19.6: Kernspaltung

Viele schwerere Elemente mit kleineren Bindungsenergien pro Nukleon können sich in stabilere Elemente zerlegen, die mittlere Massenzahlen und größere Bindungsenergien pro Nukleon aufweisen – d. h. Massenzahlen und Bindungsenergien pro Nukleon, die näher am “Peak” des Bindungsenergiediagramms bei 56 liegen. Manchmal werden auch Neutronen erzeugt. Diese Zerlegung eines großen Kerns in kleinere Stücke wird als Spaltung bezeichnet. Das Brechen ist eher zufällig mit der Bildung einer großen Anzahl verschiedener Produkte. Die Spaltung tritt in der Regel nicht natürlich auf, sondern wird durch Beschuss mit Neutronen induziert.

Durch die Spaltung schwerer Elemente wird eine enorme Menge an Energie erzeugt. Wenn beispielsweise ein Mol U-235 gespalten wird, wiegen die Produkte etwa 0,2 Gramm weniger als die Reaktanten; Diese “verlorene” Masse wird in eine sehr große Energiemenge umgewandelt – etwa 1,8 × 10¹⁰ kJ pro Mol U-235. Kernspaltungsreaktionen erzeugen im Vergleich zu chemischen Reaktionen unglaublich große Mengen an Energie. Die Spaltung von 1 Kilogramm Uran-235 zum Beispiel erzeugt etwa 2,5 Millionen Mal so viel Energie wie bei der Verbrennung von 1 Kilogramm Kohle.

Bei der Spaltung erzeugt U-235 zwei “mittelgroße” Kerne und zwei oder drei Neutronen. Diese Neutronen können dann die Spaltung anderer Uran-235-Atome verursachen, die wiederum mehr Neutronen liefern, die die Spaltung von noch mehr Kernen verursachen können, und so weiter. In diesem Fall kommt es zu einer nuklearen Kettenreaktion. Wenn hingegen zu viele Neutronen aus dem Schüttgut entweichen, ohne mit einem Kern zu interagieren, findet keine Kettenreaktion statt.

Material, das infolge eines Neutronenbeschusses gespalten werden kann, wird als spaltbar bezeichnet; Material, das infolge eines Beschusses durch sich langsam bewegende thermische Neutronen gespalten werden kann, wird zusätzlich als spaltbar bezeichnet.

Die Kernspaltung wird selbsterhaltend, wenn die Anzahl der durch die Kernspaltung erzeugten Neutronen gleich oder größer ist als die Anzahl der Neutronen, die durch die Spaltung von Kernen absorbiert werden, plus die Anzahl, die in die Umgebung entweicht. Die Menge eines spaltbaren Materials, die eine selbsterhaltende Kettenreaktion unterstützt, ist eine kritische Masse. Eine Menge an spaltbarem Material, die einer Kettenreaktion nicht standhalten kann, ist eine unterkritische Masse. Eine Materialmenge, bei der es zu einer zunehmenden Spaltungsrate kommt, wird als überkritische Masse bezeichnet.

Die kritische Masse hängt von der Art des Materials ab: seiner Reinheit, der Temperatur, der Form der Probe und der Art und Weise, wie die Neutronenreaktionen gesteuert werden. Bei höheren Temperaturen werden Materialien in der Regel weniger dicht, so dass Neutronen leichter entweichen können. Neutronen, die im Zentrum eines flachen Objekts beginnen, können die Oberfläche leichter erreichen als Neutronen, die im Zentrum eines kugelförmigen Objekts beginnen. Ist das Material in einem Behälter aus einem neutronenreflektierenden Material wie Graphit eingeschlossen, können deutlich weniger Neutronen entweichen, so dass viel weniger des spaltbaren Materials benötigt wird, um eine kritische Masse zu erreichen.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 21.4: Transmutation und Kernenergie.