Kernspaltung

mini|240px|Vereinfachte Animation einer neutroneninduzierten Kernspaltung nach dem Tröpfchenmodell mit drei freiwerdenden Neutronen; die pro Spaltung durchschnittlich freigesetzten Neutronen, , für spaltbare Nuklide, sind statistisch verteilt, z. B. sind es bei 235U etwa 2,407 ± 0,005. Einige Spaltfragmente setzen sogenannte verzögerte Neutronen frei, die für den stabilen Betrieb eines Kernreaktors wesentlich sind. mini|240px|Beispiel für eine neutroneninduzierte Kernspaltung von Uran-235. Die freiwerdenden (etwa) 200 MeV liegen als kinetische Energie der Spaltprodukte (hier Ba und Kr) vor.

Kernspaltung (; ) bezeichnet Vorgänge in der Kernphysik, bei denen ein Atomkern unter Energiefreisetzung in zwei oder mehr kleinere Spaltprodukte zerlegt wird. Typisch ist, dass bei der Spaltung Neutronen emittiert werden.

Seltener wird die Kernspaltung auch als Kernfission bezeichnet. Die Kernspaltung ist nicht zu verwechseln mit der Kernfusion, der Verschmelzung zweier Atomkerne – diese stellt die wesentliche Energiequelle der Sterne und auch unserer Sonne dar.

Die Anwendung der Kernspaltungsreaktion hat seit ihrer Entdeckung bzw. dem Nachweis der Kernspaltung im Dezember 1938 durch die zivile Nutzung (Kernenergie) und die militärische Nutzung (Kernwaffen) große Bedeutung erlangt. Sie hatte signifikanten Einfluss auf die Entwicklungen des Atomzeitalters, jedoch wurde die Radioaktivität bereits Jahrzehnte zuvor erforscht.

Theoretische Modelle

Deutung mittels Tröpfchenmodell (Bohr-Wheeler)

Kernspaltung wird nur bei genügend schweren Nukliden beobachtet, von Thorium-232 aufwärts. Genauer ist Kernspaltung zunächst bei den spaltbaren Nukliden Uran-233, Uran-235, Plutonium-239 und Plutonium-241 mittels langsamen Neutronen möglich. Die Kerne spalten sich in zwei (weniger in drei) leichtere Produkte (Fragmente), siehe die nebenstehende Abbildung. Dieser Prozess ist verbunden mit der Freisetzung von Bindungsenergie.

Anschaulich und auch theoretisch lässt sich die Kernspaltung nach dem Tröpfchenmodell durch Schwingung und Zerreißen des Kerns verstehen: Die animierte Großansicht des obigen Bildes zeigt, wie der Kern (rot) von einem Neutron (blau) getroffen wird, sich in die Länge dehnt und in der Mitte einschnürt. Die lange Reichweite der gegenseitigen elektrischen Abstoßung der Protonen überwiegt dann die anziehende Kernkraft (siehe Atomkern) mit ihrer kurzen Reichweite und treibt die beiden Enden auseinander, so dass der Kern in zwei (oder selten in drei) Bruchstücke – hoch angeregte mittelschwere Kerne – zerfällt. Durch die Änderung der Bindungsenergie nimmt die Gesamtmasse entsprechend ab (Massendefekt). Außer den Bruchstück-Kernen (Spaltfragmenten) werden meist einige einzelne Neutronen freigesetzt, typischerweise zwei oder, wie in der Animation, drei.

Das Energiespektrum dieser Neutronen hat die Form einer Maxwell-Verteilung, ist also kontinuierlich und reicht bis etwa 15 MeV hinauf. Die in der Boltzmann-Statistik maßgebliche absolute Temperatur hat hier allerdings kaum physikalische Bedeutung, sondern wird als freier Parameter behandelt, um die Kurve an die gemessene Form des Spektrums anzupassen. Die mittlere Neutronenenergie liegt bei etwa 2 MeV. Sie hängt etwas vom gespaltenenDer Fachausdruck der Physik und Kerntechnik lautet 'gespalten', nicht 'gespaltet' Nuklid und im Fall der neutroneninduzierten Spaltung (s. unten) auch von der der Energie des spaltenden Neutrons ab. Wegen der Asymmetrie der Maxwell-Verteilungskurve ist die mittlere Energie verschieden von der wahrscheinlichsten Energie, dem Maximum der Kurve; diese liegt bei etwa 0,7 MeV.A. Ziegler, H.-J. Allelein (Hrsg.): Reaktortechnik – Physikalisch-technische Grundlagen. 2. Aufl., Springer-Vieweg 2013, ISBN 978-3-642-33845-8, Seite 54

Etwa 99 % der Neutronen werden als prompte Neutronen direkt bei der Spaltung innerhalb etwa 10−14 Sekunden emittiert. Der Rest, die verzögerten Neutronen, wird Millisekunden bis Minuten später aus einigen Spaltfragmenten freigesetzt.

