Kernspaltung ist ein Prozess, bei dem ein Kern in zwei (oder manchmal sogar drei) leichtere Kerne zerfällt. Dabei werden in der Regel auch andere Teilchen (z.B. Neutronen) und elektromagnetische Strahlung (Gammastrahlen) freigesetzt. Die Spaltung kann spontan auftreten, wird aber häufiger künstlich ausgelöst.

Die häufigste Spaltungsreaktion in Kernreaktoren ist:

n + ²³⁵U → X + Y + (0-8)n + γ + überschüssige Energie

wobei X und Y die Kerne bezeichnen, in die das Uran gespalten wurde. Diese werden Spaltprodukte genannt (Beispiele: ⁹⁹Zr, ⁹⁹Mo, ¹³⁷Te, ¹⁴⁰Xe usw.) und haben Massen, die fast der Masse des ursprünglichen Urankerns entsprechen (beachten Sie, dass 0 bis 8 Neutronen freigesetzt werden).

Das Isotop ²³⁵U ist der einzige in der Natur vorkommende spaltbare Kern. Spaltbar bedeutet, dass er in der Lage ist, eine Spaltung zu durchlaufen, wenn er ein langsames (oder thermisches) Neutron einfängt. Im natürlichen Uran kommt das Isotop ²³⁵U jedoch in sehr geringen Konzentrationen von etwa 0,72% vor – der Rest ist hauptsächlich ²³⁸U. Andere spaltbare Kerne wurden jedoch künstlich hergestellt.

Bei der Kernspaltung von Uran werden durchschnittlich 2,5 Neutronen produziert, sodass die Reaktion zu einer zunehmenden Anzahl von Neutronen im System führt. Die meisten Spaltprodukte sind radioaktiv, und im Durchschnitt werden etwa fünf Photonen (Gammastrahlen) in einer einzelnen Reaktion emittiert.

Die Animation veranschaulicht die Spaltungsreaktion n + ²³⁵U → ⁹⁰Kr + ¹⁴³Ba + 3n + 4γ

Wenn ein Neutron vom ²³⁵U-Kern absorbiert wird, entsteht ein ²³⁶U-Kern mit einer so hohen Energie, dass die Nukleonen im Inneren beginnen, kräftig zu schwingen, und der Kern sich verlängert.

Innerhalb von etwa 10^-12 s führt diese Verlängerung zu einer Einschnürung zwischen zwei Teilen des Kerns. Der Kern teilt sich dann wie ein Wassertropfen, der von einem Wasserhahn tropft und sich in zwei Tropfen aufteilt. Die Kernkräfte wirken noch zwischen den Nukleonen an den beiden gegenüberliegenden Enden des verlängerten Kerns, aber nicht mehr so stark. Gleichzeitig stoßen sich die beiden Teile durch elektrostatische Kräfte zwischen den Protonen ab, und der Kern spaltet sich in zwei Fragmente.

Das Bild veranschaulicht ein Beispiel für eine Kernspaltung. Das Sternchen zeigt an, dass sich der Urankern in einem angeregten Zustand befindet, d.h. er besitzt einen Energieüberschuss, der es dem Kern nicht erlaubt, stabil zu sein.

Die bei der Spaltung von ²³⁵U freigesetzte Energie beträgt etwa 200 MeV. Diese Energie ist die kinetische Energie der Spaltprodukte (etwa 167 MeV), der Neutronen (etwa 5 MeV), und etwa 17 MeV werden bei den Betazerfällen freigesetzt (durchschnittlich 3 Zerfälle pro Fragment). Die verbleibenden 7 MeV werden als Gammastrahlung emittiert.

Denken Sie daran, dass die Verbrennung eines einzelnen Kohlenstoffatoms nur etwa 4 eV Energie freisetzt – etwa 50 Millionen Mal weniger! Die pro Molekül freigesetzte Energie bei der TNT-Explosion ist im Vergleich ebenfalls sehr gering: etwa 18 Millionen Mal kleiner.

