Eine in natürlichen Stoffen relativ seltene, dafür aber technisch wichtige Zerfallsart radioaktiver Stoffe, ist die Kernspaltung. Bei der Kernspaltung zerbricht ein Atomkern in zwei vergleichbar große Bruckstücke. Vergleichbar groß bedeutet dabei nicht, dass der Kern in zwei gleiche Hälften zerbricht. Es kann durchaus eines der Stücke mehr als doppelt so groß sein, als das andere. Im Gegensatz zum Alpha-Zerfall verlässt aber nicht ein sehr kleines Teilchen den verbleibenden Kern.
Spontane Kernspaltung kann nur bei Atomkernen auftreten, die so schwer sind, dass die Bruchstücke so viel stabiler sind als der Ausgangskern, dass nach dem Zerfall noch Bewegungsenergie für die Bruchstücke übrig ist. Diese Energie kommt aus dem Massendefekt: die Summe der Bruchstückmassen ist kleiner als die Masse des Ausgangskerns.
Kerne schwerer Atome haben immer einen deutlich höheren Neutronenanteil als leichte Kerne. Deshalb entstehen bei der Spaltung dieser Kerne einige freie Neutronen und die entstehenden Bruchstücke sind ebenfalls Atomkerne mit hohem Neutronenanteil. Bei diesen leichten Atomkernen ist ein hoher Neutronenanteil aber ungünstig, leichte Kerne sind mit mehr Protonen im Kern stabiler. Die Spaltprodukte sind deshalb meist radioaktiv und wandeln sich über Beta-Zerfall, oft in Kaskaden von mehreren Schritten, in stabilere Kerne mit mehr Protonen um. In diesen Zerfallskaskaden kommen auch Gamma-Zerfälle vor, in denen die Kerne harte Röntgenstrahlung abgeben.
Energie wird also nicht nur direkt bei einer Kernspaltung frei. Auch die Spaltprodukte sind energiereich und geben in weiteren Zerfällen mehr Energie ab. Diese Energie ergibt in Kernkraftwerken die Restwärme und kann bei Ausfall der Kühlanlage extreme Probleme verursachen. Die Produktion radioaktiver Spaltprodukte und deren Zerfallswärme sind die größten Problem bei der zivilen Nutzung von Kernenergie.
Während der spontane Zerfall eines langlebigen Atomkerns eher selten ist, kann ein Atomkern durch Neutronenbeschuss von außen zur Spaltung angeregt werden. Schwere Atomkerne mit ungerader Neutronenzahl können relativ leicht ein weiteres Neutron einfangen. Dabei nehmen sie auch Energie auf und werden zu einer Schwingung angeregt, die mit großer Wahrscheindlichkeit in eine Spaltung mündet. Da bei solch einem Zerfall weitere Neutronen entstehen und diese von anderen Kernen eingefangen werden können, kann eine Kettenreaktion auftreten. Dabei löst jede Kernspaltung mindestens eine weitere Spaltung aus und der Prozess kommt erst zum Erliegen, wenn die Anzahl der spaltbaren Kerne zu gering geworden ist.
In Atombomben, die auf Kernspaltung beruhen, wird eine unkontrollierte Kettenreaktion gezündet, indem spaltbare Atome in genügender Dichte und Menge zusammengebracht werden, so dass jede Spaltung mehrere weitere Spaltungen auslöst. Dieser Prozess läuft so schnell ab, dass die Energie explosionsartig frei wird.
In Kernkraftwerken kommt ein anderer Ansatz zum tragen. Hier muss die Kettenreaktion steuerbar sein und bei einem Fehler möglichst von selbst zum Erliegen kommen. Das wird dadurch erreicht, dass das spaltbare Material so angeordnet wird, dass eine Kettenreaktion von selbst gar nicht aufrechterhalten werden kann. Man braucht zusätzlich zu den Brennstäben, in denen das spaltbare Material vorgehalten wird, einen sogenannten Moderator, der die freiwerdenden Neutronen abbremst. Langsame Neutronen können viel leichter von spaltbaren Atomkernen eingefangen werden. Ohne Moderator kommt keine Kettenreaktion zustande und eine begonne Reaktion kommt schnell zum Erliegen, weil die entstehenden Neutronen für eine direkte Kettenreaktion zu schnell sind.
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Letzte Änderung: 29.03.2011