Kernspaltung

Induzierte Spaltungsreaktion. Ein Neutron wird von einem Uran-235-Kern absorbiert und verwandelt ihn kurzzeitig in einen angeregten Uran-236-Kern, wobei die Anregungsenergie durch die kinetische Energie des Neutrons und die Kräfte, die das Neutron binden, bereitgestellt wird. Das Uran-236 spaltet sich seinerseits in sich schnell bewegende leichtere Elemente (Spaltprodukte) und setzt mehrere freie Neutronen, eine oder mehrere "prompte Gammastrahlen" (nicht dargestellt) und eine (verhältnismäßig) große Energiemenge frei.

Die Kernspaltung ist eine Reaktion, bei der sich der Kern eines Atoms in zwei oder mehr kleinere Kerne spaltet. Bei der Kernspaltung werden häufig Gammaphotonen erzeugt, und es wird eine sehr große Energiemenge freigesetzt, selbst im Vergleich zu den energetischen Standards des radioaktiven Zerfalls. ⓘ

Die Kernspaltung schwerer Elemente wurde am Montag, dem 19. Dezember 1938, von dem deutschen Chemiker Otto Hahn und seinem Assistenten Fritz Strassmann in Zusammenarbeit mit der österreichisch-schwedischen Physikerin Lise Meitner entdeckt. Hahn verstand, dass es zu einer "Explosion" der Atomkerne gekommen war. Meitner erklärte ihn im Januar 1939 zusammen mit ihrem Neffen Otto Robert Frisch theoretisch. Frisch nannte den Vorgang in Analogie zur biologischen Spaltung lebender Zellen. Bei schweren Nukliden handelt es sich um eine exotherme Reaktion, bei der große Energiemengen sowohl in Form von elektromagnetischer Strahlung als auch in Form von kinetischer Energie der Bruchstücke freigesetzt werden können (Erhitzung des Materials, in dem die Spaltung stattfindet). Wie bei der Kernfusion muss auch bei der Kernspaltung die gesamte Bindungsenergie der entstehenden Elemente größer sein als die des Ausgangselements, um Energie zu erzeugen. ⓘ

Die Kernspaltung ist eine Form der nuklearen Transmutation, da die entstehenden Fragmente (oder Tochteratome) nicht dasselbe Element wie das ursprüngliche Mutteratom sind. Die beiden (oder mehr) erzeugten Kerne sind meist von vergleichbarer, aber leicht unterschiedlicher Größe, typischerweise mit einem Massenverhältnis der Produkte von etwa 3 zu 2 bei den üblichen spaltbaren Isotopen. Bei den meisten Spaltungen handelt es sich um binäre Spaltungen (bei denen zwei geladene Fragmente entstehen), doch gelegentlich (2 bis 4 Mal pro 1000 Ereignisse) werden bei einer ternären Spaltung drei positiv geladene Fragmente erzeugt. Das kleinste dieser Fragmente bei ternären Prozessen hat eine Größe von einem Proton bis zu einem Argon-Kern. ⓘ

Neben der durch ein Neutron induzierten Spaltung, die vom Menschen genutzt wird, gibt es auch eine natürliche Form des spontanen radioaktiven Zerfalls (ohne Neutron), die als Spaltung bezeichnet wird und vor allem bei Isotopen mit sehr hoher Massenzahl auftritt. Die Spontanspaltung wurde 1940 von Flyorov, Petrzhak und Kurchatov in Moskau in einem Experiment entdeckt, das bestätigen sollte, dass die Spaltrate von Uran ohne Neutronenbeschuss vernachlässigbar ist, wie von Niels Bohr vorhergesagt; sie war nicht vernachlässigbar. ⓘ

Die unvorhersehbare Zusammensetzung der Produkte (die in einem breiten Wahrscheinlichkeitsspektrum und in gewisser Weise chaotisch variieren) unterscheidet die Kernspaltung von reinen Quantentunnelprozessen wie Protonenemission, Alphazerfall und Cluster-Zerfall, die jedes Mal die gleichen Produkte ergeben. Die Kernspaltung erzeugt Energie für die Kernenergie und treibt die Explosion von Kernwaffen an. Beide Verwendungszwecke sind möglich, weil bestimmte Stoffe, so genannte Kernbrennstoffe, unter dem Einfluss von Spaltneutronen gespalten werden und ihrerseits Neutronen abgeben, wenn sie auseinanderbrechen. Dadurch wird eine sich selbst erhaltende nukleare Kettenreaktion möglich, die in einem Kernreaktor kontrolliert oder in einer Kernwaffe sehr schnell und unkontrolliert Energie freisetzt. In ihrer zweiten Veröffentlichung über die Kernspaltung im Februar 1939 sagten Hahn und Strassmann die Existenz und Freisetzung zusätzlicher Neutronen während des Spaltungsprozesses voraus und eröffneten damit die Möglichkeit einer nuklearen Kettenreaktion. ⓘ

Die im Kernbrennstoff enthaltene freie Energie ist millionenfach höher als die freie Energie einer vergleichbaren Menge chemischen Brennstoffs wie Benzin, was die Kernspaltung zu einer sehr dichten Energiequelle macht. Die Produkte der Kernspaltung sind jedoch im Durchschnitt weitaus radioaktiver als die schweren Elemente, die normalerweise als Brennstoff gespalten werden, und bleiben dies auch für eine beträchtliche Zeitspanne, was zu einem Atommüllproblem führt. Die sieben langlebigen Spaltprodukte machen jedoch nur einen kleinen Teil der Spaltprodukte aus. Bei der Absorption von Neutronen, die nicht zur Spaltung führt, entstehen Plutonium (aus ²³⁸
U) und kleinere Aktiniden (sowohl aus ²³⁵
U und ²³⁸
U), deren Radiotoxizität weit höher ist als die der langlebigen Spaltprodukte. Die Besorgnis über die Anhäufung von Atommüll und das zerstörerische Potenzial von Kernwaffen steht im Gegensatz zu dem friedlichen Wunsch, die Kernspaltung als Energiequelle zu nutzen. Der Thorium-Brennstoffkreislauf produziert praktisch kein Plutonium und viel weniger kleinere Aktiniden, aber ²³²
U - oder vielmehr seine Zerfallsprodukte - sind ein wichtiger Gammastrahlenemitter. Alle Aktinide sind fruchtbar oder spaltbar und können in schnellen Brutreaktoren gespalten werden, wenn auch nur in bestimmten Konfigurationen. Die nukleare Wiederaufbereitung zielt darauf ab, aus abgebrannten Brennelementen verwertbares Material zu gewinnen, um die Uran- (und Thorium-) Vorräte zu verlängern und die Menge an "Abfall" zu verringern. Der Industriebegriff für ein Verfahren, bei dem alle oder fast alle Aktinide gespalten werden, ist "geschlossener Brennstoffkreislauf". ⓘ

Animation einer neutroneninduzierten Kernspaltung nach dem Tröpfchenmodell mit drei neu freiwerdenden Neutronen ⓘ

Beispiel für eine neutroneninduzierte Kernspaltung von Uran-235 ⓘ

Kernspaltung bezeichnet Prozesse der Kernphysik, bei denen ein Atomkern unter Energiefreisetzung in zwei oder mehr kleinere Kerne zerlegt wird. Seltener wird die Kernspaltung auch Kernfission (lateinisch fissio „Spaltung“, englisch nuclear fission) genannt. Fission darf nicht mit Kernfusion, dem Verschmelzen zweier Atomkerne, verwechselt werden. Die durch die Spaltung neu entstandenen Stoffe heißen Spaltprodukte. ⓘ

Physikalischer Überblick

Mechanismus

Eine visuelle Darstellung eines induzierten Kernspaltungsereignisses, bei dem ein langsames Neutron vom Kern eines Uran-235-Atoms absorbiert wird, das in zwei schnellere leichtere Elemente (Spaltprodukte) und zusätzliche Neutronen zerfällt. Der größte Teil der freigesetzten Energie liegt in Form der kinetischen Geschwindigkeiten der Spaltprodukte und der Neutronen vor. ⓘ

Massenausbeute an Spaltprodukten bei der thermischen Neutronenspaltung von Uran-235, Plutonium-239, einer für die heutigen Kernkraftreaktoren typischen Kombination der beiden Elemente, und Uran-233, das im Thoriumzyklus verwendet wird. ⓘ

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. ⓘ

Praktische Anwendung findet die Spontanspaltung als Quelle freier Neutronen. Hierfür wird meist das Californium-Isotop $^{252}\mathrm {Cf}$ verwendet. ⓘ

Nukleare Reaktion

In technischen Nuklearanlagen findet im Wesentlichen jede Kernspaltung als "Kernreaktion" statt - ein durch Beschuss ausgelöster Prozess, der durch den Zusammenstoß zweier subatomarer Teilchen entsteht. Bei einer Kernreaktion stößt ein subatomares Teilchen mit einem Atomkern zusammen und bewirkt dessen Veränderung. Kernreaktionen werden also durch die Mechanik des Beschusses angetrieben und nicht durch den relativ konstanten exponentiellen Zerfall und die Halbwertszeit, die für spontane radioaktive Prozesse charakteristisch sind. ⓘ

Derzeit sind viele Arten von Kernreaktionen bekannt. Die Kernspaltung unterscheidet sich wesentlich von anderen Arten von Kernreaktionen, da sie durch eine nukleare Kettenreaktion (eine Art der allgemeinen Kettenreaktion) verstärkt und manchmal auch kontrolliert werden kann. In einer solchen Reaktion können die bei jeder Kernspaltung freigesetzten Neutronen weitere Ereignisse auslösen, die wiederum weitere Neutronen freisetzen und weitere Kernspaltungen verursachen. ⓘ

