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Definition: ein nuklearer Prozess, bei dem ein Atomkern in zwei oder mehr Bruchstücke gespalten wird
Ein Atomkern ist ein extrem kompaktes Gebilde, das jeweils im Zentrum eines Atoms liegt und weitaus kleiner ist als dieses. Unter bestimmten Umständen kann ein Atomkern gespalten werden, d. h. in zwei (oder manchmal auch mehr) Bruchstücke zerfallen. Dieser Prozess heißt Kernspaltung. (Der ältere Begriff “Atomspaltung” ist weniger genau.) Außer den größeren Bruchstücken werden häufig noch einzelne Kernbausteine (Elementarteilchen) frei, insbesondere Neutronen.
Manche sehr schwere Atomkerne wie z. B. die des Urans können sich spontan spalten, d. h. ohne äußere Ursache. Die starke Abstoßung all der Protonen in einem solchen Atomkern macht diesen auf Dauer instabil, und die spontane Spaltung ist eine Spielart des radioaktiven Zerfalls. Allerdings kann es sehr lange dauern, bis die spontane Spaltung tatsächlich stattfindet. Deshalb existiert auf der Erde Milliarden von Jahren nach ihrer Entstehung immer noch ein wesentlicher Teil des ursprünglich vorhandenen Urans.
Eine Kernspaltung kann aber auch durch Beschuss mit nuklearen Teilchen ausgelöst werden. Bei Atomkernen wie denen von Uran 235 (235U) oder Plutonium 239 genügt der Beschuss mit relativ langsamen (thermischen) Neutronen. Man spricht hier von einer induzierten Spaltung. Diese ist entscheidend für die Möglichkeit einer Kettenreaktion (siehe unten).
Die Kernspaltung setzt sehr viel Energie frei, da die Bruchstücke alle positiv elektrisch geladen sind und sich stark voneinander abstoßen, so dass sie mit großer Geschwindigkeit davon fliegen. Ihre Energie überträgt sich auf das umgebende Material, wenn sie mit anderen Atomen kollidieren. Letztendlich wird das Material aufgeheizt, d. h. es entsteht Wärme.
Bei der Uranspaltung wird pro Urankern eine Energie von rund 200 MeV (Megaelektronenvolt) frei – also millionenfach mehr als die wenigen Elektronenvolt pro Molekül bei typischen chemischen Reaktionen. Deswegen kann ein Kernreaktor mit einer relativ geringen Menge von Kernbrennstoff große Mengen an Wärme erzeugen. Es genügt 1 kg des spaltbaren Uran 235 (235U), um ca. 2400 Megawattstunden = 2,4 Millionen Kilowattstunden Wärme zu erzeugen – gleich viel wie die Verbrennung von ca. 3000 Tonnen Steinkohle.
Urankerne zerfallen bei ihrer Spaltung meist in zwei etwa gleich große Bruchstücke und zusätzlich zwei bis drei Neutronen. (Ähnliches gilt für Kerne von Plutonium 239.) Da solche Neutronen wiederum die Spaltung anderer Urankerne auslösen können (siehe oben), besteht die Möglichkeit einer Kettenreaktion, bei der viele Spaltungsprozesse durch andere Spaltungen ausgelöst werden.
Wenn im Durchschnitt pro Spaltung durch die freigesetzten Neutronen mehr als eine weitere Spaltung ausgelöst wird, kann die freigesetzte Leistung in kürzester Zeit (innerhalb von Mikrosekunden) enorm ansteigen. Eine solche extrem anschwellende Kettenreaktion ist die Grundlage bestimmter Atombomben (Nuklearwaffen), insbesondere der Uran- und Plutoniumbomben. Voraussetzung hierfür ist, dass die sogenannte kritische Masse des spaltbaren Materials erreicht ist: Die spaltbaren Atomkerne müssen so dicht beieinander liegen, dass genügend viele der freigesetzten Neutronen auf weitere spaltbare Kerne treffen, anstatt einfach nach außen zu entweichen.
Es ist technisch nicht einfach, eine Kettenreaktion so auszulösen, dass ein erheblicher Teil des spaltbaren Materials tatsächlich gespalten wird, bevor die Explosion (das Auseinanderfliegen der Teile aufgrund der Energiefreisetzung) die Kettenreaktion zum Erliegen bringt. Mit zunehmendem Abstand der Atomkerne sinkt nämlich die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutron eine weitere Spaltung auslöst. Dieses Problem der vorzeitigen Unterbrechung der Kettenreaktion ist lösbar mit bestimmten Techniken, insbesondere mit der Geschütz-Methode und der Implosions-Methode, die aber ein erhebliches technisches Know-How voraussetzen.
