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2026-07-28T13:44:26Z

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= Kettenreaktion - Physik =

{{BR}}
= Einleitung =

Eine '''Kettenreaktion''' ist ein Vorgang, bei dem ein Ereignis weitere gleichartige Ereignisse auslöst. In der [[Kernphysik]] entsteht sie, wenn bei einer [[Kernspaltung]] freie [[Neutron|Neutronen]] entstehen und weitere spaltbare Atomkerne treffen. Du lernst hier, wie sich eine solche Reaktion entwickelt, wie sie beschrieben und in einem [[Kernreaktor]] geregelt wird.

[[Datei:Kernspaltungs-Kettenreaktion (Uran 235).svg|500px|rahmenlos|center]]

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=1y8CquCOnDs |500|center}}

{{BR}}
== Vom Neutron zur Kernspaltung ==

Trifft ein geeignetes Neutron auf einen Kern des Isotops [[Uran-235]], kann der Kern das Neutron aufnehmen. Der kurzzeitig entstandene angeregte Kern ist instabil und zerfällt in zwei leichtere [[Spaltprodukt|Spaltprodukte]]. Dabei werden Energie und meist zwei oder drei neue Neutronen frei.

<math>{}^{235}_{92}\mathrm{U}+{}^{1}_{0}\mathrm{n}\rightarrow \text{Spaltprodukte}+2\text{ bis }3\,{}^{1}_{0}\mathrm{n}+E</math>

Ein mögliches Reaktionsschema lautet:

<math>{}^{235}_{92}\mathrm{U}+{}^{1}_{0}\mathrm{n}\rightarrow {}^{144}_{56}\mathrm{Ba}+{}^{89}_{36}\mathrm{Kr}+3\,{}^{1}_{0}\mathrm{n}+E</math>

Die genaue Art der Spaltprodukte kann unterschiedlich sein. Pro Spaltung werden ungefähr '''200 MeV''' Energie frei. Der größte Teil erscheint zunächst als Bewegungsenergie der Spaltprodukte und wird im umgebenden Material in Wärme umgewandelt.

[[Datei:Kernspaltung -- induced nuclear fission.svg|500px|rahmenlos|center]]

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=LGF6Qlwdoj4 |500|center}}

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== Warum entsteht eine Kette? ==

Die neu freigesetzten Neutronen können weitere Uran-235-Kerne spalten. Aus einer Spaltung können dadurch mehrere neue Spaltungen hervorgehen. Dieser verzweigte Ablauf ähnelt einer wachsenden Kette.

Nicht jedes Neutron löst eine weitere Spaltung aus. Manche Neutronen verlassen das Material, manche werden ohne Spaltung eingefangen und manche treffen keinen geeigneten Kern. Ob die Reaktion wächst, gleich bleibt oder abklingt, hängt deshalb von der '''Neutronenbilanz''' ab.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=xMt_DODX3Pg |500|center}}

Das Mausefallenmodell veranschaulicht die Verzweigung: Ein Tischtennisball löst eine Falle aus, die weitere Bälle freigibt. Das Modell zeigt jedoch keine echten Atomkerne und bildet Energie, Zeitmaßstab und Neutronenbewegung nur vereinfacht ab.

{{BR}}
== Der Vermehrungsfaktor k ==

Der '''effektive Vermehrungsfaktor''' <math>k</math> beschreibt, wie sich die Zahl der Neutronen von einer Generation zur nächsten verändert:

<math>N_{g+1}=k\cdot N_g</math>

Nach <math>g</math> Generationen gilt im vereinfachten Modell:

<math>N_g=N_0\cdot k^g</math>

{| class="wikitable" style="margin:auto"
! Zustand
! Bedingung
! Bedeutung
|-
| '''unterkritisch'''
| <math>k<1</math>
| Die Zahl der Neutronen und Spaltungen nimmt ab.
|-
| '''kritisch'''
| <math>k=1</math>
| Die Reaktion bleibt im Mittel gleich stark.
|-
| '''überkritisch'''
| <math>k>1</math>
| Die Zahl der Neutronen und Spaltungen wächst.
|}

Im Reaktorbetrieb bedeutet '''kritisch''' nicht automatisch gefährlich. Es bedeutet, dass im Mittel jede Neutronengeneration genau die nächste erhält und die Leistung konstant bleiben kann.

