Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 5-6, M-Niveau

Kettenreaktion - Physik

Einleitung

Eine Kettenreaktion ist ein Vorgang, bei dem ein Ereignis weitere gleichartige Ereignisse auslöst. In der Kernphysik entsteht sie, wenn bei einer Kernspaltung freie 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.

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 Spaltprodukte. Dabei werden Energie und meist zwei oder drei neue Neutronen frei.

$_{92}^{235} U +_{0}^{1} n \to Spaltprodukte + 2 bis 3_{0}^{1} n + E$

Ein mögliches Reaktionsschema lautet:

$_{92}^{235} U +_{0}^{1} n \to_{56}^{144} B a +_{36}^{89} K r + 3_{0}^{1} n + E$

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.

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.

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.

Der Vermehrungsfaktor k

Der effektive Vermehrungsfaktor $k$ beschreibt, wie sich die Zahl der Neutronen von einer Generation zur nächsten verändert:

$N_{g + 1} = k \cdot N_{g}$

Nach $g$ Generationen gilt im vereinfachten Modell:

$N_{g} = N_{0} \cdot k^{g}$

Zustand	Bedingung	Bedeutung
unterkritisch	$k < 1$	Die Zahl der Neutronen und Spaltungen nimmt ab.
kritisch	$k = 1$	Die Reaktion bleibt im Mittel gleich stark.
überkritisch	$k > 1$	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.

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.

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.

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.

Energieumwandlung

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

$E = Δ m \cdot c^{2}$

Im Kernkraftwerk verläuft die Energieumwandlung vereinfacht so:

$Kernenergie \to Bewegungsenergie \to Wärmeenergie \to mechanische Energie \to elektrische Energie$

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

Kontrolliert, unterkritisch und unkontrolliert

Bei einer kontrollierten Kettenreaktion wird $k$ 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.

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.

Merksätze

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

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

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

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)

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)

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

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

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)

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

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)

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)

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

Memory

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

Drag and Drop

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

Kreuzworträtsel

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?

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Lückentext

Offene Aufgaben

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.

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.

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.

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.

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 $k$ 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.

OERs zum Thema

Weitere freie Lernmedien

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

Verknüpfte Lernbereiche

Kettenreaktion - Physik

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.