Sabine Baresch 2004/05

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DIE KERNSPALTUNG UND IHRE ANWENDUNGEN
Spezialgebiet Physik
Sabine Baresch 2004/05
Übersicht
1. Die Welt der Atome
2. Die Radioaktivität
3. Der Vorgang der Kernspaltung
3.a. Der Massendefekt
3.b. Die Bindungsenergie der Atomkerne als Ursache des Massendefekts
3.c. Grundsätzliche Möglichkeiten zur Gewinnung der Atomenergie
1. Energiegewinnung durch Kernspaltung
4.a. Die Kettenreaktion
4.b. Der Kernspaltungsreaktor
1. Die Atombombe und ihre Auswirkungen
5.a. Ablauf einer Explosion
5.b. Auswirkungen von Atomexplosionen
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1. Die Welt der Atome
Die Anzahl der Protonen in einem Atom ist die Kernladungszahl oder auch Ordnungszahl (Stellung
des Elements im PSE), die Summer der Protonen und Neutronen (= Nukleonen) die Massenzahl.
Atome mit der gleichen Anzahl an Protonen werden dem gleichen chemischen Element zugeordnet.
Atome mit der gleichen Protonenzahl aber unterschiedlichen Neutronenzahl nennt man Isotope, sie
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gehören dem gleichen chemischen Element an.
Vom Wasserstoff gibt es insgesamt drei Isotope. Gewöhnlicher Wasserstoff hat 1 Proton im Kern,
Deuterium 1 Proton und ein Neutron und Tritium 1 Proton und 2 Neutronen. Bei Tritium tritt ein
Ungleichgewicht zwischen Protonen und Neutronen ein, somit ist es instabil und zerfällt. Das
Teilchen, das bei diesem Zerfall entsendet wird ist als radioaktiv bezeichnet und wirkt ionisierend (es
hat eine Ladung).
Uran kommt in der Natur z.B. mit 234, 235 und 238 Nukleonen vor, wobei alle Urankerne besitzen
92 Protonen. Man bezeichnet die Isotope des Uran als U-234, U-235 und U-238.
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2. Die Radioaktivität (von lat. „radiare“ – strahlen)
In der Kernphysik unterscheidet man Atomsorten nach der Zahl der Protonen und Neutronen, da
diese eine unterschiedliche Radioaktivität aufweisen.
Unter dem Begriff Radioaktivität versteht man Atomkerne, die zerfallen, weil sie instabil sind. Die
freiwerdende Energie wird in Form energiereicher Teilchen und/oder ionisierender Strahlung
abgegeben. Alle Atomkerne, die eine höhere Nukleonenzahl als 210 haben sind instabil. Ein
Atomkern ist dann stabil und kann nicht weiter von sich aus zerfallen, wenn es keinen radioaktiven
Zerfall gibt, der zu einem energetisch niedrigeren Zustand führt. Beim Wasserstoff ist dieser Zustand
das einzelne Proton als Atomkern, bei Helium und Elementen darüber müssen mindestens gleich
viele Neutronen wie Protonen den Kern bilden, und bei schwereren Kernen überwiegt immer mehr
der Neutronenüberschuss. Ab einer gewissen Zahl von Nukleonen werden alle Atomkerne instabil,
weil die Kernkräfte sie nicht zusammen halten können.
Die physikalische Halbwertszeit ist in der Kernphysik diejenige Zeitspanne, die statistisch gesehen
verstreicht, bis die Menge eines bestimmten radioaktiven Isotops auf die Hälfte gesunken ist, das
heißt sich in andere Atome umgewandelt hat. Für jedes Isotop ist die Halbwertszeit eine Konstante.
Die Anzahl der verbleibenden Kerne zu einer bestimmten Zeit ist durch das Zerfallsgesetz gegeben.
Halbwertszeiten einiger radioaktive Isotope: Uran (238U): 4,5. Mrd. Jahre Kohlenstoff (14C): 5730
Jahre Radium (236Ra): 1622 Jahre Thorium (223Th): 0,9 Sekunden
Die Stärke der Radioaktivität wird durch den physikalischen Begriff der „Aktivität” beschrieben.
Dies ist die Anzahl von Atomkernen, welche pro Sekunde zerfällt. Die Einheit ist das Becquerel (bq),
benannt nach dem Entdecker der Radioaktivität.
Wir unterscheiden drei Arten von radioaktivem Zerfall:
●
der Alpha-Zerfall (α−Zerfall):
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Ist der Atomkern sehr schwer, enthält also viele Protonen und Neutronen, kommt es zum
Alphazerfall. Die starke Wechselwirkung kann den Mutterkern dann nicht mehr zusammen halten.
Die freiwerdende Energie wird in Form von Heliumkernen emittiert (ausgesandt). Der Restkern, auch
Rückstoßkern oder Tochterkern genannt, verringert bei diesem Vorgang seine Nukleonenzahl um
vier und die Kernladungszahl um zwei. Die Strahlung hat in Luft eine Reichweite von wenigen
Zentimetern, besitzt aber eine extrem schädliche biologische Wirkung.