Die Isotope der chemischen Elemente, die eine Spaltungskettenreaktion auslösen können, werden als Kernbrennstoffe bezeichnet und gelten als "spaltbar". Die gebräuchlichsten Kernbrennstoffe sind ²³⁵U (das Isotop des Urans mit der Massenzahl 235, das in Kernreaktoren verwendet wird) und ²³⁹Pu (das Isotop des Plutoniums mit der Massenzahl 239). Diese Brennstoffe zerfallen in eine bimodale Reihe chemischer Elemente mit Atommassen in der Nähe von 95 und 135 u (Spaltprodukte). Die meisten Kernbrennstoffe spalten sich nur sehr langsam spontan und zerfallen stattdessen hauptsächlich über eine Alpha-Beta-Zerfallskette über Zeiträume von Jahrtausenden bis Äonen. In einem Kernreaktor oder einer Kernwaffe wird die überwältigende Mehrheit der Spaltungsvorgänge durch den Beschuss mit einem anderen Teilchen, einem Neutron, ausgelöst, das seinerseits durch vorherige Spaltungsvorgänge erzeugt wird. ⓘ

Die Kernspaltung in spaltbaren Brennstoffen ist das Ergebnis der nuklearen Anregungsenergie, die entsteht, wenn ein spaltbarer Kern ein Neutron einfängt. Diese aus dem Neutroneneinfang resultierende Energie ist das Ergebnis der anziehenden Kernkraft, die zwischen dem Neutron und dem Kern wirkt. Sie reicht aus, um den Kern zu einem doppelt gelappten "Tropfen" zu verformen, bis die Kernfragmente den Abstand überschreiten, in dem die Kernkraft zwei Gruppen geladener Nukleonen zusammenhalten kann. Wenn dies geschieht, vollenden die beiden Fragmente ihre Trennung und werden dann durch ihre sich gegenseitig abstoßenden Ladungen weiter auseinander getrieben, in einem Prozess, der mit zunehmendem Abstand irreversibel wird. Ein ähnlicher Prozess findet bei spaltbaren Isotopen (wie Uran-238) statt, aber um spalten zu können, benötigen diese Isotope zusätzliche Energie, die von schnellen Neutronen geliefert wird (wie die, die bei der Kernfusion in thermonuklearen Waffen erzeugt werden). Einige der Neutronen, die bei der Spaltung von ²³⁸
U freigesetzt werden, sind schnell genug, um eine weitere Spaltung von ²³⁸
U auszulösen, aber die meisten sind es nicht, was bedeutet, dass die Kritikalität nie erreicht werden kann. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein thermisches Neutron die Spaltung von ²³⁸ U auslöst, ist zwar sehr gering (wenn auch nicht null), aber die Neutronenabsorption ist um Größenordnungen höher.
U auslöst, ist die Neutronenabsorption um Größenordnungen wahrscheinlicher. ⓘ

Das Flüssigtropfenmodell des Atomkerns sagt gleich große Spaltprodukte als Ergebnis der Kernverformung voraus. Das anspruchsvollere Kernschalenmodell wird benötigt, um den Weg zum energetisch günstigeren Ergebnis, bei dem ein Spaltprodukt etwas kleiner ist als das andere, mechanistisch zu erklären. Eine Theorie der Kernspaltung, die auf dem Schalenmodell basiert, wurde von Maria Goeppert Mayer formuliert. ⓘ

Der häufigste Spaltprozess ist die binäre Spaltung, bei der die oben genannten Spaltprodukte bei 95±15 und 135±15 u entstehen. Bei 2 bis 4 Spaltungen pro 1000 in einem Kernreaktor entstehen bei der so genannten ternären Spaltung drei positiv geladene Fragmente (plus Neutronen), wobei das kleinste dieser Fragmente von einer so geringen Ladung und Masse wie ein Proton (Z = 1) bis zu einem so großen Fragment wie Argon (Z = 18) reichen kann. Die häufigsten kleinen Fragmente bestehen jedoch zu 90 % aus Helium-4-Kernen mit mehr Energie als Alphateilchen aus dem Alphazerfall (so genannte "Langstrecken-Alphateilchen" mit ~ 16 MeV) sowie aus Helium-6-Kernen und Tritonen (den Kernen von Tritium). Der ternäre Prozess ist weniger häufig, führt aber immer noch zu erheblichen Helium-4- und Tritiumgasansammlungen in den Brennstäben moderner Kernreaktoren. ⓘ

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:

${}_{\ 94}^{239}\mathrm {Pu} +{}_{0}^{1}\mathrm {n} \to {}_{\ 56}^{144}\mathrm {Ba} +{}_{38}^{94}\mathrm {Sr} +2\ {}_{0}^{1}\mathrm {n}$

${}_{\ 94}^{239}\mathrm {Pu} +{}_{0}^{1}\mathrm {n} \to {}_{\ 51}^{130}\mathrm {Sb} +{}_{\ 43}^{107}\mathrm {Tc} +3\ {}_{0}^{1}\mathrm {n}$ ⓘ

Spaltung durch thermische Neutronen: Schematische Häufigkeit der Spaltfragmente (senkrecht) als Funktion der Spaltprodukt-Massenzahl A (waagerecht) ⓘ

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. ⓘ

Energetik

Eingang

Die Phasen der binären Spaltung in einem Flüssigkeitstropfenmodell. Der Energieeintrag verformt den Kern in eine fette "Zigarren"-Form, dann in eine "Erdnuss"-Form, gefolgt von der Binärspaltung, bei der die beiden Lappen den Anziehungsabstand der Kurzstreckenkernkraft überschreiten und dann durch ihre elektrische Ladung auseinandergedrückt und entfernt werden. Im Modell des flüssigen Tropfens werden die beiden Spaltfragmente als gleich groß vorhergesagt. Das Kernschalenmodell lässt zu, dass sie unterschiedlich groß sind, wie es in der Regel experimentell beobachtet wird. ⓘ

Die Spaltung eines schweren Kerns erfordert eine Gesamtenergie von etwa 7 bis 8 Millionen Elektronenvolt (MeV), um zunächst die Kernkraft zu überwinden, die den Kern in einer kugelförmigen oder fast kugelförmigen Form hält, und ihn dann in eine zweilappige ("Erdnuss"-) Form zu verformen, in der sich die Lappen durch ihre gegenseitige positive Ladung weiter voneinander trennen können, und zwar in dem am häufigsten vorkommenden Prozess der binären Spaltung (zwei positiv geladene Spaltprodukte + Neutronen). Sobald die Kernfragmente einen kritischen Abstand erreicht haben, über den hinaus die kurzreichweitige starke Kraft sie nicht mehr zusammenhalten kann, wird der Prozess ihrer Trennung durch die Energie der (längerreichweitigen) elektromagnetischen Abstoßung zwischen den Fragmenten fortgesetzt. Das Ergebnis sind zwei Spaltfragmente, die sich mit hoher Energie voneinander entfernen. ⓘ

Etwa 6 MeV der Spaltungsenergie wird durch die einfache Bindung eines zusätzlichen Neutrons an den schweren Kern über die starke Kraft geliefert; bei vielen spaltbaren Isotopen reicht diese Energiemenge jedoch nicht für die Spaltung aus. Bei Uran-238 beispielsweise ist der Wirkungsquerschnitt für Neutronen mit einer Energie von weniger als 1 MeV nahezu Null. Wenn keine zusätzliche Energie durch einen anderen Mechanismus zugeführt wird, spaltet sich der Kern nicht, sondern absorbiert lediglich das Neutron, wie es geschieht, wenn ²³⁸U langsame und sogar einen Teil der schnellen Neutronen absorbiert, um zu ²³⁹U zu werden. Die verbleibende Energie zur Auslösung der Spaltung kann durch zwei andere Mechanismen bereitgestellt werden: Einer davon ist eine höhere kinetische Energie des einfallenden Neutrons, das zunehmend in der Lage ist, einen spaltbaren schweren Kern zu spalten, wenn es eine kinetische Energie von 1 MeV oder mehr überschreitet (so genannte schnelle Neutronen). Solche hochenergetischen Neutronen sind in der Lage, ²³⁸U direkt zu spalten (zur Anwendung siehe thermonukleare Waffe, bei der die schnellen Neutronen durch Kernfusion geliefert werden). Dieser Prozess kann jedoch in einem Kernreaktor nicht in großem Umfang stattfinden, da ein zu kleiner Teil der bei jeder Art von Spaltung erzeugten Spaltneutronen genügend Energie hat, um ²³⁸U effizient zu spalten (Spaltneutronen haben eine Modalenergie von 2 MeV, aber einen Median von nur 0,75 MeV, d. h. die Hälfte von ihnen hat weniger als diese unzureichende Energie). ⓘ

Bei den schweren Aktinidenelementen binden jedoch die Isotope mit einer ungeraden Neutronenzahl (wie ²³⁵U mit 143 Neutronen) ein zusätzliches Neutron mit 1 bis 2 MeV mehr Energie als ein Isotop desselben Elements mit einer geraden Neutronenzahl (wie ²³⁸U mit 146 Neutronen). Diese zusätzliche Bindungsenergie wird durch den Mechanismus der Neutronenpaarungseffekte verfügbar gemacht. Diese zusätzliche Energie resultiert aus dem Pauli-Ausschlussprinzip, das es einem zusätzlichen Neutron erlaubt, dasselbe Kernorbital zu besetzen wie das letzte Neutron im Kern, so dass die beiden ein Paar bilden. In diesen Isotopen wird daher keine kinetische Energie des Neutrons benötigt, da die gesamte erforderliche Energie durch die Absorption eines langsamen oder schnellen Neutrons geliefert wird (erstere werden in moderierten Kernreaktoren verwendet, letztere in Reaktoren mit schnellen Neutronen und in Waffen). Wie bereits erwähnt, wird die Untergruppe der spaltbaren Elemente, die mit ihren eigenen Spaltneutronen effizient gespalten werden können (und somit in relativ kleinen Mengen des reinen Materials eine nukleare Kettenreaktion auslösen können), als "spaltbar" bezeichnet. Beispiele für spaltbare Isotope sind Uran-235 und Plutonium-239. ⓘ