Wir haben gelernt, dass bei einer typischen Spaltungsreaktion von ²³⁵U etwa 2 Neutronen produziert werden.

Wenn diese 2 Neutronen dann von zwei anderen ²³⁵U-Kernen absorbiert werden, führen sie zu Spaltungen mit je 2 Neutronen wie zuvor. Das ergibt uns 4 Neutronen. Diese vier Neutronen können vier neue Spaltungsprozesse auslösen, wodurch acht Neutronen entstehen. Die Anzahl der im System erzeugten Neutronen nimmt geometrisch zu, was als Kettenreaktion bezeichnet wird.

Nicht nur die Anzahl der Neutronen steigt schnell an – auch die freigesetzte Energie wächst in einem enormen Tempo. Wenn jeder Kern in 1 g ²³⁵U gespalten wird, beträgt die freigesetzte Energie 6,023 × 10²³/235 × 200 MeV = 5,125 × 10²³ MeV = 8,2 ×10¹⁰ J. Das ist die Energie einer Masse von 1000 Tonnen, die aus einer Höhe von 8,2 Kilometern auf die Erde fällt!

Die Anzahl der einzelnen Spaltungen in einer Kettenreaktion ist proportional zur Anzahl der spaltbaren Kerne im Material. Durch Spaltung erzeugte Neutronen können eine weitere Spaltung einleiten, wenn sie von einem spaltbaren Kern absorbiert werden. Aber Spaltungsneutronen können von anderen Kernarten absorbiert werden oder sogar aus dem Material entweichen. Daher ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine Spaltung stattfindet, kleiner als 1. Es gibt jedoch einige Möglichkeiten, diese Wahrscheinlichkeit zu erhöhen.

Bei der Spaltung freigesetzte Neutronen haben etwa 1-2 MeV Energie. Solche schnellen Neutronen haben eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit, eine Spaltung von ²³⁵U zu verursachen, sodass diese Neutronen an vielen, vielen Kernen vorbeigehen, bevor sie von einem absorbiert werden und eine Spaltung auslösen. Eine Lösung besteht darin, sie zu verlangsamen, d.h. sicherzustellen, dass sie relativ geringe Energien (ein Bruchteil von 1 eV) haben. Man kann sich die höhere Wahrscheinlichkeit so vorstellen, dass langsame Neutronen länger mit dem Urankern in Kontakt bleiben. Wir nennen solche Neutronen thermische Neutronen, da ihre kinetischen Energien nahe an den kinetischen Energien der Moleküle in der uns umgebenden Luft liegen. Um Neutronen in einem Spaltungsreaktor zu verlangsamen, füllt man beispielsweise die Hohlräume zwischen dem spaltbaren Material mit einem sogenannten Moderator, zum Beispiel Wasser oder Graphit.

Eine weitere Methode zur Erhöhung der Wahrscheinlichkeit des Neutroneneinfangs besteht darin, das spaltbare Material mit einem Neutronenreflektor zu umgeben, der die Neutronen zurückstreut, um die Anzahl der Kollisionen zu erhöhen. Insbesondere Beryllium, Graphit und Stahl sind gebräuchliche Reflektormaterialien.

Außerdem werden manche Neutronen auf Kerne treffen, die Neutronen absorbieren. Im Fall thermischer Neutronen gehören dazu Kerne von Bor, Cadmium und Gadolinium als effiziente Absorbenten. Schnelle Neutronen werden stark vom häufigsten Isotop im natürlichen Uran, ²³⁸U, absorbiert und erzeugen spaltbares ²³⁹Pu und ²⁴⁰Pu. Daher muss man die chemische und isotopische Zusammensetzung eines Materials kennen, in dem wir eine Kettenreaktion erwarten. In der nächsten Sektion, die den Kernreaktoren gewidmet ist, werden wir mehr darüber erfahren.