{{BR}}
== Bedingungen für eine selbsterhaltende Kettenreaktion ==

Eine Kettenreaktion hängt nicht nur von der Masse des spaltbaren Materials ab. Wichtig sind auch Zusammensetzung, Dichte, Form, Größe und die Umgebung. Eine kompakte Anordnung verliert im Verhältnis weniger Neutronen nach außen als eine dünne oder weit verteilte Anordnung.

Die '''kritische Masse''' ist daher keine für alle Situationen feste Zahl. Sie bezeichnet die kleinste Masse unter bestimmten Bedingungen, bei der sich eine Kettenreaktion selbst erhalten kann.

[[Datei:Uraniumore.jpg|500px|rahmenlos|center]]

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== Moderator und thermische Neutronen ==

Die bei der Spaltung entstehenden Neutronen sind zunächst schnell. In vielen Reaktortypen werden sie durch einen '''Moderator''' abgebremst. Geeignete Stoffe enthalten leichte Atomkerne, an denen Neutronen durch Stöße Energie verlieren. Häufig dient Wasser zugleich als Moderator und Kühlmittel.

Langsame, sogenannte '''thermische Neutronen''' können Uran-235 mit höherer Wahrscheinlichkeit spalten als sehr schnelle Neutronen. Ein Moderator nimmt den Neutronen also Bewegungsenergie, ohne sie möglichst stark zu absorbieren.

[[Datei:Quark structure neutron.svg|400px|rahmenlos|center]]

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== Steuerung im Kernreaktor ==

In einem Kernreaktor soll die Reaktion kontrolliert ablaufen. '''Steuerstäbe''' bestehen aus Materialien, die Neutronen gut absorbieren. Werden sie weiter in den Reaktorkern eingefahren, stehen weniger Neutronen für neue Spaltungen zur Verfügung. Werden sie teilweise herausgezogen, kann die Reaktionsrate steigen.

# '''Brennelemente''' enthalten den Kernbrennstoff.
# Ein '''Moderator''' bremst Neutronen.
# '''Steuerstäbe''' absorbieren Neutronen und regeln die Reaktion.
# Ein '''Kühlmittel''' transportiert Wärme ab.
# Abschirmungen verringern die Strahlenbelastung außerhalb des Reaktors.

Ein kleiner Anteil der Neutronen wird erst verzögert nach dem Zerfall bestimmter Spaltprodukte frei. Diese '''verzögerten Neutronen''' sind für die technische Regelbarkeit besonders wichtig, weil sie Leistungsänderungen deutlich langsamer machen.

[[Datei:Kernkraftwerk Druckwasserreaktor n.png|600px|rahmenlos|center]]

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=xunj0w_bBOo |500|center}}

{{BR}}
== Energieumwandlung ==

Bei der Kernspaltung wird ein kleiner Teil der Masse in Energie umgewandelt. Grundlage ist die Beziehung:

<math>E=\Delta m\cdot c^2</math>

Im Kernkraftwerk verläuft die Energieumwandlung vereinfacht so:

<math>\text{Kernenergie}\rightarrow\text{Bewegungsenergie}\rightarrow\text{Wärmeenergie}\rightarrow\text{mechanische Energie}\rightarrow\text{elektrische Energie}</math>

Die Wärme erzeugt Wasserdampf. Dieser treibt eine Turbine an, die mit einem Generator gekoppelt ist.

{{BR}}
== Kontrolliert, unterkritisch und unkontrolliert ==

Bei einer '''kontrollierten Kettenreaktion''' wird <math>k</math> nahe bei 1 gehalten. Bei einer Abschaltung werden neutronenabsorbierende Systeme eingesetzt, sodass der Reaktor unterkritisch wird. Die Kettenreaktion nimmt dann rasch ab.