Ausgang

Typische Spaltvorgänge setzen bei jedem Spaltvorgang etwa zweihundert Millionen eV (200 MeV) Energie frei, was etwa >2 Billionen Kelvin entspricht. Das genaue Isotop, das gespalten wird, und ob es spaltbar oder spaltbar ist, hat nur einen geringen Einfluss auf die Menge der freigesetzten Energie. Dies lässt sich leicht erkennen, wenn man die Kurve der Bindungsenergie (Abbildung unten) betrachtet und feststellt, dass die durchschnittliche Bindungsenergie der Aktinidennuklide, beginnend mit Uran, etwa 7,6 MeV pro Nukleon beträgt. Schaut man weiter links auf der Kurve der Bindungsenergie, wo sich die Spaltprodukte anhäufen, kann man leicht feststellen, dass die Bindungsenergie der Spaltprodukte dazu neigt, sich um 8,5 MeV pro Nukleon zu zentrieren. Somit werden bei jeder Spaltung eines Isotops im Massenbereich der Aktiniden etwa 0,9 MeV pro Nukleon des Ausgangselements freigesetzt. Bei der Spaltung von ²³⁵U durch ein langsames Neutron wird nahezu die gleiche Energie freigesetzt wie bei der Spaltung von ²³⁸U durch ein schnelles Neutron. Dieses Profil der Energiefreisetzung gilt auch für Thorium und die verschiedenen Minoren Actiniden. ⓘ

Im Gegensatz dazu werden bei den meisten chemischen Oxidationsreaktionen (z. B. bei der Verbrennung von Kohle oder TNT) höchstens ein paar eV pro Ereignis freigesetzt. Kernbrennstoff enthält also mindestens zehn Millionen Mal mehr nutzbare Energie pro Masseneinheit als chemischer Brennstoff. Die Energie der Kernspaltung wird als kinetische Energie der Spaltprodukte und -fragmente sowie als elektromagnetische Strahlung in Form von Gammastrahlen freigesetzt. In einem Kernreaktor wird die Energie in Wärme umgewandelt, wenn die Teilchen und Gammastrahlen mit den Atomen kollidieren, aus denen der Reaktor und seine Arbeitsflüssigkeit bestehen, in der Regel Wasser, gelegentlich auch schweres Wasser oder geschmolzene Salze. ⓘ

Animation einer Coulomb-Explosion im Falle einer Ansammlung positiv geladener Kerne, ähnlich wie bei einer Ansammlung von Spaltfragmenten. Farbtonhöhe der Farbe ist proportional zur Ladung der (größeren) Kerne. Die (kleineren) Elektronen werden auf dieser Zeitskala nur stroboskopisch gesehen, und der Farbton entspricht ihrer kinetischen Energie. ⓘ

Bei der Spaltung eines Urankerns in zwei Tochterkerne erscheint etwa 0,1 Prozent der Masse des Urankerns als Spaltungsenergie von ~200 MeV. Bei Uran-235 (mittlere Gesamtspaltenergie 202,79 MeV) erscheinen typischerweise ~169 MeV als kinetische Energie der Tochterkerne, die aufgrund der Coulomb-Abstoßung mit etwa 3% der Lichtgeschwindigkeit auseinander fliegen. Außerdem werden durchschnittlich 2,5 Neutronen mit einer mittleren kinetischen Energie pro Neutron von ~2 MeV (insgesamt 4,8 MeV) emittiert. Bei der Spaltungsreaktion werden außerdem ~7 MeV an prompten Gammastrahlenphotonen freigesetzt. Die letztgenannte Zahl bedeutet, dass eine Kernspaltungsexplosion oder ein Kritikalitätsunfall etwa 3,5 % seiner Energie in Form von Gammastrahlen, weniger als 2,5 % seiner Energie in Form von schnellen Neutronen (insgesamt ~6 % beider Strahlungsarten) und den Rest in Form der kinetischen Energie der Spaltfragmente freisetzt (diese erscheint fast sofort beim Aufprall der Fragmente auf die umgebende Materie als einfache Wärme). In einer Atombombe kann diese Wärme dazu dienen, die Temperatur des Bombenkerns auf 100 Millionen Kelvin zu erhöhen und die sekundäre Emission von weicher Röntgenstrahlung zu verursachen, die einen Teil dieser Energie in ionisierende Strahlung umwandelt. In Kernreaktoren verbleibt die kinetische Energie der Spaltfragmente jedoch als Niedertemperaturwärme, die selbst keine oder nur eine geringe Ionisierung verursacht. ⓘ

Es wurden so genannte Neutronenbomben (verstärkte Strahlenwaffen) konstruiert, die einen größeren Teil ihrer Energie als ionisierende Strahlung (insbesondere Neutronen) freisetzen, doch handelt es sich dabei um thermonukleare Geräte, die auf die Kernfusionsphase angewiesen sind, um die zusätzliche Strahlung zu erzeugen. Die Energiedynamik reiner Spaltbomben liegt immer bei etwa 6 % der Gesamtenergie in Form von Strahlung, die unmittelbar aus der Spaltung resultiert. ⓘ

Die gesamte prompte Spaltungsenergie beläuft sich auf etwa 181 MeV oder ~89 % der Gesamtenergie, die schließlich im Laufe der Zeit durch Spaltung freigesetzt wird. Die verbleibenden ~11 % werden in Betazerfällen freigesetzt, die unterschiedliche Halbwertszeiten haben, aber als Prozess in den Spaltprodukten sofort beginnen, sowie in verzögerten Gammastrahlen, die mit diesen Betazerfällen verbunden sind. Bei Uran-235 beispielsweise teilt sich diese verzögerte Energie in etwa 6,5 MeV in Betas, 8,8 MeV in Antineutrinos (die gleichzeitig mit den Betas freigesetzt werden) und schließlich weitere 6,3 MeV in verzögerter Gammastrahlung aus den angeregten Betazerfallsprodukten (insgesamt also etwa 10 Gammastrahlenemissionen pro Spaltung). Somit werden etwa 6,5 % der Gesamtenergie der Kernspaltung einige Zeit nach dem Ereignis als nicht-zeitnahe oder verzögerte ionisierende Strahlung freigesetzt, wobei sich die verzögerte ionisierende Energie etwa gleichmäßig auf Gamma- und Betastrahlenenergie verteilt. ⓘ

In einem Reaktor, der seit einiger Zeit in Betrieb ist, haben die radioaktiven Spaltprodukte eine solche stationäre Konzentration erreicht, dass ihre Zerfallsrate gleich ihrer Entstehungsrate ist, so dass ihr fraktioneller Gesamtbeitrag zur Reaktorwärme (über den Betazerfall) derselbe ist wie diese radioisotopischen fraktionellen Beiträge zur Energie der Spaltung. Unter diesen Bedingungen tragen die 6,5 % der Spaltung, die als verzögerte ionisierende Strahlung (verzögerte Gammas und Betas der radioaktiven Spaltprodukte) auftreten, zur stationären Wärmeerzeugung des Reaktors unter Leistung bei. Es ist dieser Anteil der Leistung, der übrig bleibt, wenn der Reaktor plötzlich abgeschaltet wird (Abbrand). Aus diesem Grund beginnt die Nachzerfallsleistung des Reaktors bei 6,5 % der vollen stationären Reaktorspaltungsleistung, sobald der Reaktor abgeschaltet wird. Innerhalb weniger Stunden ist die Nachzerfallsleistung aufgrund des Zerfalls dieser Isotope jedoch weitaus geringer. Näheres dazu unter Zerfallswärme. ⓘ

Der Rest der verzögerten Energie (8,8 MeV/202,5 MeV = 4,3 % der gesamten Spaltungsenergie) wird als Antineutrinos emittiert, die in der Praxis nicht als "ionisierende Strahlung" gelten. Der Grund dafür ist, dass die in Form von Antineutrinos freigesetzte Energie nicht vom Reaktormaterial als Wärme aufgefangen wird, sondern direkt durch alle Materialien (einschließlich der Erde) mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in den interplanetaren Raum entweicht (die absorbierte Menge ist winzig). Neutrinostrahlung wird normalerweise nicht als ionisierende Strahlung eingestuft, da sie fast vollständig nicht absorbiert wird und daher keine Auswirkungen hat (obwohl das sehr seltene Neutrinoereignis ionisierend ist). Fast die gesamte restliche Strahlung (6,5 % verzögerte Beta- und Gammastrahlung) wird schließlich im Reaktorkern oder seiner Abschirmung in Wärme umgewandelt. ⓘ

Einige Prozesse, an denen Neutronen beteiligt sind, zeichnen sich dadurch aus, dass sie Energie absorbieren oder schließlich abgeben. So gibt die kinetische Energie eines Neutrons nicht sofort Wärme ab, wenn das Neutron von einem Uran-238-Atom eingefangen wird, um Plutonium-239 zu erzeugen, sondern diese Energie wird abgegeben, wenn das Plutonium-239 später gespalten wird. Andererseits sind die so genannten verzögerten Neutronen, die als radioaktive Zerfallsprodukte mit Halbwertszeiten von bis zu mehreren Minuten von den Spalttöchtern emittiert werden, für die Reaktorkontrolle sehr wichtig, da sie eine charakteristische "Reaktionszeit" für die Verdoppelung der gesamten Kernreaktion ermöglichen, wenn die Reaktion in einer "verzögert-kritischen" Zone abläuft, die bewusst auf diese Neutronen für eine überkritische Kettenreaktion angewiesen ist (bei der jeder Spaltzyklus mehr Neutronen liefert als er absorbiert). Ohne diese Neutronen wäre die nukleare Kettenreaktion sofort kritisch und würde sich schneller ausweiten, als sie durch menschliches Eingreifen kontrolliert werden könnte. In diesem Fall wären die ersten experimentellen Atomreaktoren zu einer gefährlichen und chaotischen "sofortigen kritischen Reaktion" übergegangen, bevor ihre Betreiber sie manuell hätten abschalten können (aus diesem Grund hat der Konstrukteur Enrico Fermi Kontrollstäbe mit Strahlungszähler eingebaut, die an Elektromagneten aufgehängt sind und automatisch in das Zentrum von Chicago Pile-1 fallen können). Wenn diese verzögerten Neutronen eingefangen werden, ohne dass es zu Spaltungen kommt, erzeugen sie auch Wärme. ⓘ

