Kernspaltung
- die Freisetzung von Kernbindungsenergie
mit
einer Einführung in die Reaktorphysik
1.
Begriffsklärung:
In
den Atomkernen
wird eine Anzahl von Protonen auf kleinstem Raum zusammengehalten,
obwohl sich diese durch ihre gleichartige elektrische Ladung
gegenseitig stark abstoßen. In den Kernen müssen also noch
andere, weitaus stärkere Kräfte zwischen den Nukleonen (Kernbausteinen)
wirken, die die hohe Stabilität der Atomkerne bewirken. Die
Natur dieser Kernkräfte wurde ab 1936 in vielen Experimenten
untersucht. Es zeigte sich, dass sie nur innerhalb einer Reichweite
von etwa 10-13 cm wirken, indem sie ein Nukleon
mit einer Energie von 6 bis 8 MeV (Millionen eV) an den Kern
binden. Im Vergleich dazu sind die Energien für chemische
Bindungen, nur wenige eV.
Die
Massen der Atomkerne sind immer kleiner als die Summe der
Massen der einzelnen Nukleonen, aus denen der Kern aufgebaut
ist. Der Massenverlust (Massendefekt) wird nach der speziellen
Relativitäts- theorie von Albert Einstein (E = m * c2)
in Bindungsenergie umgesetzt.
Der
Wert der mittleren Bindungsenergie eines Nukleons im Kern
hängt von der Massenzahl und der Schalenstruktur des Atomkerns
ab. Bei der Betrachtung der Abbildung fällt auf, dass sich
Energie sowohl durch Fusion von leichten Kernen zu schweren
Kernen gewinnen läßt, so wie dies in unserer Sonne und in
den vielen Sternen in unserem Weltall passiert. Dieser Prozess
ist energetisch bis zum Fe-56 möglich, dem kernphysikalisch
stabilsten Isotop. Andererseits ist es auch möglich einen
schweren Kern in zwei leichtere Bruchstücke zu spalten. Auch
hierbei wird Energie gewonnen. Der erste Weg erfordert eine
hohe Energie zum Starten der Kernfusion, da die Abstossung
der gleich geladenen Kerne überwunden werden muss. Die Kernspaltung
durch Neutronen kann man hingegen mit wenig Aufwand erreichen,
da das Neutron elektrisch neutral ist und so leicht in den
Atomkern eindringen kann.
Energetische
Betrachtung
2.
Prozess der Kernspaltung:
Seit 1934 wurde
versucht durch Neutronenbeschuss Isotope herzustellen,die
durch b-Zerfall in ein schwereres
Element (Kernladungszahl Z+1) zerfallen. Auf diesem Weg sollten
Elemente jenseits des Urans künstlich hergestellt werden,
da diese bis dahin unbekannt waren.
Otto
Hahn und Fritz Strassmann bestrahlten deshalb Uran (Z=92)
mit einer kleinen Radium-Beryllium-Neutronenquelle in einem
Paraffinblock. Sie fanden dabei eine Aktivität, die sie zuerst
für das Element Radium hielten. Durch chemische Versuche lies
sich aber zweifelsfrei zeigen, dass es sich aber um Barium
handelte. Barium hat aber eine Kernladungszahl von Z=56. Wie
war es möglich, dass aus einem Kern mit 92 Protonen ein Kern
mit nur 56 Protonen wurde? Lise Meitner - eine Physikerin
- wurde von den beiden Chemikern zu Rate gezogen.
Heute
weiss man, dass das thermische Neutron vom Uran-235 Kern eingefangen
wird und sich ein hochangeregter Zwischenkern von Uran-236
bildet, dessen Anregungsenergie gleich der beim Einfang des
Neutrons freigesetzten Bindungsenergie ist (die geringe kinetische
Energie des thermischen Neutrons kann vernachlässigt werden).
Der
Zwischenkern ist nun bestrebt, seine Anregungsenergie abzugeben.
Dies geschieht zum überwiegenden Teil durch Spaltung (Somit
spaltet nicht das Uran-235 selbst, sondern das Uran-236).
Nach
dem Tröpfchenmodell der Atomkerne (bei dem man den Vergleich
mit einem Wassertropfen heranzieht), geht man von einem bereits
elliptisch geformten Urankern im Grundzustand aus. Durch die
Zufuhr von Energie fängt dieser an zu oszillieren, so dass
er weiter verformt wird, bis sich dieser “Wassertropfen” in
der Mitte einschnürrt und in zwei kleinere “Wassertropfen”
zerspringt. Die beiden positiv geladenen Hälften werden durch
die abstossende Coulombkraft weiter auseinander- getrieben.
Die
so gebildeten Spaltfragmente haben einen enormem Energieinhalt,
so dass sie sich durch Neutronenabdampfung und Emission von
g-Strahlung abregen (versuchen
Energie abzugeben).
verzögerte
Neutronen
3.
Reaktorphysik:
3.1
Kettenreaktion
und Multiplikationsfaktor
3.2
Neutronenzyklus
3.3
Vier-Faktoren-Formel
3.4
Reaktivität
und Reaktorperiode
3.5
Spaltproduktvergiftung
und Abbrand
3.6
Reaktivitätsbilanz
3.7
Neutronenfluss-
und Leistungsdichteverteilung im Reaktorkern
3.8
Thermohydraulik
der Wärmeübertragung
vertiefende
Literatur: Lederer/Wildberg, Reaktorhandbuch - Kerntechnische
Grundlagen für Betriebspersonal in Kernkraftwerken,
Carl Hanser Verlag München/Wien, 1992
|