Kernspaltung: Definition, Kettenreaktion und Energiegewinnung
Kernspaltung erklärt: Definition, Kettenreaktion und Energiegewinnung in Reaktoren und Waffen – verständliche Einblicke zu Uran, Plutonium und Sicherheitsaspekten.
Die Kernspaltung ist eine Art von Kernreaktion. Sie tritt ein, wenn ein Atom mit einem relativ großen, instabilen Kern in zwei oder mehr kleinere Kerne (sogenannte Spaltfragmente) zerbricht. Solche Spaltungsreaktionen setzen erheblich Energie frei und werden technisch genutzt — etwa in Kernreaktoren zur Stromerzeugung — oder militärisch, z. B. in Kernwaffen. Entdeckt wurde die Spaltung im Dezember 1938 von dem deutschen Kernchemiker Otto Hahn und seinem Assistenten Fritz Strassmann; die physikalische Auslegung der Prozesse erfolgte kurz darauf durch Lise Meitner und Otto Frisch.
Grundlagen: Atomaufbau und warum schwere Kerne spalten
Ein Atom ist das chemische Bauteil eines Elements (z. B. Wasserstoff, Sauerstoff, Magnesium). Atome bestehen aus Protonen und Neutronen im inneren Kern und aus Elektronen in der äußeren "Elektronenwolke". Sehr schwere Kerne wie die von Uran oder Plutonium haben ein Ungleichgewicht zwischen attraktiven Kernkräften und abstoßenden Coulomb-Kräften der Protonen. Bei einer geeigneten Anregung (z. B. durch Neutronen) können diese Kerne in zwei (selten mehr) Teile zerbrechen — dabei wird Bindungsenergie frei, weil die Spaltfragmente pro Nukleon stärker gebunden sind als der Ausgangskern.
Wie eine Spaltung abläuft
Trifft ein langsam bewegtes Neutron auf einen schweren Kern, kann es vom Kern eingefangen werden. Manchmal wird der zusammengesetzte Kern dadurch instabil und teilt sich in zwei Spaltfragmente. Bei diesem Vorgang werden:
- kinetische Energie der Spaltfragmente (→ Wärme),
- elektromagnetische Strahlung (meist Gammastrahlen),
- einige freie Neutronen
freigesetzt. Typisch beträgt die in einer einzelnen Spaltung freiwerdende Energie etwa 200 MeV (ca. 3,2·10^-11 J). Diese sehr hohe Energiedichte macht die Kernspaltung für Energieerzeugung und Waffenwirkung nutzbar.
Kettenreaktion und ihre Steuerung
Bestimmte Isotopen (Atome mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl) wie U-235 oder Pu-239 können bei einer Spaltung mehr als ein Neutron freisetzen. Treffen diese Neutronen auf weitere spaltbare Kerne, können sie weitere Spaltungen auslösen — so entsteht eine nukleare Kettenreaktion. Entscheidend für das Verhalten ist der Multiplikationsfaktor k:
- k < 1: die Reaktion erlischt (unterkritisch),
- k = 1: die Reaktion bleibt konstant (kritisch) — erwünscht in Leistungsreaktoren für stabile Wärmeproduktion,
- k > 1: die Reaktion wächst exponentiell (überkritisch) — schnelle Energiezunahme, genutzt in Kernwaffen.
Wichtig sind außerdem die Unterscheidung zwischen prompten und verzögerten Neutronen. Verzögerte Neutronen, die nach Bruchteilen bis Sekunden nach der Spaltung freikommen, machen die Regulierbarkeit eines Reaktors erst möglich — ohne sie wäre eine kontrollierte Abbremsung kaum realisierbar.
Kernreaktoren: Energiegewinnung und Bauteile
In einem kommerziellen Kernreaktor wird die Kettenreaktion so gesteuert, dass Wärme gleichmäßig und sicher entsteht. Wichtige Komponenten und Konzepte sind:
- Moderator (z. B. Wasser, Schweres Wasser, Graphit): verlangsamt Neutronen, damit diese eher von spaltbaren Isotopen eingefangen werden;
- Steuerstäbe (z. B. aus Bor, Cadmium): absorbieren Neutronen und regeln so die Reaktivität;
- Kühlmittel: transportiert die im Kern entstehende Wärme zu einem Dampfgenerator oder direkt zu Turbinen;
- Brennstoff: meist angereichertes Uran (U-235) oder in manchen Reaktoren Plutoniumverbindungen;
- Sicherheits- und Containment-Systeme: verhindern die Freisetzung von Radioaktivität und schalten die Reaktion ab.
Die erzeugte Wärme wandelt Wasser in Dampf um, der eine Dampfturbine antreibt und so elektrische Energie erzeugt.
Unterschied zur Atombombe
Bei einer Atombombe wird die Kettenreaktion absichtlich extrem schnell gemacht (stark überkritisch), sodass innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde sehr große Energiemengen freigesetzt werden — dies erzeugt die charakteristische Explosion. In einem Zivilreaktor dagegen wird die Reaktion kontrolliert und langsam gehalten, um kontinuierliche Wärme zu liefern.