Trotz beendeter Kettenreaktion erzeugen radioaktive Spaltprodukte weiterhin '''Nachzerfallswärme'''. Ein abgeschalteter Reaktor muss deshalb weiter gekühlt werden.

Eine stark überkritische, unkontrollierte Kettenreaktion setzt Energie in sehr kurzer Zeit frei. Sie ist nicht mit dem geregelten Betrieb eines Leistungsreaktors gleichzusetzen.

{{BR}}
== Sichtbare Physik: Tscherenkow-Strahlung ==

Das blaue Leuchten in wassergefüllten Forschungsreaktoren ist '''Tscherenkow-Strahlung'''. Es entsteht, wenn geladene Teilchen sich im Wasser schneller bewegen als Licht sich in diesem Medium ausbreitet. Die Teilchen sind dabei nicht schneller als Licht im Vakuum. Das Leuchten ist ein Begleitphänomen und nicht die Kettenreaktion selbst.

[[Datei:Advanced Test Reactor.jpg|500px|rahmenlos|center]]

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== Merksätze ==

# Eine Kernspaltung kann mehrere neue Neutronen freisetzen.
# Der Faktor <math>k</math> beschreibt die Entwicklung der Neutronenzahl.
# Bei <math>k=1</math> ist die Kettenreaktion im Mittel stationär.
# Moderatoren bremsen Neutronen, Steuerstäbe absorbieren sie.
# Nach dem Abschalten bleibt Nachzerfallswärme bestehen.

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= Interaktive Aufgaben =

{{BR}}
== Quiz: Teste Dein Wissen ==

{{MC}}

'''Was löst bei Uran-235 häufig eine Kernspaltung aus?'''
(Ein aufgenommenes Neutron)
(!Ein sichtbares Lichtteilchen)
(!Ein Elektron aus der Atomhülle)
(!Ein Schallimpuls)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was entsteht bei der Spaltung von Uran-235 neben Spaltprodukten und Energie?'''
(Meist zwei oder drei Neutronen)
(!Nur ein Proton)
(!Ausschließlich Elektronen)
(!Keine weiteren Teilchen)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was bedeutet k gleich 1?'''
(Die Kettenreaktion bleibt im Mittel gleich stark)
(!Die Kettenreaktion endet sofort)
(!Die Neutronenzahl verdoppelt sich immer)
(!Es gibt keine Kernspaltungen)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Wie heißt der Zustand bei k kleiner als 1?'''
(Unterkritisch)
(!Überkritisch)
(!Supraleitend)
(!Ionisiert)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Aufgabe hat ein Moderator?'''
(Er bremst schnelle Neutronen ab)
(!Er beschleunigt die Turbine)
(!Er erzeugt Uran-235)
(!Er misst die elektrische Spannung)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Aufgabe haben Steuerstäbe?'''
(Sie absorbieren Neutronen)
(!Sie spalten Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff)
(!Sie wandeln Wärme direkt in Licht um)
(!Sie erhöhen die Masse der Atomkerne)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Energieform entsteht zuerst vor allem durch die Bewegung der Spaltprodukte?'''
(Bewegungsenergie)
(!Lageenergie)
(!Schallenergie)
(!Magnetische Energie)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Warum muss ein abgeschalteter Reaktor weiter gekühlt werden?'''
(Spaltprodukte erzeugen Nachzerfallswärme)
(!Die Turbine erzeugt weiterhin Uran)
(!Der Moderator beginnt zu brennen)
(!Neutronen besitzen elektrische Ladung)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Wovon hängt die kritische Masse ab?'''
(Unter anderem von Form Dichte und Umgebung)
(!Nur von der Farbe des Materials)
(!Nur von der Außentemperatur)
(!Nur von der Zahl der Elektronen)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was zeigt das blaue Leuchten in einem Forschungsreaktor?'''
(Tscherenkow-Strahlung)
(!Eine sichtbare Neutronenwolke)
(!Brennendes Uran)
(!Die elektrische Spannung des Generators)

