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Kernspaltung


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Die Kernspaltung bezeichnet in der Kernphysik eine Reaktion bei der ein Atomkern zwei oder mehrere Bestandteile zerlegt wird. Seltener die Kernspaltung auch als Kernfission bezeichnet ein Begriff der nicht mit Kernfusion verwechselt werden darf.

Obwohl sich unter geeigneten äußeren Kräften Atomkern spaltet spricht man von der Kernspaltung dann wenn eine Kernspaltung spontan auftritt ( Kernzerfall oder sich leicht herbeiführen lässt (induzierte Bei einer derartigen Reaktion wird Energie in von Bewegungsenergie ( Wärme ) der Spaltprodukte und Gammastrahlung freigesetzt. Die Spaltprodukte sind in der radioaktiv und erfordern eine sorgfältige Handhabung Lagerung Entsorgung.

Besonders geeignet zur induzierten Kernspaltung sind Isotope der Elemente Uran Plutonium und Thorium . In Kernreaktoren werden Kernspaltungen dieser Elemente kontrolliert durchgeführt Wärme und daraus Elektrizität zu erzeugen. In einer Atombombe setzen Kernspaltungen von Uran oder Plutonium kurzer Zeit viel Energie radioaktive Strahlung und Zerfallsprodukte frei.

Inhaltsverzeichnis

Grundlegende Prinzipien

Bau des Atomkerns

Atomkerne bestehen aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen . Die Anzahl der Protonen entspricht der Kernladungszahl die Summe der Protonen und Neutronen die Kernmasse. Auf diese Kernbestandteile wirken im zwei Kräfte: Die elektrische Abstoßung gleich geladener und die Anziehung der Kernkraft . Ein Atomkern ist stabil wenn die Kräfte die abstoßenden überwiegen.

Je nach Anzahl der Protonen und entsteht aus der Kombination dieser Kräfte ein oder ein instabiler Atomkern. Allgemein kann man dass eine stabile Konfiguration gegeben ist wenn Anzahl der Protonen und Neutronen etwa gleich Allerdings wird bei Atomkernen mit hoher Kernmasse ein Übergewicht an Neutronen notwendig. Oberhalb einer von 90 finden sich überhaupt keine stabilen mehr; die Atomkerne zerfallen in der Regel spontane Kernspaltung .

Eine Kernspaltung kann auftreten wenn die des Atomkerns kleiner ist als die der Bestandteile bei denen es sich auch wieder Atomkerne handelt. Die Bindungsenergien lassen sich durch der Massen der beteiligten Atomkerne berechnen.

Spontane Spaltung

Ein instabiler Atomkern befindet sich in lokalen Energieminimum bevor er mittels des quantenmechanischen Tunneleffekts spontan zerfällt. Der Zerfall ist an zufällig kann aber durch die Halbwertzeit (die Zeit in der die Hälfte Atome zerfallen) charakterisiert werden.

Alternativ kann er durch eine Aktivierungsenergie werden kann um schneller zu zerfallen.

Induzierte Kernspaltung

Einige der Isotope von Uran (U) Plutonium (Pu) und Thorium (Th) haben eine relativ niedrige Aktivierungsenergie dass neben dem typischen radioaktiven Zerfall ( Alpha- Betazerfall und Elektroneneinfang ) auch in geringer Häufigkeit ein Kernzerfall Der Anteil des Kernzerfalls bei 235 U ist nur 7×10 -9 % und bei 239 Pu ist er 3×10 -10 %.

Bei all diesen Isotopen kann die durch Beschuss des Atomkerns mit einem Neutron werden. Die Anwesenheit des Neutrons regt den über die Bindung so stark an dass Zerfall schnell stattfindet. Dabei muss die Energie Neutrons so gewählt sein dass einmal genügend vorhanden ist andererseits aber das Neutron nicht schnell ist dass es vom Kern gar eingefangen werden kann ( Siehe auch: Wirkungsquerschnitt ).

