Kernspaltung

Begriff und Grundprinzip

Kernspaltung bezeichnet Vorgänge der Kernphysik, bei denen ein Atomkern unter Energiefreisetzung in zwei oder mehr kleinere Spaltprodukte zerlegt wird. Typischerweise werden dabei Neutronen emittiert. Sie ist nicht mit Kernfusion zu verwechseln, bei der zwei Atomkerne verschmelzen und die die wesentliche Energiequelle der Sterne und der Sonne ist.

Kernspaltung wird bei genügend schweren Nukliden, von Thorium-232 aufwärts, beobachtet. Besonders wichtig sind die mit langsamen Neutronen spaltbaren Nuklide Uran-233, Uran-235, Plutonium-239 und Plutonium-241. Ihre zivile Nutzung als Kernenergie und militärische Nutzung in Kernwaffen prägen seit dem Nachweis der Kernspaltung im Dezember 1938 das Atomzeitalter.

Bei einer Spaltung bleibt die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen erhalten. Meist entstehen zwei Kerne; nur in wenigen Promille der Spaltungen entsteht zusätzlich ein drittes, meist leichtes Fragment mit Massenzahl bis etwa 30. Die Spaltprodukte sind zunächst hoch angeregte, mittelschwere und meist neutronenreiche Kerne.

Ablauf und Neutronen

Das Tröpfchenmodell beschreibt den Kern anschaulich als verformbares Tröpfchen. Trifft ein Neutron einen schweren Kern und wird aufgenommen, kann sich der Kern verlängern und in der Mitte einschnüren. Dann überwiegt die weit reichende elektrische Abstoßung der Protonen gegenüber der kurz reichenden anziehenden Kernkraft. Die Enden werden auseinandergetrieben und der Kern zerfällt in zwei, seltener drei Fragmente.

Durch die Änderung der Bindungsenergie nimmt die Gesamtmasse ab; dieser Massendefekt wird als Energie frei. Zusätzlich werden meist einige einzelne Neutronen freigesetzt, typischerweise zwei oder drei. Bei Uran-235 beträgt die durchschnittliche Zahl freigesetzter Neutronen etwa 2,407 ± 0,005; die tatsächliche Zahl ist statistisch verteilt.

Das Energiespektrum der Neutronen ist kontinuierlich, hat die Form einer Maxwell-Verteilung und reicht bis etwa 15 MeV. Die mittlere Energie beträgt etwa 2 MeV, das Maximum der Verteilung liegt wegen ihrer Asymmetrie bei etwa 0,7 MeV. Rund 99 % der Neutronen sind prompte Neutronen und werden innerhalb von etwa 10^−14 Sekunden emittiert. Verzögerte Neutronen werden erst Millisekunden bis Minuten später aus einigen Spaltfragmenten freigesetzt. Sie sind für den stabilen, regelbaren Betrieb eines Kernreaktors wesentlich.

Die Bohr-Wheeler-Theorie von 1939 war die erste quantitative Beschreibung mit dem Tröpfchenmodell. Spätere Modelle beziehen makroskopische und mikroskopische Anteile ein; heute wird Fission auch mit Mean-Field-Ansätzen modelliert. Als mikroskopisches Beispiel wird die Dichtefunktionaltheorie für Kerne (DFT) genannt, die auf effektiven Nukleon-Nukleon-Wechselwirkungen, mittleren Feldern und Einzelteilchenorbitalen beruht. Kernkräfte werden mittels Quantenchromodynamik (QCD) erfasst.

Arten der Spaltung und Spaltprodukte

Bei der Spontanspaltung zerfallen bestimmte Nuklide ohne äußere Einwirkung. Sie ist eine Form radioaktiven Zerfalls und lässt sich wie der Alpha-Zerfall durch den quantenmechanischen Tunneleffekt erklären. Natürlich vorkommende schwere Kerne wie Thorium-232, Uran-235 und besonders Uran-238 können spontan spalten; bei ihnen ist der Alphazerfall jedoch um Größenordnungen wahrscheinlicher. Praktisch dient vor allem Californium-252 als Quelle freier Neutronen.

Bei der technisch wichtigsten neutroneninduzierten Spaltung wird ein freies Neutron von einem Kern absorbiert. Der Kern erhält dadurch Bindungsenergie und gegebenenfalls kinetische Energie, wird angeregt und kann sich spalten. Da der Ablauf statistisch ist, kann stattdessen auch Neutroneneinfang stattfinden: Der Kern gibt ein oder mehrere Gammaquanten ab und kehrt in seinen Grundzustand zurück. Neutroneninduzierte Spaltung wurde bei Elementen ab Ordnungszahl Z = 90, also ab Thorium, und bei vielen Isotopen beobachtet.

Auch energiereiche Gammaquanten im MeV-Bereich können schwere Kerne spalten; dies heißt photoinduzierte Kernspaltung und unterscheidet sich vom Kernphotoeffekt, bei dem nur ein Neutron, Proton oder Alphateilchen austritt. Ebenso sind Proton-, Myon- und durch Schwerionenreaktionen gebildete, stark angeregte Compoundkerne als Auslöser möglich. Diese Vorgänge haben keine technische Nutzung zur Energiegewinnung, weil sie endotherm sind oder nicht genügend Neutronen für eine Kettenreaktion liefern.

Bei zwei Fragmenten entsteht meist ein leichteres Fragment mit Massenzahl um 90 und ein schwereres mit Massenzahl um 140. Daher hat die Ausbeute als Funktion der Massenzahl zwei Maxima. Nach Aufnahme eines Neutrons kann Plutonium-239 beispielsweise zu Barium-144 und Strontium-94 plus zwei Neutronen oder zu Antimon-130 und Technetium-107 plus drei Neutronen zerfallen.

