Nukleare Kettenreaktion

Eine Kettenreaktion ist eine physikalische oder chemische Umwandlung (Reaktion), die weitere gleichartige Umwandlungen nach sich zieht und sich dadurch selbst unterhält, indem

• entweder eines der Produkte der Einzelreaktion als Ausgangsprodukt (Edukt) der nächsten Reaktion dient

• oder die bei der Einzelreaktion freiwerdende Energie zur Auslösung der nächsten Reaktion oder Reaktionen dient.

Die Reaktionsrate (Zahl der Einzelreaktionen pro Zeiteinheit) einer Kettenreaktion kann zeitlich zunehmen, konstant sein oder abnehmen (Beispiele siehe unten). Der Begriff Kettenreaktion bedeutet also – entgegen einem häufigen Missverständnis – keineswegs, dass der Vorgang sich ständig beschleunigen oder ausbreiten und zu einer Katastrophe führen muss.

Der Begriff Kettenreaktion wird auch in der Umgangssprache im übertragenen Sinne für eine Abfolge gleichartiger Ereignisse gebraucht, von denen je eines das Nächste auslöst (z. B. Dominoeffekt).

Chemische Kettenreaktion

Bei einer chemischen Kettenreaktion, z. B. einer Verbrennung, löst ein initiales Ereignis (beispielsweise Energiezufuhr durch Licht oder Wärme) die erste Einzelreaktion aus. Dadurch wird Energie freigesetzt (exotherme Reaktion) und die Reaktion setzt sich mit zunächst ansteigender Reaktionsrate fort. Die Reaktionsrate kann dann, etwa durch gesteuerte Zufuhr der Reaktionsmaterialien wie Brennstoff und/oder Sauerstoff, auf einen konstanten Wert gebracht und gehalten werden. Dies ist der normale Betriebszustand z. B. im Ölbrenner einer Heizung. Wird dann z. B. kein Brennstoff mehr nachgeliefert, nimmt die Reaktionsrate nach und nach bis auf Null ab.

Eine andere häufige Kettenreaktion ist die Bildung von Radikalen, die im Kontakt mit anderen Molekülen ein neues Radikal freisetzen. Derartige Prozesse finden sich häufig bei der Polymerisation oder der radikalischen Substitution.

In etwas anderem Sinn ist die Bezeichnung der Polymerase-Kettenreaktion (PCR), die in der Molekularbiologie zur Vervielfältigung von DNA eingesetzt wird, zu verstehen. Diese Reaktion hält sich nicht selbst am Weiterlaufen, aber die Produkte einer Einzelreaktion werden als Edukte für die nächsten, gleichartigen Reaktionsschritte benutzt. Eine bekannte Anwendung der PCR ist die Bestimmung des Genetischen Fingerabdrucks.

Eine chemische Kettenreaktion kann auch durch eine Abbruchreaktion beendet werden.

Nukleare Kettenreaktionen

Neutroneninduzierte Kernspaltung

Kettenreaktion mit U-235

Die durch Absorption eines Neutrons ausgelöste Kernspaltung setzt ihrerseits wieder einige Neutronen frei (im Mittel zwischen 2 und 3 Neutronen, je nach Nuklid und Energie des auslösenden Neutrons). Diese können weitere Kerne spalten. Im Normalbetrieb eines Kernreaktors wird diese Kettenreaktion so gesteuert, dass die Reaktionsrate konstant bleibt (s. Kritikalität), d. h., dass im Mittel genau eines der neuen Neutronen wieder eine Spaltung auslöst. Zum Erhöhen der Leistung wird die Reaktionsrate gesteigert, zum Verringern reduziert. Eine Kernwaffe wird dagegen auf möglichst schnellen und hohen Anstieg der Reaktionsrate hin konstruiert.

Das Bild zeigt schematisch eine Spaltungs-Kettenreaktion mit schnell zunehmender Reaktionsrate (hier Verdoppelung in jeder Generation). (Die Neutronen bewegen sich in einem Spaltmaterial enthaltenden Raum in beliebige Richtungen; die Richtung von links nach rechts stellt hier nur den zeitlichen, nicht den räumlichen Ablauf dar.)

Kernfusion

Die Kernreaktion im Fusionsreaktor verläuft wie die chemische Reaktion in einem Verbrennungsofen als Kettenreaktion im energetischen Sinne. Die Energie des Reaktionsproduktes Neutron wird technisch (z. B. zur Umwandlung in elektrische Energie) genutzt, aber die Energie des anderen Reaktionsproduktes (Alphateilchen) dient zur Plasmaheizung, d. h. sie überträgt sich auf Deuterium- und Tritiumkerne und löst dadurch weitere Fusionsreaktionen aus.

Eine Überkritikalität mit gefährlichen Folgen ist im Fusionsreaktor grundsätzlich nicht möglich, denn seine Reaktionskammer enthält kein nennenswertes Brennstoffinventar, sondern der Brennstoff muss im Betrieb laufend nachgefüllt werden.