Im Tröpfchenmodell des Atomkerns stellt man sich vor das die durch das Neutron den Atomkern in Schwingungen bei denen der Kern lang gestreckt wird sich etwa in der Mitte einschnürt. Die Abstoßung überwiegt gegenüber der Anziehung der kurzreichweitigen und die Spaltprodukte werden durch die elektrische voneinander wegbewegt.

Die vom Neutron gelieferte Bindungsenergie an Atomkern reicht bei 233 U 235 U und 239 Pu aus um den Kern zu spalten. wie 232 Th 238 U und 240 Pu benötigen eine zusätzliche Energie die als der (schnellen) Neutronen geliefert werden kann. Im zu 'schnellen spricht man bei erstgenannten 'langsamen' auch von thermische Neutronen .

Bei der Spaltung eines Thorium- Uran- Plutoniumkerns wird eine Energie von etwa 200 MeV freigesetzt. Der größte Teil davon ist Bewegungsenergie der Spaltprodukte.

Typische Zerfallsprodukte

  • 4 He Kerne - auch α-Strahlung genannt. Der He-Kern wird bevorzuge weil eine besonders große Bindungsenergie besitzt.
  • Protonen und Neutronen .
  • größere Bruchstücke entstehen eher selten.
meist treten auch noch Kernreaktionen auf. Wie der β-Zerfall oder γ-Zerfall.

Technische Aspekte

Kettenreaktion

Bei der Spaltung schwerer Kerne werden bis drei Neutronen freigesetzt die weitere Kernspaltungen und so zu einer Kettenreaktion führen können. 1% der Neutronen wird erst aus den freigesetzt ( verzögerte Neutronen ). Diese erleichtern die Regelung von Kernkraftwerken.

Die Freisetzung von Neutronen bei einer erlaubt eine kontinuierlich ablaufende Folge von Kernspaltungen. stabilen Aufrechterhaltung einer solchen Kettenreaktion ist es dass im Mittel eines der bei einer freigesetzten Neutronen einen weiteren Atomkern spaltet. Falls als eines der freigesetzten Neutronen eine Kernspaltung nimmt die Anzahl der Reaktionen mit der exponentiell zu: Eine Explosion findet statt. Falls als eines der freigesetzten Neutronen eine Kernspaltung nimmt die Anzahl der Reaktionen mit der exponentiell ab: Die Reaktion endet.

Technisch ist es notwendig genau den zu finden. Dabei sind folgende Faktoren von

  • Anordnung des Materials
  • Geschwindigkeit der Neutronen und
  • Materialien im Reaktionsbereich.

Die Anordnung des spaltbaren Materials im hat Einfluss darauf ob freigesetzte Neutronen die in alle Raumrichtungen bewegen überhaupt spaltbares Material Ein dünn ausgewalztes Blech verliert fast alle nach aussen wogegen in einem kompakten Objekt B. einem Würfel) die meisten Neutronen Gelegenheit andere Atomkerne zu treffen. Die kleinste kompakte eines Materials die eine Kettenreaktion aufrecht erhalten wird als "kritische Masse" bezeichnet.

Die Geschwindigkeit der Neutronen hat Einfluss die Spaltwahrscheinlichkeit. Dabei besitzt jedes spaltbare Material optimale Neutronengeschwindigkeit unter der eine Kernspaltung auftritt. Geschwindigkeit der entstehenden Neutronen kann durch Moderatoren eine geringere Geschwindigkeit gebracht werden.

Neben Moderatoren die zur Geschwindigkeitsregulierung der im Reaktionsbereich eingebracht werden gibt es auch Materialien. Diese verringern die Anzahl der verfügbaren und regulieren somit die Kettenreaktion. Neutronenabsorbierende Materialien teils direkt zur Regulierung der Reaktion eingebracht. sind viele Spaltprodukte die sich nach einer Reaktionszeit ansammeln Neutronenabsorber.

