Uran-235

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Uran-235

Kernspaltung am Beispiel eines Uran-235-Kerns

Bei der Spaltung eines Atoms Uran-235 werden 202,5 MeV (3,24×10-11 J) im Reaktor freigesetzt. Das entspricht 19,54 TJ/mol, oder 83,14 TJ/kg. Weitere 8,8 MeV entweichen als Anti-Neutrinos aus dem Reaktor. Wenn 235
92U-Nuklide mit Neutronen beschossen werden, ist eine der vielen Spaltreaktionen, die es durchlaufen kann, die folgende (im nebenstehenden Bild gezeigt):

Schwerwasserreaktoren und einige graphitmoderierte Reaktoren können natürliches Uran verwenden, aber Leichtwasserreaktoren müssen wegen der höheren Neutronenabsorption von leichtem Wasser schwach angereichertes Uran verwenden. Bei der Urananreicherung wird ein Teil des Uran-238 entfernt und der Anteil des Uran-235 erhöht. Hochangereichertes Uran (HEU), das einen noch höheren Anteil an Uran-235 enthält, wird manchmal in den Reaktoren von Atom-U-Booten, Forschungsreaktoren und Atomwaffen verwendet.

Wenn mindestens ein Neutron aus der Uran-235-Spaltung auf einen anderen Kern trifft und diesen zur Spaltung veranlasst, wird die Kettenreaktion fortgesetzt. Wenn die Reaktion von selbst weiterläuft, wird sie als kritisch bezeichnet, und die Masse von 235U, die erforderlich ist, um den kritischen Zustand zu erreichen, wird als kritische Masse bezeichnet. Eine kritische Kettenreaktion kann bei niedrigen Konzentrationen von 235U erreicht werden, wenn die Neutronen aus der Spaltung moderiert werden, um ihre Geschwindigkeit zu verringern, da die Wahrscheinlichkeit einer Spaltung mit langsamen Neutronen größer ist. Bei einer Spaltungskettenreaktion entstehen Fragmente mittlerer Masse, die hochradioaktiv sind und durch ihren radioaktiven Zerfall weitere Energie erzeugen. Einige von ihnen erzeugen Neutronen, so genannte verzögerte Neutronen, die zur Spaltungskettenreaktion beitragen. Die Leistungsabgabe von Kernreaktoren wird durch die Anordnung von Steuerstäben im Reaktorkern eingestellt, die Elemente enthalten, die Neutronen stark absorbieren, z. B. Bor, Cadmium oder Hafnium. Bei Atombomben ist die Reaktion unkontrolliert, und die große freigesetzte Energiemenge führt zu einer Kernexplosion.

KernwaffenEdit

Die Atombombe vom Typ Little Boy, die am 6. August 1945 auf Hiroshima abgeworfen wurde, bestand aus hochangereichertem Uran mit einem großen Zünder. Die nominelle kugelförmige kritische Masse für eine unmanipulierte 235U-Atomwaffe beträgt 56 Kilogramm, die eine Kugel mit einem Durchmesser von 17,32 cm bilden würde. Das Material muss zu mindestens 85 % aus 235U bestehen und wird als waffenfähiges Uran bezeichnet, obwohl für eine einfache und ineffiziente Waffe eine Anreicherung von 20 % ausreichend ist (als waffenfähig bezeichnet). Es kann auch eine noch geringere Anreicherung verwendet werden, was jedoch zu einem raschen Anstieg der erforderlichen kritischen Masse führt. Durch den Einsatz eines großen Tampers, von Implosionsgeometrien, Auslöserrohren, Poloniumauslösern, Tritiumanreicherung und Neutronenreflektoren kann eine kompaktere, kostengünstigere Waffe mit einem Viertel oder weniger der nominellen kritischen Masse hergestellt werden, obwohl dies wahrscheinlich nur in einem Land möglich wäre, das bereits über umfangreiche Erfahrungen in der Entwicklung von Kernwaffen verfügt. Die meisten modernen Kernwaffenkonzepte verwenden Plutonium-239 als spaltbare Komponente der Primärstufe; HEU (hochangereichertes Uran, in diesem Fall Uran mit einem Anteil von 20 % oder mehr 235U) wird jedoch häufig in der Sekundärstufe als Zünder für den Fusionsbrennstoff verwendet.