Gratis Newsletter !
Der Schultreff-Newsletter informiert Dich stets über neue Arbeiten und mehr rund um Schultreff.
Du kannst Dich jederzeit wieder abmelden.
 

Kernreaktionen
Kernspaltung
Kernfusion
Credits
Kernreaktionen
 
Werbung
Die wohl auffälligste Kernreaktion findet im Kern der Sonne statt. Dieser enthält in nur 1,6% des Gesamtvolumens die halbe Masse der Sonne. Dort herrscht eine Temperatur von mehr als 15 Millionen °C und ein Druck von circa 300 Milliarden bar. Hier verschmelzen jeweils 4 Atomkerne des Sonnenwasserstoffs zu einem Heliumkern. Dieser ist 0,7% leichter als die 4 Wasserstoffkerne zusammen, die fehlende Materie wurde in Energie umgewandelt.
 
1 H + 1 H + 1 H + 1 H 4 He
1 1 1 1 2
 
In jeder Sekunde verschmelzen 600 Millionen t Wasserstoff zu Helium, auf diese Weise ist bereits 37% des im Kern ursprünglich vorhandenen Wassserstoffs in den letzten 4,5 Milliarden Jahren verbrannt. Der Rest reicht aber immer noch für weitere 5 Milliarden Jahre.
 
Unter Kernreaktionen versteht man Kernspaltungungen und Kernfusionen, diese kann man in gewisser Weise mit chemischen Reaktionen vergleichen, bei Energiezufuhr entsteht ein anderer Stoff. Beide Reaktionen verlaufen exotherm, die Kernspaltung hauptsächlich bei schweren Kernen, die Kernfusion bei leichten.
 
Kernspaltung und Kernfusion
 
Im allgemeinen versteht man unter Kernreaktion den folgenden Vorgang: Ein Teilchen trifft auf einen Kern, bildet einen instabilen Zwischenkern, der sich nach kurzer Zeit durch Aussendung eines oder mehrerer Elementarteilchen oder eines leichten Atomkerns in einen neuen mehr oder weniger stabilen Kern verwandelt. Die Umwandlung in einen neuen Kern kann auf verschiedene Weisen vor sich gehen:
Das eingefangene Teilchen oder ein gleichartiges Teilchen aus dem Kern wird in einer Richtung abgestrahlt, die von der des einfallenden abweicht.
Der Zwischenkern geht unter Aussendung von -Strahlung in einen energieärmeren Zustand über. Das eingefangene Teilchen tritt aus oder bleibt im Kern.
Statt des eingefangenen Teilchens tritt aus dem Zwischenkern ein anderes geladenes oder ungeladenes aus, oft wird ein Energieüberschuss durch -Strahlenemission abgeführt.
Diese -Strahlung kann aus den meisten Atomkernen Neutronen oder Protonen abspalten, was man Kernphotoeffekt nennt.
 
Ein Stickstoffatom kann sich zum Beispiel in ein Sauerstoffatom verwandeln, indem es ein -Teilchen, also einen Heliumkern, aufnimmt. Wird der Kern des Stickstoffatoms von einem -Teilchen getroffen, verbindet er sich mit dem Heliumkern zu einem Fluorkern, der sofort in einen Sauerstoffkern und in ein Proton zerfällt.
 
14 N + 4 He 18 F 17 O + 1 H
  7 2   9   8 1

Kernspaltung
 
Im Jahr 1938 beschossen Otto Hahn und Friedrich Wilhelm Strassmann einen Uran 235 Kern mit einem Neutron in der Absicht, diesen schwerer zu machen. Zu ihrer Verwunderung aber entstand kein weiteres Uran-Isotop sondern der Kern zerplatzte zu Cäsium 140, Rubidium 93 und 3 Neutronen.
 
235 U + n 140 Cs + 93 Rb + 3 n
  92   55 37
 
Der Uran 235 Kern nimmt das Neutron auf und erreicht dadurch den Punkt, an dem die Abstoßungskraft zwischen den Protonen größer ist, als die sogenannten starken Kernkräfte, welche zwischen Nukleonen herrschen. Spaltung eines U235-Kerns Das Neutron muss thermisch sein, das heißt es muss relativ langsam fliegen; 2 Km/s anstatt 10000 Km/s wie ein normales Neutron. Nur dann verbleibt es lange genug im Kern um diesen zu spalten. Die drei bei der Spaltung entstehenden Neutronen können wiederum Spaltungen auslösen. Ab einer genügend großen Menge spaltbarem Uran kann so eine Kettenreaktion entstehen, was zum Beispiel bei der Atombombe ausgenutzt wird. Um die Reaktion in einem Kraftwerk kontrolliert ablaufen zu lassen, müssen die entstehenden Neutronen zunächst abgebremst werden.
 
