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Schule > Physik > Atom- und Kernphysik > Kettenreationen

Kettenreaktionen

Geschichte:
1905 Einstein stellt die Gleichung E=mc² auf
1932 Chadwick gelingt die Erzeugung freier Neutronen:  EINBETTEN Microsoft Equation 3.0
1938 Hahn und Straßmann entdecken, dass ein U-235 Kern durch Beschuss mit langsamen Neutronen in zwei mittelschwere Trümmerkerne und 2 bis 3 Neutronen zerfällt
1942 Fermi gelingt im Rahmen des „Manhattan-Projekts“ die Auslösung der ersten nuklearen Kettenreaktion
1945 Die erste Atombombe wird getestet

Grundlagen:
Der Atomkern setzt sich aus massereichen Nukleonen zusammen, den positiv geladenen Protonen und den elektrisch neutralen Neutronen. Er macht fast die gesamte Masse des Atoms aus. Die Nukleonen halten durch starke Kräfte zusammen.
Nach dem von Einstein formulierten Gesetz sind Masse und Energie einander äquivalent, d.h. in einander umwandelbar. Eine sehr kleine Stoffmenge entspricht einer riesigen Energiemenge.
Da Neutronen keine Ladung haben und vom positiven Kern nicht abgestoßen werden, sind sie besonders gut für die Kernspaltung geeignet.

Die Kernspaltung:
Bsp.: Spaltung von U-235  EINBETTEN Microsoft Equation 3.0
Die Trümmerkerne können unterschiedlich sein, Bsp.: Barium und Krypton, Strontium und Xenon, Rubidium und Cäsium, Brom und Lanthan...
Summe der Kernladungszahlen der Trümmer entspricht immer der Kernladungszahl von U-235.
Das Massenverhältnis der Trümmerkerne beträgt für gewöhnlich 2:3
Es entstehen meist radioaktive Spaltprodukte. Der Neutronenüberschuss führt zur Aussendung von b-Strahlung oder n-Emission

Die Kettenreaktion:

Die freigewordenen Neutronen spalten ihrerseits weitere Urankerne:
1n ? [Kernspaltung] ? 2n ? [2 Kernspaltungen] ? 4n ? [4 Kernspaltungen] ? 8n ...
Sind genügend U-235 Kerne vorhanden, findet ein lawinenartiger Anstieg der Kernspaltungen, also eine Kettenreaktion, statt.
Je Spaltung tritt ein geringer Masseverlust auf, dabei wird Kernenergie freigesetzt.
Bei der Freisetzung der Kernenergie werden die Spaltprodukte abgebremst und geraten in Schwingungen, dabei entsteht thermische Energie.
Diese thermische Energie wird in Kernkraftwerken zum Antrieb einer Turbine und damit zur Stromerzeugung verwendet.
Bsp.: Bei der Spaltung von 1 kg U-235 tritt ein Masseverlust von ca. 1 g auf.

Geg.:
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Ges.:
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Lsg.:
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 EINBETTEN Microsoft Equation 3.0 ? Das entspricht der Verbrennung von ca. 3000 t Kohle.
Die für die Einleitung einer Kettenreaktion erforderliche Mindestmasse nennt man „kritische Masse“.
Bsp.: Reines Uran-235: 50 kg (entspricht einer Kugel mit dem Radius 8,4 cm)
Natürlich vorkommendes Uranerz enthält nur 0,7 Prozent leicht spaltbares Uran-235; der Rest ist das schwer spaltbare Isotop Uran-238, es absorbiert die meisten Neutronen.
Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit dass ein durch Kernspaltung freigesetztes Neutron mit seiner anfänglichen Energie eine Kernspaltung auslöst, äußerst gering.
Die Möglichkeit kann gesteigert werden, wenn das Neutron durch Kollisionen mit leichten Kernen, sogenannten Moderatoren, abgebremst wird.
Bsp.: Wasserstoff, Deuterium, Beryllium, Graphit
Am Moderator (Bremsmittel) werden die Neutronen nicht absorbiert, aber Energie und Impuls übernommen.
Außerdem können durch Anreicherung von Uran-235 auf 2-3,5% mehr Spaltneutronen zur Verfügung gestellt werden.

Steuerung der Kettenreaktion
Um die Kettenreaktion aufrechtzuerhalten, muss für jedes Spaltneutron ein neues entstehen, das eine weitere Spaltung herbeiführt. ? Kettenreaktion bleibt konstant,
Der Vermehrungsfaktor k ist 1. EINBETTEN Microsoft Equation 3.0
Bei jeder Spaltung von Uran-235 werden aber 2 bis 3 Neutronen frei. Geregelte Absorption verhindert die ungewollte Steigerung der Kettenreaktion.
Bsp.: Uran-238, Legierungen die Bor, Indium, Silber oder Cadmium enthalten, absorbieren Neutronen.
Um z.B. einen Kernreaktor zu starten muss gelten:  EINBETTEN Microsoft Equation 3.0 , um ihn abzuschalten:  EINBETTEN Microsoft Equation 3.0
Das erreicht man durch das Einbringen von speziellen Regelstäben in den Reaktor.
Bei Kernwaffen dagegen läuft eine Kettenreaktion ungeregelt und unter gewaltiger Zunahme der Spaltrate innerhalb von  EINBETTEN Microsoft Equation 3.0 Sekunden ab.

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