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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 = mc2.

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:

"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."

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

Ernest Rutherford (1871-1937)

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...

Carbon-14 decay

Der Zerfall von 1kg  Carbon-14 über 17190 Jahre hinweg

 

Kernspaltung bei Uran-235

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 108 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:

U-235 to U236

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.

U-236 decay

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 = mc2 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.

Chain reaction

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 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 = mc2
Energie aus dem Kern des Atoms

 

 

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German translation © R Bleckmann