Kettenreaktion

Die Sprengkraft der Atombombe beruht auf einer Kettenreaktion.

Schwere Atomkerne wie Uran oder Plutonium können durch Beschuss mit einem Neutron in zwei Teile gespalten werden. Dabei werden Energie sowie zusätzliche Neutronen frei. Diese können weitere Kerne spalten, sodass durch diese Kettenreaktion in kurzer Zeit sehr viel Energie freigesetzt wird.

In einer Kernwaffe befinden sich große Mengen spaltbaren Materials. Für die Kettenreaktion muss eine bestimmte kritische Masse des Kernbrennstoffs vorhanden sein (bei Uran ${}^{235}\mathrm{U}$ sind das 50 kg). Die vorerst getrennten, nicht kritischen Teile werden durch eine Sprengladung vereinigt und dadurch wird die Kettenreaktion gezündet.

In der Wasserstoffbombe wird die enorme Energie durch Kernverschmelzung freigesetzt. Zum Auslösen der Kernverschmelzung braucht man sehr hohe Energie. Diese wird durch eine Kernspaltungsbombe bereitgestellt.

Bis jetzt wurden leider schon zwei Atombomben gegen Menschen eingesetzt, nämlich 1945 gegen die japanischen Städte Hiroshima und Nagasaki.

Beide Bomben hatten eine Sprengkraft von etwa 10 Kilotonnen, Kernwaffen von heute haben ein Vielfaches an Sprengkraft dieser Bomben. Die Explosion von Atombomben setzt unvorstellbare Mengen an Wärme und radioaktiver Strahlung frei. Im Inneren des „Atompilzes“ erreicht die Temperatur mehrere Millionen Grad Celsius.

Die Kettenreaktion muss kontrolliert ablaufen, damit man sie in einem Kernreaktor zur Gewinnung von Wärme nutzen kann.

Kernbrennstoff

Der derzeit am häufigsten verwendete Kernbrennstoff ist ${}^{235}\mathrm{U}$. Das natürlich vorkommende Uranerz besteht allerdings zu 99,3 % aus dem nicht brauchbaren ${}^{238}\mathrm{U}$. Aus diesem Grund wird natürliches Uran mit ${}^{235}\mathrm{U}$ angereichert. Der Anteil an spaltbarem Uran beträgt dann 2 – 3 %

Kernspaltung wird hauptsächlich durch langsame Neutronen verursacht. Die bei der Kernspaltung frei werdenden Neutronen haben aber eine sehr hohe Energie, sodass sie zuerst abgebremst werden müssen, bevor sie weitere Spaltungen veranlassen können. Das Abbremsen geschieht entweder durch Wasser oder durch Graphitstäbe. Wasser bzw. Graphit nennt man Moderator.

Ist Wasser der Moderator, so dient es gleichzeitig auch als Kühlmittel. In allen Kernkraftwerken westlicher Bauart wird Wasser als Moderator verwendet.

Die Kettenreaktion muss so in Gang gehalten werden, dass laufend etwa gleich viele Urankerne pro Sekunde zerfallen. Diese Regelung erfolgt über die Anzahl der Neutronen, die weitere Kerne spalten können. Dazu werden Regelstäbe aus einem Material, das Neutronen absorbiert (besonders Bor und Cadmium), mehr oder weniger weit zwischen die Brennstäbe eingeführt. Für eine Abschaltung (siehe die Abbildung) werden die Regelstäbe ganz eingeführt, sodass zu wenige Neutronen für eine Kettenreaktion zur Verfügung stehen.

Energiegewinnung

Die in den Brennelementen erzeugte Wärme wird zur Dampferzeugung genutzt. Die Wärmeenergie wird in elektrische Energie umgesetzt.