Kernspaltung

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Animation einer Kernspaltung nach dem Tröpfchenmodell mit drei freiwerdenden Neutronen (Abspielen)
Beispiel für eine Kernspaltung von Uran235

Kernspaltung (englisch nuclear fission) bezeichnet einen Prozess der Kernphysik, bei dem ein Atomkern unter Energiefreisetzung in zwei oder mehr Bestandteile zerlegt wird. Seltener wird die Kernspaltung auch als Kernfission (lateinisch fissio ‚das Spalten‘) bezeichnet – ein Begriff, der nicht mit Kernfusion, dem Verschmelzen zweier Atomkerne, verwechselt werden darf. Die durch die Spaltung neu entstandenen Stoffe heißen Spaltprodukte.

Spontane und induzierte Spaltung

Einige Atomkernarten (Nuklide) spalten sich ohne äußere Einwirkung. Diese spontane Spaltung ist eine Art des radioaktiven Zerfalls. Sie lässt sich quantenmechanisch ähnlich dem Alpha-Zerfall durch den Tunneleffekt erklären.

Praktisch weit wichtiger ist jedoch die induzierte Spaltung, eine Kernreaktion, bei der ein freies Teilchen, meist ein Neutron, zufällig einen Kern trifft und von diesem absorbiert wird. Der Kern gewinnt dadurch die Bindungsenergie und eventuelle kinetische Energie dieses Neutrons, befindet sich dadurch in einem angeregten Zustand und spaltet sich. Neben der Spaltung sind auch andere Abläufe möglich, beispielsweise kann das Neutron eingefangen werden, der angeregte Atomkern regt sich durch Emission eines Gammaquants ab und geht in einen stabilen Zustand über.

Auch der Stoß eines energiereichen Gammaquants kann die Spaltung eines schweren Kerns hervorrufen (Photospaltung).

Spaltung kommt nur bei genügend schweren Nukliden vor, denn nur dann sind die entstehenden Kerne fester gebunden als der ursprüngliche Kern, so dass die Spaltung dem Kern einen „Energievorteil“ bringt (siehe auch Massendefekt). Anschaulich lässt sich die Spaltung nach dem Tröpfchenmodell durch Schwingung und Zerreißen des Kerns verstehen: Die animierte Großansicht des obigen Bildes zeigt, wie der Kern (rot) von einem Neutron (blau) getroffen wird und in zwei Bruchstücke zerfällt, wobei noch einige – im oberen Bild drei – Neutronen frei werden. Der Kern dehnt sich in die Länge und schnürt sich in der Mitte ein. Die lange Reichweite der gegenseitigen elektrischen Abstoßung der Protonen überwiegt dann die anziehende Kernkraft (siehe Atomkern) mit ihrer kurzen Reichweite, die Bruchstücke werden folglich auseinander getrieben.

Bei induzierter wie bei spontaner Spaltung werden meist außer den mittelschweren Bruchstücken (Spaltfragmenten) auch einige Neutronen freigesetzt, typischerweise zwei oder drei. Das Energiespektrum dieser Neutronen ist kontinuierlich mit einem Maximum bei etwa 2 MeV und reicht bis etwa 15 MeV.[1]

Spaltfragmente

Die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen bleibt bei jeder Kernspaltung erhalten. Der bei weitem häufigste Fall ist die Spaltung in nur zwei neue Kerne (Spaltfragmente); nur in wenigen Promille aller Zerfälle entsteht noch ein ein dritter, zumeist sehr kleiner Kern (H bis He), maximal bis zur Silicium-Argon-Größe (ternärer Zerfall).[2]

Bei zwei Spaltfragmenten sind viele verschiedene Nuklidpaare möglich. Meist entsteht ein leichteres (Massenzahl um 90) und ein schwereres Spaltfragment (Massenzahl um 140). Die Häufigkeitsverteilung (die Ausbeute aufgetragen als Funktion der Massenzahl des Spaltfragments) hat deshalb zwei Maxima.

