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Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 11-13, G-Niveau

Kernspaltung - Physik

Einleitung

Bei der Kernspaltung wird ein schwerer Atomkern in zwei meist mittelschwere Kerne zerlegt. Dabei werden Neutronen und sehr viel Energie frei. Dieser Vorgang ist ein zentrales Thema der Kernphysik: Er erklärt sowohl die Energiegewinnung in einem Kernreaktor als auch die Entstehung radioaktiver Spaltprodukte.

In diesem aiMOOC lernst Du den Ablauf der neutroneninduzierten Spaltung von Uran-235, die Ursache der Energiefreisetzung, die Bedingungen einer Kettenreaktion und die Regelung eines Reaktors kennen. Außerdem vergleichst Du Kernspaltung und Kernfusion und beurteilst Chancen und Risiken der Nutzung.

Lernziele

Nach der Bearbeitung kannst Du die Kernspaltung mit einem Kernmodell erklären, eine einfache Reaktionsgleichung prüfen und den Zusammenhang zwischen Massendefekt, Bindungsenergie und frei werdender Energie beschreiben. Du kannst außerdem eine Kettenreaktion mithilfe des Multiplikationsfaktors einordnen und wichtige Bauteile eines Kernreaktors ihren Funktionen zuordnen.

Physikalische Grundlagen

Aufbau schwerer Atomkerne

Ein Atomkern besteht aus positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen. Beide Teilchen werden als Nukleonen bezeichnet. Die Protonenzahl bestimmt das chemische Element, die Summe aus Protonen und Neutronen heißt Massenzahl.

Isotope eines Elements besitzen gleich viele Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen. Das Isotop Uran-235 enthält 92 Protonen und 143 Neutronen. Es ist spaltbar: Nach dem Einfang eines geeigneten Neutrons kann sein Kern in zwei kleinere Kerne zerfallen.

Warum schwere Kerne gespalten werden können

Im Kern wirken zwei wichtige Effekte gegeneinander. Die kurzreichweitige starke Wechselwirkung bindet die Nukleonen. Gleichzeitig stoßen sich die positiv geladenen Protonen elektrisch ab. Bei sehr schweren Kernen ist dieses Gleichgewicht empfindlich. Nimmt ein solcher Kern zusätzliche Energie auf, kann er sich verformen und spalten.

Die mittlere Bindungsenergie pro Nukleon ist bei mittelschweren Kernen größer als bei sehr schweren Kernen. Deshalb sind die Spaltprodukte insgesamt stärker gebunden. Die Differenz wird als Energie frei.

Die Kurve zeigt: Kerne im Bereich um Eisen besitzen eine besonders große Bindungsenergie pro Nukleon. Sowohl die Spaltung sehr schwerer Kerne als auch die Fusion sehr leichter Kerne kann daher Energie freisetzen.

Ablauf der Kernspaltung

Neutroneneinfang und Zwischenkern

Ein langsames Neutron kann von einem Uran-235-Kern eingefangen werden. Kurzzeitig entsteht ein angeregter Uran-236-Kern. Das Sternchen kennzeichnet den angeregten Zustand:

$_{92}^{235} U +_{0}^{1} n \to_{92}^{236} U^{*}$

Der angeregte Kern verformt sich. Die elektrische Abstoßung der Protonen begünstigt schließlich die Trennung in zwei Spaltfragmente.

Beispiel einer Spaltreaktion

Eine mögliche Reaktion lautet:

$_{92}^{235} U +_{0}^{1} n \to_{56}^{141} B a +_{36}^{92} K r + 3_{0}^{1} n + E$

Die Gleichung erfüllt zwei Erhaltungssätze. Links und rechts ist die Summe der Massenzahlen 236. Auch die Summe der Kernladungszahlen bleibt mit 92 erhalten. Barium und Krypton sind nur ein mögliches Produktpaar; tatsächlich gibt es viele verschiedene Spaltkanäle.

Die Verteilung der Spaltprodukte besitzt typischerweise zwei Häufigkeitsbereiche. Eine Spaltung erzeugt daher nicht immer dieselben beiden Nuklide.

