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.

Abb.: Bindungsenergie in MeV pro Nukleon als Funktion der Massenzahl

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