Referat Kernspaltung - Die Kernspaltung am Beispiel des Urans

Kapitel          -     Kernspaltung

1 Entdeckung

Im Jahr 8 beschossen die beiden deutschen Wissenschaftler Otto Hahn und Fritz Straßmann Uranatomkerne mit Neutronen. Sie stellten bei diesem Versuch fest, daß einige dieser Urankerne in zwei etwa gleich große Stücke gespalten wurden. Die Neutronen können also größere Atomkerne spalten. Protonen und Elektronen sind dafür ungeeignet, da Protonen von den Protonen des Atomkerns abgestoßen oder abgelenkt werden und Elektronen zu wenig Masse haben. Langsam fliegende Neutronen dringen in der Regel viel häufiger in Atomkerne ein als schnelle. Dabei bedeutet langsam immer noch

7920 Km/h. Das liegt daran, daß sich langsame Neutronen länger in Kernnähe aufhalten und mehr Zeit haben, mit ihm zu reagieren. Neutronen können nicht nur Atomkerne spalten sondern auch umwandeln indem sie in den Kern eingebaut werden.

2        Die Kernspaltung am Beispiel des Urans                                      Abb. 7

Das natürliche Uran besteht aus U-234, U-235 und U-238. Von

Uranatomen haben 993 U-238-Kerne und 7 U-235-Kerne. Der U-234-

Anteil ist dabei unwichtig.

Langsame Neutronen spalten nur die U-235-Kerne. Dabei ensteht zunächst ein Zwischenkern U-236, der jedoch instabil ist und in mehrere Bruchstücke zerplatzt, z.B. in einen Barium-144-Kern, einen Krypton-90-Kern und zwei neue Neutronen. Nach genauerer Untersuchung stellte man fest, daß diese entstandenen Bruchstücke weniger Masse haben, als der beschossene Kern und das Geschoß.

Es ist also Masse verlorengegangen, die in einen gewaltigen

Energiebetrag, die Kernenergie, umgewandelt wird.

Dies geschieht nach Einsteins Formel: E = m * cý

Was ist also geschehen ?

Wie schon gesagt, wird ein Atomkern von sog. Kernkräften zusammengehalten, die verhindern, daß die positive Protonen im Kern sich abstoßen. Sie wirken allerdings nur, wenn sich die Kernbausteine ganz nahe beieinander befinden.

Im Atomkern ist auch die Kernenergie gespeichert. Wenn nun nach Eindringen des Neutrons der Kern in zwei Teile zerbricht, wirken nur noch die abstoßenden Kräfte zwischen den beiden Kernbruchstücken. Sie entfernen sich deshalb mit hoher Geschwindigkeit voneinander. Daraus folgert man, daß die

Kernenergie in Bewegungsenergie der Bruchstücke umgewandelt wird. Die Kernbruchstücke, stoßen an Nachbaratome, die in starke Schwingungen versetzt werden und sich aneinander reiben. Die Bewegungsenergie wird dabei in

Wärmeenergie umgewandelt.

Die neuentstehenden mittelschweren Atomkerne sind in der Regel selbst radioaktiv und senden gefährliche Strahlungen aus.

Um U-238-Kerne zu spalten, braucht man sehr schnelle Neutronen. In einem Kilogramm Uran-235 steckt soviel Energie wie in

Waggons Kohle oder 67 Kesselwagen mit Heizöl. Mit dieser

Energiemenge Mio. kW/h ) könnten alle Bewohner

Westdeutschlands ihre Wohnungen eine Stunde lang beleuchten.

3        Kettenreaktion                                                            Abb. 8

Beschießt man ein Stück U-235 mit einem Neutron, spaltet dieses irgendwo einen ersten Kern, der wiederum zwei Neutronen ausstößt. Diese spalten weitere Kerne welche wiederum 4 - 5 Neutronen freisetzen Wenn 4 dieser Geschosse auf Nachbaratome treffen und diese zertrümmern, so bilden sich 8 - 12 neue Neutronen. Diese spalten, abgesehen von einer

gewissen Verlustrate, wieder Kerne, wobei jedesmal ein gewaltiger Energiebetrag freigesetzt wird. Dieser Vorgang setzt sich weiter fort, und in Sekundenbruchteilen wächst die Zahl der gespaltenen Kerne und damit die Energiegewinnung lawinenartig an. Diesen Vorgang nennt man Kettenreaktion.

4        Anreicherung

U-235 Kerne werden durch langsame Neutronen gespalten. Um U-238

Kerne zu spalten, benötigt man hingegen sehr schnelle Neutronen. Langsame dringen zwar auch in den Kern ein, werden jedoch in ihn eingebaut, so daß sich U-239 bildet. Dieses wandelt sich über eine Zwischenstufe in Plutonium-239 um, das seinerseits gut durch langsame

Neutronen gespalten werden kann.

Man kann diesen Umweg aber wie folgt umgehen:

Das natürliche Uran besteht zu % aus U-238, was bedeutet, daß sich keine Kettenreaktion ereignen kann, wenn es mit langsamen Neutronen beschossen wird. Die 2 - 3 Neutronen, welche bei einer Spaltung eines U-235-Kerns

entstehen, sind meistens zu schnell, um einen der wenigen U-235- Kerne zu spalten, andererseits sind sie zu langsam, um das U-238 zu zertrümmern. Sie werden, wie gesagt, nur eingefangen. Eine einmal ausgelöste Kernspaltung kann also ohne weiteres keine Kettenreaktion erzeugen.

Es gibt jedoch eine Möglichkeit, diese zu erreichen.

1. Man erhöht den U-235 Gehalt ( z.B.: von % auf ca. % ,                         um mehr

spaltbares Material zu erhalten; dies nennt man dann

^{Anreicherung.}

2. Die bei der Spaltung entstehenden Neutronen müssen verlangsamt werden.

Das auf % angereicherte Uran allein nützt noch nicht viel, da die beim

Spaltprozeß entstehenden Neutronen zu schnell sind. Deshalb benutzt

^{man Stoffe, die Neutronen abbremsen können. Diese heißen}

Moderatoren.

^{Hierzu eignen sich z.B. Kohlenstoff, Wasser und Berillium.}