Kernspaltung

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Animation einer Kernspaltung

Kernspaltung von Uran²³⁵

Kernspaltung 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 (v. lat. 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. An Stelle der Spaltung sind auch andere Reaktionsabläufe möglich, beispielsweise kann der angeregte, um ein Neutron reichere Kern sich durch Emission eines Gammaquants abregen und in einen stabilen Zustand übergehen.

Bei beiden Arten der Spaltung können außer den meist zwei Bruchstücken auch einige (typisch zwei oder drei) Neutronen freigesetzt werden. Spaltung kommt nur bei genügend schweren Nukliden vor, denn nur dann sind die entstehenden Kerne fester gebunden als der ursprüngliche Kern, das heißt, die Spaltung bringt dem Kern einen “Energievorteil”. Anschaulich lässt sich die Spaltung nach dem Tröpfchenmodell durch Schwingung und Zerreißen des Kerns verstehen. Das animierte Bild zeigt, wie der Kern (rot) von einem Neutron (blau) getroffen wird und in zwei Bruchstücke zerfällt, wobei noch einige — im 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.

Spaltfragmente

Die Spaltung in nur zwei neue Kerne (Spaltfragmente) ist nicht die einzige, aber bei weitem häufigste Möglichkeit. Als Spaltfragmente sind viele verschiedene Nuklidpaare möglich. Meist entsteht ein leichteres (Massenzahl um 90) und ein schwereres Spaltfragment (Massenzahl um 140). Die Ausbeutekurve (Häufigkeitsverteilung) hat deshalb zwei Maxima.

Die jeweilige Gesamtzahl der Protonen und Neutronen bleibt erhalten. Als Beispiel seien zwei Möglichkeiten der neutroneninduzierten Spaltung von Plutonium 239 genannt (das n steht für Neutron):

Spaltung durch thermische Neutronen: Schematische Häufigkeitsverteilung der Spaltprodukte (senkrecht) als Funktion der Spaltprodukt-Massenzahl A (waagerecht)

Die Spaltfragmente sind mittelschwere Nuklide, haben aber den relativ hohen Neutronenanteil des ursprünglichen schweren Kerns und damit immer einen Neutronenüberschuss. Sie sind deshalb instabil und geben oft zunächst Neutronen ab (diese verzögerten Neutronen sind für die Regelbarkeit von Kernreaktoren bedeutsam). Im Weiteren wandeln sich die instabilen Produkte durch aufeinander folgende Beta-minus-Zerfälle um. Da beim Betazerfall die Massenzahl des Atomkerns unverändert bleibt, bilden die nacheinander entstehenden Nuklide ein sogenannte Isobarenkette. Die Zerfallskette verläuft bis zu einem stabilen Nuklid, aber die Halbwertszeiten der letzten Zerfälle können viele Jahre betragen. Genaue Zahlenwerte für die Häufigkeit der verschiedenen Isobarenketten, abhängig vom gespaltenen Nuklid und von der Energie des spaltenden Neutrons, finden sich in der Literatur^[1].

Warum bei der Spaltung Energie frei wird

Die Bindungsenergie des einzelnen Nukleons ist in den Spaltprodukten höher als im ursprünglichen schweren Kern. Deshalb kann bei der Spaltung Energie freigesetzt werden. Das erscheint nur auf den ersten Blick paradox, denn Bindungsenergie ist, als Energieinhalt des gebundenen Systems betrachtet, negative Energie. In folgender Erklärung wird zur Vereinfachung angenommen, dass der ²³⁵U-Kern ein Neutron aufnimmt und dann in zwei gleiche Bruchstücke der Massenzahl A=118 zerfällt. Zur Berechnung werden mittlere Werte der Bindungsenergie pro Nukleon aus der Grafik angenommen (siehe auch Massendefekt).

• Die erste Annahme: statt des Uran-235-Kerns werden 235 einzelne Nukleonen (92 Protonen und 143 Neutronen) vorausgesetzt, die einschließlich des eingefangenen Neutrons zu einem Kern zusammengesetzt werden. Bei diesem Vorgang würde Energie frei gesetzt werden. Der Betrag dieser Energie ist wiederum nötig, um den U-236-Kern vollständig in seine Nukleonen aufzuteilen.
• Wird ein Bruchstück zusammengesetzt, erhielte man .
• Bei der Spaltung eines Uran-235-Kerns in zwei gleich große Teile muss also die Energiedifferenz frei werden.
• Diese Energie wird durch folgenden Mechanismus abgegeben: Beide Bruchstücke besitzen jeweils 46 Protonen, stoßen sich deshalb ab und fliegen mit sehr hoher Geschwindigkeit auseinander. Im umliegenden Material werden sie abgebremst und erzeugen dabei „Reibungswärme“ oder genauer formuliert: sie übertragen ihre Bewegungsenergie ungeordnet nach und nach auf viele Moleküle des Materials.