Beispiel:
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●
der Beta-Zerfall (β-Zerfall):
Wenn ein ungünstiges Verhältnis von Neutronen zu Protonen besteht, tritt normalerweise Betazerfall
ein.
Dabei wird beim â - -Zerfall im Kern ein Neutron in ein Proton umgewandelt und ein
hochenergetisches Elektron sowie ein Elektron-Antineutrino emittiert. Die Nukleonenzahl des Kerns
ändert sich dabei nicht, seine Ordnungszahl erhöht sich um eins.
Beispiel:
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Beim â + -Zerfall wird im Kern ein Proton in ein Neutron und ein hochenergetisches Positron
umgewandelt und ein Elektron-Neutrino emittiert. Die Nukleonenzahl des Kerns ändert sich dabei
nicht, seine Ordnungszahl verringert sich um eins.
Beispiel:
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Durch einige Meter Luft oder eine dünne Metallschicht lässt sich die Beta-Strahlung abschirmen.
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●
der Gammazerfall (χ−Zerfall):
Ein Gammazerfall erfolgt dann, wenn zuvor ein Alpha- oder Betazerfall statt gefunden hat und der
Atomkern in energetisch angeregten Zustand vorliegt. (Strenggenommen ist der Begriff "Zerfall" hier
falsch, da der Kern nicht zerfällt.) Beim Gammazerfall werden hochenergetische elektromagnetische
Wellen aus dem Atomkern emittiert. Diese Wellen sind Photonen, die eine viel höhere Frequenz und
kürzere Wellenlänge als Licht haben. Je nach Energie kann die ã-Strahlung dicke Bleiplatten
durchdringen.
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3. Der Vorgang der Kernspaltung
Im Jahre 1938 entdeckten Otto Hahn und Fritz Strassmann, dass beim Beschuss des Uranisotops U235 mit langsamen Neutronen eine Spaltung des Urankernes in Kerne mittlerer Massenzahlen eintritt.
Die Zertrümmerung des Urankerns kann dabei auf sehr verschiedene Weise erfolgen. Das war etwas
grundsätzliche Neues: Während bis dahin alle Kernreaktionen vom Kern ein Teilchen aufgenommen
und ein oder mehrere Teilchen ausgeschleudert wurden, war hier erstmals eine Kernspaltung erzielt
worden.
Unter Kernspaltung versteht man die Zerlegung eines schweren Atomkerns in zwei mittelschwere
Kerne und zwei oder drei Neutronen. Zur Kernspaltung ist die Zufuhr einer gewissen Energie, der
Aktivierungsenergie, erforderlich, die für die einzelnen Kernarten verschieden groß ist. Sie kann
durch Beschuss mit Neutronen, Protonen, Deuteronen, Alphateilchen oder Gammaquanten zugeführt
werden. Als besonders geeignet haben sich Neutronen erwiesen, weil sie durch die Coulombschen
Kräfte des Atomkernes nicht abgestoßen werden und deshalb leichter in den Kern eindringen können,
als Geschosse mit positiver Ladung.
Betrachten wir den Kern U-235 als einen kugelförmigen Tropfen, so ist es diejenige Gestalt, die die
kleinstmögliche Oberflächenenergie hat. Um ihn in die Länge zu ziehen oder gar in zwei Hälften zu
teilen, muss Arbeit aufgewandt werden, weil dies auf eine Vergrößerung seiner Oberfläche
hinausläuft. Ein in den Kern eindringendes Neutron bringt nun so viel Energie mit, dass sich dieser
verformt und wie eine elastische Masse Deformationsschwingungen ausführt. Dabei nimmt der
Zwischenkern 236 U vorübergehend eine hantelförmige Gestalt an. Weil aber der Kern als Ganzes
positiv geladen ist, entstehen dadurch zwei getrennte Ladungsschwerpunkte, die sich wegen ihrer
gleichnamigen Ladung gegenseitig abstoßen. Der Kern schnürt sich ein, zerreißt in zwei Teile, und
die z.B. neugebildeten Ba-143- und Kr-90-Kerne fliegen unter Abgabe von drei Neutronen
auseinander.
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Bei einer Kernreaktion werden enorme Mengen an Energie frei. Bei der Spaltung eines U-235-Kern
sind es circa 200MeV. Die Ursache dafür ist ein Massendefekt von ca. 0,1%.
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3. a. Der Massendefekt
Die Masse aller Atomkerne ist kleiner als die Massensumme ihrer Elementarteilchen. Die Differenz
wird als Massendefekt bezeichnet. Der bei gleichmäßiger Aufteilung auf einen Kernbaustein
entfallende Massendefekt ist bei den Atomen mittlerer Ordnungszahl am größten.
