Kernspaltung und Kernfusion

Geschichte der Kernspaltung und Kernfusion

• 1908: Rutherford "entdeckt" den Atomkern:
  Enges Bündel von alpha-Teilchen aus radioaktivem Präparat trifft auf sehr dünne Goldfolie.
  Die allermeisten alpha-Teilchen gehen unabgelenkt hindurch.
  → Kern ist nahezu punktförmig
  → Kerndurchmesser ungefähr 10.000 mal kleiner als Atomdurchmesser
  
  
• 1920: Kernfusion in Sternen von Eddington postuliert:
  "Wenn tatsächlich die subatomare Energie in den Sternen frei verwendet wird,
  um die Energieproduktion zu unterhalten, so scheint das unseren Traum der Erfüllung
  etwas näher zu bringen, diese latente Energie zum Wohle der Menschheit einzusetzen
  - oder zu derem Selbstmord."
  
  
• 1938: Hahn, Meitner, Straßmann entdecken die Kernspaltung:
  Durch Neutronen induzierte Kernspaltung von ²³⁸U liefert freie Neutronen
  → Kettenreaktion möglich
  
  
• 16.7.1945, 5:29 Uhr: erster Test einer Spaltungsbombe in Alomogordo, New Mexiko
  
  
• 6.8.1945 und 9.8.1945: Hiroshima und Nagasaki
  
  
• 1.11.1952: erfolgreicher Test einer Fusionsbombe (Wasserstoffbombe)
  
  



• Heutige Kernkraftwerke sind Spaltungsreaktoren
  
  
• Fusionsreaktoren als Energielieferanten sind noch immer Zukunftsmusik
  
  
  

Aufbau eines Atoms

• Streu- und Stoßexperimente geben Auskunft über Struktur der Atome
  und ihrer Kerne
  
  - Experimente finden in Teilchenbeschleunigern statt (Linearbeschleuniger, Synchrotrons),
    dabei werden geladene Teilchen in einem elektrischen Feld beschleunigt und aufeinandergeschossen
  - um kleine Dimensionen aufzulösen, braucht man grosse Energien
  - Streuung mit Elektronen: Methode der Kernradienvermessung
  - e⁺e^- Kollisionen zur Teilchenerzeugung
  
  
• Atom-Hülle besteht aus Elektronen
  
  
• Atom-Kern besteht aus Nukleonen, die durch die starke Kernkraft zusammengehalten werden
  
  



• Nukleonen: Protonen und Neutronen
  
  
• Proton und Neutron bestehen aus jeweils 3 Quarks
  
  



• Die Masse eines Atomkerns ist kleiner als die Summe der Nukleonenmassen: Massendefekt.
  Die fehlende Masse steckt in der Bindungsenergie (Masse-Energie-Äquivalenz).
  
  
• Bindungsenergie, die die Nukleonen beieinander hält, ist bei Eisen am größten (Weizäcker-Massenformel). Deshalb ist bei Kernen (Elementen) leichter als Eisen ein Energiegewinn nur durch Kernfusion, bei den schwereren Kernen (Elementen) nur durch Spaltung möglich.

Kernspaltung

• Ein schwerer Atom-Kern wird durch Beschuss mit langsamen Neutronen in Schwingung versetzt. Er wird eingeschnürt und in zwei leichtere Kerne gespalten, hierbei wird Energie (Bindungsenergie) freigesetzt. Die Temperatur beträgt etwa 100 Millionen Grad Celsius.

Kernfusion

• Zwei leichte Kerne verschmelzen zu einem schwereren Kern unter Freisetzung von Energie. Die Temperatur muss hierzu etwa 100 Millionen bis mehrere Milliarden Grad Celsius betragen.


• Fusionsreaktionen können auch über den Tunneleffekt unterhalb der Coulomb-Barriere erfolgen
  
  - Coulomb-Barriere:
    gegenseitige elektrische Abstoßung der positiv geladenen Kerne
  
  - Tunneleffekt:
    quantenmechanischer Effekt, Teilchen werden als Wellenpakete betrachtet, die Pakete besitzen eine gewisse Wahrscheinlichkeit, Barrieren zu durchdringen
  


• Die Masse des bei der Fusion entstehenden Kerns ist kleiner als die Summe der beiden Einzelmassen der ursprünglichen Kerne: Massendefekt. Nach dem Äquivalenzprinzip (E=Mc²) entspricht dies einer Energie, diese wird bei der Fusion frei (Großteil der Bindungsenergie).

Fusionsreaktoren

• Alle Sterne, auch unsere Sonne, gewinnen ihre Energie durch Fusionsprozesse in ihrem Inneren (Elementsynthese).
  
  
• Kontrollierte Fusion in Reaktoren ist erst im Entwicklungsstadium.
  Probleme sind hierbei die hohe Temperatur (100 Millionen Grad Celsius) des Plasmas (heißes Gas) und die Methode, das Plasma in der Reaktorkammer einzuschließen, ohne dass es die Wände der Kammer berührt.
  
  
• Zwei Möglichkeiten, das Plasma einzuschließen sind magnetischer Einschluss (Tokamak, Stellarator, Iter) und Trägheitseinschluss (Laserfusion).
  

alpha- und beta-Zerfall

• Alpha-Zerfall
  - ein alpha-Teilchen (2p+2n) wird abgestrahlt, es entsteht ein neues Element mit einer um 2 niedrigeren Kernladungszahl
  - es durchdringt die Coulomb-Barriere mittels Tunneleffekt
  - Vorraussetzung: es muss sich im Kern ein alpha-Teilchen mit der nötigen Energie bilden, erst dann gibt es eine gewisse Wahrscheinlichkeit für einen alpha-Zerfall
  - die meisten alpha-Strahler sind schwerer als Blei (neutronenreich)
  





• Beta-Zerfall
  - Kern mit der kleinsten Masse in einem Isobarenspektrum (verschiedene Elemente mit derselben Massenzahl) ist stabil: höchste Bindungsenergie
  
  
  - mögliche beta-Zerfälle:
    Betaminus-Zerfall:  n → p + e^- + Anti-Neutrino
    Betaplus-Zerfall:     p → n + e⁺ + Neutrino
  
  - es entsteht jeweils ein neues Element mit einer um 1 höheren bzw. niedrigeren
    Kernladungszahl