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Kernspaltung (selten: Kernspaltung) ist in der Physik ein Prozess, bei dem eine schwere instabile Atomkern teilt oder spaltet sich in zwei oder mehr leichtere Kerne, wodurch erhebliche Mengen an Energie Veröffentlichung. Dieses Prinzip wird zum Beispiel angewendet, um Energie in a Kernkraftwerk, und in Atomwaffen.

Geschichte

Hahn und Meitner 1912.

Der Kernspaltungsprozess wurde 1938 von . entdeckt Otto Hahn, Fritz Straßmann und Lise Meitner im Berlin.^[1]

Kernreaktionen

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Biene chemische Reaktionen die Menge jedes chemischen Elements ist genau erhalten: Dies ist eine Formulierung der Gesetz von Lavoisier. Transmutation im klassischen Sinne des Alchemisten ist daher unmöglich. Auf mikroskopischer Ebene bedeutet dies, dass sich die Natur eines Atomkerns während der Reaktion nicht ändert.

Erfolgreich im Jahr 1917 Ernest Rutherford darin eine kleine Menge Stickstoff- im Sauerstoff durch ein anhaltendes Bombardement mit . verändert werden Alphateilchen (Heliumkerne). Dies war der erste künstliche Transmutation eine Tatsache.

Erschossen 1932 Ernest Walton und John Cockcroft Kerne von a Lithiumisotop mit Protonen (Wasserstoffkerne), von denen jedes zu zwei Alphateilchen führte. Sie haben gewonnen Nobelpreis für Physik im Jahr 1951 für das, was im Volksmund als "Atomspaltung" bekannt wurde, obwohl es nicht die gleiche Art von Reaktion beinhaltete wie die später entdeckte Spaltung von Uran.

Entdeckung der Kernspaltung

Enrico Fermic und seine Mitarbeiter waren die ersten, die 1934 Uran mit Neutronen beschossen. Es wurden Stoffe mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften hergestellt und diese als sog transuranische Elemente bezeichnet: Elemente mit Ordnungszahlen größer als die von Uran. Obwohl bereits 1934 die Möglichkeit des Zerfalls schwerer Atomkerne in größere Bruchstücke nach dem Beschuss mit Neutronen bekannt war Ida Noddack vorgeschlagen wurde, wurde dies aufgrund fehlender theoretischer Untermauerung für unmöglich gehalten.

Otto Hahn setzte Fermis Experimente zunächst gemeinsam mit Lise Meitner und seinem Assistenten Fritz Strassmann fort. Im Juli 1938 wurde die jüdische Meitner Nazi Deutschland jedoch entkommen. Ihr österreichischer Pass wurde vom NS-Regime für ungültig erklärt und ihr war es untersagt, mehr als zehn Reichsmark mitzuführen. Hahn schenkte Meitner auf ihrer Flucht den Diamantring seiner Mutter, damit sie einen Grenzbeamten bestechen konnte. Am Ende nutzte sie es nicht: Mit Hilfe holländischer Wissenschaftler gelang es ihr, die Grenze zu überqueren. Schließlich erreichte sie Schweden und fand dort Sicherheit.^[2]

In Deutschland fuhren Hahn und Strassmann ohne sie weiter, und der weitere Kontakt mit ihr erfolgte per Brief.^[2] Die Entdeckung der Kernspaltung wurde durch die Bildung einer radioaktiven Substanz eingeleitet, von der festgestellt wurde, dass sie chemisch identisch mit Barium, Ordnungszahl 56, die bis dahin als unmöglich galt. Nach Weisung Meitners wurde am 17. Dezember 1938 das entscheidende Experiment durchgeführt und Hahn stellte definitiv fest, dass eine Kernspaltung stattgefunden hatte. Die Ergebnisse wurden am 6. Januar 1939 von Hahn und Strassmann in . veröffentlicht Die Naturwissenschaften veröffentlicht.^[3][4] Ein Brief (vom 16. Januar 1939) mit einer ersten theoretischen Stellungnahme von Meitner und ihrer Cousine Otto Frisch erschien am 11. Februar 1939 in Natur.^[5]

Auswirkungen

Angekommen am 16. Januar 1939 Niels Bohr von Kopenhagen in den USA, um mehrere Monate in Princeton zu verbringen. Er war hauptsächlich gekommen, um einige abstrakte Probleme zu lösen mit Albert Einstein diskutieren. Kurz bevor er Dänemark verließ, hatten ihm Otto Frisch und Lise Meitner von ihrer Idee erzählt, dass die Absorption eines Neutrons durch einen Urankern manchmal dazu führte, dass sich dieser Kern in zwei ungefähr gleiche Teile aufspaltete und enorme Energiemengen freisetzte, ein Prozess, der bald bekannt. Kernspaltung' hieß (nach George Gamow^[6] die Information war in einem Telegramm enthalten, das Meitner am 27. Januar an Bohr geschickt hatte).

