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Kernspaltung: Ablauf, Energie und Kettenreaktion
Bei der Kernspaltung nimmt ein schwerer Atomkern ein Neutron auf und zerfällt in zwei mittelschwere Kerne. Dabei werden Energie und weitere Neutronen frei. Diese Neutronen können eine Kettenreaktion auslösen.
Auf dieser Seite lernst du, ein Spaltungsschema zu lesen, die Energiefreisetzung zu erklären und eine kontrollierte von einer unkontrollierten Kettenreaktion zu unterscheiden.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
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.
Bei einer Kernreaktion müssen die Summen beider Zahlen vor und nach der Reaktion übereinstimmen.
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?
Mittelschwere Kerne sind pro Nukleon stärker gebunden als sehr schwere Kerne wie Uran-235. Beim Übergang in diesen stärker gebundenen Zustand ist die Gesamtmasse der Produkte etwas kleiner als die Masse der Ausgangsteilchen.
Diese Massendifferenz heißt Massendefekt.
Massendefekt
Der Massendefekt $Δm$ ist die Differenz zwischen der Gesamtmasse vor und der Gesamtmasse nach einer Kernreaktion. Er entspricht nach $ΔE = Δm·c^2$ einer umgewandelten Energie.
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:
- Uran-235: $235{,}04392996\,u$
- Neutron: $1{,}00866492\,u$
- Barium-144: $143{,}92295281\,u$
- Krypton-89: $88{,}91763058\,u$
Da vor der Reaktion ein Neutron und danach drei Neutronen vorkommen, bleiben nach dem Kürzen zwei Neutronenmassen auf der Produktseite:
$$Δm = 235{,}04392996\,u - 143{,}92295281\,u - 88{,}91763058\,u - 2·1{,}00866492\,u$$
$$Δm = 0{,}18601673\,u$$
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.
Andere Näherungen können andere Werte liefern. Grobe Rechnungen mit gemittelten Bindungsenergien ergeben beispielsweise etwa $210$ bis $235\,MeV$. Solche Ergebnisse beziehen sich nicht auf dieselbe genaue Massenbilanz und dürfen deshalb nicht unbesehen gleichgesetzt werden.
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 der freien Neutronen so begrenzt, dass die Reaktion nicht fortlaufend anwächst. Bei einer unkontrollierten Kettenreaktion lösen immer mehr Neutronen weitere Spaltungen aus; die Zahl der Spaltungen steigt.
Frisch freigesetzte Neutronen sind für den Einfang durch Uran-235 häufig zu schnell. Ein Moderator bremst sie durch Stöße ab. Wasser kann diese Aufgabe übernehmen, weil seine Wasserstoffkerne ungefähr dieselbe Masse wie Neutronen besitzen und sie dadurch wirksam abbremsen.
Ein Moderator verringert jedoch nicht einfach die Zahl der Neutronen. Für die Regelung werden zusätzlich Stoffe benötigt, die Neutronen einfangen. Bor- und Cadmiumverbindungen eignen sich als solche Neutronenabsorber.
In einem vereinfachten Reaktormodell laufen zwei unterschiedliche Eingriffe ab:
- Der Moderator bremst schnelle Neutronen ab und erhöht damit die Wahrscheinlichkeit weiterer Einfänge.
- Neutronenabsorber entziehen der Reaktion einen Teil der freien Neutronen.
Durch das abgestimmte Moderieren und Absorbieren lässt sich die Zahl weiterer Spaltungen begrenzen und die Kettenreaktion kontrollieren.
Der Moderator regelt vor allem die Geschwindigkeit der Neutronen. Neutronenabsorber regeln ihre verfügbare Anzahl.
Wodurch unterscheidet sich Spaltung von Fusion und Zerfall?
Drei Vorgänge werden leicht verwechselt:
- 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.
Auch eine spontane Kernspaltung ist möglich. Sie geschieht ohne äußeren Auslöser, bleibt aber eine Spaltung, weil der schwere Kern in kleinere Kerne zerfällt.
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 benötigt keinen auslösenden Neutroneneinfang
- 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.