Andere Modelle und Weiterentwicklungen Die Bohr-Wheeler Theorie war 1939 die erste quantitative Beschreibung der Kernspaltung mittels Tröpfchenmodell. Ein vereinfachter Ansatz zum sphärischen Tröpfchenmodell des Atomkerns wurde im gleichen Jahr auch von Eugene Feenberg gemacht. Sie wurde im Verlauf der letzten Jahrzehnte weiterentwickelt. Neben dieser Theorie gibt es auch einen statistischen Ansatz.

Das Tröpfchenmodell wurde ebenso erweitert und berücksichtigt heutzutage neben makroskopischen auch mikroskopische Anteile. Fission wird heutzutage durch eine mean-field Ansatz modelliert. Eine genauere Beschreibung lautet wie folgt (übersetzt):

Die Kernkräfte werden mittels der Quantenchromodynamik (QCD) erfasst.

Spontanspaltung

Einige Atomkernarten (Nuklide) spalten sich ohne äußere Einwirkung. Diese spontane Spaltung ist eine Art des radioaktiven Zerfalls. Sie lässt sich quantenmechanisch ähnlich dem Alpha-Zerfall durch den Tunneleffekt erklären. Auch natürlich vorkommende schwere Atomkerne wie 232Th, 235U, vor allem aber 238U sind zur Spontanspaltung in der Lage.arpansa.gov.au Allerdings ist der Alphazerfall in diesen Nukliden um Größenordnungen wahrscheinlicher. Akademische Relevanz hat dieser Vorgang insofern als er – entweder direkt oder durch die entstehende Neutronenstrahlung – die Quelle des nicht-anthropogenen Technetiumsazom.com sowie 239Pu auf Erden ist.

Praktische Anwendung findet die Spontanspaltung als Quelle freier Neutronen. Hierfür wird meist das Californium-Isotop verwendet.

Induzierte Kernspaltungen

Neutroneninduzierte Kernspaltung Große technische Bedeutung hat die neutroneninduzierte Kernspaltung. Sie ist eine eigenständige Kernreaktion. Dabei kommt ein freies Neutron einem Atomkern so nahe, dass es von ihm absorbiert werden kann. Der Kern gewinnt dadurch die Bindungsenergie und eventuelle kinetische Energie dieses Neutrons, befindet sich dadurch in einem angeregten Zustand, welcher zur Spaltung führen kann. Da es sich um ein statistisches Ereignis handelt, sind statt der Spaltung auch andere Abläufe möglich, beispielsweise der Neutroneneinfang. Dabei regt sich der angeregte Atomkern durch Emission eines oder mehrerer Gammaquanten ab und geht in seinen Grundzustand über.

Die neutroneninduzierte Spaltung ist grundsätzlich – mit kleinerem oder größerem Wirkungsquerschnitt – bei allen Elementen mit Ordnungszahlen Z ab 90 (Thorium) möglich und bei vielen ihrer Isotope beobachtet worden.J. Magill, G. Pfennig, R. Dreher, Z. Sóti: Karlsruher Nuklidkarte. 8. Auflage. Nucleonica GmbH, Eggenstein-Leopoldshafen 2012, ISBN 92-79-02431-0 (Wandkarte), ISBN 978-3-00-038392-2 (Faltkarte), ISBN 92-79-02175-3 (Begleitbroschüre).

Andere Arten der Kernspaltung Der Stoß eines energiereichen Gammaquants (im MeV-Energiebereich) kann zur Spaltung eines schweren Kerns führen (photoinduzierte-Kernspaltung).Bernard Leonard Cohen: Concepts of Nuclear Physics. McGraw-Hill, New York 1971, ISBN 0-07-011556-7, S. 265 Diese ist vom Kernphotoeffekt zu unterscheiden, bei dem sich nur ein Neutron, ein Proton oder ein Alphateilchen aus dem Kern löst, dieser aber nicht gespalten wird. Auch der Stoß eines geladenen Teilchens kann zur Kernspaltung führen, wenn er eine genügend hohe Energie auf den Kern überträgt. Beispielsweise wurden Proton- und Myon-induzierte Spaltvorgänge beobachtet.Cyriel Wagemans (Hrsg.): The nuclear Fission Process. CRC Press 1991, ISBN 0-8493-5434-X, Seite 219 Auch ein Compoundkern mit sehr großem Kernspin, wie er in Schwerionen-Reaktionen entstehen kann, kann seine Anregungsenergie durch Spaltung abbauen.

Technische Anwendungen (im Sinne der Nutzung der Kernenergie) haben diese Spaltvorgänge nicht, da diese Kernspaltungen entweder endotherm ablaufen oder nicht die benötigten Neutronen freisetzen, welche zur Aufrechterhaltung einer Kettenreaktion notwendig sind.