Unmittelbar nach seiner Ankunft in den USA gab Bohr diese Idee an seinen ehemaligen Studenten weiter John Wheeler und andere auf dem Princeton Universität, und von dort wurde es mündlich weitergegeben und auch erreicht Enrico Fermic auf der Universität von Columbia. Als Ergebnis von Gesprächen zwischen Fermi, John R. Dunning und George B. Pegram wurde Columbia dann nach den starken Ionisationspulsen abgesucht, die von den schweren fliegenden Fragmenten eines Urankerns erwartet werden.

Bei 26 oder 27^[6] Januar 1939 organisierte die George-Washington-Universität und der Carnegie Institute of Technology veranstalteten gemeinsam eine Konferenz zur Theoretischen Physik in Washington, D.C. Fermi kam zu diesem Treffen aus New York herüber, bevor die Spaltungsexperimente in Columbia durchgeführt wurden. Nach dem Treffen diskutierte Fermi mit Bohr über die Kernspaltung, und Fermi erwähnte ausdrücklich die Möglichkeit, dass sie auch Neutronen freisetzen könnte. Dies war zwar nur eine Vermutung, aber seine Implikation war die mögliche Existenz von a Kettenreaktion, Insidern sofort klar.

Schon während des Treffens hatte Enrico Fermi den anderen Teilnehmern eine Reihe von Formeln zur Kernspaltung vorgestellt. Wenn ein Washingtoner Zeitungsreporter zu fleißig Notizen machte, war er Merle Tuve ausgearbeitet, aber was er gehört hatte, stand in den Zeitungen. Am nächsten Morgen erhielt George Gamow einen Interzonenanruf aus Kalifornien von Robert Oppenheimer, der wissen wollte, was das alles bedeutete.^[6]

Noch bevor der Kongress in Washington endete, waren mehrere andere Experimente gestartet worden, um die Existenz der Kernspaltung zu bestätigen, und von vier verschiedenen Labors (Columbia University, Carnegie Institution of Washington, Johns Hopkins Universität und der Universität von Kalifornien) Bestätigung wurde in der Ausgabe vom 15. Februar von . veröffentlicht Physische Überprüfung. Zu dieser Zeit hatte Bohr auch gehört, dass ähnliche Experimente um den 15. Januar in seinem eigenen Labor in Kopenhagen stattgefunden hatten. Frederic Joliot-Curie in Paris ließ auch seine ersten Ergebnisse im Comptes Rendus 30. Januar 1939. Von diesem Zeitpunkt an erschien ein unaufhörlicher Strom von Veröffentlichungen über die Kernspaltung, so dass J. Turner aus Princeton zu der Zeit einen Übersichtsartikel in Bewertungen zu moderner Physik am 6. Dezember 1939 waren bereits fast 100 Veröffentlichungen verfügbar. Eine vollständige Analyse und Diskussion dieser Artikel erschien in Turners Artikel und anderswo.

Die beteiligten Forscher hatten früh erkannt, dass die Kernspaltung für die Energie erzeugen und zum Erstellen von Bomben. Während der Zweiter Weltkrieg erklärte beides Alliierte als die Deutsche konzentriert sich auf die militärische Anwendung der Kernspaltung. Endlich war es soweit Manhattan-Projekt der Vereinigten Staaten, mit kanadischer und britischer Zusammenarbeit, dass 1945 die 1945 Atombomben ergab, mit dem die US-LuftwaffeHiroshima und Nagasaki in Asche legen.

Mechanismen

Die Stabilität eines Atomkerns wird durch die starke Kernkraft. Auf der Grundlage bloßer elektromagnetische Kraft der Kern, der nur aus Neutronen und Protonen besteht, würde durch die gegenseitige Abstoßung der positiv geladenen Protonen zerrissen.

Stimulierte Kernspaltung tritt auf, wenn Atomkerne mit anderen Teilchen wie Neutronen in einem Labor, in einem Reaktor oder in einer Waffe beschossen werden.

