Eine Kernspaltungsreaktion findet statt, wenn die Atome eines instabilen Elements mit Neutronen beschossen werden, wodurch der Kern jedes Atoms in kleinere Teile gespalten wird. Wenn bei der Spaltung jedes Kerns mehrere Hochgeschwindigkeits-Neutronen freigesetzt werden, die dann weitere Kerne des Elements spalten können, findet eine Kettenreaktion statt. Da die zusätzlichen Neutronen mehr Kerne spalten, wird mehr Energie freigesetzt und die Kettenreaktion kann zu einer Explosion wie der einer Atombombe führen. Wird die Kettenreaktion kontrolliert, indem ein Teil der zusätzlichen Neutronen entfernt wird, wird immer noch Energie in Form von Wärme freigesetzt, aber eine Explosion kann vermieden werden. Die Kernkettenreaktion ist eine von drei Arten von Kernreaktionen, die unterschiedliche Eigenschaften haben und auf unterschiedliche Weise verwendet werden können.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Eine nukleare Kettenreaktion ist eine Spaltungsreaktion, bei der zusätzliche Neutronen freigesetzt werden. Die Neutronen spalten weitere Atome, wodurch noch mehr Neutronen freigesetzt werden. Da die Zahl der emittierten Neutronen und die Zahl der aufgespaltenen Atome exponentiell ansteigen, kann es zu einer nuklearen Explosion kommen.
Die drei Arten von Kernreaktionen
Der Atomkern speichert viel Energie, die nützlichen Zwecken dienen kann. Die drei Arten von Kernreaktionen, die Kernenergie nutzen, sind Strahlung, Kernspaltung und Fusion. Medizinische und industrielle Röntgengeräte verwenden Strahlung von radioaktiven Elementen, um Bilder des Körpers oder in Testmaterialien zu erstellen. Kraftwerke und Atomwaffen nutzen die Kernspaltung zur Energiegewinnung. Kernfusion treibt die Sonne an, aber Wissenschaftler sind nicht in der Lage, eine langfristige Kernfusionsreaktion auf der Erde zu erzeugen, obwohl die Bemühungen fortgesetzt werden. Von diesen drei Arten von Kernreaktionen kann nur die Kernspaltung eine Kettenreaktion auslösen.
Wie eine nukleare Kettenreaktion beginnt
Der Schlüssel zu einer nuklearen Kettenreaktion besteht darin, sicherzustellen, dass die Reaktion zusätzliche Neutronen erzeugt und dass die Neutronen mehr Atome spalten. Da das Element Uran-235 für jedes gespaltene Atom mehrere Neutronen produziert, wird dieses Uranisotop in Kernreaktoren und in Atomwaffen verwendet.
Form und Masse des Urans beeinflussen, ob eine Kettenreaktion stattfinden kann. Ist die Uranmasse zu klein, werden zu viele Neutronen außerhalb des Urans emittiert und gehen für die Reaktion verloren. Hat das Uran die falsche Form, zum Beispiel ein flaches Blech, gehen auch zu viele Neutronen verloren. Die ideale Form ist eine feste Masse, die groß genug ist, um die Kettenreaktion zu starten. In diesem Fall treffen die zusätzlichen Neutronen auf andere Atome und der Multiplikationseffekt führt zur Kettenreaktion.
Kontrolle oder Stopp einer nuklearen Kettenreaktion
Die einzige Möglichkeit, eine nukleare Kettenreaktion zu kontrollieren oder zu stoppen, besteht darin, die Neutronen daran zu hindern, weitere Atome zu spalten. Steuerstäbe aus einem neutronenabsorbierenden Element wie Bor reduzieren die Zahl der freien Neutronen und nehmen sie aus der Reaktion heraus. Diese Methode wird verwendet, um die von einem Reaktor erzeugte Energiemenge zu kontrollieren und sicherzustellen, dass die Kernreaktion unter Kontrolle bleibt.
In einem Kernkraftwerk werden die Steuerstäbe in den Uranbrennstoff gehoben und gesenkt. Im vollständig abgesenkten Zustand sind alle Stäbe von Brennstoff umgeben und absorbieren die meisten Neutronen. In diesem Fall stoppt die Kettenreaktion. Wenn die Stäbe angehoben werden, absorbiert weniger von jedem Stab Neutronen und die Kettenreaktion beschleunigt sich. Auf diese Weise können die Betreiber des Kernkraftwerks die nukleare Kettenreaktion kontrollieren und stoppen.
Probleme mit nuklearen Kettenreaktionen
Obwohl nukleare Kettenreaktionen in Kraftwerken auf der ganzen Welt erhebliche Mengen an elektrischer Energie liefern, haben Kernkraftwerke zwei Hauptprobleme. Erstens besteht immer die Gefahr, dass die auf Steuerstäben basierende Steuerung aufgrund von technischen Fehlern, menschlichen Fehlern oder Sabotage nicht funktioniert. In diesem Fall könnte es zu einer Explosion oder einer Freisetzung von Strahlung kommen. Zweitens ist gebrauchter Brennstoff hochradioaktiv und muss über Jahrtausende sicher gelagert werden. Dieses Problem ist noch immer nicht gelöst und verbrauchter Brennstoff verbleibt in den meisten Fällen in verschiedenen Kernkraftwerken. Infolgedessen hat die praktische Anwendung von nuklearen Kettenreaktionen in vielen Ländern, einschließlich der Vereinigten Staaten, abgenommen.