Physik

Kernspaltung ist eine Reaktion, bei der ein Kern gespalten (oder gespalten) wird. Die kontrollierte Kernspaltung ist eine Realität, während die kontrollierte Kernfusion eine Hoffnung für die Zukunft ist. Hunderte von Kernspaltungskraftwerken auf der ganzen Welt belegen, dass die kontrollierte Kernspaltung praktisch und, zumindest kurzfristig, wirtschaftlich ist (siehe Abbildung 1). Während die Kernenergie nach TMI und Tschernobyl (und jetzt Fukushima Daiichi) jahrzehntelang nur von geringem Interesse war, hat die wachsende Besorgnis über die globale Erwärmung die Kernenergie wieder als praktikable Energiealternative auf den Tisch gebracht. Ende 2009 waren 442 Reaktoren in 30 Ländern in Betrieb, die 15 % des weltweiten Strombedarfs decken. Frankreich deckt über 75 % seines Stroms mit Kernenergie, während die USA 104 Reaktoren betreiben, die 20 % ihres Stroms liefern. Australien und Neuseeland haben keine. In China wird jeden Monat ein neues Kernkraftwerk in Betrieb genommen.

Abbildung 1. Die Menschen, die in der Nähe dieses Kernkraftwerks leben, sind keiner messbaren Strahlung ausgesetzt, die auf das Kraftwerk zurückzuführen ist. Etwa 16 % der weltweiten elektrischen Energie wird in solchen Anlagen durch kontrollierte Kernspaltung erzeugt. Die Kühltürme sind das auffälligste Merkmal, aber nicht die einzige Besonderheit der Kernkraft. Der Reaktor befindet sich in dem kleinen Kuppelgebäude links neben den Türmen. (credit: Kalmthouts)

Die Kernspaltung ist das Gegenteil der Kernfusion und setzt nur dann Energie frei, wenn schwere Atomkerne gespalten werden. Wie in Fusion erwähnt, wird Energie freigesetzt, wenn die Produkte einer Kernreaktion eine größere Bindungsenergie pro Nukleon (BE/A) haben als die Ausgangskerne. Abbildung 2 zeigt, dass BE/A bei Kernen mittlerer Masse größer ist als bei schweren Kernen, was bedeutet, dass bei der Spaltung eines schweren Kerns die Produkte weniger Masse pro Nukleon haben, so dass bei der Reaktion Masse zerstört und Energie freigesetzt wird. Die Energiemenge pro Spaltungsreaktion kann selbst für nukleare Verhältnisse sehr groß sein. Das Diagramm in Abbildung 2 zeigt, dass BE/A etwa 7,6 MeV/Nukleon für die schwersten Kerne (A etwa 240) beträgt, während BE/A etwa 8,6 MeV/Nukleon für Kerne mit A etwa 120 beträgt. Wenn sich also ein schwerer Kern in zwei Hälften spaltet, wird etwa 1 MeV pro Nukleon oder etwa 240 MeV pro Spaltung freigesetzt. Dies ist etwa das 10-fache der Energie einer Fusionsreaktion und etwa das 100-fache der Energie eines durchschnittlichen α-, β- oder γ-Zerfalls.

Spontane Spaltung kann vorkommen, ist aber normalerweise nicht der häufigste Zerfallsmodus für ein bestimmtes Nuklid. Zum Beispiel kann 238U spontan spalten, aber es zerfällt meist durch α-Emission. Die neutroneninduzierte Spaltung ist entscheidend, wie in Abbildung 2 zu sehen ist. Da sie keine Ladung haben, können selbst Neutronen mit geringer Energie auf einen Kern treffen und absorbiert werden, sobald sie die anziehende Kernkraft spüren. Große Kerne werden durch das Modell eines flüssigen Tropfens mit Oberflächenspannung und Oszillationsmoden beschrieben, da sich die große Anzahl von Nukleonen wie Atome in einem Tropfen verhalten. Das Neutron wird angezogen und gibt somit Energie ab, wodurch sich der Kern wie ein flüssiger Tropfen verformt. Wenn er genug gedehnt wird, verengt sich der Kern in der Mitte. Die Anzahl der sich berührenden Nukleonen und die Stärke der Kernkraft, die den Kern zusammenhält, verringern sich. Die Coulomb-Abstoßung zwischen den beiden Enden führt dann zur Spaltung des Kerns, der wie ein Wassertropfen in zwei große Teile und einige Neutronen zerspringt. Die neutroneninduzierte Spaltung lässt sich wie folgt beschreiben:

n + AX → FF1 + FF2 + xn,

wobei FF1 und FF2 die beiden Tochterkerne, die so genannten Spaltfragmente, sind und x die Anzahl der erzeugten Neutronen ist. In den meisten Fällen sind die Massen der Spaltfragmente nicht identisch. Der größte Teil der freigesetzten Energie geht in die kinetische Energie der Spaltfragmente, der Rest in die Neutronen und die angeregten Zustände der Fragmente. Da Neutronen die Spaltung auslösen können, ist eine selbsterhaltende Kettenreaktion möglich, sofern im Durchschnitt mehr als ein Neutron erzeugt wird, d. h. wenn x>1 in n + AX → FF1 + FF2 + xn. Dies ist auch in Abbildung 3 zu sehen. Ein Beispiel für eine typische neutroneninduzierte Spaltreaktion ist

n+{}_{\text{92}}^{\text{235}}\text{U}\zu {}_{\text{56}}^{\text{142}}\text{Ba}+{}_{\text{36}}^{\text{91}}\text{Kr}+3\text{n}\\.

Beachte, dass in dieser Gleichung die Gesamtladung gleich bleibt (konserviert wird): 92 + 0 = 56 + 36. Außerdem ist die Masse, soweit es sich um ganze Zahlen handelt, konstant: 1 + 235 = 142 + 91 + 3. Dies ist nicht der Fall, wenn wir die Massen bis zu 6 oder 7 signifikanten Stellen betrachten, wie im vorherigen Beispiel.

Abbildung 2. Dargestellt ist die Neutronen-induzierte Spaltung. Zunächst wird diesem großen Kern Energie zugeführt, wenn er ein Neutron absorbiert. Wie ein angeschlagener Flüssigkeitstropfen verformt sich der Kern und beginnt sich in der Mitte zu verengen. Da weniger Nukleonen in Kontakt sind, kann die abstoßende Coulomb-Kraft den Kern in zwei Teile spalten, wobei auch einige Neutronen wegfliegen.

Abbildung 3. Eine Kettenreaktion kann eine selbsterhaltende Spaltung erzeugen, wenn jede Spaltung genügend Neutronen erzeugt, um mindestens eine weitere Spaltung zu induzieren. Dies hängt von mehreren Faktoren ab, u. a. davon, wie viele Neutronen bei einer durchschnittlichen Spaltung erzeugt werden und wie leicht es ist, eine bestimmte Art von Nuklid zur Spaltung zu bringen.

Nicht jedes durch eine Spaltung erzeugte Neutron löst eine Spaltung aus. Einige Neutronen entkommen dem spaltbaren Material, während andere mit einem Kern wechselwirken, ohne ihn zur Spaltung zu bringen. Wir können die Anzahl der durch Neutronen erzeugten Spaltungen erhöhen, indem wir eine große Menge an spaltbarem Material haben. Die Mindestmenge, die für eine selbsterhaltende Spaltung eines bestimmten Nuklids erforderlich ist, wird als seine kritische Masse bezeichnet. Einige Nuklide, wie z. B. 239Pu, erzeugen mehr Neutronen pro Spaltung als andere, wie z. B. 235U . Außerdem sind einige Nuklide leichter zur Spaltung zu bringen als andere. Insbesondere 235U und 239Pu sind leichter zu spalten als das viel häufiger vorkommende 238U . Beide Faktoren wirken sich auf die kritische Masse aus, die bei 239Pu am kleinsten ist.

