Kernspaltung und Spaltprodukte

 
Es ist nachgewiesen worden, dass grundsätzlich alle Atomkerne gespalten werden können. Bei bestimmten Uran- und Plutoniumisotopen ist aber die Spaltung mithilfe von Neutronen besonders leicht durchzuführen. Außerdem wird bei der Spaltung dieser Kerne mehr Energie frei, als dafür aufgewendet werden muss (exotherme Reaktion).

In der Natur kommen drei Uranisotope vor: U-234, U-235 und U-238. Sie sind Alphastrahler mit unterschiedlichen Halbwertszeiten. Alle drei Uranisotope haben zusätzlich die Eigenschaft, sich spontan zu spalten. Die Spontanspaltung ergibt sich aus der Tatsache, dass bei schweren Atomkernen die Abstoßung zwischen den Protonen etwa so groß ist wie die zusammenhaltenden Kernkräfte. Die Stabilität solcher Kerne ist dadurch sehr geschwächt.

Da Spontanspaltungen bei Uran aber sehr selten vorkommen, spielen sie für die Kerntechnik praktisch keine Rolle.

Bei Uran-238 wird eine Spaltung nur selten erreicht, und dann nur bei hoher Energie (Geschwindigkeit) der Neutronen. Die Kerne des Uran-235 lassen sich dagegen sehr viel leichter sowohl durch schnelle als auch durch thermische (langsame) Neutronen spalten. Mit langsamen Neutronen gelingt die Spaltung besonders leicht. Uran-234 spielt für Kernspaltungen wegen seines geringen Vorkommens in der Natur keine Rolle.

Trifft ein langsames (thermisches) Neutron auf einen Atomkern des Uran-235, wird es in den Kern aufgenommen. Es entsteht ein hochangeregter Zwischenkern des Isotops Uran-236. Seine Lebensdauer beträgt nur etwa 10-14 s. Der neue Kern versucht, seine Anregungsenergie abzugeben. In etwa 6 von 7 Fällen tritt eine Spaltung ein, in einem Fall geht der Atomkern durch Aussenden eines Gammaquants in das langlebige Isotop Uran-236 über.

Die Spaltung kann man sich im Modell so vorstellen, dass nach dem Einfang des Neutrons der Urankern zu schwingen beginnt, sich ellipsenförmig verformt, hantelförmig einschnürt und letztlich in zwei mittelschwere Trümmerkerne sowie in zwei bis drei Neutronen zerfällt.

An der Stelle der Einschnürung berühren sich nur wenige Nukleonen, sodass nur noch geringe Kernkräfte für den Zusammenhalt zur Verfügung stehen. Die abstoßenden elektrischen Kräfte zwischen den Protonen werden zwar mit zunehmender Entfernung etwas kleiner, sie bleiben aber insgesamt bestehen. Von einer bestimmten Einschnürung ab überwiegen sie schließlich und treiben die beiden Teile des Kerns auseinander. Außerdem überwiegt die Tendenz der Kernteilchen, sich zu kleineren Kernen zusammenzuballen, weil das energetisch günstiger ist.

Die Spaltung eines Kerns Uran-235 kann verschiedene Trümmerkerne ergeben. Dabei muss die Summe der Kernladungszahlen der Trümmerkerne gleich der Kernladungszahl des Urans sein. Die Massenzahlen der Trümmerkerne und der frei gewordenen Neutronen betragen stets 236.

Die Massenzahlen der Trümmerkerne liegen etwa zwischen 70 und 160. Ein Maximum liegt bei der Massenzahl 95 (z. B. Strontium-90, Krypton-89, Zirkonium-93), ein zweites Maximum bei der Massenzahl 140 (z. B. Barium-140, Cäsium-137, Cer-144). Die Massenzahlen liegen am häufigsten im Verhältnis 2:3 zueinander.

Man kennt heute etwa 200 verschiedene Spaltprodukte des Uran-235, die sich auf 35 verschiedene Elemente beziehen (von Zink/Kernladungszahl 30 bis zum Terbium/Kernladungszahl 65). Aufgrund des Neutronenüberschusses sind die Spaltprodukte zum großen Teil radioaktiv. Sie wandeln sich unter Aussenden von Betastrahlen in stabile Kerne um. Dabei werden ganze Zerfallsreihen durchlaufen. Es ist aber auch Neutronenemission möglich.