Das Heliumisotop 42He enthält z.B. alle Elementarteilchen des Wasserstoffisotops 21H (=21D) in
doppelter Anzahl und sollte daher dessen doppelte Masse aufweisen. Tatsächlich gilt aber:
Masse des 21H-Atoms .......... 2,014 u *
dessen doppelte Masse ...... 4, 028 u ist größer als die
Masse des 42He-Atoms ......... 4,003 u.
Differenz ....................... 0,025 u
* Als Masseneinheit wird in der Atomphysik 1/12 der Masse des Kohlenstoffatoms 12C verwendet.
Sie heißt atomare Masseneinheit (1 u).
Das Heliumatom weist als gegenüber den zwei Deuteriumatomen, aus denen wir es uns
zusammengesetzt denken können, eine zu geringe Masse, einen sogenannten Massendefekt auf. Um
das festzustellen, muss man die Masse des Neutrons gar nicht kennen. Nun sind die Massen der
Elementarteilchen, aus denen die Atome bestehen, durchwegs mit großer Genauigkeit bekannt.
Derzeit werden folgende Werte als sicher angesehen:
Masse des Elektrons me = 0,0005486 u = 9,1096 . 10-31 kg Masse des Protons mp = 1,007277 u =
1,6726 . 10-27 kg Masse des Neutrons mn = 1, 00867 u = 1,6749 . 10-27 kg
Mit Hilfe dieser Zahlenwerte kann man ausrechnen, welche Massensumme die Bausteine jedes
Isotops ergeben, und sie mit der tatsächlichen Masse des betreffenden Atoms vergleichen.
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3.b. Die Bindungsenergie der Atomkerne als Ursache des Massendefekts:
Der Massendefekt stellt scheinbar eine Verletzung des klassischen Gesetzes von der Erhaltung der
Masse dar, die sich aber mit dem Gesetz der Äquivalenz von Masse und Energie E = mc² von Albert
Einstein erklären lässt.
Die Atomkerne erweisen sich als außerordentlich starke Gebilde. Weder durch die intensiven Stöße
bei hoher Temperatur, noch durch den Beschuss mit Elektronen, wie er etwa in den Röntgenrohren
erfolgt, können sie gespalten werden. Die im Atomkern enthaltenen Nukleonen müssen daher
außerordentlich fest aneinander gebunden sein. Das bedeutet aber, dass bei der irgendwann erfolgten
Bildung der Atomkerne aus den Elementarteilchen eine sehr große Bindungsenergie frei wurde, dass
die Atomkerne daher eine gegenüber den ungebundenen Elementarteilchen stark verminderte Energie
besitzen. Der Massendefekt ist demnach identisch mit der Kernbindungsenergie der Nukleonen, die
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durch die so genannte starke Wechselwirkung beschrieben wird. Je höher in einem Atomkern der
Massendefekt, also die Kernbindungsenergie pro Nukleon ist, desto stabiler ist der Atomkern, da
umso mehr Energie zu seiner Zerlegung aufgewendet werden muss.
Nach der Einstein’schen Formel E = mc2 oder m = E/c2 ist eine Energie E der Masse m = E/c2
äquivalent. Wird die Energie eines Systems um den Betrag E verringert, so muss das in einer
Verkleinerung seiner Masse um den Betrag E/c2 zum Ausdruck kommen. Das heißt: In der
Kernphysik ist die Bindungsenergie analog der Energie, die frei wird, wenn sich Nukleonen zu
einem Atomkern verbinden. Dies ist nach der einsteinschen Beziehung E = mc² mit einem kleinen
Massenverlust der gebundenen Nukleonen verbunden, dem Massendefekt. Die Bindungsenergie
kommt durch die anziehende Kraft der starken Wechselwirkung zustande, mit der sich die Nukleonen
anziehen.
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Massendefekt und Bindungsenergie pro Kernbaustein als Funktion der Massenzahl. Da die
Massendefekte einen Fehlbetrag darstellen sind sie sinngemäß nach unten aufgetragen. (in u/1000)
Da die Massendefekte der Atomkerne bekannt sind, kann daraus ihre Bindungsenergie berechnet
werden: (Anmerkung: 1ev = 1,602 . 10-19J , 1J = 2,39 . 10-4 kcal)
Einem Massendefekt von 1 u = 1,66 . 10-27 kg entspricht eine Bindungsenergie E1 = 1,66 . 10-27 . c2 J
= 1,49 . 10-10 J = 0,93 . 109 eV. Da die Bindungsenergie zum Massendefekt direkt proportional ist,
stellt die Abbildung die Bindungsenergie pro Kernbaustein dar, wenn man den Ordinatenmaßstab
entsprechend anbringt.
Bsp: Bindungsenergie der Kerne von 1kmol Helium (4kg Helium): Ein 42He-Kern von rund 4,00 u
hat den Massendefekt von 0,0304 u. 4 kg Helium haben daher einen Massendefekt von 0,0304 kg.
Dem entspricht die Bindungsenergie E = 0,0304 . c2 J = 0,0304 . c2 . 2,39 . 10-4 kcal = 0,0304 . 9 .
