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Kernspaltung / Kernfusion

Die beiden Begriffe Kernspaltung sowie Kernfusion sind wohl jedem geläufig. Ebenso, das sie mit Energieerzeugung, aber auch mit Waffentechnologie in Verbindung stehen. Doch was sind Kernspaltung und Kernfusion eigentlich?

Beide Vorgänge bewegen sich auf atomarer Ebene, wobei aktuell die Kernspaltung die Technologie darstellt, die einen Teil der elektrischen Energie liefert, die die Menschheit verbraucht. Die Kernfusion hingegen ist technologisch noch nicht soweit, dass sie zur Energiegewinnung genützt werden könnte. Allerdings lassen sich beide Technologien, Kernspaltung und Kernfusion, als Waffen einsetzen.

Was ist Kernspaltung?

Ein Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Es gibt unterschiedliche Arten von Atomen mit unterschiedlich vielen Protonen und Neutronen in ihrem Kern. Damit bei einer Kernspaltung mehr Energie freigesetzt als hineingesteckt und zugleich eine Kettenreaktion ausgelöst wird, können nur bestimmte Atome verwendet werden. Diese Atome werden Kernbrennstoffe genannt. In der Regel sind dies Uran-233 / -235 sowie Plutonium-239 / -241.

Damit es nun zu einer Kernspaltung kommt, werden die Protonen der Uran- oder Plutonium-Atome mit Neutronen beschossen. Durch diesen Beschuss spaltet sich das Proton und setzt Energie, aber auch weitere Neutronen frei, die wiederum Protonen beschießen, wodurch sich eine Kettenreaktion ergibt. Dabei werden pro Atomkern etwa 200 MeV an Energie freigesetzt. Umgerechnet wird mit 1 Kg Uran-235 etwa soviel thermische Energie freigesetzt wie mit 3000 Tonnen Steinkohle. Der große Nachteil der Kernspaltung besteht darin, dass angereichertes Uran, eben Uran-235, hoch giftig ist und seine Toxizität über Jahrtausende behält. In diesem Zusammenhang wird immer von der Gefahr der Strahlung von atomarem Abfall gesprochen. Tatsächlich ist es nicht die Strahlung (Alpha-Strahlung), die gefährlich ist, sondern die Giftigkeit des Urans, das in Form von Teilchen mit der Strahlung ausgesandt wird. Diese Giftigkeit beruht wiederum auf einem Vorgang auf atomarer Ebene. Selbst sogenanntes abgebranntes Uran-235 oder ein gleichwertiges Nuklid besitzt noch Protonen mit hoher Energiedichte. Diese sind in der Lage, in leichteren Atomen, etwa in Kohlenstoff- oder in Wasserstoffatomen, aus denen Menschen und Tiere größtenteils bestehen, die Elektronen zu entfernen. Das führt letztlich zu Schädigungen an den Zellen im Körper, in denen Proteine gebildet werden, was beispielsweise wuchernde Krebszellen verursachen kann.

Was ist Kernfusion?

Bei der Kernfusion vereinen sich zwei Atomkerne zu einem neuen Kern. Dieser Vorgang findet beispielsweise in der Sonne statt und sorgt dafür, dass die Sonne so viel Energie besitzt, das sie davon jeden Tag weit mehr an thermischer Energie an die Erde abstrahlt, als die gesamte Menschheit in einem Jahr verbraucht.

Die Wissenschaft versucht, die Kernfusion der Sonne nachzubilden. Hierzu werden die Atomkerne von Deuterium und Tritium zu einem Heliumkern verschmolzen. Das funktioniert zwar und ergibt pro Fusionskern eine noch weit höhere Energieausbeute als in der Kernspaltung, das Problem ist nur, das es zu keiner Kettenreaktion kommt. Das „Sonnenfeuer“ auf der Erde kann immer nur für Sekundenbruchteile erzeugt werden, wobei auch noch weit mehr Energie hineingesteckt werde muss, als daraus gewonnen wird. Aktuell wird geschätzt, dass ein Fusionsreaktor zur Kernfusion, der wirtschaftlich arbeitet, erst etwa ab dem Jahr 2050 in den Einsatz kommen wird.

Quizfragen zum Thema

1. Wann erfolgte die erste künstlich herbeigeführte Kernspaltung?

   Die erste künstliche Kernspaltung wurde im Jahr 1938 am Kaiser-Wilhelm-Institut in Berlin beobachtet, als Otto Hahn und Fritz Straßmann Uran mit Neutronen bestrahlten. Im Vorfeld waren zudem Lise Meitner und Otto Frisch an der Theorie zur Kernspaltung beteiligt.

2. Wann wurde die Kernfusion entdeckt?

   Ernest Rutherford beobachtete im Jahr 1917 bei Experimenten die erste Fusionsreaktion mit Alphateilchen und damit die erste Kernfusion. Das aber war ein Zufall, die erste kontrollierte Kernfusion fand im Jahr 1991 statt und dauerte exakt 2 Sekunden.

3. Was ist die sogenannte „kritische Masse“ bei der Kernspaltung?

   Als kritische Masse wird die Menge an spaltbarem Material angesehen, die ausreicht, eine Kettenreaktion in der Kernspaltung aufrechtzuerhalten.

4. Was ist die Coulombbarriere in der Kernfusion?

   Als Coulombbarriere wird das Potenzial bezeichnet, das ein positiv geladenes Teilchen überwinden muss, um in einen gleichfalls positiv geladenen Atomkern zu gelangen. Benannt ist die Coulombbarriere nach dem französischen Physiker Charles Augustin de Coulomb.

5. Wie funktioniert die „Anreicherung“ von Uran zu Uran-235?

   Natürliches Uran, das nur etwa 0,72 % Uran-235 enthält, wird zunächst mittels Lauge pulverisiert (Yellowcake) und anschließend in das Gas Uranhexafluorid umgewandelt, um in Gaszentrifugen dann das enthaltene Uran-235 anzureichern.

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