Frei werdende Energie

Bei einer Spaltung von Uran-235 werden ungefähr 200 MeV frei. Das entspricht etwa

$200 M e V \approx 3,2 \cdot 1 0^{- 11} J$

pro gespaltenem Kern. Dieser Wert wirkt klein, ist aber auf ein einzelnes Atom bezogen sehr groß. Ein großer Teil der Energie steckt zunächst in der Bewegungsenergie der Spaltfragmente. Sie werden im Brennstoff abgebremst und erwärmen ihn.

Die Gesamtmasse der Produkte ist geringfügig kleiner als die Gesamtmasse vor der Reaktion. Dieser Massendefekt wird nach Einsteins Beziehung in Energie umgewandelt:

$E = Δ m \cdot c^{2}$

Dabei ist $Δ m$ die Massendifferenz und $c$ die Lichtgeschwindigkeit.

Kettenreaktion

Vom einzelnen Ereignis zur Reaktionsfolge

Bei einer Spaltung entstehen meistens zwei bis drei schnelle Neutronen. Treffen einige von ihnen auf weitere spaltbare Kerne, können sie neue Spaltungen auslösen. So entsteht eine Kettenreaktion.

Nicht jedes Neutron verursacht eine neue Spaltung. Manche Neutronen verlassen das Material, andere werden ohne Spaltung eingefangen. Entscheidend ist der Multiplikationsfaktor $k$ :

Zustand	Bedeutung	Folge
unterkritisch	$k < 1$	Die Zahl der Spaltungen nimmt ab.
kritisch	$k = 1$	Die Reaktionsrate bleibt im Mittel konstant.
überkritisch	$k > 1$	Die Zahl der Spaltungen nimmt zu.

In einem gleichmäßig arbeitenden Reaktor bedeutet kritisch einen stabilen Betrieb. Der Begriff bedeutet hier nicht automatisch eine Gefahrensituation.

Kritische Masse und Geometrie

Eine selbsterhaltende Kettenreaktion benötigt genügend spaltbares Material in einer geeigneten Form. Die erforderliche kritische Masse ist keine feste Stoffkonstante. Sie hängt unter anderem von Material, Dichte, Anreicherung, Form, Moderator und Neutronenreflektoren ab. In einer kompakten Anordnung entweichen im Verhältnis weniger Neutronen als aus einer dünn verteilten Schicht.

Moderator und Steuerstäbe

Die bei der Spaltung entstehenden Neutronen sind zunächst schnell. In vielen Reaktortypen werden sie durch einen Moderator abgebremst. Wasser, schweres Wasser oder Graphit können diese Aufgabe übernehmen. Langsame, thermische Neutronen spalten Uran-235 mit höherer Wahrscheinlichkeit als schnelle Neutronen.

Steuerstäbe bestehen aus Stoffen, die Neutronen gut absorbieren, zum Beispiel Bor- oder Cadmiumverbindungen. Werden sie weiter in den Reaktorkern eingefahren, sinkt die Zahl freier Neutronen. Werden sie herausgezogen, kann die Reaktionsrate steigen.

Ein kleiner Anteil der Neutronen wird erst beim radioaktiven Zerfall bestimmter Spaltprodukte freigesetzt. Diese verzögerten Neutronen sind für die technische Regelbarkeit eines Reaktors besonders wichtig.

Kernspaltung im Kernreaktor

Energieumwandlung

Ein Kernkraftwerk wandelt die Energie in mehreren Schritten um:

$Kernenergie \to innere Energie \to Bewegungsenergie der Turbine \to elektrische Energie$

Im Brennstoff werden Spaltfragmente abgebremst und erzeugen Wärme. Ein Kühlmittel transportiert die Wärme weiter. Wasserdampf treibt eine Turbine an, die mit einem Generator gekoppelt ist. Die Kernspaltung liefert also Wärme; der elektrische Strom entsteht erst im Generator.

Wichtige Bauteile

Bauteil	Aufgabe
Brennelement	Enthält den Kernbrennstoff, in dem Spaltungen stattfinden.
Moderator	Bremst schnelle Neutronen ab.
Steuerstäbe	Absorbieren Neutronen und regeln die Reaktionsrate.
Kühlmittel	Transportiert Wärme aus dem Reaktorkern.
Abschirmung und Sicherheitsbehälter	Verringern Strahlenbelastung und begrenzen die Freisetzung radioaktiver Stoffe.