2,39 . 1016 . 10-4 kcal = 6,54 . 1011 kcal. Das entspricht dem Heizwert von 100.000t Steinkohle zu
6540 kcal/kg! Die Bindungsenergien der Atomkerne sind demnach außerordentlich hoch!
3.c. Grundsätzliche Möglichkeiten zur Gewinnung der Atomenergie
Jede Kernreaktion, die zu einer Vergrößerung der insgesamt vorhandenen Bindungsenergie führt,
macht Energie frei. Da die erhöhte Bindungsenergie einen erhöhten Massendefekt zur folge hat, sind
das jene Reaktionen, die den Massendefekt vergrößern.
Aus dem Verlauf des Massendefektes lassen sich sofort folgende Möglichkeiten erkennen:
●
●
Zusammensetzung von Atomkernen aus Protonen und Neutronen. Dabei würde die gesamte
Bindungsenergie des Atomkerns frei. Leider stehen uns freie Elementarteilchen, vor allem
Neutronen, nicht in ausreichender Menge zur Verfügung. s
Aufbau von Atomkernen größerer Masse aus den leichtesten Kernen. Da die Atomkerne
mittlerer Ordnungszahl einen größeren Massendefekt/Kernbaustein aufweisen als die
leichtesten Atomsorten, müsste eine solche Reaktion, sofern sie gelingt, zu einer Erhöhung
des Massendefektes und damit zum Freiwerden einer äquivalenten Energie führen,
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insbesondere bei der Zusammensetzung des 42He-Isotops aus leichteren Kernen. Wegen des
●
großen Massendefekts der Heliumkerne müsste diese Reaktion eine hohe Energieausbeute
ergeben. Ihre technisch brauchbare Durchführung stellt jedoch noch immer eines der
wichtigsten Probleme dar, an denen die Atomenergieforschung arbeitet. (à Kernfusion) sf
Spaltung schwerster Atomkernen in solche mittlerer Ordnungszahl. Da die schwersten
Atomkerne einen geringeren Massendefekt/Kernbaustein aufweisen als die mittelschweren,
müssten auch diese Reaktionen mit einer Zunahme des Massendefekts und
dementsprechendem Energiegewinn verbunden sein. Auf diesem Wege wird heute praktisch
Kernenergie in den sogenannten Atomreaktoren gewonnen.
4. Energiegewinnung durch Kernspaltung
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4. a) Die Kettenreaktion
Das Uranisotop U-235 kann durch Neutronenbeschuss in mittelschwere Atomkerne gespalten
werden, wobei auch mehrere schnelle Neutronen als Spaltprodukte entstehen. Dadurch entsteht meist
eine Kettenreaktion. In der Grafik ist angenommen, dass von den gespaltenen Urankernen im
Durchschnitt zwei Neutronen (es können auch drei sein) ausgesandt werden, die wiederum zu einer
Spaltung weiterer Kerne führen. Die Zahl der spaltenden Neutronen wird dann innerhalb jeder
Generation verdoppelt, was ein lawinenartiges Anwachsen der Reaktion bedingt.
Unter dem Multiplikationsfaktor versteht man den Faktor, mit dem bei einer Kettenreaktion die zahl
der Kernspaltung bewirkenden Neutronen von Generation zu Generation im Durchschnitt vermehrt
wird. Ist der Multiplikationsfaktor größer als eins, so entsteht eine Lawinenreaktion, ist er gleich eins,
so bleibt die Reaktion stabil; ist er kleiner als eins, so erlischt die Kettenreaktion.
Nach dieser Grafik besitzen die Kernbausteine des Urans einen Massendefekt von etwa 0,008 u, jene
der mittelschweren Kerne jedoch einen größeren Massendefekt von etwa 0,009 u. Bei der Spaltung
des Urans in mittelschwere Kerne wird sich daher eine Zunahme des Massendefekts um etwa 0,001 u/
Kernbaustein ergeben, die als zusätzliche Bindungsenergie frei wird. Da jeder Kernbaustein etwa 1
Masseneinheit besitzt, wird etwa 1 Promille der gesamten Uranmasse als Massendefekt aufscheinen
und deren Energieäquivalent frei werden. Für 1 kg Uran ergibt sich also ein Massendefekt von etwa
1g. Das ergibt ein Energieäquivalent
E=mc2 = 0,001 kg . (3.108m/s)2 = 9.1013 J = 2,5 . 107 kWh = 9 . 1013 . 2,4 . 10-4 kcal = 2 . 1010 kcal.
Das entspricht dem Heizwert von 3.106kg Kohle zu je 7000 kcal/kg!
Bei der Spaltung schwerer Atomkerne wird fast dreimillionenmal so viel Energie frei wie bei der
Verbrennung der gleichen Menge Steinkohle.
Das zur Kernspaltung durch Neutronen geeignete Uranisotop U-235 (=Actinuran) ist im natürlichen
Zustand nur zu 0,720% enthalten. Den Hauptanteil des natürlichen Urans bildet das Isotop U-238.
