Kernspaltung: Kettenreaktion einfach erklärt

Für besonders schwere Atomkerne ist es oft sinnvoller, wenn man diese in zwei mittelgroße Kerne zerteilt, da diese dann stabiler als der Ursprungskern sind. Dieser Prozess wird als Kernspaltung bezeichnet. Bei dieser Kernreaktion wird eine erhebliche Menge an Energie frei, weshalb man den Vorgang als exotherm bezeichnet.

Kernspaltung und Kettenreaktion

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten von Kernspaltungen: spontane und nicht-spontane, bzw. induzierte Kernspaltungen. Im Folgenden betrachten wir die induzierte Spaltung eines Uran-235-Kerns. (Latex formula) Dazu wird der Atomkern mit einem langsamen Neutron beschossen. Dieses Neutron wird aufgenommen und spaltet anschließend den Urankern. Die Produkte, die bei dieser Spaltung entstehen, variieren. Das bedeutet, dass es mehrere Arten gibt, einen Urankern zu spalten. Ein Beispiel für einen solchen Spaltvorgang eines Urankerns wäre die Spaltung in Latex formula und Latex formula.
Nun wird das geschulte Auge feststellen, dass die Reaktionsgleichung in diesem Fall nicht aufgeht, da man bei der Analyse der Massenzahlen auf der linken Seite des Reaktionspfeils 236 Teilchen zählt, während es auf der rechten Seite nur 142+91 = 233 sind.

( Latex formula )

Folglich müssen bei dieser Kernspaltung noch 3 weitere Neutronen entstehen. Die korrekte Reaktionsgleichung muss also lauten:

Latex formula

Nun wurde bereits gesagt, dass es mehrere Arten gibt, einen Urankern zu spalten. Eine andere Art wäre beispielsweiße die Spaltung in Latex formula und Latex formula. Bei dieser Spaltung entstehen folglich nur 2 Neutronen. Die Reaktionsgleichung für diesen Vorgang lautet somit:

Latex formula

Im Durchschnitt sind es etwa 2,4 Neutronen, die bei einer Uranspaltung entstehen.

Nun ist jedes dieser abgespaltenen Neutronen in der Lage ebenfalls eine neue Kernspaltung hervorzurufen. Diesen sich selbst erhaltenden Prozess bezeichnet man als Kettenreaktion. Ist nun eine bestimmte Menge eines spaltbaren Materials in der Lage eine bestimmte Spaltungsrate zu erhalten, bezeichnet man diese Menge als die kritische Masse. Übersteigt die Masse des Materials diese kritische Masse, so bezeichnet man sie als überkritische Masse.

Kernspaltung im Einsatz – der Kernreaktor

Die Kernspaltung findet Verwendung in den Kernreaktoren von Atomkraftwerken. Hier wird durch die Spaltung von Kernen elektrische Energie erzeugt. Bei den meisten Atomkraftwerken werden Brennstäbe aus Uran verwendet. Dazu nimmt eine zirkulierende Kühlflüssigkeit die durch die Kernspaltung abgegebene Wärme der Brennstäbe auf. Die Kühlflüssigkeit wird dann üblicherweise zu einem Wärmetauscher weitergeleitet. Dort wird Dampf erzeugt, welcher eine Dampfturbine antreibt. Dabei kondensiert das Wasser und wird wieder zurück zum Wärmetauscher gepumpt. Durch einen elektrischen Generator wird anschließend Strom aus der Bewegung der Dampfturbine gewonnen.

Bei den meisten Kernreaktoren kommen neben den Brennstäben und der Kühlflüssigkeit auch noch andere Elemente zum Einsatz. Beispielsweiße werden häufig Steuerstäbe verwendet, die das Fortschreiten der Kernspaltung regulieren. Zudem benötigt man einen sogenannten Moderatorstoff, welcher die Neutronen aus einer Neutronenquelle verlangsamt, sodass diese beim Auftreffen auf die Brennstäbe die Kernspaltung auslösen können. Als Moderator wird meistens Graphit verwendet.

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