Energiebilanz der Kernspaltung

Die bei der Kernspaltung freiwerdende Energie von etwa 200 MeV pro Spaltung verteilt sich auf die Teilchen und Strahlungen, die bei der Kernspaltung entstehen. Die Atomkerne werden so gespalten, dass Spaltprodukte mit verschiedenen Massen entstehen. Die Tabelle zeigt durchschnittliche Energien pro Strahlungsart.

Bei der hier aufgeführten Neutrinostrahlung handelt es sich genau genommen um Elektron-Antineutrinos, die beim Beta-Minus Zerfall der Spaltprodukte entstehen.

Spaltbarkeit

Thermische Neutronen

Durch thermische Neutronen sind meistens nur Isotope mit ungerader Neutronenzahl gut spaltbar, da nur diese Kerne durch die Aufnahme eines Neutrons Paarenergie hinzugewinnen. „Gut spaltbar“ - der Wirkungsquerschnitt für Spaltung solcher Kerne beträgt hunderte bis tausende Barn. „Schlecht spaltbar“ sind dementsprechend Wirkungsquerschnitte der Spaltung in der Größenordnung um 1 Barn oder weniger.

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

Schnelle Neutronen haben eine kinetische Energie im MeV-Bereich. Mit schnellen Neutronen sind auch Nuklide mit gerader Neutronenzahl spaltbar, obwohl sie durch die Aufnahme eines Neutrons keine Paarenergie hinzugewinnen. Die Wirkungsquerschnitte für die „schnelle“ Spaltung erreichen nicht die hohen Werte mancher „thermischen“ Spaltungen.

Beispiel:

In der Dreistufenbombe werden durch eine Kernfusion sehr schnelle Neutronen mit mehr als 14 MeV erzeugt. Diese spalten in der aus abgereichertem Uran bestehenden Bombenhülle die Uran-238-Kerne. Die Sprengkraft der Bombe wird im Zusammenspiel mit dem Fallout stark erhöhen.

Technische Bedeutung

Technische Bedeutung hat die induzierte Spaltung als Kettenreaktion in Kernreaktoren mit Isotopen der Elemente Uran und Plutonium. Benötigt wird die Paarenergie oder Paritätsenergie der Isotope mit ungeraden Neutronenzahlen, vor allem Uran-235 und Plutonium-239. Der Energiegewinn der Spaltung eines Kerns ist groß, rund 200 MeV (zum Vergleich: Der Energiegewinn bei chemischen Reaktionen wie Verbrennung liegt bei etwa 20 eV pro Molekül). Er 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 aus den Spaltfragmenten freigesetzt.

In Reaktoren werden die Bewegungsenergie der Spaltstücke 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.

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 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.

Kernwaffen

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, Lise Meitner 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 von Otto Hahn und Fritz Straßmann

Nach Vermutungen von Enrico Fermi^[2] vertrat u.a. Ida Noddack^[3] die zutreffende Annahme der Spaltung des neugebildeten Kerns. ^[4] Allerdings galten diese Vermutungen 1934 noch als unseriös. Den Deutschen Otto Hahn und Fritz Straßmann gelang 1938 am Berliner Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie der Beweis einer induzierten Kernspaltung von Uran durch den chemischen Nachweis des Spaltproduktes radioaktives Barium. Hahns Mitarbeiterin Lise Meitner befand sich zu dem Zeitpunkt in Schweden, da sie als Jüdin von den Nazis verfolgt wurde, hatte aber die Idee zum Experiment mitentwickelt. Sie klärte im selben Jahr (gemeinsam mit Otto Frisch) den theoretischen Hintergrund des Experiments. Hahn, Meitner und Straßmann gelten als die Entdecker der Spaltbarkeit von schweren Atomkernen per Neutronenbeschuss.

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 des Hahn-Straßmannschen Versuchsergebnisses. 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 1942 in Chicago das erste erfolgreiche Reaktorexperiment durch.

Weblinks

 Wiktionary: Kernspaltung – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik

• Flash-Animation zur Kernspaltung von U-235 (dwu-Unterrichtsmaterialien)

Einzelnachweise

1. ↑ Datensammlung der Internationalen Atomenergieorganisation
2. ↑ Enrico Fermi: Possible production of element of atomic number higher than 92, Nature 133 (1934), S. 898–899
3. ↑ Ida Noddack-Tacke: Über das Element 93, Angewandte Chemie 47 (1934), S. 653–655
4. ↑ 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.