Diese beiden Isotope verhalten sich nun gegenüber Neutronenbeschuss ganz verschieden:
U-235 wird –besonders durch sehr langsame – Neutronen gespalten (Energie unter 1 eV). Dabei
werden schnelle Neutronen ausgesandt (Energie um 2 MeV). U-238 reagiert mit sehr langsamen
Neutronen (unter 6eV) nicht. Es fängt jedoch schnelle Neutronen ein und wird nach der Reaktion
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238
92U
+ 10n à 23992U 23993Np 23994Pu
unter β-Strahlung zu Plutonium verwandelt. Spaltung von U-238 tritt selten auf. In einem Block
natürlichen Urans kann keine Kettenreaktion eintreten, da die bei der Spaltung von U-235-Kernen
ausgestoßenen schnellen Neutronen vorwiegend von U-238 Kernen eingefangen werden. Das führt
meist zu keiner Kernspaltung, sondern zur Bildung von Plutonium.
In natürlichem Uran kann sich also normalerweise keine Kettenreaktion ereignen, da es zu über 99%
aus U-238 besteht. Die 2 bis 3 Neutronen, die bei einer Spaltung entstehen, sind meistens zu schnell
um einen der wenigen U-235 Kerne zu spalten, andererseits sind sie zu langsam, das U-238 zu
zertrümmern. Um eine Kettenreaktion zu erreichen müssen entweder die U-238 Kerne entfernt
werden, das U-235 Isotop muss weitgehend isoliert werden. Diese Isotopentrennung kann nicht auf
chemischem Weg erfolgen, da die Isotope sich ja chemisch gleichartig verhalten. Die zweite
Möglichkeit wäre eine Anreicherung von U-235 Isotopen. Sie verursacht viel geringere Kosten als
die völlige Trennung der Isotope. Sowohl die Trennung als auch die Anreicherung geschieht durch
Diffusion oder mit Zentrifugen.
In einem Stück reinen Actinurans muss aber keineswegs eine Lawinenreaktion eintreten: Die bei der
Spaltung eines Urankerns gebildeten sehr schnellen Neutronen können bis zur Erzielung eines
spaltenden Treffers beträchtliche Wege im Actinuran zurücklegen. Ist der Block von Actinuran zu
klein, so wird ein Großteil der Neutronen ihn verlassen, ohne eine Spaltung erzielt zu haben. Die zur
Erzielung einer Lawinenreaktion nötige Mindestmasse an spaltbarem Material heißt kritische Masse.
4.b) Der Kernspaltungsreaktor
Ein Kernreaktor ist eine Maschine, in der eine Kernreaktion kontinuierlich abläuft. Weltweit
verbreitet sind Kernreaktoren, die durch die Spaltung von Uran oder Plutonium zunächst Wärme und
daraus elektrische Energie gewinnen.
Für die friedliche Verwendung der Atomenergie braucht man eine in ihrem Ablauf steuerbare
Kettenreaktion. Dazu genügt die Verwendung von natürlichem oder angereichertem Uran. Um eine
Kettenreaktion zu erzielen, muss vor allem verhindert werden, dass zu viele der durch Spaltung von
U-235 Kernen entstandenen schnellen Neutronen durch die in der Überzahl vorhandenen U-238Kerne eingefangen werden, da dieser Prozess ja zur Erzeugung von Plutonium und nicht zur
gewünschten Kernspaltung führt.
Eine dazu geeignete Anordnung zeigt diese Abbildung (Schwimmbadreaktor). Im Reaktorkern ist
eine Reihe von Brennstoffelementen (Lamellen oder Stäbe aus angereichertem Uran) unter Wasser
angeordnet. Wird in einer der Platten ein U-235 Kern gespalten, so werden die dabei gebildeten
Neutronen in der Regel die ziemlich dünne Platte verlassen, ohne davon einen U-235-Kern zu spalten
oder von einem U-238 Kern eingefangen zu werden. Die in einer Platte gebildeten Neutronen
gelangen also zum Großteil ins Wasser zwischen den Brennstoffelementen. Dort stoßen sie mit den
Wasserstoffkernen zusammen und geben dabei wegen der fast gleichen Masse von Neutronen und
Protonen bei jedem Zusammenstoß den überwiegenden Teil ihrer Bewegungsenergie ab. Ihre Energie
sinkt daher schon nach wenigen Stößen (ca. 15) weit unter jenen Wert, bei dem sie durch die U-238Kerne noch eingefangen werden können. Das Wasser verlangsamt die Neutronen und wird daher als
Bremssubstanz oder Moderator bezeichnet. Als Moderator sind nur leichte Atomkerne geeignet, da
nur auf sie beim Zusammenstoß genügend viel Energie übertragen wird (Wasserstoff, schwerer
Wasserstoff, Beryllium, Graphit). Treffen diese langsamen Neutronen nun auf ein Brennstoffelement,
so werden sie von den U-238-Kernen nicht mehr eingefangen, sie sind aber zur Spaltung der U-235Kerne besonders geeignet; dieser Prozess tritt daher meistens ein.
