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Eine Kernspaltung wurde das erste mal am 14. Dezember 1938, in Berlin durchgeführt.
Von Otto Hahn und Fritz Strassmann.
Sie beschossen ein schweres Uran Atom mit einem im Verhältnis langsamen Neutron.
Die Kernspaltung kann ebenfalls durch Beschuss von Protonen, Deutronen, Alphateilchen oder Gammaquanten erfolgen,
jedoch ist es mit Neutronen am einfachsten, weil diese keine Ladung besitzen.
Nach der Spaltung eines schweren Uran Atomkerns blieben zwei mittelschwere Kerne und zwei bis drei Neutronen übrig.
Es gibt verschiedene Trümmerkerne.
Bei Uran wären diese Krypton und Barium.
Die Spaltung sah wie folgt aus:
Es gibt 3 Arten von Uran Atomen.
U-234, U-235, U-236.
U-234 ist schwer mit einem Neutron zu trennen.
Mit Hoher Geschwindigkeit aber möglich.
U-235 ist leicht mit einem Neutron zu trennen.
Am besten mit niedriger Geschwindigkeit (7920 km/h)
U-238 ist in der Kernspaltung unwichtig, weil es zu selten in der Natur vorkommt.
Am meisten wird U-235 verwendet.
Bei der Spaltung von einem Kilogramm reinem Uran-235 würde theoretisch 2,5 Millionen mal so viel Energie frei, wie bei der Verbrennung der gleichen Menge Steinkohle.
Bei der Spaltung wird ein Neutron auf ein Uran-Atom geschossen und von dem Kern aufgenommen.
Der Kern wird wie eine Elastische Masse und verformt sich zu einer Ellipsenartigen Form.
Der Kern zittert und wird zu einem Uran-236 Isotop.
Dieses Isotop hat etwa eine Lebensdauer von 10-14 s.
Das Isotop nimmt dann eine Hantelförmige Gestallt an.
Da der Kern positiv geladen ist, stoßen sich die beiden hälften voneinander ab und zerreisen unter Abgabe von 3 Neutronen in zwei unterschiedlich schwere Trümmerkerne.
Bei dieser Reaktion wird Energie und Wärme frei, welche zur Stromversorgung genutzt wird.
Die 3 freigewordenen Neutronen können eine weitere Kernspaltung hervorrufen.
Sie fliegen mit Hoher Geschwindigkeit von den Trümmerkernen weg und treffen solange auf andere Uran Atome, bis sie ihre ganze Bewegungsenergie abgegeben haben.
Die Trümmerkerne sind meist unterschiedlich.
Da man mit gerundeten Zahlen arbeitet, ergibt die Summe der Massenzahlen, der Trümmerkerne und der Neutronen bei Uran, 236.
Der Rest, der an Gewicht fehlt, wurde in Energie umgewandelt.
Heute kennt man etwa 200 verschiedene Spaltprodukte des Uran-235, welche sich auf 35 verschiedene Elemente bezieht.
Da die Spaltprodukte Neutronen Überschuss haben, sind sie radioaktiv und meist instabil.
Es wurde ja eben schon erwähnt,
dass die Lebenszeit eines U-236 nur 10-14 s besteht.
Leichte Atome haben meist so viele Neutronen wie Protonen.
Doch schwere Atome, brauchen mehr Neutronen als Protonen um den Kern zusammenzuhalten.
Elemente die zu viele oder zu wenig Neutronen haben, können nur kurze Zeit existieren.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Neutronenüberschuss zu regulieren.
Z.B. Der Betazerfall und Neutronenemission.
³1H hat zu viele Neutronen um stabil zu sein.
Es kann die Neutronen nicht einfach rauswerfen,
Also macht das Element es anders.
Das Neutron wird zum Proton umgewandelt.
Aus ³1H wird ³2He.
Also.. Aus einem instabilen Wasserstoff Isotop wird ein stabiles Helium Isotop.
Die Massenzahl bleibt erhalten.
Doch, was ist mit der Ladung?
Wasserstoff hat ein Proton.
Helium hat zwei.
Also, am Ende hat man doppelt soviel Positive Ladung wie am Anfang.
Wenn Wasserstoff zu Helium-3 wird, sendet es gleichzeitig ein Elektron(wird Betateilchen genannt) aus, welches negativ geladen ist und kaum Masse hat.
Dadurch ist die Ladung wieder wie vorher.
In einer Formel säh das so aus:
31H => 32He + 0-1e
Die Summe der Massenzahlen auf beiden Seiten muss die gleiche Zahl ergeben.
(3=3+0)
Genau wie die Ladung.
