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Kernspaltung: Ablauf, Energie und Kettenreaktion
Was passiert bei der Kernspaltung? Ein schwerer Atomkern teilt sich meist in zwei mittelschwere Kerne. Dabei werden Energie und freie Neutronen abgegeben. Bei der hier behandelten neutroneninduzierten Spaltung löst der Einfang eines Neutrons den Vorgang aus. Die freigesetzten Neutronen können weitere Spaltungen und damit eine Kettenreaktion auslösen.
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Wie wird ein Urankern gespalten?
Ein Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Beide Teilchen heißen zusammen Nukleonen. Die Protonenzahl legt fest, zu welchem Element der Kern gehört.
Neutroneninduzierte Kernspaltung
Bei der neutroneninduzierten Kernspaltung fängt ein schwerer Atomkern ein Neutron ein. Der dadurch angeregte Kern zerfällt in kleinere Kerne und setzt weitere Neutronen sowie Energie frei.
Beim häufig verwendeten Beispiel nimmt Uran-235 ein langsames Neutron auf. Kurzzeitig entsteht angeregtes Uran-236. Danach kann der Kern unter anderem in Barium-144, Krypton-89 und drei Neutronen zerfallen:
$$^{235}_{92}U + ^1_0n → ^{236}_{92}U^* → ^{144}_{56}Ba + ^{89}_{36}Kr + 3·^1_0n$$
Das Sternchen kennzeichnet den angeregten Zustand. Der Kern besitzt dabei zusätzliche Energie und ist nicht stabil.
Barium-144 und Krypton-89 bilden nur einen möglichen Spaltkanal. Welche Spaltprodukte und wie viele Neutronen entstehen, ist statistisch verteilt. Eine einzelne Spaltung lässt sich daher nicht auf genau dieses Produktpaar festlegen.
Der typische Ablauf lautet: Neutroneneinfang → angeregter schwerer Kern → zwei mittelschwere Kerne + freie Neutronen + Energie.
Wie liest du das Reaktionsschema?
Links oben am Kernsymbol steht die Massenzahl oder Nukleonenzahl. Sie gibt die Gesamtzahl aus Protonen und Neutronen an. Links unten steht die Ordnungszahl oder Ladungszahl. Sie entspricht der Protonenzahl.
Im gezeigten Spaltungsschema müssen die Summen beider Zahlen vor und nach der Reaktion übereinstimmen. Dabei zählst du auch die freien Neutronen mit.
Nukleonenzahl prüfen:
Vorher: $235 + 1 = 236$
Nachher: $144 + 89 + 3·1 = 236$
Ladungszahl prüfen:
Vorher: $92 + 0 = 92$
Nachher: $56 + 36 + 3·0 = 92$
Beide Bilanzen stimmen. Das Schema ist hinsichtlich Nukleonen- und Ladungszahl ausgeglichen.
Prüfe bei einem Reaktionsschema getrennt: oben die Nukleonenzahlen, unten die Ladungszahlen.
Warum wird bei der Spaltung Energie frei?
Die Bindungsenergie ist die Energie, die du benötigst, um einen Kern vollständig in freie Protonen und Neutronen zu zerlegen. Bei seiner Bildung aus diesen Teilchen wird derselbe Energiebetrag frei. Die Bindungsenergie pro Nukleon beschreibt die durchschnittliche Stärke dieser Bindung.
Die mittelschweren Spaltkerne sind pro Nukleon stärker gebunden als Uran-235. Insgesamt besitzen die Produkte einschließlich der freien Neutronen weniger Ruhemasse als die Ausgangsteilchen. Die Ruhemasse ist die Masse eines Teilchens in seinem eigenen Ruhesystem. Die Differenz wird als Energie frei, vor allem als Bewegungsenergie der Spaltprodukte. Beim Abbremsen im Material entsteht daraus Wärme.
Massendefekt und Energiefreisetzung
Der Massendefekt eines Kerns ist die Differenz zwischen den Massen seiner freien Nukleonen und seiner Kernmasse. Bei einer Spaltreaktion betrachtet man entsprechend die Abnahme der gesamten Ruhemasse: $Δm = m_{vor} - m_{nach}$. Die frei werdende Energie ist $ΔE = Δm·c^2$; $c$ ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
Für den dargestellten Spaltkanal kann die Energie mit genauen Atommassen näherungsweise berechnet werden. Dabei werden die Bewegungsenergie des einfallenden Neutrons und eine mögliche Anregung der Produkte vernachlässigt.