Der Grund, warum 235U und 239Pu leichter zu spalten sind als 238U, ist, dass die Kernkraft für eine gerade Anzahl von Neutronen in einem Kern attraktiver ist als für eine ungerade Anzahl. Man bedenke, dass {}_{\text{92}}^{\text{235}}{\text{U}}_{\text{143}}\ 143 Neutronen und {}_{\text{94}}^{\text{239}}{\text{P}}_{\text{145}}\ 145 Neutronen hat, während {}_{\text{92}}^{\text{238}}{\text{U}}_{\text{146}}\ 146 hat. Wenn ein Neutron auf einen Kern mit einer ungeraden Anzahl von Neutronen trifft, ist die Kernkraft anziehender, weil das zusätzliche Neutron die Anzahl gerade macht. In dem entstehenden Kern wird etwa 2 MeV mehr Energie deponiert, als dies der Fall wäre, wenn die Neutronenzahl bereits gerade wäre. Diese zusätzliche Energie führt zu einer stärkeren Verformung, was die Wahrscheinlichkeit einer Spaltung erhöht. Daher sind 235U und 239Pu die besten Spaltbrennstoffe. Das Isotop 235U macht nur 0,72 % des natürlichen Urans aus, während 238U 99,27 % ausmacht und 239Pu in der Natur nicht vorkommt. Australien verfügt mit 28 % über die größten Uranvorkommen der Welt. Dahinter folgen Kasachstan und Kanada. Die USA verfügen nur über 3 % der weltweiten Reserven.

Die meisten Spaltungsreaktoren verwenden 235U , das mit einigem Aufwand von 238U getrennt wird. Dies wird als Anreicherung bezeichnet. Die gängigste Trennmethode ist die Gasdiffusion von Uranhexafluorid (UF6) durch Membranen. Da 235U eine geringere Masse als 238U hat, haben seine UF6-Moleküle bei gleicher Temperatur eine höhere Durchschnittsgeschwindigkeit und diffundieren schneller. Eine weitere interessante Eigenschaft von 235U ist, dass es bevorzugt sehr langsam fließende Neutronen (mit Energien von einem Bruchteil eines eV) absorbiert, während bei Spaltungsreaktionen schnelle Neutronen mit Energien in der Größenordnung von einem MeV entstehen. Um einen sich selbst erhaltenden Spaltreaktor mit 235U zu bauen, müssen die Neutronen also verlangsamt („thermisiert“) werden. Wasser ist sehr effektiv, da die Neutronen mit den Protonen in den Wassermolekülen zusammenstoßen und dabei Energie verlieren. Abbildung 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Reaktordesigns, des so genannten Druckwasserreaktors.

Abbildung 4. Ein Druckwasserreaktor ist so konzipiert, dass er die Spaltung großer Mengen von 235U kontrolliert und gleichzeitig die bei der Spaltungsreaktion entstehende Wärme zur Erzeugung von Dampf für die Stromerzeugung nutzt. Mit Hilfe von Steuerstäben wird der Neutronenfluss so eingestellt, dass die Kritikalität erreicht, aber nicht überschritten wird. Falls der Reaktor überhitzt und das Wasser verdampft, wird die Kettenreaktion abgebrochen, da das Wasser zur Thermisierung der Neutronen benötigt wird. Dieses inhärente Sicherheitsmerkmal kann unter extremen Umständen überwunden werden.