Spontane Kernspaltung bedeutet, dass ein Atomkern von Natur aus instabil ist und sich in kleinere Kerne zerlegt. Natürlich Radioaktivität ist das Ergebnis einer spontanen Kernspaltung in Elementen, die in der Natur vorkommen.

Starke Kernkraft

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Die starke Kernkraft ist in sehr kleinem Maßstab für die innere Struktur der Kernteilchen (Protonen und Neutronen) verantwortlich, die jeweils aus 3 Quarks existieren. Auf der größeren Skala der Wechselwirkung zwischen Kernteilchen bleibt sie jedoch in geringerem Maße greifbar, in Form der Yukawa-Potenzial. Es stellt sich heraus, dass die stabilste Isotope einen Kern haben, der aus einer geraden Anzahl von Protonen und einer geraden Anzahl von Neutronen besteht. Andere Konfigurationen, insbesondere die Kombination einer ungeraden Anzahl von Protonen mit einer ungeraden Anzahl von Neutronen, zerfallen spontan oder sind relativ leicht zu spalten. Daraus folgt, dass der Kern von Uran-236, der aus 92 Protonen und 144 Neutronen besteht, sehr stabil ist. Eine spontane Spaltung dieses Isotops kommt daher selten vor. Im Gegensatz dazu führt die Zugabe eines Neutrons zu einem Kern aus Uran-235, d. h. mit genau der gleichen Konfiguration von Protonen und Neutronen, zur klassischen Spaltung von Uran in Kernreaktoren.

Stimulierte Kernspaltung: die Kernreaktion

Ein Beispiel für eine Spaltreaktion.

Eine Kernreaktion wird gestartet, indem ein Atomkern mit einem anderen beschossen wird subatomar Partikel. wie ein freier Neutron mit einem passenden kinetische Energie wird vom Kern eines spaltbaren Atoms eingefangen trifft den Kern in a aufgeregter Zustand. Dieser instabile Kern zerfällt dann in verschiedene Spaltprodukte: Atomkerne anderer Elemente (Fragmente von mehr oder weniger beliebiger Größe (siehe Abbildung) des ursprünglichen Kerns), Gammaphotonen, Neutrino's und schnell Neutronen.

Die Energieverteilung beträgt typischerweise etwa 3,5 % Gammastrahlen, 2,5 % schnelle Neutronen und 94 % der kinetischen Energie der Trümmer, die durch die elektrostatische Abstoßung auf 3 % der . beschleunigt werden Lichtgeschwindigkeit.^[Quelle?] In einer Atomwaffe verursachen die Ladung und Geschwindigkeit dieser Fragmente auch weiche röntgen gebildet.

Das Besondere an der stimulierten Kernspaltung ist, dass beim Einfangen eines Neutrons mehrere Neutronen freigesetzt werden können. Dadurch können die freigesetzten Neutronen auch andere Kerne spalten und es besteht die Möglichkeit von a Kettenreaktion. Die bei einer Spaltungsreaktion freigesetzte Energie liegt in der Größenordnung von 100 Millionen eV. Bei chemischen Reaktionen sind dies höchstens einige eV, so dass die Energieausbeute gigantisch genannt werden kann, wenn tatsächlich eine Kettenreaktion stattfindet und ein erheblicher Prozentsatz der Kerne gespalten wird. Ein Atomkraftwerk hat in der Größenordnung von Hunderten Tonnen Uran im Reaktor, eine Atomwaffe enthält mehrere Kilogramm Uran oder Plutonium.

Etwa ein Tausendstel der Masse des Split-Kraftstoffs wird in Energie umgewandelt. Die Größenordnung der Energie im Verhältnis zur Masse des Split-Brennstoffs (Energiedichte) beträgt daher 100 TJ/kg.