Spaltprodukte, Strahlung und Sicherheit

Viele Spaltprodukte sind neutronenreich und daher radioaktiv. Sie können Beta- und Gammastrahlung aussenden und zerfallen teilweise über mehrere Schritte. Dadurch entsteht auch nach dem Abschalten eines Reaktors Nachzerfallswärme. Die Kühlung muss deshalb weiter funktionieren.

Zum sicheren Umgang gehören mehrere Barrieren, zuverlässige Kühlsysteme, Mess- und Abschalttechnik sowie Strahlenschutz. Verbrauchte Brennelemente enthalten kurz- und langlebige Radionuklide. Ihre sichere Zwischen- und Endlagerung ist eine langfristige technische und gesellschaftliche Aufgabe.

Kernspaltung hat Anwendungen in der Stromerzeugung, Forschung und Herstellung bestimmter Radionuklide. Gleichzeitig müssen Unfallfolgen, radioaktive Abfälle, Ressourcenbedarf, Kosten und die Gefahr militärischer Nutzung berücksichtigt werden. Eine sachliche Bewertung trennt physikalische Fakten von politischen oder ethischen Werturteilen.

Historische Entwicklung

Ende 1938 wiesen Otto Hahn und Fritz Straßmann nach dem Beschuss von Uran chemisch Barium nach. Lise Meitner und Otto Frisch deuteten das Ergebnis Anfang 1939 physikalisch als Spaltung eines schweren Atomkerns und erklärten die Energiefreisetzung mithilfe des Massendefekts. Frisch prägte dafür den englischen Ausdruck fission.

Lise Meitner und Otto Hahn arbeiteten über viele Jahre gemeinsam an Fragen der Radioaktivität und Kernphysik. Die Geschichte der Entdeckung zeigt, wie experimentelle Chemie, theoretische Physik und internationale Zusammenarbeit zusammenwirkten.

Kernspaltung und Kernfusion im Vergleich

Merkmal	Kernspaltung	Kernfusion
Ausgangskerne	Sehr schwere Kerne	Sehr leichte Kerne
Vorgang	Ein Kern zerfällt in kleinere Kerne	Zwei Kerne verschmelzen
Typisches Beispiel	Uran-235 wird durch ein Neutron gespalten	Deuterium und Tritium verschmelzen
Energieursache	Zunahme der Bindungsenergie pro Nukleon und Massendefekt	Zunahme der Bindungsenergie pro Nukleon und Massendefekt
Heutige technische Nutzung	Kontrollierte Kettenreaktion in Kernreaktoren	Energiequelle der Sterne; technische Stromerzeugung noch Gegenstand der Entwicklung

Kernspaltung und Kernfusion sind verschiedene Kernreaktionen. Gemeinsam ist ihnen, dass Produkte stärker gebunden sein können als die Ausgangskerne und dadurch Energie frei wird.

Zusammenfassung

Bei der neutroneninduzierten Kernspaltung nimmt ein schwerer Kern ein Neutron auf und zerfällt in zwei Spaltfragmente. Zusätzlich entstehen Neutronen, Strahlung und ungefähr 200 MeV Energie. Die Energie stammt aus dem Massendefekt und zeigt sich vor allem als Bewegungsenergie der Spaltprodukte.

Eine Kettenreaktion ist möglich, wenn genügend der freigesetzten Neutronen weitere Spaltungen auslösen. Moderator und Steuerstäbe beeinflussen die Neutronen und ermöglichen einen kontrollierten Reaktorbetrieb. Radioaktive Spaltprodukte, Nachzerfallswärme und langlebige Abfälle machen umfangreiche Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was geschieht bei einer Kernspaltung? (Ein schwerer Atomkern zerfällt in kleinere Kerne) (!Zwei leichte Atomkerne verschmelzen) (!Ein Elektron wird in ein Proton umgewandelt) (!Ein Atom verliert nur seine Elektronen)

Welches Teilchen löst häufig die Spaltung von Uran-235 aus? (Ein Neutron) (!Ein Elektron) (!Ein Photon sichtbaren Lichts) (!Ein Proton aus der Atomhülle)

