wenn das spaltbare Material weniger als die kritische Masse aufweist, gehen Neutronen schneller verloren als sie erzeugt werden und die Reaktion stoppt. Die Höhe der kritischen Masse hängt von Faktoren wie der Geometrie des Materials, seiner Reinheit und seinen physikalischen Eigenschaften ab.
Spontane Kernspaltung
Bei der spontanen Kernspaltung kann ein Atom gespalten werden, ohne dass es dazu von einem Neutron getroffen werden muss. Dieses Phänomen tritt natürlicherweise bei einigen Isotopen auf, beispielsweise bei Plutonium-239, das eine höhere spontane Spaltungsrate als Uran-235 aufweist. Obwohl dieser Prozess selten ist, kann er zur radioaktiven Aktivität bestimmter Materialien beitragen.
Anwendungen der Kernspaltung
Die Kernspaltung hat verschiedene Anwendungen :
- Stromerzeugung : In Kernkraftwerken wird die bei der Kernspaltung freigesetzte Energie zum Erhitzen von Wasser und zur Erzeugung von Dampf genutzt, der Turbinen zur Stromerzeugung antreibt.
- Antrieb von Atom-U-Booten : Atom-U-Boote nutzen Kernspaltungsreaktoren zur Energieerzeugung und ermöglichen so den Betrieb über lange Zeiträume ohne Auftanken.
- Atombomben : Die Kernspaltung wird auch bei Atomwaffen eingesetzt, bei denen unkontrollierte Reaktionen zu einer enormen Energiefreisetzung führen.
- Plutoniumherstellung : Durch Bestrahlung von Uran-238 kann in Kernreaktoren Plutonium-239 hergestellt werden, ein Schlüsselprozess bei der Herstellung von Kernbrennstoffen und Atomwaffen.
Fusion vs. Fission
Es ist wichtig, Kernfusion nicht mit Kernspaltung zu verwechseln . Bei der Fusion verbinden sich zwei leichte Kerne zu einem schwereren, wobei Energie freigesetzt wird, wie es auch in der Sonne vorkommt. Bei der Kernspaltung hingegen wird ein schwerer Kern in kleinere Fragmente gespalten, wobei Energie freigesetzt wird. Für die praktische Nutzung der Kernfusion zur Stromerzeugung sind noch erhebliche technische Herausforderungen zu bewältigen, während die Kernspaltung heute weit verbreitet ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es sich bei der Kernspaltung um eine leistungsfähige und komplexe Reaktion handelt, die uns nicht nur eine bedeutende Energiequelle liefert, sondern auch erhebliche Herausforderungen in Bezug auf die Sicherheit und die Entsorgung radioaktiver Abfälle mit sich bringt.