Verwendete Massen (vorgegebene Rechenwerte; $u$ bezeichnet die atomare Masseneinheit):
- Uran-235: $235{,}04392996\,u$
- Neutron: $1{,}00866492\,u$
- Barium-144: $143{,}92295281\,u$
- Krypton-89: $88{,}91763058\,u$
Die Atommassen enthalten auch die Elektronen. Deren Massen heben sich hier auf, weil $92 = 56 + 36$ gilt; Unterschiede der Elektronenbindung werden vernachlässigt. Da vor der Spaltung ein und danach drei freie Neutronen vorkommen, bleiben nach dem Kürzen zwei Neutronenmassen auf der Produktseite:
$$Δm = 235{,}04392996\,u - 143{,}92295281\,u - 88{,}91763058\,u - 2·1{,}00866492\,u$$
$$Δm = 0{,}18601673\,u$$
Die Energieeinheit MeV bedeutet Megaelektronvolt: $1\,MeV = 10^6\,eV$. Mit $1\,u·c^2 ≈ 931{,}49\,MeV$ folgt:
$$ΔE = 0{,}18601673·931{,}49\,MeV ≈ 173{,}3\,MeV$$
Unter den genannten Annahmen werden bei diesem Spaltkanal also rund $173\,MeV$ frei.
Dieser Wert gilt für den angegebenen Spaltkanal und die genannten Annahmen. Die radioaktiven Spaltprodukte können anschließend weiter zerfallen und dabei zusätzliche Energie freisetzen. Eine Energiebilanz einschließlich dieser Folgezerfälle hat deshalb einen anderen Umfang.
Wie entsteht und wie regelt man eine Kettenreaktion?
Bei einer Spaltung entstehen meist mehrere schnelle Neutronen. Treffen geeignete Neutronen auf weitere Uran-235-Kerne, können sie neue Spaltungen auslösen. Dadurch entsteht eine Kettenreaktion.
Bei einer kontrollierten Kettenreaktion wird die Zahl weiterer Spaltungen geregelt. Bei gleichbleibender Reaktorleistung löst jede Spaltung im Mittel genau eine weitere aus; überschüssige Neutronen werden absorbiert oder verlassen den Reaktionsbereich. Löst jede Spaltung im Mittel mehr als eine weitere aus, wächst die Reaktion. Ohne ausreichende Regelung kann sie unkontrolliert anwachsen.
In Reaktoren, die mit langsamen Neutronen arbeiten, erhöht das Abbremsen die Wahrscheinlichkeit einer Spaltung von Uran-235. Ein Moderator bremst die schnellen Spaltneutronen durch Stöße ab. Wasser kann diese Aufgabe übernehmen, weil seine Wasserstoffkerne ungefähr dieselbe Masse wie Neutronen besitzen und sie dadurch wirksam abbremsen.
Moderation bedeutet Abbremsen, Absorption bedeutet Einfangen. Ein Material wie Wasser kann beides bewirken; als Moderator soll es vor allem abbremsen. Zur gezielten Regelung nutzt man zusätzlich stark absorbierende Stoffe. Bor- und Cadmiumverbindungen eignen sich als solche Neutronenabsorber.
In einem vereinfachten Modell eines mit langsamen Neutronen arbeitenden Reaktors haben die Materialien zwei unterschiedliche Aufgaben:
- Der Moderator bremst schnelle Neutronen ab und erhöht damit die Wahrscheinlichkeit weiterer Spaltungen von Uran-235.
- Neutronenabsorber entziehen der Reaktion einen Teil der freien Neutronen.
So lässt sich die Zahl weiterer Spaltungen regeln. Es gibt auch Reaktoren, die schnelle Neutronen nutzen und ohne Moderator arbeiten.
Der Moderator senkt vor allem die Geschwindigkeit der Neutronen. Neutronenabsorber regeln ihre verfügbare Anzahl.
Wodurch unterscheidet sich Spaltung von Fusion und Zerfall?
Die Begriffe beschreiben unterschiedliche Vorgänge, sind aber nicht vollständig voneinander getrennt:
- Kernspaltung: Ein schwerer Kern zerfällt in mehrere leichtere Kerne. Eine induzierte Spaltung wird von außen, etwa durch ein Neutron, ausgelöst.
- Kernfusion: Zwei leichte Kerne verschmelzen zu einem schwereren Kern.
- Radioaktiver Zerfall: Ein instabiler Kern wandelt sich ohne einen auslösenden Neutroneneinfang um und gibt dabei Strahlung oder Teilchen ab.
Die spontane Kernspaltung gehört zum radioaktiven Zerfall: Sie geschieht ohne äußeren Auslöser und teilt einen schweren Kern in kleinere Kerne. Spaltung und radioaktiver Zerfall schließen sich also nicht aus.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Kernspaltung
- Auslösung und Ablauf
- Neutroneneinfang
- angeregter schwerer Kern
- Spaltprodukte und freie Neutronen
- Energiefreisetzung
- stärkere Bindung der Produkte
- geringere Produktmasse
- Massendefekt mit $ΔE = Δm·c^2$
- Kettenreaktion
- Neutronen lösen weitere Spaltungen aus
- Moderator bremst Neutronen
- Absorber begrenzen die Neutronenzahl
- Abgrenzung
- Fusion verschmilzt leichte Kerne
- radioaktiver Zerfall ohne äußeren Auslöser
- spontane Spaltung ist eine Zerfallsart
- Auslösung und Ablauf
Abschluss-Check
Wenn du den Ablauf, beide Zahlenbilanzen, den Massendefekt und die beiden Regelungsaufgaben erklären kannst, hast du das Kernmodell der Kernspaltung verstanden.