Die Kernspaltung

Einführung

Grundwissen zur Kernspaltung in 60 Sekunden. Das bietet der folgende Hörclip. Nicht immer ganz ernst gemeint, aber witzig:

Ablauf der Kernspaltung

Wenn ein langsames Neutron auf einen U-235-Kern trifft, dann wird der Kern in zwei oder mehr Teilkerne gespalten. Man nennt die durch die Spaltung entstandenen Teile: Spaltprodukte. Die bei der Spaltung entstandenen Kernbruchstücke sind radioaktiv und zerfallen weiter.

In der folgenden Animation wird der Spaltprozess veranschaulicht. Schau dir die Animation an (klicke auf "Start") und bearbeite dann die folgenden Aufgabe im Heft.

Animation zur Kernspaltung

Aufgabe

1: Beschreibe die Phasen der Kernspaltung mit eigenen Worten.

Aufgabe

2: Schreibe die Reaktionsgleichung in dein Heft. Was bedeutet sie?

Schnelle und langsame Neutronen

Nicht jeder Urankern kann von Neutronen gespalten werden. Unter dem folgenden Link findest du zwei Simulationen (im mittleren Teil der Seite) die zeigen, welche Urankerne gespalten werden können. Außerdem sind nicht alle Neutronen in der Lage, Kerne zu spalten. Der Link zeigt ebenfalls, welche Voraussetzungen die Neutronen erfüllen müssen (unten). Schau die Animationen an, lies die Informationen und bearbeite damit die folgenden Aufgaben.

Animationen zur Wirkung der Neutronen

Aufgabe

3: Notiere im Heft, welche Urankerne gespalten werden können, welche nicht

Aufgabe

4: Um Kerne zu spalten, müssen die Neutronen verlangsamt werden. Wie kann man dies erreichen (schau dazu noch einmal die Animation ganz unten im vorherigen Link an).

Die Kettenreaktion

Wenn man einen Urankern mit einem Neutron beschießt, dann kann der Kern gespalten werden. Theoretisch kann man das mit einer Art "Neutronenkanone" machen. Das ist aber kompliziert. Durch einen "glücklichen Zufall" kann eine große Anzahl von Uranatomen "automatisch" gespalten werden, ohne eine äußere "Neutronenkanone" zu verwenden. Die Spaltung geschieht dann sozusagen von selbst, automatisch. Unter den richtigen Voraussetzungen setzt eine sogenannte "Kettenreaktion" ein.

Die Kettenreaktion kann eintreten, weil bei der Spaltung von Uran (in der Regel) 3 Neutronen freigesetzt werden. Diese 3 Neutronen können dann wieder weitere Urankerne spalten, wobei dann auch wieder jeweils 3 Neutronen pro gespaltenem Urankern freigesetzt werden. Hier findest du ein Bild, das den Ablauf veranschaulicht: Kettenreaktion und Anzahl der Neutronen in den ersten Generationen

Aufgabe

5: Schreibe ins Heft, wie viele Neutronen es in der 3., 4., ... 10. Generation gibt.

Im folgenden Video eine Kettenreaktion mit Mausefallen und Tischtennisbällen veranschaulicht:

EmbedVideo erhielt die unbrauchbare ID „MF67rUN26IY&feature=related“ für „youtube“.

Hier sieht man die Kettenreaktion mit sehr vielen Bällen:

Und hier in Zeitlupe:

EmbedVideo erhielt die unbrauchbare ID „BPLGKOELcsc&feature#t=1m3s“ für „youtube“.

Aufgabe

6: Beschreibe den Zusammenhang zwischen den Tischtennisbällen und einer Kettenreaktion im Uran.

Damit eine Kettenreaktion zustande kommt, muss eine gewisse Mindestmenge (kritische Masse) von spaltbaren Atomen vorliegen. Wenn die Masse kleiner ist, können zu viele Neutronen das Material durch die Oberfläche verlassen, bevor sie eine Spaltung bewirkt haben. Dann kommt die Kettenreaktion nicht in Gang. Die Mindesmasse hängt natürlich auch von der Form ab (da eine Kugel am kompaktesten ist, ist die kritische Masse für eine kugelförmige Anordnung am geringsten). Außerdem kann man die kritische Masse verkleinern, wenn man um das spaltbare Material herum reflektierendes Material anbringt.

Aufgabe

7: Notiere im Heft Informationen zur kritischen Masse von Uran sowie von Plutonium-239. Die Informationen findest du in der Tabelle

Energie bei der 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.

So geht z. B. bei der Spaltung von einem Kilogramm U-235 etwa ein Gramm Masse verloren. Wenn man also ein Kilogramm Uran nimmt, und alle Urankerne spaltet, dann wiegen alle Spaltprodukte zusammen nur noch 0,999 kg. 1 Gramm ging also verloren. Einstein hat mit seiner berühmten Formel E = m c² gezeigt, dass Masse direkt in Energie verwandelt werden kann. In dieser Formel ist c die Lichtgeschwindigkeit (ca. 300 000 000 m/s) und m die Masse in kg. Wenn man in die Formel von Einstein als Masse 1 Gramm = 0,001 kg einsetzt, dann erhält man dafür den zugehörigen Energiewert von 9·10¹⁴ Joule oder 25 Millionen Kilowattstunden.

Um die gleiche Energie zu bekommen, müsste man z.B. ca. 2,5 Mio. Kilogramm Steinkohle verbrennen. Die Energieausbeute je kg Uran-Brennstoff ist damit etwa 2, 5 Millionen Mal höher als bei der Verbrennung von Steinkohle.

Die Ursache für diese enormen Unterschiede liegt darin, dass verschiedene Naturkräftegenutzt werden. Bei der Verbrennung spielen sich die zugrunde liegenden Prozesse in der Hülle der beteiligten Atome ab. Hier regiert die elektromagnetische Kraft. Bei der Kernenergie, bei der die Kerne der Atome die entscheidende Rolle spielen, ist die sehr viel größere "starke Kernkraft" entscheidend, die die Kernteilchen zusammenhält.

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.

Aufgabe

8:
Franz und Franzi führen folgenden Dialog:

Franz: "Nichts geht verloren! Wenn man einen Stein mit einer Masse von 3 kg nimmt und ihn dann zerhackt, egal in wie kleine Stücke, und dann am Schluss alles wieder wiegt, ohne ein Staubkorn zu verlieren, dann gibt es zusammen wieder 3 kg."
Franzi: "In den meisten Fällen stimmt das, aber nicht immer, denn..."
Führe die Antwort von Franzi ausführlich fort. Benutze dazu die Informationen aus dem obigen Text.