Einleitung
Eine Kernspaltung findet statt wenn ein schwerer Atomkern, wie z.B. ein Urankern, unter Freisetzung von Energie in
zwei oder mehrere Teile zerfällt. Durch diesen Prozess wird ein Teil der ursprünglichen Masse in Energie
umgewandelt, - in Übereinstimmung mit der Gleichung E = mc
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.
Die Idee, das es vielleicht einen Weg geben könnte die Energie welche in einem Atom eingeschlossen ist,
freizusetzen benötigte Zeit bis sie akzeptiert wurde. Einstein selbst war der Meinung das dieses niemals geschehen
würde und der bedeutende Atomphysiker und Entdecker des Atomkernes, Ernest Rutherford, sagte in einer Rede in
England im Jahre 1933:
Fission
Jedoch, innerhalb von nur 10 Jahren wurde der erste Kernreaktor der Welt gebaut und Mitte der 1950er Jahre
begannen Kernkraftwerke damit Elektrizität für die industrielle und häusliche Nutzung zu liefern.
Die Kernspaltung ist mit vielen verschiedenen sogenannten schweren Elementen machbar, aber diese Seite befasst
sich ausschließlich mit Uran als Beispiel. Wir beginnen damit zu erklären wie die Spaltung stattfindet und danach
sehen wir uns einige Beispiele für die Anwendung an
"Die Energie welche beim Spalten eines Atoms freigesetzt wird ist eher armselig! Jedermann der sich
aus dieser Umwandlung der Atome eine Energiequelle verspricht redet Blödsinn."
Ernest Rutherford (1871-1937)
Der Entdecker des Atomkerns.
Isotope und Halbwertzeit
Von anderen Seiten dieser Serie wissen wir das ein Element bestimmt wird durch die Anzahl der Protonen in seinem
Kern. Kohlenstoff enthält in seinem Kern 6 Protonen, aber es kann durchaus eine unterschiedliche Anzahl von
Neutronen besitzen. Wenn wir die Anzahl der Protonen und der Neutronen addieren erhalten wir die die Isotope, z.B.
Carbon-11 oder Carbon-14 (Carbon = Kohlenstoff). Jedoch auf jeden Fall hat Kohlenstoff immer exakt 6 Protonen.
Ebenso wie unterschiedliche Kohlenstoffisotope gibt es es auch unterschiedliche Isotope des Urans. Die am
häufigsten vorkommenden Uran-Isotope sind Uran-238 (99,3%) und Uran-235 (0,7%) In beiden Fällen haben wir 92
Protonen im Kern und das Gros des Isotops besteht aus Neutronen. Uran-238 ist ein sog. stabiles Isotop, das
bedeutet das ein radioaktiver Zerfall nur sehr selten stattfindet. Uran-235 zählt ebenso zu den stabilen Isotopen,
jedoch kommt es hierbei etwas regelmäßiger zu einem radioaktiven Zerfall.
Alle Atome zerfallen. Manche unglaublich schnell (in weniger als einer Milliardstel Sekunde), andere brauchen sehr,
sehr lange (wohl 1031 Jahre für Wasserstoff). Wir können nicht genau sagen wann ein bestimmtes Atom zerfällt. Wir
können jedoch statistische Methoden benutzen um vorherzusagen wie lange es dauert bis eine bestimmte Menge an
Atomen eines bestimmten Typs zur Hälfte seiner ursprünglichen Menge zerfallen ist. Das ist sie sogenannte
Halbwertzeit eines Elementes.
So hat zum Beispiel Carbon-14 eine Halbwertzeit von 5730 Jahren. Das bedeutet wenn wir einen Kanister voll mit
Carbon-14 hätten und diesen für 5730 Jahre im Regal stehen lassen würden wäre nach dieser Zeit die Hälfte davon in
ein anderes Element (Stickstoff-14) zerfallen. Uns würde also nur noch die Hälfte der ursprünglichen Menge an
Carbon-14 zur Verfügung stehen. Nach weiteren 5730 Jahren hätte sich diese Übrige Menge an Carbon-14 wiederum
halbiert und so weiter und so weiter...
Der Zerfall von 1kg Carbon-14 über 17190 Jahre hinweg
Isotope und Halbwertzeit
Uran-235, obwohl weniger stabil als Uran-238, ist immer noch ein ziemlich stabiles Atom. Wenn man es in Ruhe lässt
beträgt seine Halbwertzeit 7,1 x 10
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Jahre. Jedoch, wenn ein Atom Uran-235 von einem Neutron (Symbol n) getroffen
wird dann verbindet sich dieses Neutron zuerst mit dem Atom und wandelt Uran-235 somit in Uran-236. Dieses ist ein
sehr instabiles Isotop und zerfällt rasch in leichtere Atome und Teilchen. Diesen Vorgang nennt man induzierte
Kernspaltung. Es gibt viele "Kanäle" durch welche Uran235 zerfallen kann. In anderen Worten - es können viele
verschiedene Partikel bei diesem Zerfall entstehen. Wir sehen uns hier den häufigsten Fall an, nämlich den Zerfall von
Uran-235 in Barium, Krypton und drei Neutronen.
