Kernspaltung und Kettenreaktion einfach erklärt: Grundlagen

Stell dir vor, du hättest einen kleinen Würfel aus Uran, der gerade einmal ein Kilogramm wiegt. Wenn du die Energie aus diesem winzigen Würfel vollständig freisetzt, entspricht das der gleichen Energiemenge, die du erhältst, wenn du einen ganzen Güterzug voller Kohle (etwa 2800 Tonnen!) verbrennst.

Wie ist es möglich, dass in so wenig Material so unfassbar viel Energie steckt? Die Antwort liegt tief im Inneren der Atome. In diesem Artikel zum Thema Kernspaltung und Kettenreaktion lernst du, wie man Atomkerne spaltet, warum dabei riesige Energiemengen frei werden und wie wir diese Kettenreaktion in Kernkraftwerken kontrollieren.

Vorwissen

• Isotope: Atome desselben Elements mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Beispiel: Uran-235 (${}^{235}_{92}\text{U}$) hat 92 Protonen und 143 Neutronen ($235 - 92 = 143$).
• Starke Kernkraft: Der „Kleber“, der den Atomkern zusammenhält. Sie ist extrem stark, wirkt aber nur über sehr kurze Distanzen. Beispiel: Sie hält die Protonen im Kern zusammen, obwohl sie sich eigentlich abstoßen wollen.
• Elektrische Abstoßung: Gleiche Ladungen stoßen sich ab. Diese Kraft wirkt über weite Distanzen. Beispiel: Die positiv geladenen Protonen im Kern drücken sich gegenseitig weg.

Aufgabentyp 1: Kernreaktionsgleichungen vervollständigen

Um Kernreaktionsgleichungen richtig aufzustellen, müssen wir zunächst den Mechanismus der Kernspaltung und Kettenreaktion verstehen. Natürliches Uran besteht fast vollständig aus dem Isotop Uran-238. Nur ein winziger Teil (0,7 %) ist Uran-235. Genau dieses Uran-235 ist für uns interessant, da es sich besonders leicht spalten lässt.

Um einen Kern zu spalten, beschießt man ihn mit einem langsamen Neutron. Was dann passiert, lässt sich am besten mit dem Tröpfchenmodell erklären. Stell dir den Atomkern wie einen großen, runden Wassertropfen vor:

1. Der Treffer: Das langsame Neutron dringt in den Uran-235-Kern ein und wird verschluckt.
2. Die Verformung: Der Kern hat nun zusätzliche Energie aufgenommen und fängt an, heftig zu wackeln und sich zu verformen.
3. Die Hantelform: Der Kern zieht sich in die Länge und sieht aus wie eine Hantel mit einer Engstelle in der Mitte. An dieser Engstelle sind die Protonen der beiden Hälften nun zu weit voneinander entfernt. Die kurzreichweitige starke Kernkraft kann sie nicht mehr zusammenhalten. Die langreichweitige elektrische Abstoßung der Protonen gewinnt die Oberhand!
4. Die Spaltung: Die beiden Hälften stoßen sich mit enormer Wucht ab. Der Kern zerplatzt in zwei neue, mittelschwere Kerne (die Spaltprodukte). Dabei fliegen auch zwei bis drei neue, schnelle Neutronen heraus und es wird eine gigantische Menge an Energie freigesetzt.

In der Physik schreiben wir diesen Vorgang als Reaktionsgleichung auf. Ein typisches Beispiel für die Spaltung von Uran-235 sieht so aus:

$\textcolor{#9570FF}{{}^{235}_{92}\text{U}} + \textcolor{#08BFFF}{{}^1_0\text{n}} \rightarrow {}^{89}_{36}\text{Kr} + {}^{144}_{56}\text{Ba} + 3 \textcolor{#08BFFF}{{}^1_0\text{n}} + \text{Energie}$

Bei jeder Spaltung eines Uran-Kerns entstehen zwei bis drei neue Neutronen. Wenn diese Neutronen auf weitere Uran-235-Kerne treffen, spalten sie diese ebenfalls. Das nennt man eine Kettenreaktion.

Die unkontrollierte Kettenreaktion (Atombombe): Wenn genügend reines Uran-235 auf einem Haufen liegt, lösen die 3 neuen Neutronen sofort 3 weitere Spaltungen aus. Daraus entstehen 9 Neutronen, dann 27, dann 81. Diese Lawine wächst innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde exponentiell an. Die gesamte Energie wird schlagartig freigesetzt – das ist das Prinzip einer Atombombe.

Die kontrollierte Kettenreaktion (Kernkraftwerk): Alltagsbezug: Um mit Kernenergie sicher Strom zu erzeugen, dürfen die Spaltungen nicht außer Kontrolle geraten. Die Energie muss langsam und gleichmäßig freigesetzt werden.

Dafür nutzt man im Kernkraftwerk sogenannte Steuerstäbe (oft aus Bor oder Cadmium). Diese Materialien wirken wie Schwämme für Neutronen: Sie saugen die überflüssigen Neutronen auf. Die Steuerstäbe werden so weit in den Reaktor eingefahren, dass von den 3 neu entstandenen Neutronen genau 2 absorbiert werden.

So bleibt immer exakt ein Neutron übrig, das die nächste Spaltung auslöst. Die Reaktion läuft konstant und sicher ab, ohne sich aufzuschaukeln.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

In Prüfungen musst du oft fehlende Zahlen oder Elemente in einer Spaltungsgleichung berechnen. Dabei gilt eine eiserne Regel: Nichts geht verloren!

1. Summe der Massenzahlen (oben) berechnen: Addiere die oberen Zahlen auf der linken Seite des Pfeils. Die Summe der oberen Zahlen auf der rechten Seite muss exakt denselben Wert ergeben.
2. Summe der Ordnungszahlen (unten) berechnen: Addiere die unteren Zahlen auf der linken Seite. Auch hier muss die rechte Seite in der Summe denselben Wert ergeben.
3. Das fehlende Teilchen bestimmen: Nutze einfache Subtraktion, um die fehlende obere oder untere Zahl zu finden. Wenn du die untere Zahl (Ordnungszahl) gefunden hast, kannst du im Periodensystem nachsehen, um welches Element es sich handelt.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Auslöser: Ein langsames Neutron trifft auf Uran-235.
• Tröpfchenmodell: Der Kern verformt sich zur Hantel. Die elektrische Abstoßung überwindet die Kernkraft und zerreißt den Kern.
• Ergebnis: Es entstehen Spaltprodukte, 2-3 schnelle Neutronen und extrem viel Energie.
• Kettenreaktion: Die neuen Neutronen spalten weitere Kerne. Unkontrolliert führt dies zur Explosion (Atombombe).
• Steuerung: In Kernkraftwerken absorbieren Steuerstäbe überschüssige Neutronen, sodass die Reaktion kontrolliert abläuft.