Alexander Semmler Kernspaltung – Kernfusion – Nuklearwaffen

Alexander Semmler
Kernspaltung – Kernfusion – Nuklearwaffen
2.6.03
Im allgemeinen unterscheidet man drei (Grund-)Arten der Kernumwandlung: Zerfall, Spaltung und Fusion.
Zerfall:
α/γ-Zerfall Ursprüngliches Atom verliert 2 Protonen, 2 Elektronen und 2 Neutronen
=> Helium4-Atom wird mit einer Geschwindigkeit von ca. 10.000 km/s (=α-Strahlung)
β/γ-Zerfall Im Kern wird
a) ein Neutron in ein Proton, ein Elektron (=β-Strahlung) und ein Antineutrino [β¯-Zerfall]
b) ein Proton in ein Neutron, ein Positron (=β-Strahlung) und ein Neutrino [β+-Zerfall]
umgewandelt. Diese beiden Zerfälle erfolgen meist unter Emission von γ-Strahlung.
Kernspaltung:
Teilung eines Atomkerns in zwei kleinere Nuklide, wobei ein kleiner Teil der Masse des ursprünglichen
Kernes in Energie übergeführt wird. In der Natur (der Erde) ist ein solcher Vorgang in größerem Ausmaß
(Kettenreaktion) extrem selten. Forscher vermuten, dass auf der Erde zuletzt vor etwa 2 Milliarden Jahren
ein solches Phänomen stattgefunden hat („→Naturreaktor in Afrika“). Da aber auf der Erde keine
natürlichen Lagerstätten radioaktiver Isotope in ausreichend hoher Konzentration mehr vorhanden
(bekannt) sind, ist auszuschließen, dass sich ein derartiges Ereignis wiederholt. In Kernreaktoren, wie sie
in Kraftwerken zur Energiegewinnung eingesetzt werden, wird eine solche Kernspaltung durch Beschuss
des Elements Uran mit Neutronen provoziert. Man bezeichnet diese Form der künstlichen Kernspaltung
als kontrollierte Kernspaltung. Läuft dieser Vorgang unkontrolliert in Form einer Kettenreaktion ab, werden
sehr große Energiemengen auf einmal frei (=>Waffe!!!). Für eine solche Kettenreaktion ist die sogen.
kritische Masse, die – von Element zu Element verschieden – von wenigen Gramm bis zu mehreren
Kilogramm betragen kann, eines radioaktiven Stoffes in sehr hoher Konzentration erforderlich. Dabei
werden bei der Spaltung eines Kerns durch Neutronenbeschuss wiederum Neutronen frei, die dann den
nächsten Kern spalten, wodurch wieder Neutronen freigesetzt werden. (Siehe Grafik auf der Rückseite)
Kernfusion:
Die Fusion (Verschmelzung) zweier Kerne zu einem größeren (schwereren) Kern unter Abgabe von
Energie. Dazu muss die →Kernkraft überwunden werden, sodass die elektrische Anziehung der
ungleichpoligen Nukleonen des zweiten Nuklids sowie die elektrische Abstoßung der gleichpoligen
Nukleonen des ersten Nuklids die Anziehung der ungleichpoligen Nukleonen des ersten Nuklids sowie die
Abstoßung der gleichpoligen Nukleonen des zweiten Nuklids überwinden können. Dies ist nur möglich,
wenn sich der fusionierende Stoff im →Plasmazustand befindet. Auf diese Weise werden in (Fix-)Sternen
sehr große Energiemengen frei, die Leben auf der Erde ermöglichen (Sonne). Diese natürliche Kernfusion
geschieht gemächlich unter sehr hohem Druck bei Temperaturen von mehreren Millionen °C durch Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium über einen Zeitraum von mehren Jahren. Atomphysikern ist es
auch gelungen, eine künstliche Kernfusion zu provozieren. Da aber den enormen Temperaturen und
Drücken, die im Inneren der Sonne herrschen, kein uns bekannter Stoff standhalten würde (selbst Stahl
würde sofort sublimieren), schließt man dazu die zu fusionierenden Stoffe in ein Magnetfeld ein. Die Magnetspulen werden beinahe auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt. Außerdem verwendet man dazu →Deuterium und →Tritium, die sich aufgrund ihrer Instabilität besonders gut eignen. (Siehe Grafik auf der Rückseite)
Strahlungsarten:
α-Strahlung Heliumkerne, die aus dem zerfallenden Kern herausgeschleudert werden.