Spaltbare Materialien sind spezielle Isotope eines mehrerer chemischer Elemente. Die anderen Isotope sind nicht zur Kernspaltung geeignet und stellen oft Neutronenabsorber dar. Durch den Prozess der Anreicherung der Anteil spaltbarer Atomkerne erhöht.

Ein Neutron kann also entweder

  • das spaltbare Material verlassen
  • absorbiert werden ohne dass eine Spaltung oder
  • eine Spaltung bewirken.

Kritische Masse

Die kritische Masse bezeichnet die geringste Menge eines spaltbaren die notwendig ist eine Kettenreaktion aufrecht zu Allerdings ist die kritische Masse auch abhängig Parametern wie der Kompression des Materials so im Allgemeinen keine unter Grenze angegeben werden Diese kritische Masse reagiert allerdings nur wenn kompakt zusammen vorliegt. Bei der Bearbeitung spaltbaren ist es daher eine Voraussetzung nur Mengen geringer sind als die kritische Masse zu Zeit handzuhaben. Alternativ werden etwa chemische Reaktionen flachen Wannen durchgeführt wo das Material über Flächen verteilt ist.

Moderatoren

Die Wahrscheinlichkeit für eine Kernspaltung nimmt mit wachsender Neutronenenergie ab. Bei 232 Th und 238 U ist die Wahrscheinlichkeit für Konkurrenzprozesse wie inelastische Streuung und Neutroneneinfang so hoch dass eine mit schnellen Neutronen nicht zustande kommen kann. verhält es sich mit 233 U 235 U und 239 Pu. Hier ist Kernspaltung mit schnellen Neutronen was in Atomwaffen und im schnellen Brüter ausgenutzt wird. In gewöhnlichen Reaktoren werden die Neutronen jedoch mit einem Moderator abgebremst.

Kernreaktoren arbeiten meistens mit U-235 oder welche vorzugsweise durch langsame (thermische) Neutronen gespalten Bei einer Kernspaltung entstehen aber schnelle Neutronen nur selten eine Spaltung hervorrufen. Daher muss Geschwindigkeit der Neutronen reduziert werden.

Das Abbremsen der Neutronen geschieht mittels Stoßes mit anderen leichten Atomkernen die allerdings Neutronenabsorption aufweisen dürfen. Von den leichten Elementen dadurch Lithium und Bor ausgeschlossen. Theoretisch denkbar sind Wasserstoff Deuterium Helium Beryllium und Kohlenstoff . Technisch genutzt werden Wasserstoff ( Leichtwasserreaktor ) Deuterium ( Schwerwasserreaktor ) und Kohlenstoff in Form von Graphit ( Brutreaktor Kugelhaufenreaktor ).

Gleichzeitig findet jedoch auch eine Absorption von Neutronen in Materialien statt die zur nicht beitragen etwa U-238 oder das Reaktorbaumaterial; Absorption findet vorzugsweise für mittelschnelle Neutronen statt. besteht das Aufrechterhalten der Kernreaktion darin genügend abzubremsen die eine Kernspaltung bewirken.

Anreicherung

Uran das bevorzugte Spaltmaterial kommt in Natur als Gemisch dreier Isotope vor: etwa U-234 0.7% U-235 und 99.3% U-238.

Die Eigenschaften dieser Isotope unter Neutronenbeschuss sich grundlegend:

  • U-238 absorbiert thermische Neutronen es entsteht welches sich durch radioaktiven Zerfall in Plutonium-239
  • U-235 wird bei Absorption eines thermischen in der Regel gespalten kann aber auch schnelle Neutronen gespalten werden.

Durch Anreicherung des Anteils von U-235 eine Isotopmischung erreicht werden die geeignet zur einer Kettenreaktion ist.

Anwendungen

Kernreaktor

Verschiedene Typen von Kernreaktoren die unterschiedliche Bauweisen und Moderatoren nutzen sind entwickelt worden.