In Kernreaktoren wird eine nukleare Kettenreaktion so kontrolliert, dass die Rate der Spaltungen und damit die freigesetzte Wärmeleistung für lange Zeit auf einem etwa konstanten Niveau bleibt, anstatt massiv anzusteigen. Dies ist möglich, indem die Neutronenbilanz bei einem zu starken Ansteigen der Leistung automatisch sofort entsprechend beeinflusst wird. Typischerweise werden hierzu Regelstäbe aus einem stark neutronenabsorbierenden Material stärker in den Kernreaktor hineingefahren. Es ist zunächst erstaunlich, dass durch das (relativ langsame) Bewegen schwerer Stäbe eine solche Kettenreaktion ausreichend schnell gesteuert werden kann. Dies ist dadurch möglich, dass die Spaltprodukte einen gewissen Anteil von Neutronen beitragen, die mit deutlicher Verzögerung entstehen. Ohne diese verzögerten Neutronen wäre der Reaktor ganz knapp unterkritisch; die Kritikalität wird also nur durch die verzögerten Neutronen erreicht. Das Ansteigen der Leistung ist dann genügend langsam, um ggf. durch Bewegung von Regelstäben gestoppt werden zu können.
Die Spaltprodukte von Uran (oder auch Plutonium) weisen einen gewissen Überschuss von Neutronen auf, da die schweren (spaltbaren) Kerne einen größeren Anteil von Neutronen als die mittelschweren stabilen Kerne haben. Dieser Neutronenüberschuss macht die Spaltprodukte größtenteils instabil, d. h. sie zerfallen radioaktiv, insbesondere durch Abgabe von Neutronen (dies sind die oben erwähnten verzögerten Neutronen) und durch Betastrahlung (β-Strahlung). Ebenfalls entsteht Gammastrahlung (γ-Strahlung). Diese Radioaktivität der Spaltprodukte ist weitaus stärker als die des ursprünglich eingesetzten Kernbrennstoffs (z. B. Uran), da ihre Halbwertszeiten weitaus kürzer sind. Dies führt auch dazu, dass die anfangs extrem starke Strahlung der Spaltprodukte entsprechend schneller abnimmt. Innerhalb einiger Jahrhunderte verschwindet diese Strahlung, während das Uran für Milliarden von Jahren strahlt.
Als Folge ihrer starken Radioaktivität entwickeln die Spaltprodukte viel Wärme; sie stellen also den stark wärmeentwickelnden hochradioaktiven Atommüll aus Kernkraftwerken dar. Für viele Jahre nach der Entfernung aus dem Reaktor ist die Wärmeentwicklung so stark, dass eine effektive Kühlung gewährleistet sein muss, um eine übermäßige Erhitzung und damit die Freisetzung des gefährlichen Materials zu vermeiden.
Die Kettenreaktion in einem Kernreaktor kann mit den Regelstäben sehr schnell gestoppt werden. Jedoch erzeugen die Spaltprodukte dann immer noch eine Wärmeleistung, die für einige Zeit mehreren Prozent der Reaktorleistung im Betrieb entspricht und nicht gestoppt werden kann. Diese Nachwärme muss unbedingt aus dem Reaktor abgeführt werden, um eine katastrophale Kernschmelze zu vermeiden. Außer bei relativ kleinen Reaktoren ist hierzu ein funktionsfähiges aktives Kühlsystem nötig.
Die bei der Kernspaltung freiwerdenden Neutronen lösen auch andere, teilweise unerwünschte Prozesse aus, insbesondere die Bildung von noch schwereren Kernen ausgehend vom Uran 235 und vor allem auch Uran 238. Hierdurch entsteht (teils wieder spaltbares) Plutonium wie auch eine Anzahl anderer Transurane wie z. B. Neptunium und Americium. Diese sind wesentlich langlebiger als die Spaltprodukte, strahlen also zunächst viel weniger stark als diese, dafür aber für hunderttausende von Jahren. Sie verursachen damit das Langzeitproblem der Lagerung von Atommüll.