Im subatomaren Bereich, der von den Regeln der Quantenmechanik beherrscht wird, liefert ein Prozess namens Spaltung die grundlegende Energiequelle sowohl für Atombomben als auch für Kernreaktoren. Was diese beiden sehr unterschiedlichen Ergebnisse voneinander trennt – das eine gewalttätig, das andere kontrolliert – ist das Konzept der kritischen Masse, eine imaginäre Trennlinie, die bestimmt, ob eine Kernreaktion langsam und langwierig oder schnell ist und kurzlebig.
Atomspaltung
Atome instabiler Elemente wie Uran und Plutonium spalten sich beim radioaktiven Zerfall in Paare leichterer Elemente auf, ein Prozess, der als Spaltung bezeichnet wird. Zum Beispiel kann sich Uran-235 in Krypton-89 und Barium-144 aufspalten, eine Spaltung, die auch zwei übrig gebliebene Neutronen emittiert. Die leichteren Elemente können auch instabil sein und sich als radioaktive Zerfallskette fortsetzen, die ein Dutzend oder mehr Elemente umfassen und Millionen von Jahren dauern kann.
Kettenreaktionen und Chance
Ein Urankern spaltet sich in zwei leichtere Elemente auf, wenn er ein Streuneutron absorbiert; das Neutron destabilisiert den Kern, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Spaltung erhöht wird. Da bei einer Spaltung freie Neutronen entstehen, können diese auf benachbarte Atome treffen und diese ebenfalls spalten, wodurch eine Kettenreaktion von Spaltungsereignissen entsteht. Da Kernreaktionen quantenmechanischer Natur sind, werden sie von Wahrscheinlichkeiten und Zufall bestimmt. Wenn Kettenreaktionen weniger wahrscheinlich sind, sterben sie aus, da immer weniger Neutronen aufeinanderfolgende Spaltungen auslösen. Wenn die Umstände Kettenreaktionen begünstigen, werden die Spaltungen stetig fortgesetzt. Und wenn Spaltungen sehr wahrscheinlich sind, beschleunigen sich Kettenreaktionen, spalten immer mehr Atome und geben ihre Energie frei.
Kritische Masse
Die Wahrscheinlichkeit von Spaltungen und Kettenreaktionen hängt teilweise von der Masse des beteiligten radioaktiven Materials ab. An einem Punkt, der als kritische Masse bezeichnet wird, sind die Kettenreaktionen weitgehend selbsterhaltend, nehmen jedoch nicht zu. Jedes radioaktive Element hat eine spezifische kritische Masse für eine Sphäre des Stoffes; Beispielsweise beträgt die kritische Masse von Uran-235 56 kg, während bei Plutonium-239 nur 11 kg benötigt werden. Wissenschaftler, die Vorräte an radioaktiven Materialien halten, lagern diese so, dass diese Mengen niemals in der gleichen Umgebung vorkommen; andernfalls können sie heftige Ausbrüche tödlicher Strahlung erzeugen.
Unterkritische und überkritische Masse
Bei einer kugelförmigen radioaktiven Substanz erhöht die Erhöhung der Masse die Anzahl der zu einem bestimmten Zeitpunkt abgegebenen Neutronen und die Wahrscheinlichkeit, dass Spaltungen zu Kettenreaktionen führen. Mengen, die kleiner als eine kritische Masse eines radioaktiven Elements sind, haben Kettenreaktionen, die jedoch eher aussterben als fortbestehen. Jenseits der kritischen Masse nimmt die Spaltungsrate zu, was zu einer gefährlichen, außer Kontrolle geratenen Situation führt. Kernkraftwerke verwenden unterkritische Mengen radioaktiver Elemente – genug, um großzügige Mengen Strom zu produzieren, die jedoch aus Sicherheitsgründen niemals zu einer nuklearen Explosion führen können. Im Gegensatz dazu verwenden Atombomben eine Materialmenge, die einer kritischen Masse viel näher kommt. Eine Atombombe bleibt unterkritisch, bis sie mit einem Neutronenstoß gezündet und von einer Explosion konventioneller Sprengstoffe zerquetscht wird. Durch die Sprengstoffe wird das Material kurzzeitig überkritisch; Kettenreaktionen geraten in wenigen millionstel Sekunden außer Kontrolle und setzen das Energieäquivalent von Zehntausenden Tonnen TNT frei.