Als Beispiel seien zwei Möglichkeiten der Spaltung von Plutonium-239 nach Absorption eines Neutrons (n) genannt:

{}^{239}_{\ 94} \mathrm {Pu} + {}^{1}_{0}\mathrm {n} \to {}^{144}_{\ 56} \mathrm {Ba} + {}^{94}_{38} \mathrm {Sr} + 2\ {}^{1}_{0} \mathrm {n} {}^{239}_{\ 94} \mathrm {Pu} + {}^{1}_{0}\mathrm {n} \to {}^{130}_{\ 51} \mathrm {Sb} + {}^{107}_{\ 43} \mathrm {Tc} + 3\ {}^{1}_{0} \mathrm {n}
Spaltung durch thermische Neutronen: Schematische Häufigkeit der Spaltfragmente (senkrecht) als Funktion der Spaltprodukt-Massenzahl A (waagerecht)

Die Spaltprodukte sind mittelschwere Nuklide mit einem relativ hohen Neutronenanteil. Diesen Neutronenüberschuss haben sie vom Ursprungskern übernommen. Sie sind daher instabil und geben zunächst in einigen Fällen weitere Neutronen ab. Auch diese verzögerten Neutronen können weitere Kernspaltungen auslösen und sind daher für die Regelbarkeit von Kernreaktoren bedeutsam. Die danach noch immer instabilen Spaltprodukte bauen ihren Neutronenüberschuss durch aufeinander folgende Beta-minus-Zerfälle weiter ab. Da beim Betazerfall die Massenzahl des Atomkerns unverändert bleibt, bilden die so entstehenden Nuklide eine Isobarenkette, also Atomkerne gleichbleibender Massenzahl, aber verschiedener chemischer Elemente. Diese Umwandlungskette endet, wenn ein stabiles Nuklid entstanden ist. Die Halbwertszeiten sind am Anfang der Kette kurz, können aber für die letzten Zerfälle viele Jahre betragen. Genaue Zahlenwerte für die Häufigkeit der verschiedenen Isobarenketten, abhängig vom gespaltenen[3] Nuklid und von der Energie des spaltenden Neutrons, finden sich in der Literatur.[4]

Energiefreisetzung und Energiebilanz

Energiefreisetzung

Die beiden Spaltprodukte weisen einen höheren Massendefekt auf als das schwere Ausgangsnuklid der Kernspaltung. Wegen der Äquivalenz von Masse und Energie wird diese Differenz der Massendefekte als Energie frei. In der folgenden Erklärung wird zur Vereinfachung angenommen, dass ein 235U-Kern ein Neutron aufnimmt und dann in zwei gleiche Bruchstücke der Massenzahl 118 zerfällt (für die tatsächlich ablaufenden Kernspaltungen gilt, dass die entstehenden Kerne meist unterschiedlich schwer sind und einige einzelne Neutronen übrig bleiben). Zur Berechnung werden mittlere Werte der Bindungsenergie pro Nukleon aus der Grafik angenommen, die Energie wird in der Einheit Megaelektronenvolt (MeV) angegeben.

  • Vereinfachend werden zunächst rechnerisch 235 einzelne Nukleonen (92 Protonen und 143 Neutronen) sowie das eingefangene Neutron zu einem Kern zusammengesetzt. Bei diesem Vorgang würde 236 \times 7{,}7\ \text{MeV} = 1817\ \text{MeV} Energie freigesetzt werden. Um umgekehrt einen U-236-Kern vollständig in seine Nukleonen aufzuteilen, ist dieser Energiebetrag nötig.
  • Wird ein Bruchstück zusammengesetzt, erhielte man 118 \times 8{,}6\ \text{MeV}=1015\ \text{MeV}.
  • Bei der Spaltung eines Uran-235-Kerns in zwei gleich große Teile muss also die Energiedifferenz \left( 2 \times 1015 \right)\ \text{MeV} - 1817\ \text{MeV} = 213\ \text{MeV} frei werden.
  • Diese Energie wird durch folgenden Mechanismus abgegeben: Beide Bruchstücke und die frei gewordenen Neutronen fliegen mit sehr hoher Geschwindigkeit auseinander. Im umliegenden Material werden sie abgebremst und erzeugen dabei „Reibungswärme“ oder genauer formuliert: sie übertragen ihre Bewegungsenergie in einzelnen Stößen ungeordnet nach und nach auf viele Atome des umgebenden Materials, bis sie auf die Geschwindigkeit abgebremst sind, die der Materialtemperatur entspricht.