Zuerst schießen wir ein Neutron auf das Uran-235 (U-235) Atom so das es sich mit dem Atom verbindet. Binnen
kürzester Frist zerfällt das Uran-235 in ein Atom Barium-141 (Ba-141), ein Atom Krypton-92 (Kr-92) sowie drei
Neutronen. Wir können diesen Vorgang schematisch darstellen. Zuerst trifft das Neutron das Uran-235 Atom um ein
Uran-236 Atom zu bilden:
Im zweiten Schritt zerfällt das neugebildete Uran-236 Atom rasch in ein Atom Barium-141 (Ba-141), ein Atom
Krypton-92 (Kr-92) sowie drei Neutronen.
Die neu entstehenden Atome und Partikel verfügen alle über kinetische Energie. Diese Energie stammt aus der
Umwandlung von einem Teil der ursprünglichen Atommasse in Energie und kann mit Hilfe der Gleichung E = mc
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gemessen werden. Die Energiemenge die typischerweise durch den Zerfall eines U-235 Atoms freigesetzt wird
beträgt ca. 200 MeV (MeV = Megaelektronenvolt), das entspricht 0.00000000003204 Joule. Das, so scheint es, ist
nur eine winzige Menge an Energie. Jedoch ist das immerhin ungefähr eine Million mal mehr Energie als wenn ich ein
Benzinmolekül in einem Motor verbrenne. Angenommen ein Tank Benzin reicht mir ca. eine Woche, aber ich könnte
nun anstelle von Benzin die Zerfallsenergie aus einem Tank U-235 nutzen, - dann bräuchte ich die nächsten 19000
Jahre nicht mehr zu tanken!
Die Kettenreaktion
Wir haben gesehen das wir ein Uran-235 Atom durch Beschuss mit einem Neutron dazu bringen können zu zerfallen.
Bedeutet da nun das wir diese Atome beständig mit Neutronen beschießen müssen um Nutzbare Energie zu
erhalten? Nein - wir lassen einfach das Uran die Arbeit für uns machen. In der vorherigen Sektion haben wir gesehen
das bei einem Zerfall eines Uran-235 Atoms neben Barium und Krypton auch 3 Neutronen freigesetzt wurden. Diese
Neutronen treffen auf andere Uran-235 Atome und regen diese zum Zerfall an, wodurch wiederum je 3 Neutronen
freigesetzt werden. Diesen Vorgang nennt man Kettenreaktion.
Alles was wir tun müssen ist genug Uran-235 zusammenzubringen. In diesem Fall müssen wir noch nicht einmal das
erste "Zündungs-Neutron" liefern. Denn obwohl U-235 eine sehr lange Halbwertzeit hat, - wenn wir genug dieser
Atome auf einem Haufen haben ist die Wahrscheinlichkeit sehr groß das eines dieser Atome spontan zerfällt und
damit die Kettenreaktion in Gang setzt. Dieses wurde erstmalig im Jahre 1942 erreicht, und zwar auf einer
ungenutzten Squash-Anlage in den Kellerräumen des Stagg Field Stadions an der Universität Chicago. Graphitziegel,
welche U-235 enthielten, wurden kistenförmig aufgestapelt und ein einzelner Graphitziegel wurde langsam in den
Hohlraum der "Kiste" eingebracht Dieser einzelne Ziegel war ausreichend um die Kettenreaktion in Gang zu setzen.
Mehr und mehr Neutronen wurden als Ergebnis der Kernspaltung freigesetzt. Wenn wir dieses Experiment aus
heutiger Sicht betrachten ist es absolut unglaublich das es so überhaupt stattfinden durfte. Jedoch, zur damaligen Zeit
wusste man nur wenig über die gesundheitlichen Auswirkungen der Strahlung. Zudem war, mit dem tobenden zweiten
Weltkrieg im Hintergrund, die individuelle Unversehrtheit nur zweitrangig gegenüber der Durchführung von solch
entscheidenden Experimenten. Die damaligen Wissenschaftler unter der Leitung des brillianten Italienischen (später
von den USA eingebürgerten) Physikers Enrico Fermi hatten nicht nur den ersten selbsterhaltenden Kernreaktor
geschaffen, sondern wären - falls der einzelne Graphitziegel in den "Haufen" hineingefallen wäre - auch Zeugen der
ersten unkontrollierbaren atomaren Kernschmelze geworden!