β-Strahlung Elektronen oder Positronen, die aus dem zerfallenden Kern herausgeschleudert werden.
γ-Strahlung, Röntgenstr. Elektromagn. Wellen, die bei der Abbremsung angeregter Teilchen entsteht.
Neutronenstrahlung Neutronen, die beim Zerfall freiwerden und weggeschleudert werden.
Dosen:
Aktivität 1 pCi(Picocurie) = 1 Bio. C(Curie) = 2,22 Zerfälle/min, 1 C = 37 Mil. Z./s, 1 Bq(Becquerel) = 1 Z./s
Expositionsdosis (Ionisierungswirkung) 1 R(Röntgen) = 2,58 x 10^-4 C(Coulomb)/kg
Äquivalentdosis Gibt die Wirkung radioaktiver Strahlung auf den Körper unter Berücksichtigung der
verschiedenen Strahlungsarten und bestrahlten Körperstellen an.
Nuklearwaffen:
Atombombe Unkontrollierte, provozierte Spaltungs-Kettenreaktion führt zu enormer Energiefreisetzung.
Wasserstoffbombe - ″ - Fusions-Kettenreaktion – ″ - Kann nur mit Atombombe ausgelöst werden.
Neutronenwaffe Wasserstoffbombe mit hoher Neutronenemission.
Begrifferklärung:
Plasma In der zweiten Klasse haben wir drei Aggregatszustände, die ein Stoff einnehmen kann,
kennengelernt: Fest, flüssig und gasförmig. Es gibt aber noch einen vierten Aggregatszustand: Das
Plasma. In manchen Sci-Fi-Filmen wird Plasma wie ein eigener Stoff behandelt. In Wahrheit aber
kann jedes Element den Plasmazustand einnehmen. Dabei lösen sich sämtliche Elektronen von den
Atomen. Die übrigbleibenden ‚Atomrümpfe’ (Kerne) rasen mit ungeheuren Geschwindigkeiten im
Elektronengewimmel umher. In diesem Zustand ist eine Kernfusion möglich. Nach der
Verschmelzung zweier Atomrümpfe nehmen die Elektronen wieder ihre Plätze ein. Bei der
Abbremsung der angeregten Teilchen entsteht γ –und/oder Röntgenstrahlung.
Naturreaktor in Afrika Vor wenigen Jahren dachte man noch, dass man alle Elemente von Neptunium an
aufwärts nur durch künstliche Kernumwandlungsprozesse herstellen kann, und somit,
dass sie in der Natur nicht vorkommen [haben auch wir in Chemie gelernt ;-)]. In den
80er-Jahren entdeckten Forscher aber Spuren von Plutonium und Neptunium in Okklo,
einem Ort in Gabun, in Westafrika. Aus der gleichzeitig niedrigen Uran235-Konzentration in der dortigen Lagerstätte schloss man, dass, als die Uran235-Konzentration noch hoch genug war, eine spontane Kernspaltung stattgefunden hat.
Deuterium Schwerer Wasserstoff Isotop des Wasserstoffs mit einem Neutron.
Tritium Überschwerer Wasserstoff Isotop des Wasserstoffs mit zwei Neutronen.
Kernkraft Starke Wechselwirkung Kraft, die die Atomkerne zusammenhält.
Verwendete Quellen:
Wolfgang Hingst: „Zeitbombe Radioaktivität“
Hans Christian von Baeyer: „Das Atom in der Falle“
Stratis Karamanolis: „Heißer als die Sonne“
Diekmann/Heinloth: „Energie“
Joachim Kahlert: „Unheimliche Energie“
Gollenz/Stuzka/Eder/Tentschert: „Physik 4“
Weissensteiner/Rettinger: „ZeitBilder 4“
dtv-Atlas zur Atomphysik
„Per Anhalter durch das Universum“
Microsoft Encarta