Energiebilanz

Die bei der Kernspaltung freiwerdende Energie von rund 200 MeV pro Spaltung verteilt sich auf die Teilchen und Strahlungen, die bei der Kernspaltung entstehen. Die Tabelle zeigt Energiewerte eines typischen Spaltungsvorgangs.[5] Der größte Teil dieser Energie kann in einem Kernreaktor genutzt werden; nur die Energie der entweichenden Antineutrinos und eines Teils der Gammastrahlung wird nicht in Wärme umgesetzt.

Energieart / Strahlungsart Durchschnittliche Energie
Kinetische Energie der Spaltfragmente 167 MeV
Prompte Gammastrahlung 6 MeV
kinetische Energie der Neutronen 5 MeV
Elektronen aus Spaltfragment-Betazerfall 8 MeV
Gammastrahlung aus Spaltfragmenten 6 MeV
Elektron-Antineutrinos aus Spaltfragment-Betazerfall 12 MeV
Gesamtenergie pro Spaltung 204 MeV

Spaltbarkeit

Einige Actinide und ihre wichtigsten Spaltprodukte. Die durch thermische Neutronen gut spaltbaren Actinide sind fett geschrieben. Die Isotope sind nach ihrer Zugehörigkeit zu Zerfallsreihen und/oder ihrer Halbwertszeit sortiert.

Thermische Neutronen

Durch thermische – d. h. vergleichsweise langsame – Neutronen sind meistens nur Isotope mit ungerader Neutronenzahl gut spaltbar. Nur diese Atomkerne gewinnen durch die Aufnahme eines Neutrons Paarenergie hinzu. „Gut spaltbar“ heißt dabei, dass der Wirkungsquerschnitt des Kerns für Spaltung durch ein thermisches Neutron hunderte bis tausende Barn beträgt. „Schlecht spaltbar“ bedeutet entsprechend, dass dieser Wirkungsquerschnitt nur von der Größenordnung 1 Barn oder kleiner ist.

Beispiel:

Americium hat als Element 95 mit seiner ungeraden Protonenzahl bei ungeraden Nukleonenzahlen eine gerade Zahl von Neutronen, während Plutonium, als 94. Element, mit seiner geraden Protonenzahl bei ungeraden Nukleonenzahlen auch ungerade Neutronenzahlen hat. Deshalb ist Americium 241Am mit thermischen Neutronen schlecht spaltbar (3,1 Barn), im Gegensatz zu Plutonium 241Pu (1010 Barn).

Schnelle Neutronen

Die bei der Spaltung neu freigesetzten Neutronen haben kinetische Energien im MeV-Bereich. Mit solchen schnellen Neutronen sind auch Nuklide mit gerader Neutronenzahl spaltbar; die Paarenergie wirkt sich dann auf den Wirkungsquerschnitt kaum noch aus. Allerdings erreichen die Wirkungsquerschnitte für die „schnelle Spaltung“ nicht die hohen Werte mancher „thermischen“ Spaltungen.

Die schnelle Spaltung führt bei einigen Spaltstoffen zu einer besonders hohen Ausbeute an neuen Neutronen pro gespaltenem Kern. Dies wird in Brutreaktoren ausgenutzt.

