Frage von LampenKing, 53

Warum spaltet sich Uran ab einer bestimmten Menge?

Warum löst Uran eine Kettenreaktion aus, wenn eine bestimmte Masse erreicht ist?

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von SlowPhil, Community-Experte für Physik, 24

Das mit der Spaltung betrifft nicht nur Uran (auch Plutonium 239 ist für derartige Kettenreaktionen geeignet), und es betrifft auch nicht jedes Uran-Isotop.
Gerade deshalb spricht man ja von sogenannten angereichertem Uran, das ist Uran 235. Es ist instabiler als Uran 238 und reagiert auf zusätzliche Neutronen auch anders.

Während Uran 238 sich bei Anlagerung eines zusätzlichen Neutrons zunächst um Uran 239 und dann per Betazerfall in Plutonium 239 verwandelt (Brutreaktion), wird Uran 235 durch das zusätzliche Neutronen für einem hochangeregten Uran-236-Kern, der in zwei Teile zerplatzt und weitere Neutronen freigibt, die weitere Kernspaltungen auslösen - wenn sie den Urankörper nicht durch dessen Oberfläche verlassen, und wie viele das tun, hängt vom Verhältnis Volumen - Oberfläche ab, deshalb das mit der kritischen Masse.

Es gibt ein schönes Modell mit gespannten Mausefallen und Pingpongbällen dafür, die so auf den Mausefallen liegen, dass sie bei den Auslösung weggeschleudert werden. Ein einzelner Pingpongball löst eine Kettenreaktion aus, vorausgesetzt, er landet nicht außerhalb des von Mausefallen gesäumten Feldes.
Dafür wiederum muss die Fläche dieses Feldes im Verhältnis zur Umrandung möglichst groß sein.

Kommentar von LampenKing ,

Ok, den Teil wieso die Kettenreaktion weiter geht hae ich verstanden,

aber was ist zum Beispiel bei dem Gun-Design der Atombombe, da werden ja 2 unterkritische Massen zusammen geschossen, zu einer kritischen. Aber woher kommt jetzt das auslösende Elektrone, dass die Kettenreaktion in der kritischen Masse auslöst?

Kommentar von SlowPhil ,

Neutron, nicht Elektron. Es gibt Nuklearreaktionen, die Neutronen freisetzen (Kernspaltung gehört dazu, deshalb gibt es ja die Kettenreaktion). In

https://de.wikipedia.org/wiki/Kernwaffentechnik#Kanonenprinzip

steht Näheres dazu, etwa, dass die Neutronen-Injektion gleichzeitig mit dem Erreichen der kritischen Masse erfolgen muss.

Kommentar von LampenKing ,

Aber woher kommt denn das Neutron, dass die Kettenreaktion auslöst? Weil, da gehen ja die beiden unkritischen Hälften zusammen und bilden eine kritische Masse und darauf folgt die Kettenreaktion. Aber nur von dem vereinen der beiden Massen, entsteht doch kein Neutron, welches die Kettenreaktion auslöst. 

Kommentar von SlowPhil ,

Deshalb braucht man ja die Neutronenquelle und am besten noch etwas, das Neutronen reflektieren kann. es steht nicht so richtig explizit da, aber es gibt wohl noch zusätzlich eine Neutronenquelle die in dem Augenblick, in dem die beiden unter kritischen Masse vereinigt werden, aktiv ist.

Antwort
von indiachinacook, 20

Das hat im wesentlichen damit zu tun, daß das Verhältnis zwischen Ober­fläche und Volumen von der Menge an Material abhängt. In einer kleinen Stoff­portion liegt ein größerer Anteil der Teilchen knapp an der Oberfläche.

Bei der Kettenreaktion entstehen aus einer Kernspaltung neue Neutronen, die dann neue Kern­spaltungen auslösen, die noch mehr Neutronen frei­setzen usw. Andererseits löst nicht jedes gebildete Neutron eine neue Spaltung aus, manche gehen verloren, z.B. weil sie aus dem spaltbaren Material hinaus­fliegen, bevor sie auf einen weiteren Kern treffen können.

Wenn die Stoffportion klein ist, dann ist die Oberfläche nie weit weg, und die Chance steigt, daß ein Neutron verloren geht und an der Ketten­reaktion nicht weiter teilnimmt. Solange zu viele Neutronen verlorengehen, kann die Kette nicht arbeiten, und die Masse ist unterkritisch.

Das hängt sogar von der Form ab: In einem Stab ist die Oberfläche immer näher als in einer Kugel. Daher haben Kugeln eine kleinere kritische Masse als Stäbe.

Antwort
von Machtnix53, 17

Kernspaltungen werden durch Neutronen ausgelöst. Bei der Spaltung werden auch wieder Neutronen frei, die weitere Spaltungen auslösen können.

Bei kleinen Mengen spaltbaren Materials gehen die meisten dieser Neutronen in die Umgebung. Je größer die Menge auf kleinem Platz, umso größer die Wahrscheinlichkeit, dass die Neutronen weitere Kerne zum Spalten treffen.    

Weiteres siehe:

https://de.wikipedia.org/wiki/Kritische_Masse

Antwort
von lemafr, 13

Die Atomkerne von Uran zerfallen. Durch diesen Zerfall entstehen unter anderem Neutronen, die wieder auf anderen Uran-Atomkerne treffen, wodurch wieder ein neuer Kernzerfall induziert wird. Trifft pro Kernzerfall/ Kernspaltung ein entstehendes Neutron auf einen anderen Kern, ist die Uranmasse nicht kritisch. Je mehr Uran dazu kommt, desto mehr Zerfällt gibt es statistisch auch und desto wahrscheinlicher wird es, dass mehr als ein Neutron auf einen Kern trifft. Dadurch würde eine Kettenreaktion ausgelöst. Die Masse wäre dann kritisch. 

Antwort
von max230, 22

Ich bin mir nicht sicher aber ich glaube die electronen Anzahl gerät dann aus dem Gleichgewicht und deshalb kommt es zur Kettenreaktion

Kommentar von SlowPhil ,

Die Elektronen und ihre Anzahl haben mit der Kernspaltung nichts zu tun. Der Kern hat eine Menge Einfluss auf die Atomhülle, umgekehrt jedoch praktisch gar nicht. Dazu sind die im Spiel befindlichen Energien zu gering. Kernspaltung findet bei Uran, Plutonium und Konsorten sich nicht spontan statt, und bei Nukliden, die so etwas machen, bedarf es keiner kritischen Masse dafür.

Kommentar von SlowPhil ,

wenn man eine Frage beantworten will, sollte man übrigens doch schon wenigstens ein wenig Ahnung haben und nicht ins Blaue raten müssen. Ihren kann jeder, aber nur zu antworten, "damit halt was g'schwätzt ischt", wie der Schwabe sagt, ist eher das Gegenteil von hilfreich.

Kommentar von max230 ,

... ich dachte dass das so stimmt wenns dich stört dass es falsch ist dann OK aber nicht mein Problem

Kommentar von max230 ,

außerdem wäre ja richtig aber eben nur mit den Neutronen anstatt den Elektronen ......

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