Produktkerne und Bindungsenergie

Bei der Kernspaltung werden bevorzugt Fragmente mit geraden Protonenzahlen erzeugt, was als ungerade-gerade-Effekt auf die Ladungsverteilung der Fragmente bezeichnet wird. Bei der Massenzahlverteilung der Fragmente wird jedoch kein ungerader Effekt beobachtet. Dieses Ergebnis wird auf das Brechen von Nukleonenpaaren zurückgeführt. ⓘ

Bei der Kernspaltung können die Kerne in jede beliebige Kombination leichterer Kerne gespalten werden, doch am häufigsten kommt es nicht zu einer Spaltung in Kerne gleicher Masse mit einer Masse von etwa 120, sondern (je nach Isotop und Prozess) zu einer leicht ungleichen Spaltung, bei der ein Tochterkern eine Masse von etwa 90 bis 100 u und der andere die restlichen 130 bis 140 u hat. Ungleiche Spaltungen sind energetisch günstiger, weil dadurch ein Produkt näher am energetischen Minimum bei der Masse 60 u (nur ein Viertel der durchschnittlichen spaltbaren Masse) liegt, während der andere Kern mit der Masse 135 u immer noch nicht weit aus dem Bereich der am engsten gebundenen Kerne heraus ist (eine weitere Aussage dazu ist, dass die atomare Bindungsenergiekurve links von der Masse 120 u etwas steiler ist als rechts davon). ⓘ

Ursprung der aktiven Energie und der Kurve der Bindungsenergie

Die "Kurve der Bindungsenergie": Ein Diagramm der Bindungsenergie pro Nukleon der gängigen Isotope. ⓘ

Bei der Kernspaltung schwerer Elemente wird nutzbare Energie erzeugt, weil die spezifische Bindungsenergie (Bindungsenergie pro Masse) mittelschwerer Kerne mit Ordnungszahlen und Atommassen nahe ⁶²Ni und ⁵⁶Fe größer ist als die nukleonspezifische Bindungsenergie sehr schwerer Kerne, so dass beim Auseinanderbrechen schwerer Kerne Energie freigesetzt wird. Die gesamten Ruhemassen der Spaltprodukte ($Mp$) aus einer einzigen Reaktion ist kleiner als die Masse des ursprünglichen Brennstoffkerns ($M$). Die Überschussmasse $\Delta m=M-Mp$ ist die unveränderliche Masse der Energie, die als Photonen (Gammastrahlen) und kinetische Energie der Spaltfragmente freigesetzt wird, gemäß der Masse-Energie-Äquivalenzformel E = mc². ⓘ

Die Veränderung der spezifischen Bindungsenergie mit der Anzahl der Atome ist auf das Zusammenspiel der beiden fundamentalen Kräfte zurückzuführen, die auf die Nukleonen (Protonen und Neutronen) wirken, aus denen der Kern besteht. Die Kerne werden durch eine anziehende Kernkraft zwischen den Nukleonen gebunden, die die elektrostatische Abstoßung zwischen den Protonen überwindet. Die Kernkraft wirkt jedoch nur über relativ kurze Entfernungen (einige Nukleonendurchmesser), da sie einem exponentiell abklingenden Yukawa-Potenzial folgt, das sie bei größeren Entfernungen unbedeutend macht. Die elektrostatische Abstoßung hat eine größere Reichweite, da sie nach einer inversen quadratischen Regel abklingt, so dass Kerne mit einem Durchmesser von mehr als 12 Nukleonen einen Punkt erreichen, an dem die gesamte elektrostatische Abstoßung die Kernkraft überwindet und sie spontan instabil werden. Aus demselben Grund sind größere Kerne (mehr als etwa acht Nukleonen im Durchmesser) pro Masseneinheit weniger fest gebunden als kleinere Kerne; beim Aufbrechen eines großen Kerns in zwei oder mehr Kerne mittlerer Größe wird Energie freigesetzt. ⓘ

Auch wegen der geringen Reichweite der starken Bindungskraft müssen große stabile Kerne proportional mehr Neutronen enthalten als die leichtesten Elemente, die mit einem Verhältnis von 1 zu 1 von Protonen und Neutronen am stabilsten sind. Kerne mit mehr als 20 Protonen können nur dann stabil sein, wenn sie mehr als die gleiche Anzahl von Neutronen haben. Zusätzliche Neutronen stabilisieren schwere Elemente, weil sie die starke Bindung (die zwischen allen Nukleonen wirkt) verstärken, ohne die Proton-Proton-Abstoßung zu verstärken. Spaltprodukte haben im Durchschnitt etwa das gleiche Verhältnis von Neutronen und Protonen wie ihr Ausgangskern und sind daher in der Regel instabil gegenüber dem Betazerfall (bei dem Neutronen in Protonen umgewandelt werden), da sie im Vergleich zu stabilen Isotopen ähnlicher Masse proportional zu viele Neutronen haben. ⓘ

Diese Neigung der Kerne von Spaltprodukten zum Betazerfall ist die Hauptursache für das Problem der hochradioaktiven Abfälle aus Kernreaktoren. Spaltprodukte neigen dazu, Betastrahler zu sein, d. h. sie emittieren schnell bewegte Elektronen, um die elektrische Ladung zu erhalten, da sich die überschüssigen Neutronen in den Atomen des Spaltprodukts in Protonen umwandeln. Eine Beschreibung der Spaltprodukte, geordnet nach Elementen, finden Sie unter Spaltprodukte (nach Elementen). ⓘ

Kettenreaktionen

Eine schematische Kettenreaktion der Kernspaltung. 1. Ein Uran-235-Atom absorbiert ein Neutron und spaltet sich in zwei neue Atome (Spaltfragmente), wobei drei neue Neutronen und etwas Bindungsenergie freigesetzt werden. 2. Eines dieser Neutronen wird von einem Uran-238-Atom absorbiert und setzt die Reaktion nicht fort. Ein weiteres Neutron geht einfach verloren und stößt mit nichts zusammen, wodurch die Reaktion ebenfalls nicht fortgesetzt wird. Das eine Neutron kollidiert jedoch mit einem Uran-235-Atom, das daraufhin spaltet und zwei Neutronen und etwas Bindungsenergie freisetzt. 3. Diese beiden Neutronen kollidieren mit Uran-235-Atomen, von denen jedes spaltet und zwischen einem und drei Neutronen freisetzt, die dann die Reaktion fortsetzen können. ⓘ

Mehrere schwere Elemente, wie Uran, Thorium und Plutonium, unterliegen sowohl der spontanen Spaltung, einer Form des radioaktiven Zerfalls, als auch der induzierten Spaltung, einer Form der Kernreaktion. Elementare Isotope, die eine induzierte Spaltung durchlaufen, wenn sie von einem freien Neutron getroffen werden, werden als spaltbar bezeichnet; Isotope, die eine Spaltung durchlaufen, wenn sie von einem sich langsam bewegenden thermischen Neutron getroffen werden, werden ebenfalls als spaltbar bezeichnet. Einige besonders spaltbare und leicht zu beschaffende Isotope (insbesondere ²³³U, ²³⁵U und ²³⁹Pu) werden als Kernbrennstoffe bezeichnet, da sie eine Kettenreaktion auslösen können und in ausreichenden Mengen verfügbar sind, um nützlich zu sein. ⓘ

Alle spaltbaren und spaltbaren Isotope unterliegen in geringem Maße der Spontanspaltung, die in jeder Kernbrennstoffprobe einige freie Neutronen freisetzt. Solche Neutronen würden schnell aus dem Brennstoff entweichen und zu einem freien Neutron mit einer mittleren Lebensdauer von etwa 15 Minuten werden, bevor sie in Protonen und Betateilchen zerfallen. Die Neutronen treffen jedoch fast ausnahmslos auf andere Kerne in der Umgebung und werden von diesen absorbiert, lange bevor dies geschieht (neu erzeugte Spaltneutronen bewegen sich mit etwa 7 % der Lichtgeschwindigkeit, und selbst moderierte Neutronen bewegen sich mit etwa 8-facher Schallgeschwindigkeit). Einige Neutronen werden auf Brennstoffkerne treffen und weitere Spaltungen auslösen, wodurch noch mehr Neutronen freigesetzt werden. Wenn genügend Kernbrennstoff an einem Ort zusammengebaut wird oder wenn die entweichenden Neutronen ausreichend eingedämmt werden, überwiegen diese frisch emittierten Neutronen die Neutronen, die aus dem Brennelement entweichen, und es kommt zu einer anhaltenden nuklearen Kettenreaktion. ⓘ