Die bei der Spaltung entstehenden Kerne sind meistens instabil, da sie 7 bis 8 Neutronen zu viel enthalten, und zerfallen daher unter Aussendung von Strahlen. Bei einer Kernspaltung entsteht 10 Millionen mal so viel Energie wie bei einer chemischen Reaktion, mit einem Kilogramm U235 kann man zum Beispiel 22.500.000 KWh Energie erzeugen, und das in einem Augenblick. Das Verhältnis zwischen hineingesteckter und erzeugter Energie beträgt in etwa 1:1 Milliarde. Damit wäre ein Kraftwerk, das mit Kernspaltung arbeitet, wesentlich effektiver als alle anderen herkömmlichen Kraftwerke. Aber natürlich hat die Kernspaltung auch ihre Nachteile, zum Beispiel die Gefahr eines Super-Gau's oder die ungeklärte Frage, wie die radioaktiven Abfallprodukte entsorgt werden können.

Kernfusion
 
Die verschmelzung mehrerer leichter Kerne mit einer Masse bis zu 16u liefert ebenfalls Energie und hat gegenüber der Kernspaltung mehrere große Vorteile:
Es entstehen keine radioaktiven Abfallprodukte.
Der Grundstoff für die meisten Reaktionen, Wasserstoff, ist praktisch unbegrenzt verfügbar.
Reaktorunfälle sind durch die geringere Brennstoffmenge sehr unwahrscheinlich.
Ein Problem bei der Kernfusion ist, dass alle Atomkerne positiv geladen sind und sich deswegen gegenseitig abstossen. Erst ab einer sehr kurzen Distanz gewinnen die starken Kernkräfte, die zwischen Nukleonen herrschen, die Überhand und eine Fusion kann stattfinden. Dies erreicht man, indem man die Wasserstoffkerne auf über 50 bis 100 Millionen°C aufheizt. Ab einer Temperatur von 100.000°C sind alle Wasserstoffatome vollständig ionisiert, das heißt, das Gas besteht aus einer nach außen elektrisch neutralen Masse von positiv geladenen Kernen und negativ geladenen freien Elektronen. Diesen Zustand bezeichnet man als Plasma. Bei solchen Temperaturen läuft zum Beispiel in einem Gas aus den beiden Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium folgende Fusionsreaktion ab:
Eine Kernfusion wurde zum ersten Mal in den dreißiger Jahren durchgeführt indem man Deuterium in einem Teilchenbeschleuniger mit hochenergetischen Deuteriumkernen beschoßen hat. Bei diesem Versuch wurde allerdings keine nutzbare Energie gewonnen. Eine unkontrollierte Freisetzung von Fusionsenergie kann man zum Beispiel bei einer Wasserstoffbombe beobachten.
 
 
2 H + 3 H 4 He + 1n
1 1 2
 
Mit keinem uns bekannten Material kann man ein Gas mit einer solchen Temperatur einschließen, es würde sofort verdampfen. Da das Gas aber positiv geladen ist, kann man es mit einem Magnetfeld einschließen. Dies wird seit den fünfziger Jahren in Den USA und der Sowjetunion erprobt, allerdings wird es noch eine Weile dauern, bis ein rentables Fusionkraftwerk entwickelt wird.
 
Ein Reaktortyp, der sogenannte Tokamak, hat die Form eines Torus. In diesem wird ein starkes ringförmiges Magnetfeld aufgebaut, das etwa 100.000mal so stark ist wie das Erdmagnetfeld. In das Plasma wird ebenfalls ein starkes Magnetfeld induziert. Die hohe Temperatur entsteht durch den Widerstand des Plasmas. Versuchsreaktor Es gibt heute zwei große Tokamak-Reaktoren, einer in der UdSSR und einer in der Princeton University in New Jersey (Bild). Hier wurde 1993 eine kontrollierte Kernfusion durchgeführt, bei der Temperaturen wie im Sonneninneren entstanden.

Credits
 
Diese Seite basiert auf einem Referat von:
Charlotte Uetrecht
Jan Henning Kritzler-Kosch
Jörn Horstmann
Schüler am Söderblom-Gymnasium in Espelkamp
 
Das Design stammt von:
Jörn Horstmann
 
Die Grafiken stammen von:
Microsoft Encarta
Jörn Horstmann
 
Folgende Programme wurden eingesetzt:
Paint Shop Pro 5.0 von Jasc Software
Selfhtml von Stefan Münz
Opera 3.21 Webbrowser von Operasoftware
Netscape Navigator
Microsoft Notepad