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Radioactive
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Radioaktive Strahlung. Man sieht sie nicht. Man hört sie nicht. Und doch ist sie da. Tag und Nacht. Seit Anbeginn. Ohne sie wäre unser Planet eine eiskalte, unbelebte Einöde. Aber sie kann auch töten. Radioaktivität gehört zu den faszinierendsten Erscheinungen in unserem Universum - ein guter Grund, sich einmal näher damit zu befassen.

Energie durch Kernspaltung

Drei-Phasen-Modell zur KernspalungDurch Kernspaltung können riesige Mengen an Energie freigesetzt werden. Einige Atomarten spalten sich ohne äußere Einwirkung. Diese spontane Spaltung ist eine Art des radioaktiven Zerfalls. Praktisch wichtiger ist jedoch die induzierte Spaltung, die durch ein stoßendes Teilchen, meist ein Neutron, ausgelöst wird. Der Kern absorbiert das Neutron und gewinnt dadurch die Bindungsenergie (und zusätzlich auch eventuelle kinetische Energie) dieses Neutrons, befindet sich also in einem angeregten Zustand und spaltet sich. Beide Arten der Spaltung kommen nur bei genügend schweren Atomkernen vor, denn nur dann sind die entstehenden neuen Kerne fester gebunden als der ursprüngliche Kern, so dass die Spaltung dem Kern einen "Energievorteil" bringt.

Die kinetische Energie der Spaltproduke (Bewegungsenergie), die durch ein Medium abgebremst werden und die Energie in Form von thermischer Energie (Wärmeenergie) an das Medium abgeben, kann technisch genutzt werden. Neben der kinetischen Energie und der radioaktiven Strahlung, die durch weiteren Zerfall der Spaltprodukte entsteht, entstehen dabei Neutronen, die weitere Kernspaltungen auslösen können; man spricht von einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion.

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Kritische Masse

Plutoniumkugel umgeben von WolframcarbidDie kleinste Masse eines spaltbaren Materials, in der eine Kettenreaktion aufrechterhalten werden kann, heißt Kritische Masse. Sie hängt ab von der Anwesenheit und Menge einer Moderator-Substanz und von der geometrischen Anordnung. Ein dünnes Blech würde z.B. fast alle Neutronen nach außen verlieren, während innerhalb eines kompakten Objekts mehr Neutronen Gelegenheit haben, die Atomkerne zu treffen. Die kleinste kritische Masse wird in einer kugelförmigen Anordnung erreicht. Auch dann könnte sie aber durch Kompression des Materials und Neutronen-reflektierendem Umgebungsmaterial (z.B. Wolframcarbid) noch verringert werden, so dass eine absolute untere Grenze nicht existiert.

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Spaltbarkeit durch thermische bzw. schnelle Neutronen

Die Neutronen, die bei einer Kernspaltung entstehen, sind zunächst immer "schnelle" Neutronen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein schnelles Neutron auf einen spaltbaren Atomkern stößt ist jedoch auf Grund ihrer Geschwindigkeit relativ gering. Daher muss die Spaltstoffkonzentration in der Spaltzone sehr hoch sein, was zu einer hohen Wärmeleistungsdichte führt und große Mengen an Kernbrennstoff zum Erreichen der kritschen Masse benötigt, damit die Kettenreaktion aufrecht erhalten werden kann.
Brutreaktoren verwenden zur Kernspaltung schnelle Neutronen, daher auch ihr Name "schnelle Brüter". Nur bei der Verwendung von schnellen Neutronen zur Kernspaltung entstehen mehr freie Neutronen als zur Erhaltung der Kettenreaktion bei kritischer Masse notwendig sind. Daher ist es möglich, dass das nicht spaltbare Uran-238 in spaltbares Plutonium-239 umgewandelt wird, indem es ein Neutron einfängt. In gewissem Maße geschieht diese Umwandlung in jedem Kernreaktor, ein Brutreaktor jedoch erbrütet mehr Brennstoff, als er in der selben Zeit verbraucht.

Bei geringeren Spaltstoffdichten, wie sie in "normalen" Kernreaktoren eingesetzt werden, können nur langsame thermische Neutronen die Kettenreaktion aufrechterhalten. Um die Neutronen abzubremsen, wird ein sogenannter Moderator eingesetzt. Die Abbremsung erfolgt dabei durch elastische Streuung an leichten Atomkernen. Technisch werden die besten Moderatorwirkungen mit Wasser oder Grafit bei niedrigen Temperaturen erziehlt.

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Kernwaffen

Explosion von Fat Man über NagasakiKernwaffen beziehen ihre Explosionsenergie nicht wie konventionelle Waffen aus chemischen Reaktionen, bei denen die Atomkerne unverändert bleiben, sondern aus Kernspaltung und Kernfusion.

Bei der Kernspaltungsbombe wird eine überkritische Masse Uran-235 oder Plutonium-239 durch chemischen Sprengstoff auf engem Raum zusammengebracht. Ab einem bestimmten Verhältnis von Masse zu Oberfläche des Spaltmaterials können Neutronen, die beim spontanen Zerfall einzelner Kerne entstehen, weitere Kerne im Material spalten, wobei diese wiederum einige Neutronen liefern. Es kommt zur nuklearen Kettenreaktion, in deren Verlauf immer weitere Kerne gespalten werden.

Bei der Fusionsbombe wird zunächst eine Kernspaltungsbombe gezündet. Die dadurch im Inneren der Bombe erzeugten Drücke und Temperaturen reichen aus, um in dem in ihr enthaltenen schweren Wasserstoff (Deuterium) die Fusionsreaktion zu zünden.

Erstmals wurden Kernwaffen im Zweiten Weltkrieg ab 1942 im Rahmen des Manhattan-Projekts entwickelt und 1945 mit dem ersten Atombombentest "Trinity" getestet. Abgeworfen wurde die erste Atombombe "Little Boy" am 6. August 1945 über Hiroshima. Am 9. August 1945 folgte der Abwurf der "Fat Man"-Bombe über Nagasaki.

Weitere Informationen über Kernwaffen unter: http://www.atomwaffena-z.info

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Kernspaltung in Kernreaktoren

In Kernreaktoren wird wird als Spaltmittel angereichertes Urandioxid (235UO2), Plutoniumdioxid (239PuO2) oder ein Mischoxid (MOX) verwendet. Da natürliches Uran zu 99,3% aus dem nicht spaltbarem Isotop Uran-238 besteht, muss der Anteil an spaltbarem Uran-235 auf 3 bis 4% erhöht werden. Dies geschieht durch technisch aufwändige Verfahren bei der Uran-Anreicherung. Trifft im Kernreaktor ein Neutron von außen auf einen spaltbaren Uran-235-Kern, so zerbricht dieser unter Abgabe von Energie in zwei oder mehrere kleinere Kerne. Als Spaltprodukte entstehen radioaktive Isotope von Iod, Cäsium, Strontium, Xenon, Barium und Krypton. Zusätzlich werden zwei oder drei Neutronen aus dem Atomkern freigesetzt, die weitere Spaltungen auslösen können.

Kontrolliert und geregelt wird der Verlauf der Kettenreaktion über Neutronen-absorbierende Materialien in den Reaktor. Dies kann in Form von Regelstäben aus Borcarbid, Hafnium oder Cadmium sein oder mithilfe einer veränderlichen Konzentration an Borsäure.

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Quelle: http://de.wikipedia.org

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