Ein Brennelement, das eine anhaltende nukleare Kettenreaktion unterstützt, wird als kritisches Brennelement oder, wenn das Brennelement fast vollständig aus einem Kernbrennstoff besteht, als kritische Masse bezeichnet. Das Wort "kritisch" bezieht sich auf einen Scheitelpunkt im Verhalten der Differentialgleichung, die die Anzahl der im Brennstoff vorhandenen freien Neutronen bestimmt: Wenn weniger als eine kritische Masse vorhanden ist, wird die Neutronenmenge durch den radioaktiven Zerfall bestimmt, wenn jedoch eine kritische Masse oder mehr vorhanden ist, wird die Neutronenmenge stattdessen durch die Physik der Kettenreaktion gesteuert. Die tatsächliche Masse einer kritischen Masse von Kernbrennstoff hängt stark von der Geometrie und den umgebenden Materialien ab. ⓘ

Nicht alle spaltbaren Isotope können eine Kettenreaktion auslösen. ²³⁸U, die am häufigsten vorkommende Form von Uran, ist zwar spaltbar, aber nicht spaltbar: Es spaltet sich, wenn es von einem energiereichen Neutron mit einer kinetischen Energie von über 1 MeV getroffen wird. Allerdings sind zu wenige der bei der Spaltung von ²³⁸U erzeugten Neutronen energiereich genug, um weitere Spaltungen in ²³⁸U auszulösen, so dass mit diesem Isotop keine Kettenreaktion möglich ist. Wird ²³⁸U stattdessen mit langsamen Neutronen beschossen, absorbiert es diese (und wird zu ²³⁹U) und zerfällt durch Betastrahlung zu ²³⁹Np, das dann auf demselben Weg zu ²³⁹Pu zerfällt; dieser Prozess wird zur Herstellung von ²³⁹Pu in Brutreaktoren genutzt. Die In-situ-Plutoniumproduktion trägt auch zur Neutronenkettenreaktion in anderen Reaktortypen bei, nachdem genügend Plutonium-239 produziert wurde, da Plutonium-239 auch ein spaltbares Element ist, das als Brennstoff dient. Es wird geschätzt, dass bis zur Hälfte der von einem Standardreaktor ohne Brüter erzeugten Leistung durch die Spaltung von Plutonium-239 erzeugt wird, das während der gesamten Lebensdauer einer Brennstoffladung an Ort und Stelle produziert wird. ⓘ

Spaltbare, nicht spaltbare Isotope können auch ohne Kettenreaktion als Spaltungsenergiequelle genutzt werden. Der Beschuss von ²³⁸U mit schnellen Neutronen führt zu Spaltungen, wobei Energie freigesetzt wird, solange die externe Neutronenquelle vorhanden ist. Dies ist ein wichtiger Effekt in allen Reaktoren, in denen schnelle Neutronen aus dem spaltbaren Isotop die Spaltung von ²³⁸U-Kernen in der Nähe verursachen können, was bedeutet, dass ein kleiner Teil des ²³⁸U in allen Kernbrennstoffen "verbrannt" wird, insbesondere in schnellen Brutreaktoren, die mit energiereicheren Neutronen arbeiten. Derselbe Effekt der schnellen Kernspaltung wird genutzt, um die von modernen thermonuklearen Waffen freigesetzte Energie zu erhöhen, indem die Waffe mit ²³⁸U ummantelt wird, das mit den durch die Kernfusion freigesetzten Neutronen im Zentrum der Vorrichtung reagiert. Die explosive Wirkung von Kernspaltungs-Kettenreaktionen kann jedoch durch den Einsatz von Substanzen wie Moderatoren, die die Geschwindigkeit der sekundären Neutronen verlangsamen, verringert werden. ⓘ

Spaltungsreaktoren

Die Kühltürme des Kernkraftwerks Philippsburg in Deutschland. ⓘ

Kritische Spaltreaktoren sind die häufigste Art von Kernreaktoren. In einem kritischen Spaltreaktor werden die durch die Spaltung von Brennstoffatomen erzeugten Neutronen genutzt, um weitere Spaltungen auszulösen und so eine kontrollierbare Energiefreisetzung aufrechtzuerhalten. Geräte, die künstliche, aber nicht selbsterhaltende Spaltungsreaktionen erzeugen, sind unterkritische Spaltungsreaktoren. Solche Geräte nutzen radioaktiven Zerfall oder Teilchenbeschleuniger, um Spaltungen auszulösen. ⓘ

Kritische Spaltreaktoren werden für drei Hauptzwecke gebaut, die in der Regel unterschiedliche technische Kompromisse erfordern, um entweder die Wärme oder die Neutronen zu nutzen, die durch die Kettenreaktion der Spaltung erzeugt werden:

• Leistungsreaktoren dienen der Erzeugung von Wärme für die Kernenergie, entweder als Teil eines Kraftwerks oder eines lokalen Energiesystems, z. B. eines Atom-U-Boots.
• Forschungsreaktoren sind für die Erzeugung von Neutronen und/oder die Aktivierung radioaktiver Quellen für wissenschaftliche, medizinische, technische oder andere Forschungszwecke bestimmt.
• Brutreaktoren dienen der Herstellung von Kernbrennstoffen in großen Mengen aus reichlich vorhandenen Isotopen. Der bekannteste schnelle Brutreaktor erzeugt ²³⁹Pu (ein Kernbrennstoff) aus dem in der Natur sehr reichlich vorhandenen ²³⁸U (kein Kernbrennstoff). Thermische Brutreaktoren, die zuvor unter Verwendung von ²³²Th zur Erzeugung des spaltbaren Isotops ²³³U getestet wurden (Thorium-Brennstoffkreislauf), werden weiterhin untersucht und entwickelt. ⓘ

Obwohl im Prinzip alle Spaltreaktoren alle drei Funktionen erfüllen können, führen die Aufgaben in der Praxis zu widersprüchlichen technischen Zielen, und die meisten Reaktoren wurden mit Blick auf nur eine der oben genannten Aufgaben gebaut. (Es gibt einige frühe Gegenbeispiele, wie den Hanford-N-Reaktor, der inzwischen stillgelegt wurde). Leistungsreaktoren wandeln in der Regel die kinetische Energie der Spaltprodukte in Wärme um, die zur Erwärmung eines Arbeitsmittels und zum Antrieb einer Wärmekraftmaschine verwendet wird, die mechanische oder elektrische Energie erzeugt. Bei einer Dampfturbine ist das Arbeitsmedium in der Regel Wasser, aber einige Konstruktionen verwenden auch andere Materialien wie gasförmiges Helium. Forschungsreaktoren erzeugen Neutronen, die auf verschiedene Weise genutzt werden, wobei die Spaltungswärme als unvermeidliches Abfallprodukt behandelt wird. Brutreaktoren sind eine spezielle Form von Forschungsreaktoren, mit dem Unterschied, dass die bestrahlte Probe in der Regel der Brennstoff selbst ist, eine Mischung aus ²³⁸U und ²³⁵U. Eine ausführlichere Beschreibung der Physik und der Funktionsprinzipien kritischer Spaltreaktoren finden Sie unter Kernreaktorphysik. Für eine Beschreibung ihrer sozialen, politischen und ökologischen Aspekte siehe Kernenergie. ⓘ

Spaltbomben

Der Atompilz des Atombombenabwurfs auf Nagasaki, Japan, am 9. August 1945 stieg über 18 Kilometer über dem Hypozentrum der Bombe auf. Schätzungsweise 39.000 Menschen wurden durch die Atombombe getötet, darunter 23.145-28.113 japanische Fabrikarbeiter, 2.000 koreanische Sklavenarbeiter und 150 japanische Kämpfer. ⓘ

Eine Klasse von Kernwaffen, die Spaltbombe (nicht zu verwechseln mit der Fusionsbombe), auch bekannt als Atombombe oder Atombombe, ist ein Spaltreaktor, der darauf ausgelegt ist, so schnell wie möglich so viel Energie wie möglich freizusetzen, bevor die freigesetzte Energie den Reaktor zur Explosion bringt (und die Kettenreaktion zum Stillstand bringt). Die Entwicklung von Kernwaffen war die Motivation für die frühe Forschung im Bereich der Kernspaltung, die im Rahmen des Manhattan-Projekts während des Zweiten Weltkriegs (1. September 1939 - 2. September 1945) durchgeführt wurde und in den drei Ereignissen mit Spaltbomben während des Krieges gipfelte. Die erste Spaltbombe mit dem Codenamen "The Gadget" wurde während des Trinity-Tests am 16. Juli 1945 in der Wüste von New Mexico gezündet. Zwei weitere Spaltbomben mit den Codenamen "Little Boy" und "Fat Man" wurden im Kampf gegen die japanischen Städte Hiroshima und Nagasaki am 6. bzw. 9. August 1945 eingesetzt. ⓘ

Schon die ersten Spaltbomben waren tausendmal explosiver als eine vergleichbare Masse an chemischem Sprengstoff. Little Boy zum Beispiel wog insgesamt etwa vier Tonnen (davon 60 kg Kernbrennstoff) und war 3,4 m lang; sie hatte eine Explosionskraft, die etwa 15 Kilotonnen TNT entsprach, und zerstörte einen großen Teil der Stadt Hiroshima. Moderne Kernwaffen (die sowohl eine thermonukleare Fusion als auch eine oder mehrere Spaltungsstufen umfassen) sind im Verhältnis zu ihrem Gewicht hundertmal energiereicher als die ersten reinen Spaltungsbomben (siehe Ausbeute von Kernwaffen), so dass eine moderne Bombe mit einem einzigen Raketensprengkopf, die weniger als 1/8 so viel wie Little Boy wiegt (siehe z. B. W88), eine Ausbeute von 475 Kilotonnen TNT hat und etwa das Zehnfache der Stadtfläche zerstören könnte. ⓘ