Atombomben
Am Ende des vorherigen Abschnittes steht das Wort "Kernschmelze". Eine Kernschmelze ist nichts anderes als eine
außer Kontrolle geratene Kettenreaktion. Es werden mehr und mehr Neutronen freigesetzt welche mehr und mehr U-
235 Atome treffen und zum Zerfall bringen. Dabei entsteht eine ungeheure Hitze welche alles um das Uran herum
schmelzen lässt. Eine Atombombe kann man sich als eine blitzschnell ablaufende Kernschmelze vorstellen.
Die Idee einer Atombombe ist eigentlich recht einfach. Sorge dafür das große Mengen von U-235 mit hoher
Geschwindigkeit aufeinanderprallen so das eine rasante Kernspaltung eintritt. Dieses kann auf verschiedene Arten
erreicht werden., z.B. indem man eine hochverdichtete Menge U-235 im Zentrum einer konventionellen Explosion
platziert. Dies verursacht eine "Implosion", d.h. das Uran-235 wird schlagartig extrem zusammengepresst bis zu dem
Punkt an dem eine unkontrollierte, rapide Kernspaltung eintritt. Die ungeheure Anzahl der freigesetzten Partikel bahnt
sich Ihren Weg in einer gigantischen Explosion, zusammen mit einer Menge Hitze und Licht, welche ebenso durch
den Zerfallsprozess freigesetzt werden.
Während des Zweiten Weltkrieges waren konventionelle Bomben mit einer Abart des Explosivstoffes TNT
(Trinitotuluol) gefüllt. Das damalige Standardgewicht einer schweren Bombe betrug ca. 450 kg. Die Explosivkraft der
beiden im zweiten Weltkrieg eingesetzten Atombomben entsprach hingegen ca. 20 Kilotonnen (20.000 Tonnen) TNT,
also grob gesagt, 40.000 konventionellen Bomben auf einen Schlag! Es ist ernüchternd wenn man betrachtet das
diese ungeheure Menge an Explosivenergie aus einer Menge an Uran-235 gewonnen wurde, die so gering war das
sie in eine Kaffeetasse gepasst hätte.
Atomkraftwerke
Atomkraftwerke - ebenso wie moderne Atombomben - nutzen Plutonium als Brennstoff. Diese Element ist etwas
schwerer als Uran und wird künstlich hergestellt da es in der Natur nicht in den benötigten Mengen vorhanden ist.
Plutonium wird hergestellt in dem man Uran-238 mit Neutronen beschießt. Auf diese Art und Weise kann man ca.
99,3% des abgebauten Urans zur Energiegewinnung nutzen. Die Umwandlung von Uran in Plutonium wird oft auch
als "brüten" bezeichnet und es werden dafür spezielle Rektoren vom Typ "schneller Brüter" benutzt.
Ein Atomkraftwerk arbeitet vom Prinzip genau so wie jedes andere Kraftwerk auch, nur die Energiequelle ist eine
andere. Im allgemeinen werden Stäbe aus spaltbarem Material (Plutonium) ineinander geschoben bis eine
kontrollierte Kernspaltung und damit auch Hitzeentwicklung eintritt. Diese Hitze wird zur Erzeugung von Dampf
genutzt welcher wiederum Hochdruckturbinen antreibt. Diese Turbinen sind mit den Generatoren verbunden in denen
letztendlich der Strom erzeugt wird.
Elektrizität auf diese Art und Weise zu produzieren ist sehr preiswert. In den 1950er Jahren ging man sogar davon
aus das - sofern man Kernenergie benutzen würde - Elektrizität so billig zu produzieren wäre das man sie umsonst
zur Verfügung stellen könnte! In der Tat ist die eigentliche Produktion von Elektrizität in großem Maßstab durch
Verwendung von Kernenergie entsprechend E = mc
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immer noch preiswert. Jedoch hat sich herausgestellt das
andere Aspekte dieses Unternehmens sehr teuer sind. Atomkraftwerke haben besondere Probleme die andere -
konventionelle - Kraftwerke nicht haben, z. b. extrem hohe Aufwendungen für Sicherheitssysteme oder die
unglaublichen Folgekosten bei der Außerbetriebsetzung eines Atomkraftwerks, um nur einige zu nennen.
Andererseits haben auch die konventionellen Kraftwerke Ihre spezifischen Probleme, z.B. die hohen Werte an
toxischen und ozonzerstörenden Emissionen. Die Diskussion welches nun die beste Energiequelle ist wird sicherlich
noch einige Zeit weitergeführt werden. Bis es soweit ist nutzen die meisten westlichen (und viele der östlichen)
Staaten Atomkraftwerke in denen z. Zt. ca. 20% der gesamten elektrischen Energie produziert werden.
E = mc
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Energie aus dem Kern des Atoms
