Kettenreaktion im Uran-235

 
Bei der Spaltung von Uran-235 entstehen neben den beiden Spaltprodukten noch 2 bis 3 Neutronen. Damit kann man einen sich selbst erhaltenden Kernspaltungsprozess ablaufen lassen. Unter geeigneten Bedingungen können die freigesetzten Neutronen sofort weitere Uranatome spalten, sodass ein lawinenartig ablaufender Spaltprozess entsteht. Er wird als Kettenreaktion bezeichnet.

Geht man davon aus, dass nach jeder Spaltung zwei freie Neutronen zur Verfügung stehen, (tatsächlich sind es im Mittel 2,3), sind es in den weiteren Schritten 4, 8, 16, 32, 64, 128 usw. Wenn genügend Urankerne vorhanden sind, keine Neutronen nach außen verloren gehen oder von Fremdatomen eingefangen werden, verdoppelt sich die Anzahl der Kernspaltungen von Neutronengeneration zu Neutronengeneration und der gesamte Vorgang läuft lawinenartig ab. Dabei werden ungeheure Mengen an Energie in kürzester Zeit frei.

Bei reinem Uran-235 liegt die Lebensdauer einer Neutronengeneration im Bereich von milliardstel Sekunden (10-9 s). Geht man davon aus, dass pro Spaltung zwei Neutronen freigesetzt werden, wären nach 100 Generationen also 2100 ~ 1030 Neutronen entstanden. Das sind theoretisch mehr Neutronen, als zur Spaltung auch größerer Massen Uran benötigt würden.

Nimmt man an, dass reines Uran-235 in Würfelform vorliegt, das keine Neutronen absorbierenden Fremdatome enthält, ist für die Auslösung einer Kettenreaktion allein entscheidend, dass möglichst wenige Neutronen entweichen. Man erreicht es dadurch, dass eine genügend große Masse gewählt wird. Das Verhältnis der Oberfläche zum Volumen dieser Masse ist dann klein. Diese Mindestmasse, in der eine Kettenreaktion in Gang gesetzt werden kann, wird kritische Masse genannt. Sie beträgt bei Uran-235 etwa 50 kg, wenn das Uran als festes Metall in Kugelform vorliegt und die Neutronen unmoderiert und unreflektiert sind. Der Durchmesser der Kugel liegt dann bei etwa 8,4 cm.

Die kritische Masse lässt sich verkleinern, wenn der spaltbare Stoff von einem Reflektor (z.B. Graphit, Beryllium, schweres Wasser) umgeben ist, der einen Teil der austretenden Neutronen wieder in das Uran zurücklenkt, und wenn die Neutronen gebremst (moderiert) werden.

Wenn man die Masse der Kernteilchen des Uran-235 und des primären Neutrons mit der Summe der Massen der Spaltprodukte und der sekundären Neutronen vergleicht, so ist nach der Kernspaltung ein geringer Massenverlust festzustellen. Dieser Verlust entspricht der bei der Spaltung frei werdenden Energie.

Nach einem von Einstein 1905 formulierten Gesetz sind Masse und Energie einander äquivalent. Sie sind zwei Formen ein und desselben Phänomens. Masse lässt sich in Energie und Energie in Masse überführen.
Das Gesetz lautet: W = m · c2
   
  W: Energie
  m: Masse
  c: Vakuumlichtgeschwindigkeit

Bei einer vollständigen Spaltung von 1 kg Uran-235 tritt ein Massenverlust von 1 g auf. Die Spaltprodukte und sekundären Neutronen haben also nur noch eine Masse von 999 g. Dieses 1 g wird in Energie umgewandelt.