Obwohl die grundlegende Physik der Spaltungskettenreaktion in einer Kernwaffe der Physik eines kontrollierten Kernreaktors ähnelt, müssen die beiden Arten von Geräten ganz anders konstruiert werden (siehe Kernreaktorphysik). Eine Atombombe ist darauf ausgelegt, ihre gesamte Energie auf einmal freizusetzen, während ein Reaktor darauf ausgelegt ist, eine stetige Versorgung mit nützlicher Energie zu erzeugen. Während die Überhitzung eines Reaktors zu Kernschmelzen und Dampfexplosionen führen kann und auch schon geführt hat, ist es aufgrund der viel geringeren Urananreicherung unmöglich, dass ein Kernreaktor mit der gleichen zerstörerischen Kraft wie eine Kernwaffe explodiert. Es ist auch schwierig, aus einer Atombombe nützliche Energie zu gewinnen, obwohl zumindest ein Raketenantriebssystem, das Projekt Orion, durch die Explosion von Spaltbomben hinter einem massiv gepolsterten und abgeschirmten Raumfahrzeug funktionieren sollte. ⓘ

Die strategische Bedeutung von Kernwaffen ist einer der Hauptgründe, warum die Technologie der Kernspaltung politisch heikel ist. Der Bau von Spaltbomben ist für viele möglich, da sie aus technischer Sicht relativ einfach sind. Die Schwierigkeit, spaltbares Kernmaterial zu beschaffen, um die Entwürfe zu verwirklichen, ist jedoch der Schlüssel dafür, dass Kernwaffen nur für moderne Industriestaaten mit speziellen Programmen zur Herstellung von spaltbarem Material (siehe Urananreicherung und Kernbrennstoffkreislauf) relativ unzugänglich sind. ⓘ

Geschichte

Entdeckung der Kernspaltung

Hahn und Meitner im Jahr 1912 ⓘ

Die Entdeckung der Kernspaltung erfolgte 1938 in den Gebäuden der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft für Chemie, die heute Teil der Freien Universität Berlin ist. Vorausgegangen waren über vier Jahrzehnte Arbeit an der Wissenschaft der Radioaktivität und die Ausarbeitung einer neuen Kernphysik, die die Bestandteile der Atome beschrieb. 1911 schlug Ernest Rutherford ein Atommodell vor, in dem ein sehr kleiner, dichter und positiv geladener Kern aus Protonen von kreisenden, negativ geladenen Elektronen umgeben ist (Rutherford-Modell). Niels Bohr verbesserte dieses Modell im Jahr 1913, indem er das Quantenverhalten der Elektronen in Einklang brachte (das Bohr-Modell). Die Arbeiten von Henri Becquerel, Marie Curie, Pierre Curie und Rutherford führten weiter aus, dass der Kern, obwohl er fest gebunden ist, verschiedene Formen des radioaktiven Zerfalls durchlaufen und sich dadurch in andere Elemente umwandeln kann. (Zum Beispiel durch Alphazerfall: die Emission eines Alphateilchens - zwei Protonen und zwei Neutronen, die zu einem Teilchen zusammengebunden sind, das mit einem Heliumkern identisch ist). ⓘ

Einige Arbeiten zur Kerntransmutation waren bereits durchgeführt worden. Im Jahr 1917 gelang Rutherford die Transmutation von Stickstoff in Sauerstoff mit Hilfe von Alphateilchen, die auf Stickstoff gerichtet waren: ¹⁴N + α → ¹⁷O + p. Dies war die erste Beobachtung einer Kernreaktion, d. h. einer Reaktion, bei der Teilchen aus einem Zerfall zur Umwandlung eines anderen Atomkerns verwendet werden. Im Jahr 1932 gelang Rutherfords Kollegen Ernest Walton und John Cockcroft schließlich eine vollständig künstliche Kernreaktion und Kerntransmutation, indem sie künstlich beschleunigte Protonen gegen Lithium-7 einsetzten, um diesen Kern in zwei Alphateilchen zu spalten. Dieses Kunststück wurde im Volksmund als "Atomspaltung" bezeichnet und brachte ihnen 1951 den Nobelpreis für Physik für die "Transmutation von Atomkernen durch künstlich beschleunigte Atomteilchen" ein, obwohl es sich nicht um die später in schweren Elementen entdeckte Kernspaltungsreaktion handelte. ⓘ

Nachdem der englische Physiker James Chadwick 1932 das Neutron entdeckt hatte, untersuchten Enrico Fermi und seine Kollegen in Rom 1934 die Ergebnisse der Beschießung von Uran mit Neutronen. Fermi kam zu dem Schluss, dass bei seinen Experimenten neue Elemente mit 93 und 94 Protonen entstanden waren, die die Gruppe als Ausonium und Hesperium bezeichnete. Allerdings waren nicht alle von Fermis Analyse seiner Ergebnisse überzeugt, obwohl er 1938 den Nobelpreis für Physik für seine "Nachweise der Existenz neuer radioaktiver Elemente, die durch Neutronenbestrahlung erzeugt werden, und für seine damit verbundene Entdeckung von Kernreaktionen, die durch langsame Neutronen ausgelöst werden", erhielt. Die deutsche Chemikerin Ida Noddack schlug 1934 in einer Publikation vor, dass anstelle der Bildung eines neuen, schwereren Elements 93 "es denkbar ist, dass der Kern in mehrere große Fragmente zerfällt". Noddacks Schlussfolgerung wurde seinerzeit jedoch nicht weiter verfolgt. ⓘ

Versuchsapparat ähnlich dem, mit dem Otto Hahn und Fritz Strassmann 1938 die Kernspaltung entdeckten. Die Apparate befanden sich nicht auf demselben Tisch oder im selben Raum. ⓘ

Nach der Fermi-Publikation begannen Otto Hahn, Lise Meitner und Fritz Strassmann in Berlin ähnliche Experimente durchzuführen. Meitner, eine österreichische Jüdin, verlor mit dem Anschluss Österreichs an Deutschland im März 1938 ihre österreichische Staatsbürgerschaft, floh aber im Juli 1938 nach Schweden und begann einen Briefwechsel mit Hahn in Berlin. Zufällig befand sich ihr Neffe Otto Robert Frisch, ebenfalls ein Flüchtling, ebenfalls in Schweden, als Meitner einen Brief von Hahn vom 19. Dezember erhielt, in dem er seinen chemischen Nachweis beschrieb, dass ein Teil des Produkts des Uranbeschusses mit Neutronen Barium war. Hahn vermutete eine Kernzertrümmerung, war sich aber nicht sicher, was die physikalische Grundlage für die Ergebnisse war. Barium hatte eine um 40 % geringere Atommasse als Uran, und keine bisher bekannte Methode des radioaktiven Zerfalls konnte einen so großen Unterschied in der Masse des Kerns erklären. Frisch war skeptisch, aber Meitner vertraute auf Hahns Fähigkeiten als Chemiker. Marie Curie hatte viele Jahre lang Barium von Radium getrennt, und die Techniken waren bekannt. Meitner und Frisch interpretierten Hahns Ergebnisse korrekt dahingehend, dass sich der Kern des Urans ungefähr in zwei Hälften geteilt hatte. Frisch schlug vor, den Prozess als "Kernspaltung" zu bezeichnen, in Analogie zu dem Prozess der Teilung lebender Zellen in zwei Zellen, der damals als "binäre Spaltung" bezeichnet wurde. So wie der Begriff der nuklearen "Kettenreaktion" später aus der Chemie entlehnt wurde, so wurde der Begriff "Kernspaltung" aus der Biologie entlehnt. ⓘ

Die Nachricht von der neuen Entdeckung, die zu Recht als völlig neuartiger physikalischer Effekt mit großen wissenschaftlichen - und potenziell praktischen - Möglichkeiten angesehen wurde, verbreitete sich schnell. Meitners und Frischs Interpretation der Entdeckung von Hahn und Strassmann überquerte den Atlantik mit Niels Bohr, der an der Princeton University einen Vortrag halten sollte. I.I. Rabi und Willis Lamb, zwei Physiker der Columbia University, die in Princeton arbeiteten, hörten die Nachricht und brachten sie zurück nach Columbia. Rabi sagte, er habe es Enrico Fermi erzählt; Fermi gab Lamb die Ehre. Bohr ging bald darauf von Princeton zur Columbia, um Fermi zu treffen. Da er Fermi nicht in seinem Büro antraf, ging Bohr hinunter in den Zyklotronbereich und fand Herbert L. Anderson. Bohr packte ihn an der Schulter und sagte: "Junger Mann, lassen Sie mich Ihnen etwas Neues und Aufregendes in der Physik erklären." Für eine Reihe von Wissenschaftlern an der Columbia war klar, dass sie versuchen sollten, die bei der Kernspaltung von Uran durch Neutronenbeschuss freigesetzte Energie nachzuweisen. Am 25. Januar 1939 führte ein Team der Columbia University im Keller der Pupin Hall das erste Kernspaltungsexperiment in den Vereinigten Staaten durch. Dabei wurde Uranoxid in eine Ionisationskammer gelegt, mit Neutronen bestrahlt und die dabei freigesetzte Energie gemessen. Die Ergebnisse bestätigten, dass eine Spaltung stattfand, und deuteten stark darauf hin, dass insbesondere das Isotop Uran 235 spaltete. Am nächsten Tag begann in Washington, D.C., die Fünfte Washingtoner Konferenz für Theoretische Physik, die unter der gemeinsamen Schirmherrschaft der George Washington University und der Carnegie Institution of Washington stand. Dort wurde die Nachricht von der Kernspaltung noch weiter verbreitet, was viele weitere experimentelle Demonstrationen zur Folge hatte. ⓘ

In ihrer zweiten Veröffentlichung über die Kernspaltung im Februar 1939 verwendeten Hahn und Strassmann zum ersten Mal den Begriff Uranspaltung und sagten die Existenz und Freisetzung zusätzlicher Neutronen während des Spaltprozesses voraus, was die Möglichkeit einer nuklearen Kettenreaktion eröffnete. ⓘ

