Kernspaltung und Kettenreaktion - minus-p

Kernspaltung und Kettenreaktion
Wir wollen heute folgende Fragen klären:
Wie kann man radioaktive Elemente künstlich erzeugen?
Wie kann der Mensch diesen Kernzerfall steuern?
Auftrag:
Lesen Sie die Lehrbuchseite 71.
Erläuteren Sie die Kernspaltung am Beispiel von Uran-235.
Erklären Sie, was eine Kettenreaktion ist.
Wie viel Energie wird bei der Kernspaltung von Uran-235 frei?
Definition (Kernspaltung): Dringt ein langsames Neutron in einen Kern ein, kann
dieser instabil werden und in 2 Atomkerne zerfallen. Dabei werden weitere
Neutronen frei.
Beispiel: Uran-235 kann durch Neutronen gespalten werden. Es zerfällt dann in die
beiden Kerne Barium-144 und Krypton-89 und 3 weitere Neutronen.
235
1
0 n + 92
Ud
236
92 U
144
1
t 89
36 Kr + 56 Ba + 3 $ 0 n
Definition (Kettenreaktion): Besitzen die frei werdenden Neutronen die richtige
Geschwindigkeit, können sie in weiteren Kernen wieder Kernspaltungen hervorrufen.
Dieser Prozess setzt sich fort, so lange genügende spaltbares Material vorhanden
ist.
Information:
Man unterscheidet zwischen ungesteuerter und gesteuerter Kettenreaktion. Ein
gesteuerte Kettenreaktion findet im Kernkraftwerk statt. Eine Atombombenexplosion
ist eine ungesteuerte Kettenreaktion.
Bemerkungen:
Es muss genügend spaltbares Material vorhanden sein. Die notwendige
Mindestmasse wird als kritische Masse bezeichnet. Es müssen Neutronen mit der
für die Kernspaltung notwendigen Geschwindigkeit existieren. Dazu müssen die bei
der Kernspaltung selbst frei werdenden Neutronen abgebremst werden. Das
geschieht durch sogenannte Moderatoren (z.B. Wasser). Die Anzahl der Neutronen,
die Kernspaltung hervorrufen, muss reguliert werden. Das geschieht durch
Regelstäbe (Steuerstäbe), die unterschiedlich tief in den Reaktor hineingefahren
werden können und die aus Materialien bestehen, die Neutronen absorbieren.
Energieumsetzung
Die Masse der Ausgangsprodukte beträgt 236,0529 u. Die Größe u ist dabei die
atomare Masseeinheit. Die Masse der Spaltprodukte hat einen Wert von 235,8396
u. Der Massedefekt beträgt demzufolge: ✁m = 0, 2133u Damit erhält man als frei
werdende Energie: E = m $ c 2 = 3 $ 10 −11 J Bei der Spaltung eines Urankerns wird eine
Energie von etwa diese Energie freigesetzt. Das erscheint sehr wenig. Man muss
aber beachten, dass sich diese Energie auf einen Kernzerfall bezieht. Betrachtet
man die Anzahl der Atomkerne, die in einem Kilogramm Uran enthalten sind und
nimmt an, dass alle zerfallen, so beträgt die dann frei werdende Energie 8, 6 $ 10 12 J.
Das ist etwa 290 000-mal so viel, wie bei der Verbrennung von 1 kg Steinkohle
freigesetzt wird.
Kernspaltung und Kettenreaktion
Weiterführende Fragen:
1. Warum ist es ungünstig, Kerne mit Protonen anzuregen?
2. Welche Materialien eignen sich zur Steuerung der Kettenreaktion?
Antwort 1:
Prinzipiell könnten auch Protonen dazu führen, dass die Kerne instabil werden.
Protonen besitzen aber eine positive elektrische Ladung und werden deshalb von
den positiv geladenen Kernen abgestoßen.
Antwort 2:
Cadmium besitzt 3 stabile Isotope, die sich jeweils um 1 Neutron unterscheiden.
Cadmium-110 (12,49%), Cadmium-111 (12,8%), Cadmium-112 (24,13%)
Bor besitzt 2 Isotope, die sich um 1 Neutron unterscheiden. Bor-10 (19,9%) Bor-11
(80,1%)
Die Nuklide Cadmium-110, Cadmium-111 und Bor-10 bleiben also stabil, wenn sie
ein Neutron aufnehmen.
(siehe auch Nuklidkarte im Tafelwerk)