Kernspaltung

Kernspaltung

Für die zivile Nutzung der Kernkraft muss man die enormen Energien, die bei der Kernspaltung freigesetzt werden, kontrollieren. Welt der Physik erklärt die physikalischen Grundlagen und technischen Anforderungen an einen Kernreaktor.

Physikalischer Hintergrund

Die Atomkerne der chemischen Elemente bestehen aus zwei verschiedenen Teilchen: Den elektrisch positiv geladenen Protonen und den elektrisch neutralen Neutronen. Sie werden auch Nukleonen genannt. Beide haben beinahe die gleiche Masse und werden durch die so genannte Kernkraft zusammen gehalten, die von Physikern auch starke Kraft genannt wird. Letztere ist von den vier in der Natur vorkommenden Kräften (Gravitation, elektromagnetische-, schwache- und starke Kraft) die bei weitem stärkste. Im Gegensatz etwa zur elektromagnetischen Kraft wirkt die Kernkraft nur auf sehr kurze Distanz und damit vor allem auf die nächsten Nachbarn.

Graph: Eine Kurve zeigt die Abhängigkeit der Bindungsenergien pro Atomkern in Abhängigkeit von der Masse: Sie liegt bei Wasserstoff bei knapp über einem Megaelektronenvolt. Dann steigt die Kurve mit zunehmender Größe des Atomkerns steil an, bei Helium ist eine Spitze von 7 Megaelektronenvolt, Lithium liegt bei 5,5. Der Anstieg geht über Sauerstoff weiter, es hat 8 Megaelektronenvolt. Bei Eisen ist das Maximum mit knapp unter 9. Dort ist die Kurve dann ganz flach und fällt auch flach ab bis zum Uran, das 7,5 Megalektronenvolt Bindungsenergie aufweist.
Bindungsenergien der Atomkerne

Die Zahl der Protonen bestimmt, um welches Element es sich handelt. Hat ein und dasselbe Element Atomkerne mit unterschiedlichen Zahlen an Neutronen, dann nennt man sie Isotope dieses Elementes. Die positiv geladenen Protonen stoßen sich im Atomkern auf Grund ihrer gleichen elektrischen Ladung gegenseitig ab. Solange diese Abstoßung, die Coulombkraft genannt wird, durch die stärkeren Kernkräfte kompensiert wird, bleiben die Kerne stabil. Hierbei helfen auch die Kernkräfte der elektrisch neutralen Neutronen mit. Je höher die Zahl der Protonen und damit je schwerer die Elemente werden, desto mehr Neutronen bis hin zu einem deutliche Überschuss werden benötigt, um die Coulombkräfte zu kompensieren, die wegen der sehr kleinen Abstände zwischen den Protonen sehr groß werden können. Bei hohen Protonenzahlen wie beim Uran ist man am Limit der Balance zwischen Coulombabstoßung und bindenden Kernkräften. Die Kerne beginnen instabil und damit radioaktiv zu werden.

Für die Nutzung der Kernenergie ist das Uran-Isotop 235 entscheidend. Es enthält 235 Nukleonen, davon 92 Protonen und 143 Neutronen. In der Natur kommt es nur mit einem Anteil von 0,7 Prozent vor. Den Hauptteil mit 99,3 Prozent stellt das Isotop U-238 mit 146 Neutronen.

Die besondere Bedeutung von U-235 besteht darin, dass es sich in zwei leichtere Atomkerne (Spaltprodukte) teilt, sobald ihm ein weiters Neutron hinzugefügt wird. Genau genommen bildet sich zuerst ein Zwischenkern des Urans, nämlich das Isotop U-236, das sich in einem energetisch hoch angeregten Zustand befindet. Die Anregungsenergie entspricht der Bindungsenergie (die kinetische Energie des Neutrons kann dagegen vernachlässigt werden), die durch den Neutroneneinfang frei gesetzt wurde. Sie ist auf Grund der Größe der starken Wechselwirkung relativ hoch.

Grafik: Atommodelle zeigen den Ablauf einer Kernspaltung von Uran-235
Neutroneninduzierte Kernspaltung von Uran-235

U-236 ist instabil und gibt deshalb in etwa 10-14 Sekunden seine Anregungsenergie vorwiegend durch Spaltung in zwei mittelschwere Kerne wieder ab. Diese Spaltprodukte sind positiv geladenen. Sie stoßen sich daher auf Grund der Coulombkraft gegenseitig ab und werden dabei mit einem Kavalierstart innerhalb von 10-20 Sekunden auf die volle Geschwindigkeit beschleunigt. Ihre Bewegungsenergie macht etwa 80-90 Prozent der Energie aus, die bei der Kernspaltung freigesetzt wird. Die restlichen 20-10 Prozent stecken in der Radioaktivität der mittelschweren Kerne.