Briefmarke der Deutschen Bundespost (1964): 25 Jahre Entdeckung der Kernspaltung durch Otto Hahn und Fritz Straßmann ⓘ

Spaltungskettenreaktion realisiert

In dieser Zeit erkannte der ungarische Physiker Leó Szilárd, dass die neutronengetriebene Spaltung schwerer Atome zur Erzeugung einer nuklearen Kettenreaktion genutzt werden kann. Eine solche Reaktion mit Neutronen war eine Idee, die er erstmals 1933 formuliert hatte, nachdem er Rutherfords abfällige Bemerkungen über die Energiegewinnung aus dem Experiment seines Teams von 1932 gelesen hatte, bei dem Protonen zur Spaltung von Lithium verwendet wurden. Allerdings war es Szilárd nicht gelungen, eine neutronengetriebene Kettenreaktion mit neutronenreichen leichten Atomen zu erreichen. Wenn in einer neutronengetriebenen Kettenreaktion die Anzahl der erzeugten Sekundärneutronen größer als eins wäre, könnte theoretisch jede solche Reaktion mehrere zusätzliche Reaktionen auslösen, was zu einer exponentiell steigenden Anzahl von Reaktionen führen würde. Es bestand also die Möglichkeit, dass die Spaltung von Uran riesige Mengen an Energie für zivile oder militärische Zwecke (d. h. Stromerzeugung oder Atombomben) liefern könnte. ⓘ

Szilard forderte nun Fermi (in New York) und Frédéric Joliot-Curie (in Paris) auf, nicht über die Möglichkeit einer Kettenreaktion zu publizieren, damit die Nazi-Regierung am Vorabend des späteren Zweiten Weltkriegs nicht auf diese Möglichkeit aufmerksam wird. Nach einigem Zögern willigte Fermi in die Selbstzensur ein. Joliot-Curie jedoch nicht, und im April 1939 berichtete sein Pariser Team, dem auch Hans von Halban und Lew Kowarski angehörten, in der Zeitschrift Nature, dass die Zahl der bei der Kernspaltung von Uran freigesetzten Neutronen damals mit 3,5 pro Spaltung angegeben wurde. (Später korrigierten sie diesen Wert auf 2,6 pro Spaltung.) Die gleichzeitige Arbeit von Szilard und Walter Zinn bestätigte diese Ergebnisse. Die Ergebnisse legten die Möglichkeit nahe, Kernreaktoren (von Szilard und Fermi zunächst "neutronische Reaktoren" genannt) und sogar Atombomben zu bauen. Allerdings war noch vieles über Spaltungs- und Kettenreaktionssysteme unbekannt. ⓘ

Zeichnung des ersten künstlichen Reaktors, Chicago Pile-1. ⓘ

Kettenreaktionen waren damals ein bekanntes Phänomen in der Chemie, aber der analoge Prozess in der Kernphysik unter Verwendung von Neutronen war bereits 1933 von Szilárd vorhergesehen worden, obwohl Szilárd damals noch keine Ahnung hatte, mit welchen Materialien der Prozess ausgelöst werden könnte. Szilárd war der Ansicht, dass Neutronen für eine solche Situation ideal wären, da sie keine elektrostatische Ladung besitzen. ⓘ

Mit der Nachricht von Spaltneutronen aus der Uranspaltung erkannte Szilárd sofort die Möglichkeit einer nuklearen Kettenreaktion mit Uran. Im Sommer schlugen Fermi und Szilard die Idee eines Kernreaktors (Meiler) vor, um diesen Prozess zu vermitteln. Der Meiler würde natürliches Uran als Brennstoff verwenden. Fermi hatte schon viel früher gezeigt, dass Neutronen von Atomen weitaus effektiver eingefangen werden können, wenn sie eine niedrige Energie haben (so genannte "langsame" oder "thermische" Neutronen), da die Atome aus Quantengründen dadurch für die Neutronen als viel größere Ziele erscheinen. Um die von den spaltenden Urankernen freigesetzten sekundären Neutronen zu verlangsamen, schlugen Fermi und Szilard einen Graphit-"Moderator" vor, mit dem die schnellen, hochenergetischen sekundären Neutronen zusammenstoßen und dadurch effektiv verlangsamt werden sollten. Mit genügend Uran und ausreichend reinem Graphit könnte ihr "Haufen" theoretisch eine Kettenreaktion mit langsamen Neutronen aufrechterhalten. Dabei würden sowohl Wärme als auch radioaktive Spaltprodukte entstehen. ⓘ

Im August 1939 glaubten Szilard und seine ungarischen Kollegen Teller und Wigner, dass die Deutschen die Kettenreaktion der Kernspaltung nutzen könnten, und versuchten, die Aufmerksamkeit der US-Regierung auf dieses Thema zu lenken. Zu diesem Zweck überredeten sie den deutsch-jüdischen Flüchtling Albert Einstein, seinen Namen für einen an Präsident Franklin Roosevelt gerichteten Brief herzugeben. Der Einstein-Szilárd-Brief schlug die Möglichkeit einer per Schiff transportierbaren Uranbombe vor, die "einen ganzen Hafen und einen Großteil der umliegenden Landschaft" zerstören würde. Der Präsident erhielt den Brief am 11. Oktober 1939 - kurz nach Beginn des Zweiten Weltkriegs in Europa, aber zwei Jahre vor dem Eintritt der USA in diesen. Roosevelt ordnete an, dass ein wissenschaftliches Komitee mit der Überwachung der Uranarbeiten beauftragt werden sollte, und stellte einen kleinen Geldbetrag für die Pfahlforschung bereit. ⓘ

In England schlug James Chadwick eine Atombombe mit natürlichem Uran vor, die auf einem Papier von Rudolf Peierls basierte und deren Masse für den kritischen Zustand 30-40 Tonnen betragen sollte. In Amerika dachte J. Robert Oppenheimer, dass ein Urandeuterid-Würfel von 10 cm Kantenlänge (ca. 11 kg Uran) "sich selbst in die Luft jagen" könnte. Bei diesem Entwurf ging man noch davon aus, dass für die Kernspaltung der Bombe ein Moderator verwendet werden müsste. (Wie sich herausstellte, war dies nicht der Fall, wenn das spaltbare Isotop abgetrennt wurde.) Im Dezember legte Werner Heisenberg dem deutschen Kriegsministerium einen Bericht über die Möglichkeit einer Uranbombe vor. Die meisten dieser Modelle gingen noch von der Annahme aus, dass die Bomben durch langsame Neutronenreaktionen angetrieben würden - und damit ähnlich wie ein Reaktor, der eine kritische Leistungsexkursion durchläuft. ⓘ

In Birmingham, England, schloss sich Frisch mit Peierls, einem deutsch-jüdischen Flüchtlingskollegen, zusammen. Sie hatten die Idee, eine gereinigte Masse des Uranisotops ²³⁵U zu verwenden, dessen Wirkungsquerschnitt noch nicht bestimmt war, der aber vermutlich viel größer war als der von ²³⁸U oder natürlichem Uran (das zu 99,3 % aus letzterem Isotop besteht). Unter der Annahme, dass der Wirkungsquerschnitt für die schnelle Neutronenspaltung von ²³⁵U derselbe ist wie für die langsame Neutronenspaltung, ermittelten sie, dass eine reine ²³⁵U-Bombe eine kritische Masse von nur 6 kg statt Tonnen haben könnte und dass die daraus resultierende Explosion gewaltig sein würde (die tatsächliche Menge betrug 15 kg, obwohl ein Mehrfaches dieser Menge in der eigentlichen Uranbombe (Little Boy) verwendet wurde). Im Februar 1940 lieferten sie das Frisch-Peierls-Memorandum. Ironischerweise galten sie zu diesem Zeitpunkt offiziell noch als "feindliche Ausländer". Glenn Seaborg, Joseph W. Kennedy, Arthur Wahl und der italienisch-jüdische Flüchtling Emilio Segrè entdeckten kurz darauf ²³⁹Pu in den Zerfallsprodukten von ²³⁹U, das durch den Beschuss von ²³⁸U mit Neutronen erzeugt wurde, und stellten fest, dass es wie ²³⁵U ein spaltbares Material ist. ⓘ

Die Möglichkeit, Uran-235 zu isolieren, war technisch sehr schwierig, da Uran-235 und Uran-238 chemisch identisch sind und sich in ihrer Masse nur durch das Gewicht von drei Neutronen unterscheiden. Wenn es jedoch gelänge, eine ausreichende Menge Uran-235 zu isolieren, wäre eine Kettenreaktion der schnellen Neutronenspaltung möglich. Diese wäre äußerst explosiv, eine echte "Atombombe". Die Entdeckung, dass Plutonium-239 in einem Kernreaktor hergestellt werden kann, wies auf einen weiteren Ansatz für eine Bombe mit schneller Neutronenspaltung hin. Beide Ansätze waren äußerst neu und noch nicht gut verstanden, und es herrschte große wissenschaftliche Skepsis gegenüber der Vorstellung, dass sie in kurzer Zeit entwickelt werden könnten. ⓘ

Am 28. Juni 1941 wurde in den USA das Office of Scientific Research and Development (Büro für wissenschaftliche Forschung und Entwicklung) gegründet, um wissenschaftliche Ressourcen zu mobilisieren und die Forschungsergebnisse für die nationale Verteidigung zu nutzen. Im September baute Fermi seinen ersten nuklearen "Meiler" oder Reaktor zusammen, um eine langsame neutroneninduzierte Kettenreaktion in Uran zu erzeugen, aber das Experiment scheiterte daran, die Kritikalität zu erreichen, weil es an geeigneten Materialien fehlte oder nicht genügend geeignete Materialien zur Verfügung standen. ⓘ

