Kernspaltung

Das schwerste natürliche Element ist Uran. Im Jahr 1938 wollten die Physiker Otto Hahn und Fritz Strassmann auf künstlichem Weg schwerere Kerne erzeugen, so genannte Transurane. Dazu bestrahlten sie Uran mit Neutronen. Zu ihrer Überraschung entstanden dabei neue Elemente mit mittelschweren Kernen. Was war passiert? Hahn's Mitarbeiter Lise Meitner und Otto Frisch lieferten 1939 die richtige Erklärung: Durch den Neutronenbeschuss waren die Urankerne in zwei Teile zerfallen. Die Kernspaltung war entdeckt!

Es gibt viele Möglichkeiten, welche Tochterkerne beim Zerfall des Urankerns entstehen, unter anderem die „Tschernobyl-Isotope“ Cäsium-137 und Iod-131.

Trifft ein Neutron zum Beispiel auf U-235, wird der Kern instabil. Er beginnt zu schwingen und zerfällt in zwei mittelschwere Kerne. Schwere Atomkerne besitzen überproportional viele Neutronen, die als zusätzlicher „Kitt„ wirken. Für die leichteren Tochterkerne werden nicht alle Neutronen benötigt. Deshalb werden bei der Kernspaltung auch immer Neutronen frei, die weitere Kerne spalten können. Man spricht von einer Kettenreaktion.

Beim Zerfall der Atomkerne wird Energie frei. Warum? Weil die Nukleonen in den Tochterkernen stärker gebunden sind. Das führt zu einem zusätzlichen Massendefekt und somit zur Freisetzung von Energie. Der „Brennwert“ von Uran ist unglaublich hoch, wenn man ihn etwa mit Erdöl vergleicht. Woran liegt das?

Die Tochterkerne von Uran sind stärker gebunden (z. B. Rubidium und Cäsium).

Ganz allgemein gilt: Wenn nach einem Ereignis die beteiligten Teilchen (etwa Elektronen, Atome oder Nu-kleonen) stärker gebunden sind, wird Energie frei. Bei chemischen Vorgängen, etwa dem Verbrennen von Öl, spielen die Bindungen zwischen den Atomen eine Rolle. Diese beruhen auf der elektrostatischen Kraft. Bei der Kernspaltung spielt aber die Kernkraft eine Rolle. Diese ist wesentlich stärker und somit ist auch die freiwerdende Energie größer. Der große „Brennwert„ von Uran ist also eine direkte Folge davon, dass die Kernkraft so stark ist.

In obiger (Abb.) ist dargestellt, wie nach jedem Spaltvorgang zwei Neutronen wiederum eine neue Kernspaltung hervorrufen. Diese Kettenreaktion hat also einen Multiplikationsfaktor k von 2. Ist k größer als 1, so kommt es immer zu einer lawinenartigen Reaktion. Solche laufen gewollt in Kernwaffen ab und ungewollt bei Reaktorkatastrophen. Damit ein Reaktor stabil läuft, muss die nutzbare Neutronenzahl vor und nach der Spaltung gleich groß sein (k = 1). Das kann durch geeignete Dimensionierung des Reaktors und durch die Regelstäbe erreicht werden.