Kernspaltung: Ablauf, Energie und Kettenreaktion

Ein Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Beide Teilchen heißen zusammen Nukleonen. Die Protonenzahl legt fest, zu welchem Element der Kern gehört. Beim häufig verwendeten Beispiel nimmt Uran-235 ein langsames Neutron auf. Kurzzeitig entsteht angeregtes Uran-236:

^{235}_{92}\mathrm{U}+{}^{1}_{0}\mathrm{n}\rightarrow{}^{236}_{92}\mathrm{U}^{*}

Danach kann der Kern unter anderem in Barium-144, Krypton-89 und drei Neutronen zerfallen:

^{236}_{92}\mathrm{U}^{*}\rightarrow{}^{144}_{56}\mathrm{Ba}+{}^{89}_{36}\mathrm{Kr}+3\cdot{}^{1}_{0}\mathrm{n}

Das Sternchen kennzeichnet den angeregten Zustand. Der Kern besitzt dabei zusätzliche Energie und kann weiter zerfallen. Barium-144 und Krypton-89 bilden nur einen möglichen Spaltkanal. Welche Spaltprodukte und wie viele Neutronen entstehen, ist statistisch verteilt. Eine einzelne Spaltung lässt sich daher nicht auf genau dieses Produktpaar festlegen.

Bei einer Spaltung entstehen meist mehrere schnelle Neutronen. Treffen geeignete Neutronen auf weitere Uran-235-Kerne, können sie neue Spaltungen auslösen. Dadurch entsteht eine Kettenreaktion. Bei einer kontrollierten Kettenreaktion wird die Zahl weiterer Spaltungen geregelt. Bei gleichbleibender Reaktorleistung löst jede Spaltung im Mittel genau eine weitere aus; überschüssige Neutronen werden absorbiert oder verlassen den Reaktionsbereich. Löst jede Spaltung im Mittel mehr als eine weitere aus, wächst die Reaktion. Ohne ausreichende Regelung kann sie unkontrolliert anwachsen. In Reaktoren, die mit langsamen Neutronen arbeiten, erhöht das Abbremsen die Wahrscheinlichkeit einer Spaltung von Uran-235. Ein Moderator bremst die schnellen Spaltneutronen durch Stöße ab. Wasser kann diese Aufgabe übernehmen, weil seine Wasserstoffkerne ungefähr dieselbe Masse wie Neutronen besitzen und sie dadurch wirksam abbremsen. Moderation bedeutet Abbremsen, Absorption bedeutet Einfangen. Ein Material wie Wasser kann beides bewirken; als Moderator soll es vor allem abbremsen. Zur gezielten Regelung nutzt man zusätzlich stark absorbierende Stoffe. Bor- und Cadmiumverbindungen eignen sich als solche Neutronenabsorber. Die Begriffe beschreiben unterschiedliche Vorgänge, können sich aber überschneiden. Bei der Kernspaltung zerfällt ein schwerer Kern in kleinere Kerne. Eine induzierte Spaltung beginnt durch einen äußeren Auslöser, etwa ein Neutron. Bei der Kernfusion verbinden sich zwei leichte Kerne zu einem schwereren Kern.

Beim radioaktiven Zerfall wandelt sich ein instabiler Kern ohne auslösenden Neutroneneinfang um und gibt dabei Strahlung oder Teilchen ab. Die spontane Kernspaltung ist zugleich Zerfall: Ohne äußeren Auslöser teilt sich ein schwerer Kern in kleinere Kerne.