Ein bekannter Spalt Isotop ist Uran-235, mit der viele Spaltreaktionen möglich sind. Einige Beispiele sind:

• ²³⁵U 1 Neutron ${displaystyle ightarrow }$ 2 Neutronen ⁹²kr¹⁴²baE (Energie)
• ²³⁵U 1 Neutron ${displaystyle ightarrow }$ 2 Neutronen ⁹⁴sr¹⁴⁰xeE
• ²³⁵U 1 Neutron ${displaystyle ightarrow }$ 3 Neutronen ⁹⁰kr¹⁴³baE

Spontane Kernspaltung: radioaktiver Zerfall

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Eine spontane Spaltung kann bei einigen Isotopen schwerer Elemente (Thorium und schwerer) auftreten, die normalerweise aufgrund anderer spontaner Zerfallsprozesse bereits instabil sind. Ein gutes Beispiel ist das Plutonium-Isotop ²³⁶pu. Dieser Kern kann seine Existenz beenden, indem er ein α-Teilchen emittiert oder in zwei Teile zerbricht. In 69 % der Fälle ist ersteres der Fall, in den restlichen 31 % letzteres. Die spontane Spaltung ist ein Beispiel für die Tunneleffekt in der Quantenmechanik, wodurch gelegentlich „unmögliche“ Reaktionen zufällig auftreten. Spontane Spaltung von Uran-238 wird in der Praxis zur Analyse von Urankristallen verwendet. Spontane Spaltprodukte verursachen charakteristische Spuren im Kristall. Die Anzahl dieser Spuren ist ein Maß für das Alter des Kristalls. Kalifornien-252 (Halbwertszeit 2,645 Jahre, Spontanspaltungsprozentsatz 3,09), wird als Neutronenquelle auf Flughäfen zum Nachweis von Sprengstoffen und in vielen Anwendungen zur Bestimmung des Wassergehalts eines Materials eingesetzt.

Energieausgleich

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Der Nettoeffekt der starken Kernkraft (Yukawa-Potential), mit der sich Nukleonen gegenseitig anziehen, und der elektromagnetischen Abstoßung zwischen Protonen führt zu einem negativen potenzielle Energie jedes Atomkerns, Bindungsenergie genannt. Die stärkste negative Energie pro Kern, und damit den stabilsten Atomkern, finden wir bei Nickel-62 und bei Eisenisotope Eisen-58 und Eisen-56. Beschränken wir unsere Aufmerksamkeit auf in der Natur vorkommende Isotope, so nimmt bei schwereren Kernen die potentielle Energie pro Nukleon mit zunehmendem Atomgewicht langsam zu; für Kerne leichter als Eisen steigt die potentielle Energie pro Nukleon relativ stark mit abnehmend atomares Gewicht. Der leichteste aller Atomkerne, der Wasserstoffkern, hat überhaupt keine Bindungsenergie, da er nur aus einem Teilchen besteht.

Eine Kernspaltungsreaktion tritt normalerweise nur auf, wenn sie exo-energetisch das heißt, die gesamte potentielle Energie der Spaltprodukte ist niedriger (stärker negativ) als die potentielle Energie des Mutterkerns. In der Praxis bedeutet dies, dass nur Kerne gespalten werden können, die viel schwerer als Eisen sind. Leichte Atome hingegen können Energie liefern, indem sie Zusammenschluss von ihren Kernen zu denen schwererer Atome.

Verlauf einer Kernspaltung

Der Atomkern

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Maria Göppert Mayer

Tröpfchenmodell der Kernspaltung.

Ernest Rutherford entdeckte 1911, dass Atome einen winzigen, schweren, positiv geladenen Kern besitzen, der aus Protonen und Neutronen besteht. Die Anzahl der Protonen ist gleich der Ordnungszahl Z. Die Neutronenzahl N ist gleich der Differenz zwischen den Massenzahl A und die Ordnungszahl. Auf diese Teilchen wirken zwei Arten von Kräften, die gewöhnlichen Coulomb-Kräfte bewirken, dass sich Teilchen mit gleicher (positiver) Ladung gegenseitig abstoßen, und die starke nukleare Kräfte die nur in sehr kurzer Entfernung aktiv sind (ein oder zwei Kernteilchen) und die Teilchen im Kern zusammenbinden. Die abstoßende Kraft wirkt also nur zwischen den Protonen, während die starke Kernkraft zwischen allen Arten von Kernteilchen wirkt. Als Ergebnis stabilisiert die Anwesenheit von Neutronen Kerne mit mehr als einem Proton.

Die Wahrscheinlichkeitsverteilung für die gebildeten Spaltprodukte von Uran-235.