Welcher Zwischenkern entsteht nach dem Neutroneneinfang von Uran-235? (Uran-236 im angeregten Zustand) (!Uran-234 im Grundzustand) (!Plutonium-239) (!Helium-4)

Warum wird bei der Kernspaltung Energie frei? (Die Produkte besitzen zusammen eine kleinere Masse) (!Die elektrische Ladung verschwindet) (!Neutronen werden vollständig vernichtet) (!Die Protonenzahl verdoppelt sich)

Was bedeutet ein Multiplikationsfaktor k gleich eins? (Die Reaktionsrate bleibt im Mittel konstant) (!Die Reaktion endet sofort) (!Jede Spaltung erzeugt keine Neutronen) (!Die Masse des Brennstoffs bleibt unverändert)

Welche Aufgabe hat ein Moderator im Reaktor? (Er bremst schnelle Neutronen ab) (!Er erzeugt elektrische Spannung) (!Er beschleunigt die Turbine) (!Er lagert Spaltprodukte dauerhaft)

Wie wirken weiter eingefahrene Steuerstäbe? (Sie absorbieren mehr Neutronen) (!Sie erhöhen die Uranmasse) (!Sie erzeugen zusätzliche Protonen) (!Sie ersetzen das Kühlmittel)

In welcher Form liegt der größte Teil der Spaltenergie zunächst vor? (Als Bewegungsenergie der Spaltfragmente) (!Als Schallenergie außerhalb des Reaktors) (!Als Lageenergie der Elektronenhülle) (!Als chemische Energie des Wassers)

Warum entsteht nach dem Abschalten weiterhin Wärme? (Radioaktive Spaltprodukte zerfallen weiter) (!Die Turbine erzeugt neue Atomkerne) (!Der Generator spaltet Uran) (!Das Kühlwasser wird radioaktiv verbrannt)

Welche Aussage unterscheidet Kernspaltung und Kernfusion korrekt? (Bei der Spaltung zerfällt ein schwerer Kern) (!Bei der Spaltung verschmelzen leichte Kerne) (!Bei der Fusion wird Uran-235 durch Neutronen geteilt) (!Beide Begriffe bezeichnen denselben Vorgang)

Memory

Uran-235	spaltbares Isotop
Moderator	bremst Neutronen
Steuerstab	absorbiert Neutronen
Massendefekt	Ursache der Energiefreisetzung
Spaltprodukt	meist radioaktiver Tochterkern
Kettenreaktion	Folge weiterer Kernspaltungen
Nachzerfallswärme	Wärme nach dem Abschalten

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Funktion im Reaktor
Brennelement	Ort der Kernspaltungen
Moderator	Abbremsung schneller Neutronen
Steuerstab	Aufnahme freier Neutronen
Kühlmittel	Transport thermischer Energie
Generator	Erzeugung elektrischer Energie

Kreuzworträtsel

Neutron	Welches ungeladene Teilchen kann Uran-235 spalten?
Moderator	Welches Reaktorbauteil bremst schnelle Neutronen?
Kettenreaktion	Wie heißt eine sich selbst fortsetzende Folge von Spaltungen?
Massendefekt	Wie heißt die Massendifferenz, die in Energie umgewandelt wird?
Steuerstab	Welches Bauteil absorbiert Neutronen zur Regelung?
Spaltprodukt	Wie heißt ein bei der Kernspaltung entstehender Tochterkern?

LearningApps

Lückentext

Bei der Kernspaltung zerfällt ein schwerer

in kleinere Kerne. Uran-235 kann ein langsames

aufnehmen. Kurzzeitig entsteht dabei angeregtes

. Die Produkte besitzen zusammen etwas weniger Masse als die Ausgangsteilchen; diese Differenz heißt

. Nach Einsteins Beziehung wird die fehlende Masse in

umgewandelt. Mehrere frei werdende Neutronen können eine

auslösen. Ein

bremst schnelle Neutronen ab. Mit einem

lässt sich die Zahl freier Neutronen verringern. Radioaktive Spaltprodukte erzeugen auch nach dem Abschalten

.