Die Erzeugung einer Spaltungskettenreaktion in natürlichem Uranbrennstoff erwies sich als alles andere als trivial. Die frühen Kernreaktoren verwendeten kein isotopisch angereichertes Uran und mussten daher große Mengen an hochgereinigtem Graphit als Neutronenmoderationsmaterial verwenden. Die Verwendung von normalem Wasser (im Gegensatz zu schwerem Wasser) in Kernreaktoren erfordert angereicherten Brennstoff - die teilweise Abtrennung und relative Anreicherung des seltenen Isotops ²³⁵U von dem weitaus häufigeren Isotop ²³⁸U. In der Regel benötigen Reaktoren auch chemisch extrem reine Neutronenmoderatormaterialien wie Deuterium (in schwerem Wasser), Helium, Beryllium oder Kohlenstoff, letzteres in der Regel in Form von Graphit (die hohe Reinheit von Kohlenstoff ist erforderlich, weil viele chemische Verunreinigungen, wie z. B. die Bor-10-Komponente von natürlichem Bor, sehr starke Neutronenabsorber sind und somit die Kettenreaktion vergiften und sie vorzeitig beenden). ⓘ

Die Herstellung solcher Materialien in industriellem Maßstab musste gelöst werden, um die Stromerzeugung aus Kernkraft und die Waffenproduktion zu ermöglichen. Bis 1940 betrug die Gesamtmenge des in den USA hergestellten Uranmetalls nicht mehr als ein paar Gramm, und selbst diese Menge war von zweifelhafter Reinheit; von metallischem Beryllium nicht mehr als ein paar Kilogramm; und von konzentriertem Deuteriumoxid (schweres Wasser) nicht mehr als ein paar Kilogramm. Kohlenstoff schließlich war noch nie in einer Menge hergestellt worden, die auch nur annähernd die für einen Moderator erforderliche Reinheit aufwies. ⓘ

Das Problem der Herstellung großer Mengen hochreinen Urans wurde von Frank Spedding mit dem Thermit- oder "Ames"-Verfahren gelöst. Das Ames-Labor wurde 1942 gegründet, um die großen Mengen an natürlichem (nicht angereichertem) Uranmetall zu produzieren, die für die künftige Forschung notwendig sein würden. Der entscheidende Erfolg der nuklearen Kettenreaktion des Chicago Pile-1 (2. Dezember 1942), bei dem nicht angereichertes (natürliches) Uran verwendet wurde, wie bei allen Atommeilern, aus denen das Plutonium für die Atombombe gewonnen wurde, war auch Szilards Erkenntnis zu verdanken, dass sehr reiner Graphit als Moderator selbst für Natururan-"Meiler" verwendet werden kann. Im kriegsgeplagten Deutschland führte die Unkenntnis der Eigenschaften von hochreinem Graphit zu Reaktorkonstruktionen, die auf schweres Wasser angewiesen waren, was den Deutschen wiederum durch die Angriffe der Alliierten in Norwegen, wo schweres Wasser produziert wurde, verwehrt blieb. Diese und viele andere Schwierigkeiten hinderten die Nazis daran, während des Krieges einen kritikfähigen Kernreaktor zu bauen, obwohl sie nie so viel Aufwand wie die USA in die Kernforschung steckten und sich auf andere Technologien konzentrierten (siehe das deutsche Kernenergieprojekt für weitere Einzelheiten). ⓘ

Das Manhattan-Projekt und darüber hinaus

In den Vereinigten Staaten wurde Ende 1942 mit dem Bau von Atomwaffen begonnen. Diese Arbeit wurde 1943 vom U.S. Army Corps of Engineers übernommen und als Manhattan Engineer District bekannt. Das streng geheime Manhattan-Projekt, wie es umgangssprachlich genannt wurde, stand unter der Leitung von General Leslie R. Groves. Zu den Dutzenden von Standorten des Projekts gehörten: Hanford Site in Washington, wo die ersten Kernreaktoren in industriellem Maßstab standen und Plutonium hergestellt wurde; Oak Ridge in Tennessee, wo man sich hauptsächlich mit der Urananreicherung befasste; und Los Alamos in New Mexico, das als wissenschaftliches Zentrum für die Forschung zur Entwicklung und Konstruktion von Bomben diente. Andere Standorte, insbesondere das Berkeley Radiation Laboratory und das Metallurgical Laboratory an der University of Chicago, leisteten einen wichtigen Beitrag. Die wissenschaftliche Gesamtleitung des Projekts lag in den Händen des Physikers J. Robert Oppenheimer. ⓘ

Im Juli 1945 wurde in der Wüste von New Mexico der erste atomare Sprengsatz mit dem Namen "Trinity" gezündet. Er wurde mit in Hanford hergestelltem Plutonium betrieben. Im August 1945 wurden zwei weitere Atombomben - "Little Boy", eine Uran-235-Bombe, und "Fat Man", eine Plutoniumbombe - gegen die japanischen Städte Hiroshima und Nagasaki eingesetzt. ⓘ

In den Jahren nach dem Zweiten Weltkrieg beschäftigten sich viele Länder mit der Weiterentwicklung der Kernspaltung für die Zwecke von Kernreaktoren und Kernwaffen. Das Vereinigte Königreich eröffnete 1956 das erste kommerzielle Kernkraftwerk. Im Jahr 2013 gab es 437 Reaktoren in 31 Ländern. ⓘ

Natürliche Spaltungskettenreaktoren auf der Erde

Kritikalität in der Natur ist ungewöhnlich. In drei Erzlagerstätten bei Oklo in Gabun wurden sechzehn Stellen (die so genannten fossilen Reaktoren von Oklo) entdeckt, an denen vor etwa 2 Milliarden Jahren eine sich selbst erhaltende Kernspaltung stattfand. Als der französische Physiker Francis Perrin 1972 die Fossilen Reaktoren von Oklo entdeckte, wurde klar, dass die Natur dem Menschen zuvorgekommen war (Paul Kuroda postulierte dies bereits 1956). Natürliche Uranspaltungskettenreaktionen in großem Maßstab, die durch normales Wasser moderiert werden, hatten in der Vergangenheit stattgefunden und wären heute nicht mehr möglich. Dieser uralte Prozess konnte nur deshalb mit normalem Wasser moderiert werden, weil natürliches Uran 2 Milliarden Jahre vor unserer Zeit reichhaltiger an dem kurzlebigeren spaltbaren Isotop ²³⁵U (etwa 3 %) war als das heute verfügbare natürliche Uran (das nur 0,7 % beträgt und auf 3 % angereichert werden muss, um in Leichtwasserreaktoren verwendet werden zu können). ⓘ

Neutroneninduzierte Spaltung

Große technische Bedeutung hat die neutroneninduzierte Spaltung, eine 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 und spaltet sich. Statt der Spaltung sind 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. ⓘ

Wegen ihrer Bedeutung für die zivile Energiegewinnung und für Kernwaffen wird im Folgenden hauptsächlich die neutroneninduzierte Spaltung behandelt. ⓘ

Spaltbarkeit

Einige Actinoide und ihre wichtigsten Spaltprodukte. Die durch thermische Neutronen gut spaltbaren Actinoide sind fett geschrieben. Die Isotope sind nach ihrer Zugehörigkeit zu Zerfallsreihen und/oder ihrer Halbwertszeit sortiert. ⓘ

Das Bild zeigt den Wirkungsquerschnitt für die Spaltungsreaktion von U-233. U-235, U-238 und Pu-239 in Abhängigkeit von der Neutronenenergie. Der linke Bereich entspricht thermischen, der rechte schnellen Neutronen. ⓘ

Thermische Neutronen

Durch thermische Neutronen – d. h. solche mit relativ geringer kinetischer Energie – sind meistens nur Isotope mit ungerader Neutronenzahl gut spaltbar. Nur diese Atomkerne gewinnen durch die Aufnahme eines Neutrons Paarenergie hinzu. „Gut spaltbar“ heißt dabei, dass der Wirkungsquerschnitt des Kerns für Spaltung durch ein thermisches Neutron hunderte bis tausende Barn beträgt. „Schlecht spaltbar“ bedeutet entsprechend, dass dieser Wirkungsquerschnitt nur von der Größenordnung 1 Barn oder kleiner ist. ⓘ

Beispiel: Americium hat als Element 95 mit seiner ungeraden Protonenzahl bei ungeraden Nukleonenzahlen eine gerade Zahl von Neutronen, während Plutonium, als 94. Element, mit seiner geraden Protonenzahl bei ungeraden Nukleonenzahlen auch ungerade Neutronenzahlen hat. Deshalb ist Americium ²⁴¹Am mit thermischen Neutronen schlecht spaltbar (3,1 Barn), im Gegensatz zu Plutonium ²⁴¹Pu (1010 Barn). ⓘ

Technische Bedeutung

Kernwaffen

Atombombentest auf der Nevada Test Site 1951 ⓘ

Die exponentiell anwachsende Kernspaltungs-Kettenreaktion einer prompt überkritischen Spaltstoffanordnung dient als Energiequelle für „normale“ Kernwaffen. Die „zerstörende Energie“ wird primär als Lichtstrahlung, Hitze und Radioaktivität sowie sekundär in Form einer Druckwelle freigesetzt. Bei Wasserstoffbomben dient eine Kernspaltung als Zünder für eine Kernfusion, also das Verschmelzen von leichten Atomkernen. ⓘ

Andere induzierte Kernspaltungen

Der Stoß eines energiereichen Gammaquants (im MeV-Energiebereich) kann zur Spaltung eines schweren Kerns führen (Photospaltung). 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. ⓘ

Auch ein Compoundkern mit sehr großem Kernspin, wie er in Schwerionen-Reaktionen entstehen kann, kann seine Anregungsenergie durch Spaltung abbauen. ⓘ

Technische Anwendungen haben diese Spaltvorgänge nicht. ⓘ