Im Grundmodell der Kernspaltung wird der Kern als Tropfen dargestellt, in dem sich die Kernteilchen frei bewegen können. Der Kern ist kugelförmig wegen der Oberflächenspannung. Die Tendenz von Kernteilchen, möglichst viele Nachbarn zu haben, führt zu einer Minimierung der Kernoberfläche. Der angeregte Kern eines sich spaltenden Atoms kann jedoch durch Schwingungen, Einschnürung des Kerns und die anschließende elektrische Abstoßung der beiden Fragmente auseinandergerissen werden. Nach dem Tröpfchenmodell für den Atomkern würde sich der Kern in zwei gleiche Teile aufspalten. In der Praxis ist dies nicht der Fall. Die korrekten Spaltprodukte lassen sich mit dem fortgeschritteneren Schalenmodell für Atomkerne ableiten (nicht zu verwechseln mit dem Elektronenschalenmodell), das die innere Struktur und das Verhalten der Protonen und Neutronen berücksichtigt und 1950 von . entwickelt wurde Maria Göppert Mayer und Hans Jensen.^[7][8][9]

Die Kettenreaktion

Das Funktionsprinzip sowohl einer Atomwaffe als auch eines Kernreaktor ist das einer nukleare Kettenreaktion auftreten muss. Verursacht ein Neutron eine Spaltung, die mehr als ein neues Neutron produziert, kann die Zahl der Spaltungen mit enormer Energieproduktion enorm ansteigen. Dies alles ist eine Frage der statistischen Wahrscheinlichkeiten. Es gibt genau vier mögliche Ergebnisse für ein Neutron, das bei einer Spaltungsreaktion erzeugt wird:

1. es entweicht vollständig aus dem spaltbaren Material
2. es wird von spaltbarem Material eingefangen, ohne dass es zu einer Spaltung führt
3. es wird durch nicht spaltbare Verunreinigungen im Material eingefangen
4. es wird gefangen und führt zu einer neuen Spaltungsreaktion

Wenn der Neutronenverlust aus den ersten drei Prozessen geringer ist als der Überschuss aus dem vierten Prozess, tritt die Kettenreaktion auf; sonst nicht. Dies wird oft numerisch als Neutronenmultiplikationsfaktor ausgedrückt k, im:

${Anzeigestil k=f-l}$

bei welchem f ist die durchschnittliche Anzahl von Neutronen, die eine Spaltung verursachen, und l die mittlere Summe ist der Neutronenverlust durch die oben angegebenen Mechanismen 1, 2 und 3. Jeder der ersten drei oben genannten Verlustprozesse kann innerhalb einer gegebenen Konfiguration so wahrscheinlich sein, dass die zusätzlichen Neutronen, die bei Spaltungsreaktionen erzeugt werden, nicht ausreichen, um die Reaktion am Laufen zu halten. Wäre zum Beispiel der Einfang von Neutronen durch Urankerne ohne anschließende Spaltung viel wahrscheinlicher als ein Spaltungseinfang, stellt sich heraus, dass es im Grunde unmöglich ist, eine Kettenreaktion auszulösen. In einem Kernreaktor verwendet man daher im Allgemeinen Neutronenmoderatoren die die Neutronen verlangsamen, damit sie eher von den Urankernen eingefangen werden.

Wenn die Zahl der Neutronen in einem Reaktor, die eine Kernspaltung verursachen, mit der Zeit abnimmt, wird der Reaktor als „unterkritisch“ bezeichnet. Bleibt die Zahl gleich, wird der Reaktor als 'kritisch' bezeichnet, bei steigender Zahl als 'überkritisch'. Die Kritikalität des Reaktors wird durch die oben genannten dargestellt k, geschrieben K_eff (K-effektiv), wobei K_eff gibt die Anzahl der Neutronen in einer Generation dividiert durch die Anzahl der Neutronen in der vorherigen Generation an.

Technische Herausforderungen beim Erstellen einer Kettenreaktion

Verzögerte Neutronenbildung in Kernreaktoren

Der Bau von Kernreaktoren mit kontrollierter Kettenreaktion ist möglich, weil ein Teil der Neutronen bei der Spaltung nicht sofort freigesetzt wird, sondern erst einige Zeit später von bestimmten Spaltprodukten mit Halbwertszeiten von etwa 15 Sekunden produziert wird. Dies führt zu einer durchschnittlichen Lebensdauer eines Neutrons von 0,1 Sekunden.^[10] Die Zunahme oder Abnahme der Neutronenzahl im Reaktorkern (N) kann wie folgt beschrieben werden:

${displaystyle {frac {dN}{dt}}={frac {alpha N}{au }}}$

begleitet von:

• ${displaystyle alpha }$ eine exponentielle Proportionalitätskonstante
• ${displaystyle au }$ die durchschnittliche Lebensdauer eines Neutrons im Kern

weil ${displaystyle au }$ gleich etwa 0,1 Sekunden ist die Reaktion aufgrund des Anteils der später gebildeten Neutronen kontrollierbar. Nach 1 Sekunde, a ${displaystyle alpha }$ von 0,01 die Neutronenzahl dann (1 ${displaystyle alpha }$)^{${displaystyle 1/ autsch }$} × N= 1,01¹⁰ ~1,1 × N, ein Anstieg um zehn Prozent. Wenn nur direkt gebildete Neutronen (${displaystyle au }$ = 0,001 Sekunde), dann würde die Produktion um den Faktor 21.000 (1,01¹⁰⁰⁰).

Kritische Masse

Der Anteil an Neutronen, der aus einer Uranmenge entweicht, kann durch Anpassung der Größe und Form der Uranmasse minimiert werden. In einem Kugel ist ein Oberflächeneffekt proportional zum Quadrat des Radius und ein Volumeneffekt proportional zum Kubik des Radius. Das Entweichen von Neutronen aus einer Uranmenge ist ein Oberflächeneffekt, der von der Größe der Oberfläche abhängt, aber Spaltreaktionen treten im gesamten Material auf und sind daher Volumeneffekte. Je mehr Uran vorhanden ist, desto unwahrscheinlicher ist es, dass der Neutronenaustritt überwiegen wird Neutroneneinfang gefolgt von einer Spaltung, und es kommt zu einer Kettenreaktion. Der Verlust von Neutronen durch Einfangen ohne anschließende Spaltung ist ebenfalls ein Volumeneffekt, so dass ein größeres Volumen an spaltbarem Material keinen Unterschied zu diesem Effekt macht.

Die kritische Größe einer Uran enthaltenden Vorrichtung ist definiert als die Größe, bei der die Produktion freier Neutronen bei der Spaltung genau ihrem Verlust durch Flucht- und Nichtspaltungs-Einfangreaktionen entspricht. Wenn also die Größe kleiner als die kritische Größe ist, kann per Definition keine Kettenreaktion starten oder andauern.

Moderatoren

Thermal- Neutronen (Neutronen mit niedriger kinetischer Energie) verursachen in U-235 am wahrscheinlichsten eine Spaltungsreaktion, aber die bei der Spaltungsreaktion erzeugten Neutronen haben viel höhere Geschwindigkeiten (sie sind nicht thermisch). Zu sagen, dass sich die Kettenreaktion aufrecht erhalten könnte, wenn mehr Neutronen erzeugt als durch Spaltreaktionen absorbiert werden, ist eine zu starke Vereinfachung, da die Wahrscheinlichkeit sowohl des Neutroneneinfangs mit Spaltung als auch des Neutroneneinfangs ohne Spaltung von der Geschwindigkeit der Neutronen abhängt. Die Rate, mit der ein Einfangen ohne Spaltung am wahrscheinlichsten ist, liegt jedoch zwischen der durchschnittlichen Rate der Neutronen, die im Spaltprozess erzeugt wird, und der Rate, mit der ein Einfangen gefolgt von einer Spaltung am wahrscheinlichsten ist.

Schon vor der Entdeckung der Kernspaltung war die übliche Methode, Neutronen zu verlangsamen, sie durch ein Material mit geringen Atommassen, wie zum Beispiel wasserstoffhaltige Verbindungen, zu leiten. Ein solches Material wird zu einem Moderator erwähnt. Der Abbremsvorgang besteht einfach aus elastischen Stößen zwischen den Partikeln mit hoher Geschwindigkeit und den nahezu ruhenden Partikeln. Je näher die Masse des Neutrons und des getroffenen Teilchens beieinander liegen, desto mehr kinetische Energie verliert das Neutron bei einer Kollision. Die (Kerne der) leichten Elemente sind daher am effektivsten als Moderatoren für Neutronen, sofern sie diese Neutronen nicht selbst im Kern einfangen. Aus diesem Grund ist es zum Beispiel Bor ist trotz geringer Atommasse nicht als Moderator geeignet (aber umso besser geeignet als Material für Kontrollstäbe). Ebenfalls Lithium ist aufgrund dieser Erwägung ausgeschlossen. Helium ist schlecht verwendbar, da es ein Gas ist und keine Verbindungen bildet. Die Wahl fiel daher zwischen Wasserstoff, Deuterium (beide in Form von Wasser bzw. schweres Wasser), Beryllium und Kohlenstoff. Dies sind auch heute noch die praktischsten Optionen. Enrico Fermic und Leo Szilard waren die ersten die benutzt haben Graphit (eine Form von Kohlenstoff) als Moderator einer Kettenreaktion.