Offene Aufgaben

Leicht

Begriffsnetz Kernspaltung: Gestalte ein Begriffsnetz mit Atomkern, Neutron, Spaltprodukt, Energie und Kettenreaktion.
Reaktionsgleichung prüfen: Markiere in einer Beispielgleichung Massenzahlen und Kernladungszahlen und zeige ihre Erhaltung.
Medienanalyse Kernspaltung: Beschreibe ein Bild oder Video dieses aiMOOCs in fünf eigenen Sätzen.
Modell einer Kettenreaktion: Entwickle mit Dominosteinen oder Karten ein ungefährliches Modell und erkläre, was das Modell gut und schlecht darstellt.

Standard

Energieumwandlung im Kernkraftwerk: Erstelle ein Flussdiagramm vom Massendefekt bis zur elektrischen Energie.
Moderatorvergleich: Vergleiche Wasser, schweres Wasser und Graphit anhand ihrer Funktion und recherchiere je einen Reaktortyp.
Interview zur Kernenergie: Befrage zwei Personen zu Chancen und Risiken und trenne anschließend Fakten von Werturteilen.
Erklärvideo Kernspaltung: Produziere ein zwei- bis dreiminütiges Video zur Rolle von Neutronen, Moderator und Steuerstäben.

Schwer

Berechnung der Spaltenergie: Berechne aus 200 MeV die Energie in Joule und schätze die Zahl der Spaltungen für eine Kilowattstunde ab.
Reaktorsicherheit analysieren: Untersuche ein historisches Reaktorereignis und ordne technische, menschliche und organisatorische Ursachen.
Spaltproduktdiagramm auswerten: Interpretiere die beiden Häufigkeitsbereiche der Spaltproduktverteilung und formuliere begründete Aussagen.
Bewertungsdebatte Kernenergie: Entwickle Kriterien für eine Bewertung der Kernenergie und führe eine strukturierte Debatte mit Quellenbelegen.

Lernkontrolle

Kettenreaktion übertragen: Erkläre mithilfe eines selbst gewählten Alltagsmodells den Unterschied zwischen unterkritischem, kritischem und überkritischem Zustand und benenne die Grenzen Deines Modells.
Reaktorregelung begründen: Ein Reaktor liefert plötzlich mehr Leistung. Entwickle zwei physikalisch begründete Maßnahmen, mit denen die Reaktionsrate gesenkt werden kann.
Energiekette analysieren: Begründe, warum die elektrische Energie eines Kernkraftwerks nicht direkt bei der Spaltung entsteht.
Sicherheitskonzept bewerten: Ordne Kühlung, Steuerstäbe, Abschirmung und Sicherheitsbehälter unterschiedlichen Schutzfunktionen zu und erkläre, warum mehrere Barrieren nötig sind.
Spaltung und Fusion vergleichen: Leite aus der Bindungsenergiekurve ab, weshalb sowohl Spaltung als auch Fusion Energie freisetzen können.
Aussagen prüfen: Beurteile die Aussage „Ein abgeschalteter Reaktor erzeugt keine Wärme mehr“ fachlich und korrigiere sie.
Entdeckung rekonstruieren: Zeige am historischen Beispiel, wie chemischer Nachweis und physikalische Deutung gemeinsam zu einer neuen Erkenntnis führten.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du nicht nur Begriffe kennst, sondern physikalische Zusammenhänge erklären und anwenden kannst.

Fachmodell: Ablauf der neutroneninduzierten Spaltung mit Uran-235, Zwischenkern, Spaltfragmenten und Neutronen.
Erhaltungssätze: Prüfung von Massenzahl und Kernladungszahl in einer Reaktionsgleichung.
Energiefreisetzung: Zusammenhang von Bindungsenergie, Massendefekt und $E = Δ m c^{2}$ .
Kettenreaktion: Bedeutung von $k < 1$ , $k = 1$ und $k > 1$ .
Reaktorphysik: Funktionen von Brennstoff, Moderator, Steuerstäben, Kühlmittel und Abschirmung.
Folgen der Spaltung: Radioaktivität der Spaltprodukte, Nachzerfallswärme und Entsorgungsfrage.
Bewertungskompetenz: Trennung gesicherter physikalischer Aussagen von politischen und ethischen Werturteilen.

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