Die neutronenreichen Fragmente geben teils weitere, verzögerte Neutronen ab und wandeln sich danach durch aufeinander folgende Beta-minus-Zerfälle um. Die Massenzahl bleibt beim Betazerfall gleich; es entsteht eine Isobarenkette aus Kernen verschiedener Elemente mit gleicher Massenzahl. Sie endet bei einem stabilen Nuklid. Anfangs sind die Halbwertszeiten kurz, bei den letzten Zerfällen können sie viele Jahre betragen.

Energie, Spaltbarkeit und Kettenreaktion

Spaltprodukte besitzen zusammen einen höheren Massendefekt als der Ausgangskern. Nach der Äquivalenz von Masse und Energie wird die Differenz als Energie frei. Eine vereinfachte Rechnung für Uran-235 nach Aufnahme eines Neutrons und Spaltung in zwei Kerne der Massenzahl 118 verwendet 7,7 MeV Bindungsenergie pro Nukleon für 236 Nukleonen und 8,6 MeV pro Nukleon für jedes Bruchstück: 236 · 7,7 MeV = 1817 MeV, 118 · 8,6 MeV = 1015 MeV und daraus (2 · 1015 MeV) − 1817 MeV = 213 MeV.

Tatsächlich werden rund 200 MeV pro Spaltung frei. Der größte Anteil wird durch elektrische Abstoßung zur kinetischen Energie der Fragmente. Beim Abbremsen im umgebenden Material wird diese Bewegungsenergie durch Stöße in Wärme übertragen. Für einen typischen Uran-235-Spaltungsvorgang nennt die Energiebilanz 167 MeV kinetische Energie der Spaltfragmente, 006 MeV prompte Gammastrahlung, 005 MeV kinetische Energie der prompten Neutronen, 008 MeV Betaelektronen, 006 MeV Gammastrahlung aus Spaltfragmenten und 012 MeV Elektron-Antineutrinos. Die Gesamtenergie beträgt 204 MeV, davon sind nach Abzug der Neutrinos ungefähr 192 MeV nutzbar.

Thermische Neutronen sind Neutronen mit relativ geringer kinetischer Energie. Mit ihnen sind meist nur Isotope mit ungerader Neutronenzahl gut spaltbar, weil sie bei der Neutronenaufnahme Paarenergie gewinnen. „Gut spaltbar“ bedeutet einen Wirkungsquerschnitt von Hunderten bis Tausenden Barn; „schlecht spaltbar“ etwa 1 Barn oder weniger. So ist Americium-241 mit 3,1 Barn schlecht, Plutonium-241 mit 1010 Barn gut durch thermische Neutronen spaltbar.

Schnelle Neutronen besitzen Energien im MeV-Bereich. Sie können auch Nuklide mit gerader Neutronenzahl spalten, erreichen aber nicht die hohen Wirkungsquerschnitte mancher thermischer Spaltungen. Die hohe Neutronenausbeute schneller Spaltung wird in Brutreaktoren genutzt. In einer Dreistufenbombe können Fusionsneutronen mit mehr als 14 MeV Uran-238 in der Hülle spalten und so Sprengkraft und Fallout stark erhöhen.

Die kritische Masse ist die kleinste Masse spaltbaren Materials, in der eine Kettenreaktion erhalten bleibt. Sie hängt von Moderator, Geometrie und Materialdichte ab. Eine Kugel hat die kleinste kritische Masse; Kompression kann sie weiter senken, eine absolute Untergrenze gibt es nicht. Flache Wannen vermindern beim Umgang mit Kernbrennstoffen die Kritikalitätsgefahr, weil viele Neutronen entweichen.

Technische Nutzung und Entdeckung

In Kernreaktoren wird eine neutroneninduzierte Kettenreaktion wirtschaftlich genutzt, hauptsächlich mit Uran-235 und Plutonium-239. Reaktoren auf Thorium-232 und Uran-233 waren ebenfalls geplant oder in Erprobung. Bewegungsenergie der Spaltprodukte und die Energie der Strahlung werden im Reaktorkern in Wärme umgewandelt. Elektron-Antineutrinos, ein Teil der Gammastrahlung und ein Teil der freien Neutronen entweichen. Die verzögerten Neutronen sind entscheidend für die Regelbarkeit.

In Kernwaffen liefert eine prompt überkritische Anordnung eines Spaltstoffs eine exponentiell anwachsende Kettenreaktion. Die zerstörende Energie erscheint vor allem als Lichtstrahlung, Hitze und Radioaktivität, sekundär als Druckwelle. Bei Wasserstoffbomben dient eine Kernspaltung als Zünder für Kernfusion.

Otto Hahn und Fritz Straßmann wiesen am 17. Dezember 1938 am Berliner Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie die neutroneninduzierte Uranspaltung durch den radiochemischen Nachweis von Barium nach und veröffentlichten dies im Januar und Februar 1939. Lise Meitner und Otto Frisch veröffentlichten am 10. Februar 1939 in „Nature“ die erste korrekte physikalische Deutung; Frisch prägte den international übernommenen Ausdruck nuclear fission. 1939 wurde die Uranspaltung in den USA reproduziert und bestätigt. Enrico Fermi und Leo Szilard erkannten die Möglichkeit einer kontrollierten Kettenreaktion. Fermis Team erreichte 1942 mit Chicago Pile No 1 erstmals eine selbst erhaltende Kettenreaktion.