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Für die im Reaktorkern durch Kernspaltung gebildeten Neutronen bestehen nun die folgenden
Möglichkeiten:
1. Sie können von ausreichender Abbremsung einen U-238-Kern treffen. Dieser Vorgang führt
zur Bildung von Plutonium.
2. Sie können von den Kernen des Moderators eingefangen werden (bei 1H häufig, bei 2D, 9Be
und 12C sehr selten.
3. Sie können den Reaktorkern verlassen, ohne einen spaltenden Treffer erzielt zu haben,
4. Sie können nach genügender Abbremsung einen U-235-Kern spalten. (ideal!)
Der Reaktor muss so dimensioniert sein, dass der vierte Prozess mit genügend relativer Häufigkeit
eintritt (etwa 40%) und einen Multiplikationsfaktor über 1 ermöglicht. Zur Regelung des
Multiplikationsfaktors werden zwischen die Brennstoffelemente Regelstäbe aus einem Material
(bspw. Cadmium) geschoben, das Neutronen stark absorbiert. Bei voll eingeschobenen Regelstäben
ist der Multiplikationsfaktor kleiner als 1. Beim Herausziehen der Regelstäbe steigt der
Multiplikationsfaktor, bis beim Wert 1 der Reaktor „kritisch“ wird. Zur Einleitung der Kettenreaktion
kann eine kleine Neutronenquelle dienen. Bei gleichmäßigem Betrieb ist der Multiplikationsfaktor
genau 1. Es muss natürlich für eine automatische Einhaltung dieses Wertes gesorgt sein, was beim
Schwimmbadreaktor ohnehin von selbst geschieht, da Luftblasen aufsteigen, die den
Multiplikationsfaktor durch Verdrängung des Moderators zwischen den Brennstoffelementen
vermindern. Der Reaktor ist zum Schutz der Umgebung gegen Neutronen und χ-Strahlung mit einem
dicken Betonmantel umgeben. Durch Kanäle können Materialen bis an den Reaktorkern
herangebracht und dort der intensiven Neutronenbestrahlung ausgesetzt werden. Auf diese Weise
wird heute ein Großteil der künstlichen Isotope (meist radioaktiv) hergestellt. Bei den sogenannten
Forschungsreaktoren stehen diese Bestrahlungsmöglichkeiten im Vordergrund. Österreich besitzt
derzeit zwei Reaktoren dieser Bauart (Seibersdorf, Prater in Wien).
Zusammenfassung:
Im Kernspaltung wird durch eine kontrollierte Kettenreaktion Actinuran in mittelschwere Atomkerne
gespalten. Die Spaltprodukte besitzen einen um etwa 1 Promille der gespaltenen Uranmasse
vergrößerten Massendefekt. Das Energieäquivalent dieses Massendefektes wird (vorwiegend als
Wärmeenergie) frei. Jeder Kernspaltungsreaktor enthält als wichtigste Teile: Brennstoff
(angereichertes Uran), eine Moderatorensubstanz (leichteste Elemente), eine Regelvorrichtung
(Neutronen absorbierende Stäbe) und einen Schutzmantel. Man unterscheidet zwischen Forschungsund Leistungsreaktoren.
5. Die Atombombe und ihre Auswirkungen
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Bei der Konstruktion der Atombombe werden zwei unterkritische Massen spaltbaren Materials (U235 oder Pl-239) getrennt voneinander angeordnet. Bei der Zündung der Bombe werden sie durch
eine Sprengladung ineinandergeschossen und damit zu einer überkritischen Masse vereinigt. Eine
kleine Neutronenquelle löst dann augenblicklich eine Kettenreaktion aus. Die Spaltung erfolgt auch
hier durch schnelle Neutronen.
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5.a. Ablauf einer Explosion Atombombe von Nagasaki
Die Vorgänge bei der Explosion einer Atombombe reichen von der nuklearen Kettenreaktion über die
Entstehung von Feuerball und Druckwelle bis hin zur Ausbreitung der Explosionswolke und der
radioaktiven Rückstände in der Atmosphäre. Die Zeitskalen der einzelnen Abläufe reichen von
Millionstel Sekunden bis zu mehreren Minuten. Grob lässt sich der Explosionsvorgang unterteilen in
1) Nukleare Kettenreaktion (0 bis 10-6 Sekunden),
2) Feuerball- und Druckwellenformation (10-6 bis 0,1 Sekunden),
3) Ausbreitung der Druckwelle, Abkühlen des Feuerballs (0,1 bis 10 Sekunden),
4) Formierung der Pilzwolke (Sekunden bis Minuten),
5) Ausbreitung der Wolke, Fallout (Minuten bis Monate).
Die Zeitskalen sind nur ungefähre Anhaltspunkte, da sie stark von der Sprengkraft und der
Detonationshöhe abhängen.
