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Physik 9 · Struktur der Materie

Kettenreaktion

Trifft ein Neutron einen Kern von Uran-235, kann er sich spalten, zum Beispiel so: 23592U + 10n → 14156Ba + 9236Kr + 3 10n. Die neuen Neutronen können weitere Kerne spalten. Entscheidend ist der Vermehrungsfaktor k: Wie viele neue Spaltungen löst eine Spaltung im Mittel aus? Warum dabei Energie frei wird, zeigt das Tröpfchenmodell.

So gehst du vor

  1. 1Tippe „Neutron einschießen“ und beobachte die Kette. Tippe „Neuer Block“, um von vorn zu beginnen.
  2. 2Ändere die Größe des Blocks und den Anteil spaltbarer Kerne. k läuft mit.
  3. 3Schiebe die Regelstäbe ein, bis der Block gerade kritisch ist.
  4. 4Schalte „Verbrauchte Kerne ersetzen“ und „Neutronenquelle“ ein: Jetzt arbeitet der Block wie ein Reaktor. Halte die Neutronenzahl mit den Stäben ruhig.
  5. 5Spiele in Teil B mit k und sieh, wie schnell die Zahlen wachsen.

A Neutronen im Block

Orange: spaltbare Kerne. Grau: andere Kerne, sie fangen ab und zu ein Neutron ein. Grün: Neutronen. Dunkel: Regelstäbe, an den blauen Köpfen lassen sie sich ziehen. Tippst du sonst in den Block, startet dort ein Neutron. Das Modell ist eben und nicht maßstäblich.

Faktor k
1,20
Neutronen
0
Überkritisch. Jede Generation hat mehr Neutronen, die Kette wächst immer schneller.

Größe des Blocks

14 Kerne je Kante

Anteil spaltbarer Kerne

60 %

Regelstäbe eingefahren

0 %
Spaltungen bisher: 0, also 0 MeV
Noch vorhandene spaltbare Kerne: 100 %

B Von Generation zu Generation

05101520253002004006008001.000Generation N

Vermehrungsfaktor k

1,10
Start mit 100 Neutronen: N = 100 · kGeneration
nach 10 Generationen: 259
nach 30 Generationen: 1.745
nach 80 Generationen: 2,0 · 105

Die gestrichelte Linie zeigt k = 1. Die Kreuze sind die einzelnen Generationen.

Aufträge

  1. Stelle 100 % spaltbare Kerne ein und ziehe die Stäbe heraus. Ab welcher Größe ist der Block überkritisch? Wiederhole es für 60 %. Warum gibt es eine kritische Größe?
  2. Starte in einem stark überkritischen Block ein Neutron, ohne Kerne zu ersetzen. Beschreibe den Verlauf im Diagramm. Warum endet die Kette von selbst?
  3. Natürliches Uran enthält nur 0,7 % Uran-235, Brennstoff für Reaktoren 3 % bis 5 %. Erkläre mit dem Modell, warum man Uran anreichert.
  4. Stelle ein: 20 Kerne je Kante, 80 % spaltbar, Kerne ersetzen und Quelle an. Fahre die Stäbe so ein, dass die Neutronenzahl möglichst ruhig bleibt. Welches k gehört dazu?
  5. Stelle in Teil B k = 1,05 ein. Nach wie vielen Generationen hat sich die Neutronenzahl etwa verdoppelt? Warum lässt sich so etwas nur regeln, wenn die Generationen nicht zu schnell aufeinander folgen?
  6. Eine Spaltung setzt etwa 200 MeV frei (1 MeV = 1,6 · 10−13 J), 1 g Uran-235 enthält etwa 2,6 · 1021 Kerne. Wie viel Energie steckt in 1 g? Wie viel Steinkohle (29 MJ je kg) liefert das Gleiche?
  7. Regelstäbe enthalten oft Bor. Suche Bor-10 auf der Nuklidkarte. Warum muss der Stoff stabil sein und darf sich nicht spalten?

Theorie: Kapitel „Kernspaltung und Kernfusion“. Im Modell sind nur die Neutronenzahl je Spaltung (im Mittel 2,4) und die Energie je Spaltung (etwa 200 MeV) echte Werte.