Außer den beiden Spaltprodukten entstehen auch noch 2 bis 3 Neutronen, die dazu genutzt werden können, andere U-235 Kerne zu spalten und damit weitere Energie und Neutronen frei zu setzten. Man spricht dann von einer Kettenreaktion. Sie ist entscheidend für die Aufrechterhaltung des Spaltungsprozesses und damit die Nutzung der Kernenergie.

Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass sich ein Neutron an U-235 anlagert, hängt von seiner Geschwindigkeit ab. Sie wächst, je kleiner sie wird. Da die Neutronen, die bei der Spaltung frei gesetzt werden, schnell sind, müssen sie durch Stoßprozesse mit den Atomkernen eines Moderators auf so genannte thermische Geschwindigkeit herunter gebremst werden. Um die Bremsung durch Stöße effektiv zu machen, sollten die Atomkerne des Moderators möglichst die gleiche Masse haben wie das Neutron oder ihr möglichst nahe kommen. Deshalb bietet sich Wasser als Moderator an, weil die Kerne der beiden Wasserstoffatome des H2O-Moleküls aus Protonen bestehen.

Aufbau eines Kernreaktors

In einem Kernreaktor werden Uran und Moderator so angeordnet, dass mit Hilfe von Regeleinrichtungen ein kontinuierlicher Spaltprozess aufrechterhalten und dadurch kontrolliert Kernenergie als Wärme freigesetzt wird. Dabei ist das Verhältnis der beiden Uranisotope eine kritische Größe. Bei den heute vorwiegend weltweit betriebenen Leichtwasserreaktoren reichen die 0,7 Prozent Uran-235 im Natururan nicht aus, um eine kontinuierliche Spaltung aufrecht zu halten. Deshalb wird Uran-235 auf etwa drei Prozent angereichert, wofür spezielle Urananreicherungsanlagen erforderlich sind.

Die freigesetzten Neutronen spalten nicht nur Uran-235 sondern sie werden auch vom dominierenden Uran-238 eingefangen. Dadurch entsteht durch anschließenden radioaktiven Zerfall das Element Plutonium-239, das wiederum ein Spaltstoff ist und damit ebenfalls Energie freisetzen kann. Neben Uran hat für die Gewinnung von Kernenergie auch das chemische Element Thorium eine Bedeutung.

Energie aus Kernspaltung

Energie wird deshalb gewonnen, weil bei der Kernspaltung Masse in Energie umgewandelt wird. Es findet also keine chemische Reaktion statt, wie bei der Verbrennung fossiler Energieträger. Der Prozess der Kernspaltung ist sehr effizient. So geht z. B. bei der Spaltung von einem Kilogramm U-235 etwa ein Gramm Masse verloren, die in Wärmeenergie verwandelt wird. Unter Anwendung der Beziehung \(E=mc^2\) ergibt das einen Wert von etwa 25 Millionen Kilowattstunden. Das entspricht einer Verbrennungsenergie von rund 2.500.000 Kilogramm Steinkohle mit einem Energiegehalt von 7000 Kilokalorien pro Kilogramm. Die Energieausbeute je kg Brennstoff ist damit etwa 2,5 Millionen Mal höher als bei der Verbrennung von Steinkohle.

Die Ursache für diese enormen Unterschiede liegt letztlich darin, dass zwei Naturkräfte mit unterschiedlich großen Wechselwirkungen genutzt werden. Bei der Verbrennung spielen sich die zugrunde liegenden chemischen Prozesse in der Hülle der beteiligten Atome ab. Hier regiert die elektromagnetische Wechselwirkung. Bei der Kernenergie, bei der die Kerne der Atome die entscheidende Rolle spielen, ist die sehr viel größere starke Wechselwirkung entscheidend, die die Nukleonen zusammenbindet.

Ausschlaggebend ist hierbei die Größe der Bindungsenergie je Nukleon im Kern. Sie ist für die Elemente nicht konstant, sondern wächst vom leichtesten Element, dem Wasserstoff, zunächst sehr steil und dann langsamer an bis zu den mittel schweren Elementen, etwa dem Krypton. Danach fällt sie bis zu den schweren Elementen leicht ab. Bei der Spaltung schwerer Kerne in zwei mittel schwere wird die Differenz der Bindungsenergien in Form von Wärme freigesetzt.

Die Unterschiede in der Stärke der Wechselwirkungen drückt sich auch in einer anderen Zahl aus: Die Zerlegung eines schweren Atomkerns in zwei mittelschwere Kerne ergibt eine Energiemenge, die etwa 400.000-mal größer ist als bei chemischen Reaktionen zwischen ganzen Atomen. Diese gewaltigen Unterschiede mögen erklären, weshalb die Kernenergie auf der einen Seite energiewirtschaftlich eine hohe Attraktivität bietet, auf der anderen Seite aber wegen der enormen Energiedichte, die dabei beherrscht werden muss, ein besonders hohes Maß an Verantwortung hinsichtlich der Sicherheit erfordert.

Rohstoffe für die Kernspaltung