Radien der einzelnen Zerstörungszonen für 3 versch. Bombentypen:
Äquivalenzsprengkraft
10 kt
(Kilotonnen)
1 Mt
20 Mt
Explosionshöhe
600 m
2400 m
5300 m
Zone 1
0,8 km
4 km
14 km
Zone 2
1,6 km
6 km
22,5 km
Zone 3
2,8 km
10,5 km
43,5 km
Zone 4
4 km
12,5 km
50 km
Zone 5
4,8 km
16 km
56 km
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1. Verdampfungspunkt
Alles wird durch die Detonation verdampft.
Todesfälle: 98%, Überdruck: 1,7 bar,
Windgeschwindigkeit: 515 km/h
2. Vollständige Zerstörung
Alle oberirdischen Strukturen werden zerstört.
Todesfälle: 90%, Überdruck=1,1 bar,
Windgeschwindigkeit: 465 km/h
3. Schwere Beschädigungen durch die Druckwelle
Fabriken und andere große Gebäude stürzen ein,
Autobahnbrücken werden stark beschädigt, Flüße
fließen manchmal rückwärts.
Todesfälle: 65%, Verletzungsfälle: 30%,
Überdruck: 0,6 bar, Windgeschwindigkeit: 420 km/h
4. Schwere Beschädigungen durch die Hitzewelle
Alles Brennbare wird entflammt, Menschen im
Einzugsbereich der Hitzewelle leiden wegen der
großräumigen Brände an Sauerstoffmangel.
Todesfälle: 50%, Verletzungsfälle: 45%,
Überdruck=0,4 bar, Windgeschwindigkeit: 225 km/h
5. Schwere Beschädigungen durch Feuer und
Wind
Ortsfeste Strukturen werden schwer beschädigt,
Menschen werden durch die Luft gewirbelt, die
meisten Überlebenden erleiden Verbrennungen 2.
und 3. Grades.
Todesfälle: 15%, Verletzungsfälle: 50%,
Überdruck=0,2 bar, Windgeschwindigkeit: 160 km/h
5.b. Auswirkungen von Atomexplosionen
Eine Atombombenexplosion wirkt sich durch folgende Effekte auf ihre Umgebung aus:
●
●
●
●
●
Druckwelle, die ähnlich wie bei normalen Explosionen ist, aber erheblich stärker
Direkte thermische Strahlung (UV- und Infrarotstrahlung, sowie sichtbares Licht)
Direkte Kernstrahlung
Indirekte Radioaktivität durch Fallout-Partikel
Nuklearer elektromagnetischer Impuls (NEMP)
Dabei fallen etwa 50 bis 60 Prozent der Gesamtenergie auf die Druckwelle, 35 bis 45 Prozent auf die
thermische Strahlung und 5 Prozent auf die direkte und indirekte Kernstrahlung sowie den NEMP.
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Der Anteil der indirekten Kernstrahlung wird fast ausschließlich durch die Spaltprodukte bewirkt und
ist daher bei reinen Kernspaltungsbomben am größten (etwa 10 Prozent der Gesamtenergie).
Folgen der Druckwelle
Der größte Schaden wird in bebauten Regionen (Städte) durch die Explosionsdruckwelle angerichtet.
Wie weiter oben beschrieben, verursacht sie plötzliche starke Druckschwankungen (statischer Überund Unterdruck) und orkanartige Winde (dynamischer Druck). Der statische Überdruck zerstört vor
allem massive Bauten, während der orkanartige Wind Menschen, Tiere, Bäume und leichte Bauten
"umbläst". Der statische Unterdruck, der der Überdruckphase folgt und mit schwächeren Winden in
Richtung auf das Explosionszentrum einhergeht, ist in Bezug auf Schäden meist vernachlässigbar.
Folgen der Licht- und Wärmestrahlung
Da sich Wärmestrahlung mit Lichtgeschwindigkeit in der Atmosphäre ausbreitet, treten Lichtblitz
und Wärmestrahlung gleichzeitig einige Sekunden vor dem Eintreffen der Druckwelle auf.
Blickt man unmittelbar während oder kurz nach der Detonation in Richtung der Explosion, so kann
die enorme Leuchtdichte noch bis in weite Entfernungen zu vorübergehender oder permanenter
Erblindung führen, da das Licht des Feuerballs von der Augenlinse aus auf die Netzhaut gebündelt
wird, und bei größerer Entfernung lediglich der Brennfleck kleiner, jedoch, außer durch Absorption
in der Luft, kaum schwächer wird.
Die abgegebene Wärmestrahlung verursacht Verbrennungen der Haut, die mit größerer Entfernung
zum Bodennullpunkt abnehmen. Im Hypozentrum ist die Wärmeentwicklung im allgemeinen so
stark, dass Lebewesen zur Unkenntlichkeit verbrennen und Materie verdampft. Die Entfernungen in
denen Verbrennungen auftreten, sind sehr unterschiedlich, da hohe Luftfeuchtigkeit oder
Staubpartikel die Wärmestrahlung abschwächen, während Schnee, Eis oder heller Sand sowie eine
Wolkendecke oberhalb des Explosionspunktes sie lokal auf mehr als das Doppelte erhöhen können.