Einige Physiker kamen auf die Idee, dass es möglich sein könnte, Uran mit einem Moderator zu mischen. Dann würden die durch Spaltungsreaktionen freigesetzten hochenergetischen Neutronen nach dem Herausfliegen aus dem Kernspaltung und vor dem Auftreffen auf einen weiteren neuen Urankern durch Kollisionen mit dem Moderator so stark an Geschwindigkeit verlieren, dass ihre Geschwindigkeit unter die Geschwindigkeit sinken würde, bei der ein Einfangen ohne Spaltung möglich wäre auftreten, sehr wahrscheinlich.

Reduzierung des Einfangs ohne Spaltung durch Isotopentrennung

Eine zusätzliche Komplikation entsteht dadurch, dass natürliches Uran aus 3 Isotopen besteht: ²³⁴SIE, ²³⁵SIE und ²³⁸SIE, die 0,006, 0,7 bzw. 99,3 Prozent des natürlich vorkommenden Urans ausmachen. Die Wahrscheinlichkeiten der Prozesse (2) und (4) für verschiedene Isotope unterscheiden sich ebenso wie die Wahrscheinlichkeiten für Neutronen unterschiedlicher Energie.

Für Neutronen mit bestimmten Geschwindigkeiten (entsprechend einer Energie von wenigen Elektronenvolt) hast ²³⁸du bist ein großer wirksamer Querschnitt zur Herstellung von ²³⁹SIE, aber nicht für eine Spaltreaktion. Es besteht auch eine erhebliche Wahrscheinlichkeit unelastischer Kollisionen (d. h. kein Einfangen) zwischen Neutronen mit hohen Geschwindigkeiten und ²³⁸U-Kerne. Das Vorhandensein von ²³⁸Sie führen also sowohl zum Verlangsamen schneller Neutronen als auch zum Einfangen mittelschneller Neutronen ohne Spaltung. Obwohl Trapping ohne Spaltung bei ²³⁵Sie treten auch manchmal auf, es ist jetzt offensichtlich, dass, wenn es ²³⁵Du kannst davon getrennt werden ²³⁸U und letztere können entfernt werden, wodurch das Auftreten von Einfang ohne Spaltung verringert und dadurch die Möglichkeit einer Kettenreaktion erhöht wird. Die Spaltungswahrscheinlichkeit von ²³⁵U auch durch schnelle Neutronen ist so groß, dass der Einsatz eines Moderators überflüssig wird, wenn er ²³⁸Sie wurde einmal entfernt. Natürliches Uran besteht jedoch nur aus 1/140 Teilen ²³⁵U. Der relativ geringe Unterschied zwischen den Massen der Isotope erschwert auch deren Trennung. Dennoch besteht die Möglichkeit der Trennung von ²³⁵Sie haben das Manhattan-Projekt in einem frühen Stadium als sehr wichtig erkannt.

Herstellung und Reinigung des Materials

Es wurde bereits oben erwähnt, dass sich die Neutroneneinfanggröße für verschiedene Materialien stark unterscheidet. Bei einigen Materialien ist er im Vergleich zum maximalen Spalteinfangdurchmesser von Uran sehr groß. Soll eine Kettenreaktion erreicht werden, muss die Wirkung (3) (keine Spaltung durch Schadstoffe) soweit reduziert werden, dass sie keinen wesentlichen Einfluss mehr ausübt. Dies beinhaltet eine sehr sorgfältige Reinigung sowohl des Uranmetalls als auch des Moderatormaterials. Berechnungen zeigen, dass die maximal zulässigen Konzentrationen vieler kontaminierender Elemente sowohl im Uran als auch im Moderator nur wenige Teile pro Million (ppm) betragen.

Vor 1940 betrug die in den USA produzierte Gesamtmenge an Uran nicht mehr als ein paar Gramm fragwürdiger Reinheit. Die Gesamtmenge an metallischem Beryllium betrug nicht mehr als ein paar Pfund. Die Gesamtmenge an konzentriertem Deuterium betrug nicht mehr als ein paar Pfund, und Kohlenstoff war noch nie in großen Mengen mit einer Reinheit hergestellt worden, die auch nur annähernd die für einen Moderator erforderliche Qualität erreichte. Produktion und Reinigung waren somit ein sehr wichtiges Problem.