{{E}}
<br>

{{BR}}
== Memory ==

<div class="memo-quiz">
{|
|-
| Neutron || Ungeladenes Teilchen im Atomkern
|-
| Kernspaltung || Zerlegung eines schweren Atomkerns
|-
| Moderator || Bremst schnelle Teilchen für weitere Spaltungen
|-
| Steuerstab || Absorbiert freie Teilchen im Reaktorkern
|-
| Kritikalität || Zustand der Neutronenvermehrung
|-
| Nachzerfallswärme || Wärmeproduktion nach der Abschaltung
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== Drag and Drop ==

<div class="lueckentext-quiz">

{| class="wikitable"
! Ordne die richtigen Begriffe zu.
! Funktion oder Beispiel
|-
| '''Uran-235'''
| Spaltbarer Atomkern
|-
| '''Neutron'''
| Kann eine Spaltung auslösen
|-
| '''Wasser'''
| Kann als Moderator dienen
|-
| '''Steuerstab'''
| Verringert durch Absorption die Neutronenzahl
|-
| '''Kühlmittel'''
| Transportiert Wärme aus dem Reaktorkern

|}
{{E}}

<br>
<br />

{{BR}}
== Kreuzworträtsel ==

<div class="kreuzwort-quiz">
{|
|-
| Neutron || Welches ungeladene Teilchen kann eine Kernspaltung auslösen?
|-
| Moderator || Wie heißt ein Stoff zum Abbremsen schneller Neutronen?
|-
| Steuerstab || Welches Bauteil absorbiert Neutronen zur Regelung?
|-
| Kritisch || Wie heißt der Zustand bei einem Vermehrungsfaktor von eins?
|-
| Kernspaltung || Wie heißt das Zerlegen eines schweren Atomkerns?
|-
| Tscherenkow || Welcher Name gehört zur blauen Strahlung im Reaktorwasser?
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== LearningApps ==

<iframe> https://learningapps.org/index.php?s=Kettenreaktion+Physik </iframe>

{{BR}}
== Lückentext ==

<quiz display=simple>
{'''Vervollständige den Text.'''<br>
|type="{}"}
Bei der Kernspaltung nimmt ein Uran-235-Kern häufig ein { Neutron } auf. Dabei entstehen leichtere { Spaltprodukte }. Mehrere neu freigesetzte Neutronen können eine { Kettenreaktion } auslösen. Der Vermehrungsfaktor { k } beschreibt die Änderung der Neutronenzahl. Bei einem Wert von eins ist der Reaktor { kritisch }. Ein Moderator { bremst } schnelle Neutronen ab. Steuerstäbe können Neutronen { absorbieren }. Nach einer Abschaltung entsteht weiterhin { Nachzerfallswärme }.
</quiz>

<br>

{{BR}}
= Offene Aufgaben =

{{BR}}
=== Leicht ===
# [[Begriffskarte]]: Gestalte eine Karte mit den Begriffen Neutron, Kernspaltung, Moderator und Steuerstab.
# [[Bildanalyse]]: Beschreibe die Wege der Neutronen in der Grafik zur Kettenreaktion.
# [[Energiekette]]: Zeichne die Energieumwandlungen vom Atomkern bis zum Generator.
# [[Modellkritik]]: Nenne zwei Stärken und zwei Grenzen des Mausefallenmodells.

{{BR}}
=== Standard ===
# [[Erklärplakat]]: Erstelle ein Plakat zu unterkritisch, kritisch und überkritisch.
# [[Erklärvideo]]: Produziere ein zweiminütiges Video zur Funktion von Moderator und Steuerstäben.
# [[Diagramm]]: Zeichne für k kleiner als eins, k gleich eins und k größer als eins qualitative Verläufe der Neutronenzahl.
# [[Interview]]: Befrage eine Physiklehrkraft zur Bedeutung verzögerter Neutronen und fasse die Antwort zusammen.