(1=2-1)
jedoch ist auch Neutronenemission möglich.
Dabei wird ein oder mehrere Neutronen aus dem Kern geschleudert.
Die Kernmasse(gewicht des Atomkerns) nimmt um pro Neutron etwa um eine Einheit ab.
Die Ordnungszahl bleibt.
Es kann auch vorkommen, das ein Atom, zu wenig Neutronen hat.
Dabei wird das einfach umgedreht.
Ein Proton wird zu einem Neutron.
Auch die Ladung ist nun wieder anders.
Nehmen wir 74Be, ein Proton wird zum Neutron und danach ist es ein 73Li.
Aber man verliert dadurch an Ladung.
Aussenden eines Elektrons würde dies nur verschlimmern.
Also wird stattdessen ein Positron ausgesendet.
Es ist wie ein Elektron, hat nur die entgegengesetzte Ladung.
Es gibt noch andere Methoden, wie man instabile Isotope umwandeln kann,
doch das gehört nicht zu diesem Thema.
Es wurde eben schon öfter erwähnt, das Energie bei der Kernspaltung freigesetzt wird.
Diese wird in Kernreaktoren in Wärme und Strom umgewandelt.
Doch, wo genau kommt diese Energie her??
Das ist nicht schwer zu verstehen.
Die Masse, welche bei der Kernspaltung fehlt, wird direkt in Energie umgewandelt.
Das dies geht, bewies ein berühmter Wissenschaftler,
welcher auch unter denen bekannt ist,
die nicht viel von Chemie und Physik halten.
Einstein formulierte seine berühmteste Formel E=m·c², 1905.
Diese Formel sagt aus,
dass Energie das gleiche wie die Masse mit der Lichtgeschwindigkeit² multipliziert ist.
In Kernkraftwerken wird meist Uran-235 oder Plutonium-239 gespalten.
Nach dem Spalten bleiben die Hochradioaktiven Stoffe übrig.
Der Atommüll.
Er muss meist sehr aufwendig gelagert und gekühlt werden,
weil er nach der Spaltung noch weiter in sich zerfällt.
Dies wird radioaktiver Zerfall genannt.
Bei diesem Zerfall wird weiterhin Energie freigegeben, jedoch nur wenig.
Nicht so viel wie bei der Kernspaltung.
Wie eben erwähnt, wird die freigesetzte Energie mit einem Kernreaktor in Strom und Wärme umgewandelt.
So sieht ein Kernreaktorkern aus.
Es gibt verschiedenen Arten von Kernreaktoren.
Ich werde nur den Leichtwasserreaktor beschreiben.
Diesen kann man auch wieder in zwei Arten aufspalten.
Den Siedewasserreaktor und den Druckwasserreaktor.
Der Reaktorkern eines Leichtwasserreaktors besteht aus Reihen von Brennelementen und Steuerstäben, die vom Wasser durchströmt werden.
Das Wasser dient dabei zur Kühlung.
Die Brennelemente enthalten Urantabletten, die in zahlreichen dünnen Rohren(Brennstäben) eingeschlossen sind. Das Kühlmittel wird durch die Brennelemente gepumpt und nimmt durch die Kernspaltung die frei werdende Energie in Form von Wärme auf.
Es sorgt außerdem dafür, dass die Neutronen, welche neben den Trümmerkernen nach der Kernspaltung übrig bleibenden Sachen abgebremst werden.
Dies ist dafür da,
weil die Neutronen zu schnell von den Trümmerkernen abgestoßen werden,
sodass sie keine weitere Kernspaltung hervorrufen könnten.
Also werden sie mit dem Wasser abgebremst, sodass eine Kettenreaktion entstehen kann.
Beim Siedewasserreaktor kommt das Kühlmittel beim Durchströmen des heissen Reaktorkerns zum Sieden. Der Dampf wird über einen Wasserabscheider und Dampftrockner vom Wasser befreit und direkt zur Turbine geführt.
Im Druckwasserreaktor steht das Kühlmittel unter höherem Druck als im Siedewasserreaktor und kann trotz einer Temperatur von über 300°C nicht sieden.
Dafür wird das erhitzte Reaktorkühlwasser durch spezielle Dampferzeuger gepumpt, welche außerhalb des Reaktors liegen. Die Leistung des Siedewasserreaktors wird durch das Ein- und Ausfahren von Steuerstäben und durch Veränderung der Wasserumwälzmenge geregelt.
Der Druckwasserreaktor wird ebenfalls über die Steuerstäbe geregelt. Die Langzeitregelung erfolgt über die Bohrkonzentration im Kühlmittel.
Bor kann wie das Steuerstabmaterial Neutronen schlucken.
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