Steuerstäbe, die Nuklide enthalten, die Neutronen sehr stark absorbieren, werden zur Einstellung des Neutronenflusses verwendet. Um eine große Leistung zu erzeugen, enthalten Reaktoren Hunderte bis Tausende kritischer Massen, und die Kettenreaktion wird leicht selbsterhaltend, ein Zustand, der als Kritikalität bezeichnet wird. Der Neutronenfluss sollte sorgfältig reguliert werden, um einen exponentiellen Anstieg der Spaltungen zu vermeiden, ein Zustand, der als Überkritikalität bezeichnet wird. Steuerstäbe helfen, eine Überhitzung, vielleicht sogar eine Kernschmelze oder eine explosive Zerlegung zu verhindern. Das Wasser, das zur Thermalisierung der Neutronen verwendet wird, die notwendig sind, um sie zur Spaltung von 235U zu bringen und die Kritikalität zu erreichen, sorgt für eine negative Rückkopplung des Temperaturanstiegs. Wenn der Reaktor überhitzt und das Wasser zu Dampf kocht oder gebrochen wird, wird die Kettenreaktion durch das Fehlen von Wasser unterbrochen. Durch die radioaktiven Spaltprodukte des Reaktors kann jedoch immer noch beträchtliche Wärme erzeugt werden. Daher müssen für den Fall eines Kühlmittelverlustes andere Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, wie z. B. die Bereitstellung von Zusatzkühlwasser und Pumpen.

Ein bereits erwähntes Nuklid ist 239Pu, das eine Halbwertszeit von 24.120 Jahren hat und in der Natur nicht vorkommt. Plutonium-239 wird in Reaktoren aus 238U hergestellt und bietet die Möglichkeit, die restlichen 99% des natürlichen Urans als Energiequelle zu nutzen. Bei der folgenden Reaktionsfolge, die als Brüten bezeichnet wird, entsteht 239Pu. Die Züchtung beginnt mit dem Neutroneneinfang durch 238U:

Uran-239 zerfällt dann β-:

239U → 239Np + β- + ve(t1/2 = 23 min).

Neptunium-239 ist ebenfalls ein β-Zerfall:

239Np → 239Pu + β- + ve(t1/2 = 2,4 d).

Plutonium-239 bildet sich im Reaktorbrennstoff mit einer Rate, die von der Wahrscheinlichkeit des Neutroneneinfangs durch 238U abhängt (jeder Reaktorbrennstoff enthält mehr 238U als 235U). Reaktoren, die speziell für die Herstellung von Plutonium ausgelegt sind, werden Brutreaktoren genannt. Sie scheinen von Natur aus gefährlicher zu sein als herkömmliche Reaktoren, aber es ist noch nicht bekannt, ob ihre Gefahren wirtschaftlich akzeptabel gemacht werden können. Die vier Reaktoren in Tschernobyl, einschließlich des zerstörten Reaktors, wurden gebaut, um Plutonium zu erzeugen und Strom zu produzieren. Diese Reaktoren unterschieden sich in ihrer Bauweise erheblich von dem oben dargestellten Druckwasserreaktor. Plutonium-239 hat als Reaktorbrennstoff Vorteile gegenüber 235U: Es erzeugt im Durchschnitt mehr Neutronen pro Spaltung und lässt sich leichter durch ein thermisches Neutron zur Spaltung bringen. Außerdem unterscheidet es sich chemisch von Uran, so dass es von Natur aus leichter aus Uranerz abgetrennt werden kann. Das bedeutet, dass 239Pu eine besonders kleine kritische Masse hat, ein Vorteil für Kernwaffen.

PhET Explorations: Kernspaltung

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Zusammenfassung des Abschnitts

• Kernspaltung ist eine Reaktion, bei der ein Kern gespalten wird.
• Bei der Spaltung wird Energie freigesetzt, wenn schwere Kerne in Kerne mittlerer Masse gespalten werden.
• Selbstständige Kernspaltung ist möglich, weil bei der neutroneninduzierten Spaltung auch Neutronen entstehen, die weitere Spaltungen auslösen können, n + AX → FF1 + FF2 + xn, wobei FF1 und FF2 die beiden Tochterkerne oder Spaltfragmente sind und x die Anzahl der erzeugten Neutronen ist.
• Eine Mindestmasse, die sogenannte kritische Masse, sollte vorhanden sein, um Kritikalität zu erreichen.
• Mehr als eine kritische Masse kann Überkritikalität erzeugen.
• Die Erzeugung neuer oder anderer Isotope (insbesondere 239Pu) durch Kernumwandlung wird als Brüten bezeichnet, und Reaktoren, die zu diesem Zweck konstruiert wurden, heißen Brutreaktoren.