Kettenreaktion
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Dieser Artikel beschreibt die Kettenreaktion als naturwissenschaftlichen Begriff. Für die Bewegungsfolge im Tanzsport siehe Kettenreaktion (Tanzen). |
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 indem 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 sind unten angegeben).
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). Oft wird dabei an eine sich beschleunigende oder sich ausbreitende Abfolge gedacht, die in einer Katastrophe mündet.
Inhaltsverzeichnis |
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. Die Reaktionsrate nimmt nach und nach bis auf Null ab, wenn z. B. kein Brennstoff nachgeliefert wird.
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.
Eine Kettenreaktion in etwas anderem Sinn ist die Polymerase-Kettenreaktion (PCR), die in der Molekularbiologie zur Vervielfältigung von DNA eingesetzt wird. Eine Reaktion dieser Art hält sich nicht selbst am Weiterlaufen, jedoch dienen die Produkte einer Einzelreaktion als Edukte für die nächsten, gleichartigen Reaktionsschritte. 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
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 fliegen 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 ist ein Beispiel einer 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. Auch hier kann und muss die Reaktionsrate gesteuert werden.
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