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Schaubilder Kernspaltung

Infotafel 1: Das Prinzip der Kernspaltung	Infotafel 2: Die kontrollierte Kernspaltung
Infotafel 3: Die unkontrollierte Kernspaltung

Bei manchen schweren Atomkernen mit Massen von über 230 u und zumeist gerader Neutronenzahl besteht eine Neigung zum Spontanzerfall im Grundzustand. Stellt man diese Kerne durch Beschuss mit Neutronen aus leichteren Kernen her, so kann es dazu kommen, dass ein solcher Kern direkt nach dem Entstehen zerbricht. Dabei kommt es jedoch sehr auf den Energie-Inhalt des Neutrons an. Ist das Neutron SCHNELL, hat also mehrere MeV Energie-Inhalt, so kommt es zu einer Anlagerung und der neu entstandene Kern emittiert Gamma-Quanten. Damit ist jedoch die Energie des Kerns unter ein Maß für die Spaltung abgesunken, so dass er stabil bleibt. Erfolgt der Beschuss jedoch mit LANGSAMEN (thermischen) Neutronen, deren Energie-Inhalt kleiner als 0,01 MeV ist, so lagert es sich ebenfalls an den Kern an. Nun reicht jedoch der Energie-Inhalt des angeregten Kerns nicht aus, um durch Gamma-Quanten-Abgabe in einen stabileren Grundzustand überzugehen. Ist jetzt der Energie-Inhalt dieses angeregten Kerns größer als ein bestimmter Schwellenwert, so wird für einen sehr kurzen Zeitraum die Bindungsenergie einzelner Nukleonen innerhalb des Kerns überwunden: Der Kern wird instabil und zerbricht schließlich in zwei meist unterschiedlich große Teilstücke neben drei bis sieben Neutronen. Bei der Kernspaltung wird die Differenz der Bindungsenergien in den Tochterkernen zuzüglich der Neutronen zur Summe der Bindungsenergien im Mutterkern als Gammastrahlung freigesetzt. Dies ist eine immense Energiemenge. Die freiwerdenden Neutronen sind zum Teil ebenfalls langsam und somit befähigt, weitere Kerne zu spalten. Ist nun eine gewisse Konzentration an spaltbarer Substanz vorhanden, so tritt eine Kettenreaktion ein. KRITISCHE MASSE: Jeder Kern besitzt einen für ihn typischen Wert des Neutroneneinfangquerschnittes (Sigma) welcher angibt, welche relative Größe ein Kern besitzt, wenn er mit Neutronen beschossen wird. Die Einheit des Wirkungsquerschnitts ist das Barn (=1/10^24 cm, engl. "Scheunentor"). Je kleiner der Wirkungsquerschnitt ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Kern von einem Neutron getroffen wird. Direkt abhängig vom Wirkungsquerschnitt ist also jene Masse an Spaltmaterial, die vorliegen muss um eine spontane Kettenreaktion durch zufällig vorhandene, freie Neutronen auszulösen und ablaufen zu lassen. Diese Masse wird als kritische Masse bezeichnet. Beispiele von Kernen, die Beschuss von langsamen (thermischen) Neutronen gespaltet werden können sind: Uran-233, Uran-235 und Plutonium-239. Sie sind auch die verwendeten Kernbrennstoffe in Atomkraftwerken oder dienen zur Herstellung von nuklearen Waffen. URAN-235 ist im natürlichen Isotopengemisch des Uran zu etwa 0,72% enthalten. In dieser Konzentration ist es jedoch zu stark verdünnt, um als Kernbrennstoff eingesetzt werden zu können. Daher muss es zunächst angereichert werden. Dies geschieht, indem das Uran in leichtflüchtiges Uranhexafluorid (UF6) übergeführt wird. Dieses wird verdampft (Sdp. 56,6°C) und in einer Zentrifuge welche viele Tausend Trennstufen enthält, in einem aufwändigen Prozeß in Fraktionen aufgetrennt. Dabei reichert sich in der innersten Fraktion der Uran-235-Gehalt langsam an - es herrscht ein sehr geringfügiger Dichteunterschied zwischen dem 238-UF6 und 235-UF6, wobei zweiteres etwas leichter ist. Auf diese Art und Weise kann man das Isotop bis auf Gehalte von 20% anreichern. Für die Nutzung in einem Kernkraftwerk genügt jedoch zumeist eine Mindestgehalt von 3%. PLUTONIUM-239 erhält man analog dem Uran-233 durch einen Brutprozeß aus Uran-238: Natururan wird in einen Bereich hohen Neutronenflusses in einem Kernreaktor eingebracht. Durch Neutroneneinfang bildet sich zunächst Uran-239, welches dann durch Betazerfall zunächst in Neptunium-239 und schließlich in Plutonium-239 übergeführt wird. Es ist der effizienteste Kernbrennstoff der drei Genannten. URAN-233 erhält man dabei durch Kernumwandlung des Thorium-232, welches in der Natur weit verbreitet vorkommt. Dabei wird Th-232 mit schnellen Neutronen beschossen, wobei Thorium-233 entsteht. Dies wandelt sich dann durch Beta-Zerfall zunächst in Protactinium-233 um, welches durch weiteren Beta-Zerfall schließlich in Uran-233 übergeht. Die Darstellung ist also analog dem Plutonium-239 aus Uran-238. Die kritische Masse von Plutonium-239 liegt bei 5 kg, jene von Uran-235 bei etwa 25 kg und die des Uran-233 bei 30-40 kg.