Kernreaktionen: Spaltung, Fusion und Aktivierung

Kernspaltung: Grundlagen und Prozess

Diese Reaktion wird durch den Beschuss bestimmter Nuklide mit hoher Ordnungszahl durch Neutronen verursacht. Nach der Absorption eines Neutrons spaltet sich der Kern in zwei Nuklide niedrigerer Ordnungszahl und zusätzliche Neutronen. Die freigesetzte Energie (Q-Wert) entspricht der Massendifferenz zwischen den Ausgangs- und Endteilchen. In diesem Prozess kann die freigesetzte Energie über 200 MeV betragen. Diese Energie manifestiert sich als kinetische Energie der Produktteilchen und Gammastrahlung. Die im Prozess entstehenden Neutronen können auch mit anderen Nukliden (z. B. Uran) interagieren und eine Kettenreaktion auslösen. Technisch bedarf es hierfür jedoch einer kritischen Masse an spaltbarem Material. Die dabei erzeugte Energie ist enorm und stellt die größte Energiequelle in Kernreaktoren dar. Dieser Prozess tritt spontan bei Transuranen auf, deren Atome mit einer Masse größer als 250 zu groß sind, um stabil zu sein. Kerne mit Massenzahlen zwischen 220 und 250 unterliegen keiner spontanen Kernspaltung; diese kann jedoch durch den Beschuss mit langsamen oder schnellen Neutronen, Protonen oder anderen beschleunigten Teilchen induziert werden.

Kernfusion: Prinzip und Energiebedarf

Die Kernfusion ist das Gegenteil der Kernspaltung: Nuklide geringerer Masse werden kombiniert. Die Gesamtmasse der erzeugten Partikel ist geringer als die der Reaktanten, und Energie wird im Prozess freigesetzt. Ein Beispiel hierfür ist eine Massendifferenz von 0,0189 amu, die eine Energie von Q = 17,6 MeV freisetzt. Dieser Prozess erfordert wesentlich höhere Aktivierungsenergien als die Kernspaltung. In diesem Fall ist die Aktivierungsenergie die kinetische Energie, die benötigt wird, um die abstoßenden Wechselwirkungen zwischen den kollidierenden Kernen oder Teilchen zu überwinden. Sobald der neue Kern gebildet ist, wird eine viel größere Energiemenge freigesetzt, als die Kerne vor der Fusion an kinetischer Energie besaßen.

Nukleare Aktivierung: Einflussfaktoren

Wenn eine bestimmte Materialmenge in einem Reaktor („Stack“) platziert und mit Neutronen beschossen wird, kann sie aktiviert werden. Dabei können radioaktive Elemente durch verschiedene Kernreaktionen entstehen. Einige von ihnen wurden bereits beschrieben. Die Leistung einer Kernreaktion hängt von folgenden Parametern ab:

• Die Anzahl der bombardierenden Teilchen.
• Die Anzahl der Targetkerne.
• Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Kernreaktion.

Diese Wahrscheinlichkeit wird als Wirkungsquerschnitt (σ) für eine Kernreaktion bezeichnet und in Barn gemessen, wobei 1 Barn = 10^-24 cm²/Atom. Der Wirkungsquerschnitt hängt ab von:

• Der Beschaffenheit des Targetmaterials.
• Der Art der bombardierenden Partikel und deren Energie.

Diese geometrische Sichtweise ist eine grobe Vereinfachung. Ein Kern kann für eine bestimmte Art von Reaktion einen großen Wirkungsquerschnitt haben, für andere jedoch einen kleinen. Zum Beispiel kann bei der Annäherung eines Neutrons an einen Kern Folgendes auftreten:

• Eine sofortige Kernreaktion, wie die Kernspaltung.
• Die Bildung eines neuen stabilen Isotops in einem angeregten Zustand, das seine Energie in Form eines Gammastrahlenphotons abgibt.
• Die Bildung eines radioaktiven Kerns.

Für unsere Zwecke ist die Aktivität eines Nuklids, die durch langsame oder thermische Neutronen erzeugt wird, von besonderem Interesse. Der Neutronenfluss (Φ) ist:

• Abhängig vom Reaktortyp.
• Abhängig von der Position innerhalb des Reaktors, da der Fluss in der Mitte höher und an der Peripherie schwächer ist.
• Typischerweise im Bereich von 10¹⁰ bis 10¹⁴ Neutronen/cm²/sec.

Wachstum der Aktivität und Sättigung

Die bisherigen Betrachtungen zur Aktivierung berücksichtigen nicht den Zerfall des radioaktiven Materials über die Zeit. Bei längeren Bestrahlungszeiten beginnen die bereits gebildeten radioaktiven Atome zu zerfallen, während gleichzeitig neue Atome aktiviert werden. Daher ist das Wachstum der Aktivität geringer als durch eine einfache Produktionsgleichung vorhergesagt. Die Aktivität steigt weniger schnell als die Produktionsrate durch Bestrahlung und erreicht schließlich ein Maximum, die sogenannte Sättigungsaktivität, nach mehreren Halbwertszeiten. Die Sättigungsaktivität tritt ein, wenn die Produktionsrate der radioaktiven Atome im Reaktor („Stack“) gleich der Zerfallsrate ist.