Kernspaltung und Kernfusion
In Atomkernen steckt ungeheuer viel Energie. Man kann sie auf zwei Wegen freisetzen: indem man schwere Kerne spaltet – wie im Kernkraftwerk – oder leichte Kerne verschmilzt – wie in der Sonne.
Woher kommt die Energie? E = m · c²
Ein Atomkern wiegt etwas weniger als seine einzelnen Protonen und Neutronen zusammen. Dieser Massendefekt steckt als Bindungsenergie im Kern. Nach Einsteins Formel entsprechen schon winzige Massen riesigen Energien:
E = m · c² c ≈ 3 · 10⁸ m/s
Am stärksten gebunden (pro Kernbaustein) sind Kerne in der Nähe von Eisen. Deshalb wird Energie frei, wenn man sehr schwere Kerne wie Uran spaltet oder sehr leichte wie Wasserstoff verschmilzt.
Beispiel: 1 Gramm Masse
E = 0,001 kg · (3 · 10⁸ m/s)² = 9 · 10¹³ J = 25 Millionen kWh. Das ist so viel, wie rund 8000 Haushalte in einem Jahr an Strom verbrauchen. Bei der Spaltung von 1 kg Uran-235 wird etwa 1 g Masse in Energie umgewandelt.
Kernspaltung
Trifft ein langsames Neutron einen Uran-235-Kern, wird der Kern instabil und zerplatzt in zwei mittelschwere Kerne, zum Beispiel Barium und Krypton. Dabei werden 2 bis 3 neue Neutronen und viel Energie frei:
235U + n → 144Ba + 89Kr + 3 n + Energie
- Kettenreaktion: Die freigesetzten Neutronen können weitere Kerne spalten. Ungebremst wächst die Zahl der Spaltungen lawinenartig an.
- Im Kernreaktor wird die Kettenreaktion gesteuert: Ein Moderator (meist Wasser) bremst die Neutronen ab, damit sie gut spalten. Steuerstäbe (z. B. aus Bor oder Cadmium) fangen überzählige Neutronen ein, sodass im Mittel genau eines pro Spaltung eine neue Spaltung auslöst.
- Die Wärme erzeugt Dampf, der wie im Kohlekraftwerk eine Turbine mit Generator antreibt.
Risiken
Die Spaltprodukte sind stark radioaktiv, manche über Hunderttausende Jahre (Halbwertszeit). Für den hochradioaktiven Abfall wird in Deutschland noch ein Endlager gesucht. Unfälle wie in Tschernobyl (1986) und Fukushima (2011) haben große Gebiete verseucht. Deutschland hat seine letzten Kernkraftwerke im April 2023 abgeschaltet; andere Länder betreiben und bauen weiter welche.
Kernfusion
Im Inneren der Sonne verschmelzen bei etwa 15 Millionen Grad Wasserstoffkerne über mehrere Schritte zu Helium. Dabei wandelt die Sonne jede Sekunde rund 4 Millionen Tonnen Masse in Strahlungsenergie um – davon leben wir.
2H + 3H → 4He + n + Energie Fusion von Deuterium und Tritium in Forschungsreaktoren
- Damit sich die positiv geladenen Kerne trotz ihrer Abstoßung nahe genug kommen, braucht man auf der Erde Temperaturen von über 100 Millionen Grad. Das heiße Gas (Plasma) wird von starken Magnetfeldern in der Schwebe gehalten.
- Vorteile wären ein nahezu unbegrenzter Brennstoff (Deuterium aus Meerwasser), keine Kettenreaktion, die außer Kontrolle geraten kann, und kein langlebiger hochradioaktiver Brennstoffabfall.
- Der internationale Versuchsreaktor ITER in Frankreich und Anlagen wie Wendelstein 7-X in Greifswald erforschen die Technik. Ein Kraftwerk, das dauerhaft mehr Strom liefert, als es verbraucht, gibt es bisher nicht.
| Kernspaltung | Kernfusion | |
|---|---|---|
| Prinzip | schwerer Kern zerfällt in zwei mittlere | leichte Kerne verschmelzen |
| Brennstoff | Uran-235, Plutonium-239 | Deuterium und Tritium (Wasserstoff) |
| Wo? | Kernkraftwerke | Sonne, Sterne, Forschungsanlagen |
| Abfall | langlebige, stark radioaktive Spaltprodukte | Helium; Bauteile werden kurzzeitig radioaktiv |
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