Spaltfragmente

Die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen bleibt bei jeder Kernspaltung erhalten. Der bei weitem häufigste Fall ist die Spaltung in nur zwei neue Kerne (Spaltfragmente); nur in wenigen Promille aller Spaltungen entsteht noch ein drittes Fragment (ternäre Spaltung) mit meist sehr kleiner Massenzahl bis maximal etwa 30.

Bei zwei Spaltfragmenten sind viele verschiedene Nuklidpaare möglich. Meist entsteht ein leichteres (Massenzahl um 90) und ein schwereres Spaltfragment (Massenzahl um 140). Die Häufigkeitsverteilung (die Ausbeute aufgetragen als Funktion der Massenzahl des Spaltfragments) hat deshalb zwei Maxima.

Als Beispiel seien zwei Möglichkeiten der Spaltung von Plutonium-239 nach Absorption eines Neutrons (n) genannt:

mini|Spaltung durch thermische Neutronen: Schematische Häufigkeit der Spaltfragmente („Spaltausbeuten“) als Funktion der Spaltprodukt-Massenzahl A (waagerecht). Da bei jeder Spaltung 2 Fragmente entstehen, ist die Summe aller Spaltausbeuten 200 %.

Die Spaltfragmente sind mittelschwere Nuklide mit einem relativ hohen Neutronenanteil. Diesen Neutronenüberschuss haben sie vom Ursprungskern übernommen. Sie sind daher instabil und geben zunächst in einigen Fällen weitere Neutronen ab. Auch diese verzögerten Neutronen können weitere Kernspaltungen auslösen; sie sind für die Regelbarkeit von Kernreaktoren bedeutsam.

Die danach noch immer instabilen Spaltprodukte bauen ihren Neutronenüberschuss durch aufeinander folgende Beta-minus-Zerfälle weiter ab. Da beim Betazerfall die Massenzahl des Atomkerns unverändert bleibt, bilden die Nuklide, die so aus einem gegebenen Spaltfragmentkern nacheinander entstehen, eine Isobarenkette; sie sind also Atomkerne verschiedener chemischer Elemente, aber gleichbleibender Massenzahl. Diese Umwandlungskette endet, wenn ein stabiles Nuklid entstanden ist. Die Halbwertszeiten sind am Anfang der Kette kurz, können aber für die letzten Zerfälle viele Jahre betragen. Genaue Zahlenwerte für die Häufigkeit der verschiedenen Isobarenketten, abhängig vom gespaltenen Nuklid und von der Energie des spaltenden Neutrons, finden sich in der Literatur.

Energiefreisetzung und Energiebilanz Energiefreisetzung mini|hochkant=2|Mittlere Atomkernbindungsenergie pro Nukleon in Abhängigkeit von der Anzahl der Nukleonen im Atomkern für alle bekannten Nuklide nach AME2016

Die beiden Spaltprodukte weisen zusammen einen höheren Massendefekt auf als der schwere Ausgangskern. Wegen der Äquivalenz von Masse und Energie wird diese Differenz der Massendefekte als Energie frei. In der folgenden Erklärung wird zur Vereinfachung angenommen, dass ein 235U-Kern ein Neutron aufnimmt und dann in zwei gleiche Bruchstücke der Massenzahl 118 zerfällt (bei tatsächlich ablaufenden Kernspaltungen sind die entstehenden Kerne meist verschieden schwer, und es bleiben einige einzelne Neutronen übrig). Zur Berechnung werden mittlere Werte der Bindungsenergie pro Nukleon aus der Grafik verwendet. Die Energie wird in der Einheit Megaelektronenvolt (MeV) angegeben.

Vereinfachend werden zunächst rechnerisch 235 einzelne Nukleonen (92 Protonen und 143 Neutronen) sowie das eingefangene Neutron zu einem Kern zusammengesetzt. Bei diesem Vorgang würde Energie freigesetzt werden. Um umgekehrt einen 235U-Kern vollständig in seine Nukleonen aufzuteilen, ist dieser Energiebetrag nötig. Wird ein Bruchstück zusammengesetzt, erhielte man . Bei der Spaltung eines 235U-Kerns in zwei gleich große Teile muss also die Energiedifferenz frei werden. Der größte Teil dieser Energie wird (durch die elektrostatische Abstoßung) in kinetische Energie der Fragmente umgewandelt. Diese Bruchstücke und die frei gewordenen Neutronen fliegen mit sehr hoher Geschwindigkeit auseinander. Im umliegenden Material werden die Bruchstücke abgebremst und erzeugen dabei „Reibungswärme“, genauer: sie übertragen ihre Bewegungsenergie in einzelnen Stößen ungeordnet nach und nach auf viele Atome des umgebenden Materials, bis sie auf die Geschwindigkeit abgebremst sind, die der Materialtemperatur entspricht.

Energiebilanz