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Kritische Masse in der Physik - eine Erklärung

Der Physikbegriff der kritischen Masse fällt häufig im Zusammenhang mit der Kernspaltung. So muss das zu spaltende Material eine kritische Masse überschreiten, damit diese als Kettenreaktion aufrecht erhalten werden kann.

Die Kettenreaktion benötigt eine kritische Masse.
Die Kettenreaktion benötigt eine kritische Masse.

Die Kernspaltung - Physikwissen kurz dargestellt

  • Die beiden Chemiker Otto Hahn und Friedrich Straßmann entdeckten zusammen mit der Physikerin Liese Meitner im Jahr 1939, dass ein Kern eines bestimmten Uran-Isotops (nämlich Uran-235) sich durch den Beschuss mit langsamen Neutronen in zwei mittelschwere Trümmerkerne spalten lässt. Dabei sind die Spaltprodukte (aufgrund ihres Neutronenüberschusses) meist radioaktiv.
  • Genauere Untersuchungen einige Zeit später zeigten, dass bei dieser Spaltung nicht nur Energie, die im Kern gespeichert war, frei wird, sondern auch 2-3 Neutronen. 
  • Die bei der Kernspaltung frei gesetzten Neutronen können weitere Urankerne spalten, wobei weitere Neutronen frei werden.
  • Sind genügend Urankerne vorhanden, wächst der Prozess lawinenartig an - eine Kettenreaktion entsteht, bei der ungeheure Mengen an Energie frei werden (Stichwort: Atombombe).

Kritische Masse - was ist das?

  • Voraussetzung für physikalische Kettenreaktion bei der Spaltung ist natürlich, dass die frei werdenden Neutronen wiederum Urankerne spalten.
  • Dazu müssen allerdings einige Bedingungen erfüllt sein: Die Neutronen dürfen weder durch andere Reaktionen (z. B. Einfangen durch andere Atomkerne oder Wandeinfang) verloren gehen noch ins Freie, sprich aus dem uranhaltigen Material heraus, entweichen können.
  • Die einfachste Möglichkeit ist es daher, so viel spaltbares Material (Uran-235) zu nehmen, dass die entstandenen Neutronen immer wieder nur auf spaltbares Material treffen, also auf ihrem Weg durch das Material auf einen neuen Reaktionspartner treffen, bevor sie es verlassen oder anderweitig reagieren.
  • Selbstredend kann man dies erreichen, indem man eine Mindestmasse an Spaltmaterial hat.
  • Ist diese Masse kugelförmig, spricht man von der kritischen Masse als Menge an Spaltstoff, die zum Ablauf der Kettenreaktion mindestens nötig ist.
  • Die kritische Masse für reines (!) Uran-235 beträgt etwa 50 kg, angereicherte Spaltstoffe entsprechend mehr.
  • Spezielle Hüllen aus Neutronen reflektierendem Material verringern diese kritische Masse natürlich, sodass bereits etwa 15 kg U-235 und etwa 4,4 kg des ebenfalls spaltbaren Plutoniums als kritische Masse (militärtechnisch, also für eine nukleare Explosion) ausreichen.
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