In der Dreistufenbombe werden durch Kernfusion von Wasserstoffisotopen sehr schnelle Neutronen mit mehr als 14 MeV erzeugt. Diese spalten in der aus abgereichertem Uran bestehenden Bombenhülle Uran-238-Kerne. Die Sprengkraft der Bombe und auch der Fallout werden dadurch stark erhöht.

Kritische Masse

Die kleinste Masse eines spaltbaren Materials, in der eine Kettenreaktion aufrechterhalten werden kann, heißt Kritische Masse. Sie hängt von der Anwesenheit und Menge einer Moderatorsubstanz und von der geometrischen Anordnung ab. Ein dünnes Blech würde fast alle Neutronen nach außen verlieren, während innerhalb eines kompakten Objekts Neutronen eher auf weitere Atomkerne treffen. Die kleinste kritische Masse wird bei kugelförmiger Anordnung erreicht. Durch Kompression des Materials kann diese noch verringert werden, eine absolute untere Grenze existiert nicht. Die Geometrieabhängigkeit der kritischen Masse wird ausgenutzt, um beim Herstellen oder Bearbeiten von Kernbrennstoffen die zur Kettenreaktion führende Kritikalität zu vermeiden. So werden etwa chemische Reaktionen in flachen Wannen durchgeführt, in denen das Material über weite Flächen verteilt ist.

Technische Bedeutung

Kernkraftwerke

Hauptartikel: Kernkraftwerk

Wirtschaftliche Bedeutung hat die induzierte Spaltung als Kettenreaktion in Kernreaktoren. Hauptsächlich werden die Nuklide Uran-235 und Plutonium-239 verwendet. In Planung bzw. Erprobung waren auch Kernreaktoren auf Basis von Thorium-232 und Uran-233.

Die freigesetzte Energie der Kernspaltung liegt mit rund 200 MeV pro Atomkern um ein Vielfaches höher als bei chemischen Reaktionen (typischerweise etwa 20 eV pro Molekül). Die Energie tritt hauptsächlich als kinetische Energie der Spaltfragmente auf, zu einem kleineren Teil auch in der Strahlung aus deren radioaktiven Zerfällen. Auch die für die Regelbarkeit von Kernreaktoren entscheidend wichtigen verzögerten Neutronen werden nach der eigentlichen Spaltungsreaktion aus den Spaltfragmenten freigesetzt.

In Reaktoren werden die Bewegungsenergie der Spaltprodukte und die Energie der entstehenden Strahlung durch Stöße mit dem Material der Umgebung in Wärme gewandelt. Nur die entstehenden Elektron-Antineutrinos, ein Teil der Gammastrahlung und ein Teil der freien Neutronen entweichen aus der Reaktionszone.

Kernwaffen

Hauptartikel: Kernwaffe

Die exponentiell anwachsende Kernspaltungs-Kettenreaktion einer prompt überkritischen Spaltstoffanordnung dient als Energiequelle für „normale“ Kernwaffen. Die „zerstörende Energie“ wird primär als Lichtstrahlung, Hitze und Radioaktivität sowie sekundär in Form einer Druckwelle freigesetzt. Bei Wasserstoffbomben dient eine Kernspaltung als Zünder für eine Kernfusion, also das Verschmelzen von leichten Atomkernen.

Forschungsgeschichte

Hauptartikel: Entdeckung der Kernspaltung
Versuchsaufbau im Deutschen Museum München, mit dem Otto Hahn und Fritz Straßmann 1938 die Kernspaltung entdeckten

Seit den Arbeiten von Ernest Rutherford war bekannt, dass Atomkerne durch den Beschuss mit schnellen Teilchen verändert werden können. Mit Entdeckung des Neutrons im Jahre 1932 durch James Chadwick wurde klar, dass es viele Möglichkeiten der Umwandlung von Atomkernen geben musste. Unter anderem versuchte man, durch Einbringen von Neutronen in schwere Kerne neue, noch schwerere Nuklide herzustellen.