{{BR}}
=== Schwer ===
# [[Modellrechnung]]: Berechne mit selbst gewählten Startwerten mehrere Neutronengenerationen und vergleiche verschiedene k-Werte.
# [[Sicherheitsanalyse]]: Erkläre, warum eine Reaktorabschaltung die Kettenreaktion beendet, aber nicht sofort jede Wärmeproduktion.
# [[Quellenvergleich]]: Vergleiche zwei seriöse Darstellungen zur Kernspaltung hinsichtlich Fachsprache, Bildern und Vereinfachungen.
# [[Unterrichtsprojekt]]: Entwickle eine sichere Demonstration mit Dominosteinen oder Karten, dokumentiere sie und bewerte die Modellgrenzen.

{{:Offene Aufgabe - MOOC erstellen}}

{{BR}}
= Lernkontrolle =

# [[Neutronenbilanz]]: Erkläre anhand eines selbst gewählten Beispiels, wie Verluste von Neutronen einen zunächst wachsenden Prozess stoppen können.
# [[Reaktorregelung]]: Begründe, welche Änderung am Steuerstabsystem eine zu hohe Reaktionsrate senken würde.
# [[Modelltransfer]]: Übertrage das Prinzip einer Kettenreaktion auf ein nichtnukleares Beispiel und benenne Gemeinsamkeiten sowie Grenzen.
# [[Energieumwandlung]]: Erkläre, warum ein Kernkraftwerk trotz Kernreaktion einen Generator und eine Turbine benötigt.
# [[Kritische Masse]]: Begründe, warum dieselbe Stoffmenge in unterschiedlicher geometrischer Anordnung verschieden viele Neutronen verlieren kann.
# [[Nachzerfallswärme]]: Entwickle eine begründete Sicherheitsmaßnahme für die Zeit direkt nach einer Reaktorabschaltung.

<br>
<br>

{{BR}}
= Lernnachweis =

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:
# den Ablauf einer neutroneninduzierten Kernspaltung fachlich richtig erklären kannst.
# die Entstehung einer Kettenreaktion mit der Neutronenbilanz begründen kannst.
# die Zustände unterkritisch, kritisch und überkritisch mithilfe von <math>k</math> unterscheidest.
# die Funktionen von Moderator, Steuerstäben und Kühlmittel erklärst.
# die Energieumwandlung vom Massendefekt bis zur elektrischen Energie darstellst.
# Modelle und Medien zur Kettenreaktion kritisch beurteilst.
# die Bedeutung der Nachzerfallswärme für die Reaktorsicherheit erläuterst.

<br>
<br>

{{BR}}
= OERs zum Thema =

<iframe> https://de.m.wikipedia.org/wiki/Kettenreaktion </iframe>

{{BR}}
== Weitere freie Lernmedien ==

# [[Kernspaltung]]: Grundlagen der Spaltung schwerer Atomkerne.
# [[Kernreaktor]]: Aufbau und Regelung einer kontrollierten Kettenreaktion.
# [[Moderator (Physik)|Moderator]]: Abbremsung schneller Neutronen.
# [[Kritische Masse]]: Bedingungen für eine selbsterhaltende Reaktion.
# [[Tscherenkow-Strahlung]]: Erklärung des blauen Leuchtens in Reaktorwasser.

{{BR}}
= Verknüpfte Lernbereiche =

{| align=center
{{:D-Tab}}
'''[[Kettenreaktion - Physik]]'''
# [[Kernspaltung]]
# [[Neutron]]
# [[Uran-235]]
# [[Kritikalität]]
# [[Moderator (Physik)]]
# [[Steuerstab]]
# [[Kernreaktor]]
# [[Massendefekt]]
# [[Tscherenkow-Strahlung]]
|}

[[Kategorie:Physik]]
[[Kategorie:Kernphysik]]
[[Kategorie:Atomphysik]]
[[Kategorie:Kernspaltung]]
[[Kategorie:Kettenreaktion]]
[[Kategorie:Schule]]
[[Kategorie:Sekundarstufe I]]
[[Kategorie:Sekundarstufe II]]

{{BR}}
= aiMOOC-Projekte =
[[Kategorie:AI_MOOC]] [[Kategorie:GPT aiMOOC]]
{{MT}}

Kettenreaktion - Physik - Versionsgeschichte

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