Atombombe

Die Atombombe nutzt eine ungehemmt ablaufende Kettenreaktion entweder U-235 oder Pu-239. In Wasserstoffbomben dient eine Kernspaltung als Zünder für Kernfusion .

Geschichte

Die induzierte Kernspaltung des Urans wurde 1938 durch die Deutschen Otto Hahn Fritz Straßmann und Lise Meitner am Berliner Kaiser-Wilhelm-Institut erstmals experimentell durchgeführt.

Seit den Rutherford 'schen Streuversuchen ( 1919 ) ist bekannt dass Atomkerne durch den mit schnellen Teilchen verändert werden können. Mit Entdeckung des Neutrons im Jahre 1932 ergaben sich vielfältige neue Möglichkeiten der von Atomen. So erwiesen sich die Ergebnisse Beschusses von Uran mit Neutronen als sehr Erstmals von Enrico Fermi 1934 untersucht konnten sie erst Jahre später eingeordnet werden.

Am 16. Januar 1939 reiste Niels Bohr in die USA um einige Monate mit Albert Einstein physikalische Probleme zu erörtern. vor seiner Abreise aus Dänemark berichteten ihm R. Frisch und Lise Meitner von ihrer Vermutung dass die Absorption Neutrons durch einen Urankern manchmal zu dessen in zwei annähernd gleichgroße Teile unter Freisetzung Energie führt.

Der Grund für diese These war sensationelle Entdeckung von Otto Hahn Lise Meitner und Fritz Straßmann . Sie zeigten dass beim Beschuss von mit Neutronen ein Bariumisotop entsteht. Bohr berichtete seiner Ankunft in den USA seinem früheren J. A. Wheeler sowie anderen Interessierten. Durch verbeitete sich die Neuigkeit unter anderen Physikern ihnen auch Enrico Fermi von der Columbia Als ein Ergebnis der Diskussion des Themas Fermi J. R. Dunning und G. B. kam es zu einer Untersuchung der vermuteten die von den auseinander fliegenden Urankernfragmenten erwartet Die Untersuchung fand an der Columbia-Universität statt.

Am 26. Januar 1939 kam es zu einer Tagung über Physik in Washington D.C. gesponsert von der Washington Universität sowie der "Carnegie Institution of Ihr wohnte auch Fermi bei der aus York anreiste noch bevor die Kernspaltungsexperimente an Columbia begannen. Auf dem Treffen diskutierten Bohr Fermi die Probleme der Kernspaltung wobei Fermi Möglichkeit der Neutronenemission während des Spaltungsprozesses aufbrachte. es nur eine Vermutung war bestand zumindest Möglichkeit einer Kettenreaktion . Die Presse veröffentlichte zu diesem Thema einige Sensationsartikel. Noch bevor die Tagung zu war wurden an mehreren Instituten Experimente zur der Kernspaltung durchgeführt. Vier der Institute (Columbia Carnegie Institution of Washington Johns Hopkins Universität Universität) bestätigten in der Ausgabe des 15. Februar 1939 des Physical Review die Richtigkeit der Zu diesem Zeitpunkt wusste Bohr bereits dass Experimente in seinem Kopenhagener Laboratorium durchgeführt worden Auch Frédéric Joliot in Paris veröffentlichte erste seiner Arbeit im Comptes Rendus des 30. Januar 1939 . Von nun an erschienen regelmäßig neue zur Kernspaltung. Als L. A. Turner (Princeton) Dezember 1939 einen Artikel für "Reviews of Modern schrieb waren bereits annähernd hundert Arbeiten zum Kernspaltung veröffentlicht. Eine komplette Analyse und Diskussion Arbeiten ist mit Turner's Artikel sowie durch Artikel verfügbar.

Siehe auch

Kernfusion Kernwaffe Kernreaktor Leo Szilard



Bücher zum Thema Kernspaltung

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