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Kernspaltung

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Definition: ein nuklearer Prozess, bei dem ein Atomkern in zwei oder mehr Bruchstücke gespalten wird

Englisch: nuclear fission

Kategorien: Grundbegriffe, Kernenergie, physikalische Grundlagen

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 21.02.2011; letzte Änderung: 19.11.2016

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 schwerer Atomkern (etwa von Uran) gespalten werden, d. h. in zwei (oder manchmal auch mehr) Bruchstücke zerfallen. Dieser Prozess heißt Kernspaltung. (Der ältere Begriff “Atomspaltung” ist weniger genau, besser wäre Atomkernspaltung.) Außer den größeren Bruchstücken werden häufig noch einzelne Kernbausteine (Elementarteilchen) frei, insbesondere Neutronen.

Ursachen für die Kernspaltung

Die Kernspaltung kann entweder spontan auftreten oder durch Bestrahlung ausgelöst werden.

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, d. h. die Halbwertszeit ist sehr lang. 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. Man spricht hier von einer induzierten Spaltung. Bei Atomkernen wie denen von Uran 235 (235U) oder Plutonium 239 genügt der Beschuss mit relativ langsamen (thermischen) Neutronen. Diese ist entscheidend für die Möglichkeit einer Kettenreaktion (siehe unten).

Energiefreisetzung

Die Kernspaltung setzt sehr viel Energie frei, da die Bruchstücke positiv elektrisch geladen sind und sich stark voneinander abstoßen, sodass 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. Diese kann beispielsweise in einem Kernkraftwerk zur Erzeugung von Wasserdampf und schließlich von elektrischer Energie genutzt werden.

Die Kernspaltung setzt enorm viel Energie frei.

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 (etwa bei einer Verbrennung). 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.

Ein Kilogramm Natururan enthält nur ca. 0.7 % des spaltbaren Uran 235. Wenn in einem Kernkraftwerk nur dieses genutzt wird – und auch das nur unvollständig –, wird eine entsprechend geringere Energiemenge frei. Mit sogenannten schnellen Brutreaktoren in Kombination mit Wiederaufarbeitung könnte man im Prinzip auch das überwiegend vorkommende Uran 238 spalten und erhielte dann pro Kilogramm ähnlich viel Energie wie oben für Uran 235 genannt; das hat sich bislang aber als nicht praktikabel erwiesen.

Mit Kernfusion, also der Verschmelzung ganz leichter Atomkerne zu schwereren, ließen sich pro Kilogramm noch erheblich größere Energiemengen gewinnen, was aber technisch extrem schwierig zu bewerkstelligen ist.

Nukleare Kettenreaktion in Atombomben und Kernreaktoren

Da Neutronen die Kernspaltung auslösen können und selbst wieder dabei entstehen, ist eine nukleare Kettenreaktion möglich.

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 oder irgendwo ohne Effekt absorbiert zu werden.

Zum Glück ist es keineswegs einfach, eine effektive Atombombe zu bauen.

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. Selbst mit solchen Methoden wird ein erheblicher Teil des spaltbaren Materials nicht umgesetzt.

Ist die Stabilisierung der Kettenreaktion in einem Kernreaktor nicht eine extrem heikle Sache?

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. Hilfreich für die Stabilisierung der Kettenreaktion können auch zusätzliche Effekte sein, beispielsweise ein Abfall der Wirksamkeit eines Moderators (siehe den nächsten Abschnitt) bei ansteigender Temperatur.

Ein Moderator kann die kritische Masse für einen Reaktor stark reduzieren.

In den meisten Kernreaktoren kommt ein sogenannter Moderator zum Einsatz. Dies ist eine Substanz, die die bei der Kernspaltung freigewordenen Neutronen stark abbremst. Damit kann die kritische Masse beispielsweise für einen Uran-Reaktor stark reduziert werden, weil langsame Neutronen die Kernspaltung von Uran 235 sehr viel leichter auslösen können als schnelle. Als Moderator dient beispielsweise leichtes oder schweres Wasser oder manchmal auch Graphit. Sogenannte schweres Wasser (mit Deuterium statt normalem Wasserstoff) ist ein besonders effektiver Moderator und deswegen geeignet für den Bau kleiner Reaktoren beispielsweise für Forschungszwecke.

“Schnelle” Reaktoren benötigen keinen Reaktor und weisen potenziell große Vorteile auf, aber auch schwere Nachteile.

Es gibt aber auch sogenannte “schnelle” Reaktoren, bei denen die Kernspaltung vorwiegend von schnellen Neutronen (also ohne Einsatz eines Moderators) ausgelöst wird. Dieser Aspekt hat weitreichende Auswirkungen auf verschiedenste Aspekte der Reaktorkonstruktion, der Betriebssicherheit, der Brennstoffausnutzung und der Erzeugung nuklearer Abfälle. Nach bisherigen Erfahrungen ist ein störungsfreier Betrieb schneller Reaktoren schwer realisierbar; deswegen konnte sich dieses Konzept bislang nicht durchsetzen. Andererseits würde das Problem nuklearer Abfälle mit solchen Reaktoren massiv reduziert, und die Energieausbeute des Urans würde sehr stark gesteigert.

Die Spaltprodukte

Die Spaltprodukte sind sehr viel stärker radioaktiv als die benutzten Ausgangsstoffe.

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; deswegen handelt es sich um hochgefährliches Material. Dies führt auch dazu, dass die anfangs extrem starke Strahlung der Spaltprodukte entsprechend schneller abnimmt. Innerhalb einiger Jahrhunderte verschwindet der Großteil dieser Strahlung, während das Uran für Milliarden von Jahren strahlt. Ein gewisser Teil der Spaltprodukte ist jedoch recht langlebig; beispielsweise gilt dies für Iod 129, Cäsium 135 und Technetium 99.

Als Folge ihrer starken Radioaktivität entwickeln die Spaltprodukte viel Wärme; sie stellen also die stark wärmeentwickelnden hochradioaktiven Abfälle (des Atommülls) 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 lässt sich schnell stoppen, nicht aber die Nachzerfallswärme.

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; dieses Problem war auch bei der Katastrophe von Fukushima von wesentlicher Bedeutung. Außer bei sehr kleinen Reaktoren ist hierzu ein funktionsfähiges aktives Kühlsystem nötig.

Erbrütete Transurane

Das Erbrüten von Transuranen ist ein Nebeneffekt, der teils erwünscht, teils unerwünscht ist.

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. Andererseits entsteht dadurch, dass das erbrütete Plutonium teilweise wieder gespalten wird, eine etwas höhere Ausnutzung des Uranbrennstoffs. Ein anderer Aspekt ist, dass bei einer Wiederaufarbeitung des abgebrannten Brennstoffs Plutonium gewonnen werden kann, welches auch für Atomwaffen verwendbar ist.

Siehe auch: Kernreaktor, Kernkraftwerk, Kernenergie, Reaktorsicherheit, Kernfusion
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, Kernenergie, physikalische Grundlagen

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