Bei klarem Himmel und durchschnittlicher Sichtweite (20 Kilometer) verursacht eine Luftexplosion
von 1 MT Verbrennungen dritten Grades im Umkreis von bis zu 12 Kilometer, zweiten Grades bis 15
Kilometer und ersten Grades bis 19 Kilometer.
Zusätzlich können sich brennbare Stoffe entzünden. Diese Brände treten vor dem Eintreffen der
Druckwelle auf und werden von dieser teilweise wieder ausgelöscht.
Folgen der direkten Kernstrahlung
Die Strahlungsdosis nimmt mit zunehmender Entfernung vom Explosionszentrum ab. und hat nur bei
kleineren Sprengkräften bis etwa 50 Kilotonnen eine relevante Auswirkung, da bei größeren
Sprengkräften die (in viel geringerem Maße von der Luft absorbierte) Wärmestrahlung und die
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Druckwelle bereits tödlich sind. So forderte die direkte Kernstrahlung bei den Explosionen in
Hiroshima und Nagasaki, gemessen an ihrem Anteil von nur wenigen Prozent der Gesamtenergie, die
meisten Todesopfer. Die Betroffenen, die eine Strahlendosis von etwa 10 Gy (Gray) aufnahmen,
erkrankten an der sog. Strahlenkrankheit. Ab einer Dosis von 6 Gy haben Menschen kaum noch
Überlebenschancen, bei 10 Gy tritt der Tod innerhalb von ein bis zwei Wochen ein.
Die direkte Kernstrahlung wirkt nur während der Atomexplosion für die Dauer von etwa einer
Minute - allerdings sehr stark, wobei der größte Teil der Strahlung innerhalb der ersten
Sekundenbruchteile freigesetzt wird. Kann ein Betroffener die direkte Kernstrahlung durch
geeigneten Schutz teilweise oder ganz abschirmen, wird sein Risiko für die Strahlenkrankheit
erheblich reduziert. So überlebten in Hiroshima Menschen, die im Augenblick der Explosion durch
beispielsweise eine Betonwand geschützt waren, während ungeschützte Menschen in nur wenigen
Metern Abstand von dem Hindernis an der Strahlenkrankheit starben.
Folgen des Fallout
Als Fallout wird ein Gemisch aus verschiedenen radioaktiven Substanzen und Staub bezeichnet, das
im Laufe der Zeit aus der Pilzwolke ausfällt oder durch Regen ausgewaschen wird. Der meiste
Fallout wird bei Boden- oder bodennahen Detonationen erzeugt, wobei radioaktiv kontaminierter
Staub durch die Druckwelle aufgewirbelt und gemeinsam mit der Pilzwolke in die Atmosphäre
transportiert wird. Anders als die feinen Rückstände der Bombe, die über mehrere Monate sogar
weltweit verteilt werden, fallen die gröberen Staubpartikel zum großen Teil schon nach einigen
Stunden oder gar Minuten wieder aus. Bei Luftexplosionen fehlt diese kurzzeitige Komponente
weitgehend oder vollständig.
Das Ausfallen der Substanzen erfolgt je nach vorherrschender Windrichtung und
Windgeschwindigkeit über eine sehr große Fläche. Die größte Menge verstrahlter Partikel fallen,
speziell bei Bodenexplosionen, rund um das Hypozentrum zu Boden, und mit zunehmender
Entfernung nimmt der Grad der Verstrahlung ab. Dennoch können lokal höhere Konzentrationen, so
genannte Hotspots zum Beispiel durch mit verstrahltem Staub angereicherten Regenfällen auftreten.
Ist der Fallout als dünne Staubschicht sichtbar, so ist oftmals die Strahlung stark genug, um sofortige
Gesundheitsschäden verursachen zu können. Wird eine gewisse Dosis erreicht, so führt dies für die
betroffenen Personen zu schweren Strahlenschäden, welche entweder die Erkrankung an der
Strahlenkrankheit oder gar den Tod zur Folge haben.
Folgen des Elektromagentischen Impulses (EMP)
Der EMP besitzt Ähnlichkeit mit einem Blitzschlag, was die Auswirkungen auf elektrische Leitungen
betrifft, jedoch ist der Spannungsanstieg erheblich steiler als bei natürlichen Blitzen. Darum sprechen
Blitzschutzsysteme aufgrund ihrer Trägheit nicht an.
Alle elektrischen oder elektronischen Geräte und Anlagen mit langen Leitungen oder Antennen und
empfindlichen Bauteilen wie Halbleitern und Kondensatoren werden durch den EMP geschädigt.
Dazu gehören unter anderem die Stromversorgung (Freileitungsnetz), Telefonnetze, Haushaltsgeräte,
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Radio- und Fernsehsender. Nur Funkgeräte mit sehr kurzen Antennen werden weniger beeinflusst.
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