Kontrolle - Waffen oder Energie?

Die bisher diskutierten Probleme haben nur mit dem Auslösen einer Kettenreaktion zu tun. Wenn eine solche Reaktion nützlich sein soll, muss man sie kontrollieren können. Die Art dieser Kontrolle ist unterschiedlich, je nachdem, ob eine gleichmäßige Energieerzeugung oder eine Explosion angestrebt wird. Im Allgemeinen erfordert Kernenergie eine langsame Neutronen-induzierte Kettenreaktion, die in einer Mischung oder einem Gitter aus Uran und einem Moderator stattfindet, während eine Atombombe eine schnelle Neutronen-Kettenreaktion erfordert ²³⁵du oder ²³⁹pu wird benötigt, obwohl in beiden Fällen sowohl langsame als auch schnelle Neutronen dazu beitragen können. Bereits 1940 dachte man, dass durch den Einsatz neutronenabsorbierender Elemente eine Kettenreaktion zur Energiegewinnung kontrolliert werden könnte. Es schien auch wahrscheinlich, wenn auch nicht sicher, dass eine solche Kettenreaktion aufgrund der geringeren Wahrscheinlichkeit des Einfangens gefolgt von einer Spaltung bei höheren Temperaturen (aufgrund der Ausdehnung des Materials) selbstverlöschend sein würde. Dennoch bestand die Möglichkeit, dass eine Kettenreaktion außer Kontrolle gerät, so dass es sinnvoll erschien, das Kettenreaktionsexperiment in einem unbewohnten Gebiet durchzuführen.

Oben ist dargelegt, welche Probleme man lösen muss, um eine nukleare Kettenreaktion zu erreichen und aufrechtzuerhalten, aber noch nicht, wie man eine solche Kettenreaktion nutzen kann. Die technologische Lücke zwischen der Erzeugung einer kontrollierten Kettenreaktion und ihrer Nutzung als groß angelegte Energiequelle oder Sprengkörper ähnelt der Lücke zwischen der Entdeckung des Feuers und der Herstellung einer Dampflokomotive.

Das Hauptproblem besteht darin, eine hohe Arbeitstemperatur zu erreichen. Ein effizienter Wärmemaschine soll nicht nur Wärme erzeugen, sondern muss es auch bei ausreichend hoher Temperatur erzeugen. Ein System mit einer Kettenreaktion bei hoher Temperatur zu betreiben und die dabei entstehende Wärme in Arbeit umzuwandeln, ist wesentlich schwieriger als ein solches System bei niedrigen Temperaturen zu betreiben.

Beweis für eine Kettenreaktion Allgemein gesagt möglich, bedeutet nicht automatisch, dass Kernenergie in einem Atombombe kann verwendet werden. Um eine Atombombe zu bauen, muss sich die Kettenreaktion auch sehr schnell ausdehnen; Andernfalls wird nur ein winziger Bruchteil der Kernenergie freigesetzt, bevor die Bombe explodiert und die Kettenreaktion zum Erliegen kommt, da die Spaltmasse unterkritisch wird. Außerdem muss verhindert werden, dass die Explosion vorzeitig beginnt. Dieses „Detonationsproblem“ war und ist eines der schwierigsten Probleme beim Design einer effizienten Atombombe.

Drei Methoden wurden bereits erwähnt, um die Bildung einer Kettenreaktion zu erleichtern: Verwendung eines Moderators; Verwendung von sehr reinen Materialien; und Verwendung spezieller Materialien, ²³⁵du oder ²³⁹Pu. Diese drei schließen sich nicht gegenseitig aus, und es wurden viele Möglichkeiten entwickelt, um kleine Mengen von zu machen ²³⁵du oder ²³⁹Pu zur Verwendung in einem Gitter, das weiterhin hauptsächlich aus gewöhnlichem Uran oder Uranoxid und einem Moderator oder mehreren Moderatoren besteht. Solche Konfigurationen werden normalerweise als "angereicherte Reaktoren" bezeichnet (angereicherte Haufen).

Hinweis

Siehe auch

• Kernfusie
• Kernwapen
• Kernreactor
• Kernenergie
• Oklo

Externe links

• Publieksinformatie en voorlichtingsservice van NRG
• Berkely National Laboratory: "the Fission home page"