Kernphysik

Wirkungsquerschnitt

Der Wirkungsquerschnitt einer Kettenreaktion stellt ein Maß für die Wahrscheinlichkeit dar, mit der das Eintreten einer Kernreaktion er-wartet werden kann.

Formelzeichen: σ

Kernphysik

Wirkungsquerschnitt

1. Der Einfangquerschnitt σEi

Diese Größe gibt die Wahrscheinlichkeit dafür an, dass ein Neutron von einem Atomkern eingefangen wird.

2. Der Spaltungsquerschnitt σSp

Diese Größe gibt die Wahrscheinlichkeit dafür an, dass ein Neutron zu einer Kernspaltung führt.

3. Der Absorptionsquerschnitt σa

Diese Größe gibt die Wahrscheinlichkeit dafür an, dass ein Neutron von einem Atomkern absorbiert wird. Es gilt

σa = σEi + σSp.

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Wirkungsquerschnitt

4. Der elastische Streuquerschnitt σe

Diese Größe gibt die Wahrscheinlichkeit dafür an, dass ein Neutron an einem Atomkern elastisch gestreut wird.

5. Der unelastische Streuquerschnitt σu

Diese Größe gibt die Wahrscheinlichkeit dafür an, dass ein Neutron an einem Atomkern unelastisch gestreut wird.

6. Der Streuquerschnitt σs

Diese Größe gibt die Wahrscheinlichkeit dafür an, dass ein Neutron an einem Atomkern überhaupt (elastisch oder unelastisch) gestreut wird. Es ist

σs = σe + σs.

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Wirkungsquerschnitt

7. Der totale Wirkungsquerschnitt σt

Diese Größe gibt die Wahrscheinlichkeit dafür an, dass über-haupt eine Wechselwirkung zwischen dem Neutron und dem Atomkern erfolgt. Daher ist

σt = σa + σs = σEi + σSp + σe + σu

Bemerkenswert ist, dass die verschiedenen Wirkungsquer-schnitte nicht nur von der Art des beschossenen Kernes, sondern in erheblichem Maße auch von der Geschwindigkeit und damit von der Energie der Neutronengeschosse abhängen.

Kernphysik

Wirkungsquerschnitt

Totaler Wirkungsquerschnitt von gegenüber von NeutronenU23892

Kernphysik

Wirkungsquerschnitt

(a) Totaler Wirkungsquerschnitt von gegenüber Neutronen

(b) Spaltungsquerschnitt

U23592

Kernphysik

Wirkungsquerschnitt

Die Kerne sind erheblich leichter durch Neutronen spaltbar als die Kerne .

Die Spaltung der Kerne kann sowohl durch schnelle als auch durch thermische Neutronen erfolgen; die thermischen Neu-tronen sind aber besonders wirksam.

U23592

U23892

U23592

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Kernspaltung

Natürliches Uran

0,7% ; 99,3%

Angereichertes Uran

30% ; 70%

U23592 U238

92

U23592 U238

92

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Kernspaltung

Bei der Spaltung des Kerns wird die Energie

WSp = 198 MeV

U23592

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Kernspaltung

Die Energie teilt sich wie folgt auf:

Kinetische Energie der Spaltprodukte 162 MeVKinetische Energie der Spaltneutronen 6 MeVEnergie der spontanen Gammastrahlung 7 MeVEnergie der Betastrahlung der Spaltprodukte 5 MeVEnergie der Gammastrahlung der Spaltprodukte 6 MeVNeutrionoenergie der Spaltprodukte 12 MeV

198 MeV

Kernphysik

Kettenreaktion

Unter dem Multiplikations- oder Vermehrungsfaktor k versteht man die Zahl, die angibt, um welchen Faktor sich die Anzahl der eine neue Spaltung hervor-bringenden Neutronen von Gene-ration zu Generation im Mittel zu vermehrt.

k > 1 Atombombe

k = 1 Kernreaktor

k < 1 keine Kettenreaktion

Kernphysik

Moderatoren

Moderaten werden zur Steuerung des Reaktor benötigt. Es werden drei Forderungen an sie gestellt:

möglichst großer elastischer Streuquerschnitt

möglichst kleiner Einfangquerschnitt

möglichst kleine Massenzahl

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Moderatoren

Moderator Wasserstoff Deuterium Kohlenstoff

Erforderliche Stoß-zahl zur Überführ-ung eines schnelles in ein thermisches Neutron

18 25 114

Einfangquerschnitt für thermische Neutronen

(in 10-28 m²)0,325 0,0005 0,005

H11 D2

1 C126

Deuterium ist gut geeignet aber teuer. Kohlenstoff in Form von Gra-phit ist dagegen billiger.