Isotope, Brutreaktoren und Herstellungswege
Nicht alle Uranisotope sind gleich spaltbar: U-235 ist direkt spaltbar mit langsamen Neutronen; U-238 ist nicht leicht spaltbar, kann aber durch Neutroneneinfang in Pu-239 umgewandelt werden (Brüten). Es gibt Reaktortypen, sogenannte Brutreaktoren, die diesen Umwandlungsprozess gezielt nutzen, um aus nicht-spaltbarem Material neues spaltbares Material zu erzeugen.
Radioaktiver Abfall und Umwelt
Bei Spaltungsprozessen entstehen kurz- und langlebige radioaktive Spaltprodukte. Der Umgang mit abgebranntem Brennstoff und anderen radioaktiven Abfällen ist eine der größten Herausforderungen der Kerntechnik. Lösungen reichen von Zwischenlagerung und Wiederaufbereitung bis zu geologischen Endlagern. Neben der Entsorgung sind auch mögliche Unfälle und Freisetzungen radioaktiver Stoffe (z. B. bei schweren Störfällen) ein wichtiges Sicherheits- und Umweltthema.
Anwendungen und ethische Aspekte
Neben Stromerzeugung und Waffenherstellung werden Spaltprozesse auch in Forschung, für die Produktion medizinischer Isotope und in speziellen industriellen Anwendungen genutzt. Gleichzeitig werfen Kernwaffenproliferation, Sicherheitsrisiken und die Frage nach nachhaltigem Umgang mit radioaktivem Abfall grundlegende ethische und politische Probleme auf.
Zusammenfassung
Die Kernspaltung ist ein Prozess, bei dem schwere Atomkerne in kleinere Kerne zerfallen und dabei große Energiemengen freisetzen. Ob diese Energie kontrolliert in einem Kernreaktor zur Stromerzeugung genutzt wird oder unkontrolliert in einer Atombombe zur Explosion führt, hängt von der Art der Isotope, der Anordnung des Materials und der Steuerung der Kettenreaktion ab. Technische Maßnahmen wie Moderatoren, Steuerstäbe und Sicherheitseinrichtungen erlauben heute eine weitgehende Kontrolle der Spaltungsprozesse, während gleichzeitig Fragen der Entsorgung, Sicherheit und Nichtverbreitung weiter bestehen.
Das Kernspaltungsdiagramm zeigt ein Neutron, das von einem Urankern absorbiert wird, der dann instabil wird und sich unter Freisetzung von Energie und einigen weiteren Neutronen in zwei neue Atome spaltet.
Medien abspielen Einführender Videoclip zur Kernspaltung.
Fragen und Antworten
F: Was ist Kernspaltung?
A: Die Kernspaltung ist eine Art von Kernreaktion, bei der ein Atom in kleinere Atome zerfällt und dabei Energie freigesetzt wird.
F: Wer hat die Kernspaltung entdeckt?
A: Die Kernspaltung wurde im Dezember 1938 von dem deutschen Kernchemiker Otto Hahn und seinem Assistenten Fritz Strassmann in Berlin entdeckt.
F: Woraus sind Atome aufgebaut?
A: Atome bestehen aus drei Komponenten oder Teilchen - Protonen, Neutronen und Elektronen. Die Protonen und Neutronen sind in einer Kugel, dem Kern, im Zentrum eines jeden Atoms zusammengeballt, während die Elektronen den Kern in seiner "Elektronenwolke" umkreisen.
F: Welche Elemente können zur Spaltung gebracht werden?
A: Elemente mit großen Kernen, wie Uran und Plutonium, können zur Spaltung gebracht werden.
F: Wie kommt es bei der Kernspaltung zu einer Kettenreaktion?
A: Wenn ein (relativ) großer Atomkern von einem sich langsam bewegenden Neutron getroffen wird, wird er manchmal instabil und zerfällt in zwei Kerne. Dabei werden sowohl Energie als auch einige Neutronen aus dem Kern freigesetzt. Wenn diese Neutronen dann auf andere Atome treffen, spalten sie diese ebenfalls und lösen eine Kettenreaktion aus, die enorme Mengen an Energie freisetzen kann.
F: Was wird bei der Messung der bei einer Atombombenexplosion freigesetzten Energie gemessen? A: Die bei einer Atombombenexplosion freigesetzte Energie wird in Kilotonnen gemessen. Eine Kilotonne entspricht der Energie von eintausend Tonnen TNT (Trinitrotoluol).
F: Wie wird die bei der Kernspaltung erzeugte Wärme genutzt?
A: In einem Kernreaktor muss die bei der Kernspaltung erzeugte Wärme langsam ablaufen, um Wärme zu erzeugen, die dann verwendet wird, um Wasser zu Dampf zu kochen, der Dampfturbinen zur Stromerzeugung antreibt.
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