Kernspaltung

Die Kernspaltung ist ein Prozess, bei dem ein schwerer Kern in zwei oder mehr leichtere Kerne unterschiedlicher Größe oder Spaltfragmente und Neutronen zerfällt. Bemerkenswert ist, dass die Spaltfragmente und die Anzahl der Neutronen nicht bei jeder Spaltung gleich sind.

Die Summen der Massen- und Ordnungszahl sind jedoch auf beiden Seiten der Spaltungsgleichungen immer gleich. Zusätzlich zu den "prompten" Neutronen, die durch die Spaltung erzeugt werden, können nach dem Betazerfall der hochenergetischen Spaltfragmente weitere "verzögerte" Neutronen erzeugt werden.

Bei Spaltreaktionen ist die Summe der Bindungsenergien der Tochternuklide größer als die Bindungsenergie des Mutternuklids. Die Differenz erklärt die große Menge an Energie, die bei der Kernspaltung freigesetzt wird.

Die Neutronen, die bei der Spaltung freigesetzt werden, sind typischerweise "schnelle" Neutronen, die hohe kinetische Energien haben und sich durch die meisten großen Kerne bewegen, ohne mit ihnen zu interagieren.

Neutronen verlieren bei der Kollision mit ähnlich großen Kernen erheblich an Energie. Diejenigen, die sich dem Gleichgewicht mit ihrer Umgebung nähern, sind "langsame" oder "thermische" Neutronen. Spaltbare Nuklide, die durch Absorption thermischer Neutronen gespalten werden, werden als "spaltbar" bezeichnet.

Nicht alle Neutronen, die bei einer Spaltungsreaktion erzeugt werden, verursachen notwendigerweise eine Spaltung in einem anderen Kern. Wenn solche Neutronen jedoch die Spaltung initiieren, spricht man von einer nuklearen Kettenreaktion.

Kettenreaktionen werden mit Neutronen-"Generationen" beschrieben. Das Neutron, das eine Kettenreaktion auslöst, ist die erste Generation, und die resultierende Spaltung erzeugt die zweite Generation. Die Neutronen, die aus den durch die Neutronen der zweiten Generation induzierten Spaltungen erzeugt werden, gehören zur dritten Generation. Die Kettenreaktion geht so lange weiter, bis keine Neutronen mehr produziert werden.

Wenn die durchschnittliche Anzahl der Spaltungen von einer Generation zur nächsten gleich bleibt, wird Energie mit einer konstanten Rate erzeugt. In den meisten Fällen ist dieser Prozess wahrscheinlicher, wenn sich die Neutronen deutlich verlangsamen, bevor sie das Material verlassen.

Eine bestimmte Mindestmasse, die so genannte kritische Masse, an spaltbarem Material ist erforderlich, um sicherzustellen, dass die erzeugten Neutronen genügend Material enthalten, um eine weitere Spaltung zu induzieren. Eine unterkritische Masse ist ein Betrag unterhalb des Schwellenwerts für die kritische Masse, und eine überkritische Masse ist ein Betrag oberhalb dieses Schwellenwerts.

Die kritische Masse wird von der Temperatur, der Form und der Zusammensetzung der Umgebung beeinflusst. Änderungen dieser Parameter können dazu führen, dass eine unterkritische Masse kritisch ist oder umgekehrt.