Briefmarke der Deutschen Bundespost (1964): 25 Jahre Entdeckung der Kernspaltung durch Otto Hahn und Fritz Straßmann

Nach Vermutungen von Enrico Fermi[6] vertrat u. a. Ida Noddack-Tacke[7] die zutreffende Annahme der Spaltung des neugebildeten Kerns.[8] Allerdings galten diese spekulativen Vermutungen 1934 noch als unseriös, und kein Physiker überprüfte diese experimentell, auch Ida Noddack selbst nicht. Otto Hahn und seinem Assistenten Fritz Straßmann gelang dann am 17. Dezember 1938 am Berliner Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie der Beweis einer induzierten Kernspaltung von Uran durch den radiochemischen Nachweis der Spaltprodukte Barium und Krypton. Sie veröffentlichten ihre Entdeckung am 6. Januar 1939 in der Zeitschrift „Die Naturwissenschaften“.[9] Lise Meitner befand sich zu diesem Zeitpunkt bereits seit einigen Monaten in Schweden, wohin sie mit Hahns Hilfe emigriert war, da sie als Jüdin aus Nazideutschland fliehen musste. Gemeinsam mit ihrem ebenfalls emigrierten Neffen Otto Frisch konnte sie am 10. Februar 1939 eine erste physikalische Deutung des Spaltungsprozesses in der englischen „Nature“ veröffentlichen, da Hahn sie als erste über die radiochemischen Ergebnisse brieflich unterrichtet hatte. Otto Hahn und Fritz Straßmann gelten daher als die Entdecker der Kernspaltung des Urans, und Lise Meitner und Otto Frisch als die ersten, die eine korrekte theoretische Erklärung des Vorgangs publizierten. Von Frisch stammt außerdem der Terminus „nuclear fission„ – „Kernspaltung“, der dann international übernommen wurde, während Hahn ursprünglich den Begriff „Uranspaltung“ verwendet hatte.

Am 16. Januar 1939 reiste Niels Bohr in die USA, um einige Monate mit Albert Einstein physikalische Probleme zu erörtern. Kurz vor seiner Abreise aus Dänemark berichteten ihm Frisch und Meitner von ihrer Deutung der Hahn-Straßmannschen Versuchsergebnisse. Bohr teilte dies nach seiner Ankunft in den USA seinem früheren Schüler John Archibald Wheeler sowie anderen Interessierten mit. Durch sie verbreitete sich die Neuigkeit unter anderen Physikern, unter ihnen auch Enrico Fermi von der Columbia-Universität. Fermi erkannte die Möglichkeit einer kontrollierten Spaltungs-Kettenreaktion und führte mit seinem Team 1942 in Chicago das erste erfolgreiche Reaktorexperiment im Chicago Pile durch.

Weblinks

 Commons: Kernspaltung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Kernspaltung – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. E. B. Paul: Nuclear and Particle Physics. North-Holland, 1969, S. 249
  2. Emission von ternären Teilchen aus Spaltungsreaktionen (PDF; 1,6 MB) Dissertation
  3. Der Fachausdruck der Physik und Kerntechnik lautet 'gespalten', nicht 'gespaltet'
  4. Datensammlung der Internationalen Atomenergieorganisation
  5. E.B. Paul: Nuclear and Particle Physics. North-Holland, 1969, S. 250
  6.  Enrico Fermi: Possible production of element of atomic number higher than 92. In: Nature. 133, 1934, S. 898–899, doi:10.1038/133898a0.
  7.  Ida Noddack: Über das Element 93. In: Angewandte Chemie. 47, 1934, S. 653–655, doi:10.1002/ange.19340473707.
  8. Zitat: „Es wäre denkbar, dass bei der Beschießung schwerer Kerne mit Neutronen diese Kerne in mehrere größere Bruchstücke zerfallen, die zwar Isotope bekannter Elemente, aber nicht Nachbarn der bestrahlten Elemente sind.“
  9.  Otto Hahn und Fritz Straßmann: Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle. In: Naturwissenschaften. 27, 1939, S. 11-15, doi:10.1007/BF01488241.