Was ist der Unterschied zwischen Kernfusion und Kernspaltung?

Kernfusion und Kernspaltung sind beides natürliche physikalische Prozesse, die durch Wechselwirkung zwischen Atomen Energie freisetzen. Diese Energien sind um eine Größenordnung größer als die von chemischen Reaktionen. Während Fusion und Spaltung natürliche Phänomene sind, ohne die das Leben auf der Erde nicht existieren könnte, ist es die vom Menschen verursachte Anwendung dieser Kräfte, die am häufigsten Aufmerksamkeit erregt. Die Nutzung oder der Missbrauch der Kernenergie bestimmt einen Großteil unserer modernen Welt und schafft gleichermaßen Versprechen und Bedrohungen.

Was ist Kernspaltung?

Einfach ausgedrückt ist Kernspaltung die Aufspaltung eines Atoms in zwei oder mehr Atome mit einem geringeren Atomgewicht. Wenn die Gesamtmasse der kleineren Atome geringer ist als die des ursprünglichen Atoms, wird der Massenunterschied in Energie umgewandelt. Wie Einstein uns mit seiner berühmten Gleichung E=mc2 gelehrt hat, wird eine kleine Menge Masse in eine große Energiemenge umgewandelt. Dies liegt an dem enormen Energiepotential, das in einem Atomkern gebunden ist.

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Kernspaltung in der Natur

Kernspaltung tritt natürlich die ganze Zeit auf. Schwere Elemente wie Uran und Thorium unterliegen ständig einer langsamen, spontanen Spaltung, die Radioaktivität und Wärme erzeugt. Diese Hitze erwärmt die Kruste und den geschmolzenen Kern des Planeten. Der rotierende Kern erzeugt das Magnetfeld, das alles Leben vor tödlicher kosmischer und Sonnenstrahlung schützt. Es wird auch angenommen, dass Wärme aus radioaktivem Zerfall die Plattentektonik antreibt.

Frühe Atomphysik

Im Jahr 1913 konzeptualisierte der dänische Wissenschaftler Niels Bohr das Atom als eine Art Miniatur-Sonnensystem, bei dem Elektronen einen Kern an festgelegten Orten umkreisen, die er als Schalen bezeichnete. Wenn sich ein Elektron zwischen Schalen bewegte, wurde Strahlung entweder emittiert oder absorbiert. In den 1920er und 1930er Jahren wurden viele Experimente durchgeführt, um das Atommodell weiter zu erforschen und zu verfeinern.

Manhattan-Projekt

Mit der Erkenntnis, dass das Beschießen des Kerns eines schweren Atoms mit energetischen Teilchen eine Kettenreaktion auslösen könnte, wurde die Möglichkeit einer Bombe real. Die Vereinigten Staaten initiierten das Manhattan-Projekt, das im Abwurf der Atombombe auf die japanischen Städte Hiroshima und Nagasaki gipfelte.

Nutzung der Kernspaltung zur Stromerzeugung

Während das destruktive Potenzial einer Spaltungsreaktion klar war, gab es für die Zukunft vielversprechendere Anwendungen. Als Energiequelle war Kernenergie millionenfach dichter als konventionelle Brennstoffe. Die Aufmerksamkeit richtete sich auf das Design von Spaltreaktoren im kommerziellen Maßstab. Der erste, der 1957 online ging, war in Shippingport, Pennsylvania, und konnte 60 MWe generieren.

Nukleare Abfallwirtschaft

Die Begeisterung für die Kernenergie führte in den folgenden Jahrzehnten zur Inbetriebnahme von Dutzenden von Reaktoren, die bis 1990 in den USA einen Höchststand von 107 Reaktoren erreichten. Neben vielen Vorteilen zeigten die praktischen Erfahrungen im Betrieb dieser Anlagen auch schwerwiegende Probleme. Die Nebenprodukte der Spaltung, insbesondere hochradioaktive Abfälle, könnten viele Jahre lang gefährlich bleiben. Nuklearunfälle wie 1979 auf Three Mile Island und 1986 in Tschernobyl haben gezeigt, dass selbst fortschrittliche Technik nicht alle Risiken bei der Erzeugung von Kernenergie aus Kernspaltungsquellen mindern kann.

Eine mögliche Antwort auf dieses Problem war die Kernfusion. Theoretisch könnte die Fusion sogar noch größere Energiemengen erzeugen als die Kernspaltung, ohne dass gefährlicher Abfall entsteht.

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Was ist Kernfusion?

Kernfusion ist das Gegenteil von Kernspaltung, da sie die Verschmelzung von zwei oder mehr Atomen beinhaltet, um ein neues, schwereres Element zu bilden. Das neu gebildete Atom enthält etwas weniger Masse als die Summe der Atome, die verwendet wurden, um es zu erzeugen. Die fehlende Masse wird in Energie umgewandelt. Die Energieausbeute der Fusion ist um ein Vielfaches höher als die des Kernspaltungsprozesses. Bei der Fusion entstehen zwar einige radioaktive Nebenprodukte, diese sind jedoch im Vergleich zur Kernspaltung extrem kurzlebig.

Kernfusion in der Natur

Das offensichtlichste natürliche Beispiel für Kernfusion ist unsere Sonne. Die enorme Hitze und Schwerkraft im Zentrum der Sonne führen dazu, dass Wasserstoffelemente in einer Reihe komplexer Wechselwirkungen zu Helium verschmelzen und dabei enorme Energiemengen produzieren. Die Sonne durchläuft diese Wasserstoff-Helium-Fusion seit etwa 4,5 Milliarden Jahren und wird voraussichtlich noch mindestens weitere 5 Milliarden Jahre andauern, bevor ihr der Wasserstoff als Brennstoff ausgeht.

Bemühungen um die Kernfusion

Das Erreichen einer nachhaltigen Fusionsreaktion war ein viel steinigerer Weg als die Spaltungsbemühungen der 1940er Jahre. Dies ist auf eine grundlegende Barriere zurückzuführen, mit der Ingenieure konfrontiert sind, nämlich wie sie die elektrostatische Abstoßung zwischen Atomen überwinden und sie zum Verschmelzen zwingen können, ohne mehr Energie zu verbrauchen, als gewonnen wird. In der Natur wird dies bei extrem hohen Temperaturen in der Größenordnung von Millionen Grad erreicht. Viele Jahrzehnte und Milliarden von Dollar wurden auf der ganzen Welt ausgegeben, und es ist noch unklar, wann, wenn überhaupt, ein funktionierendes Kernfusionskraftwerk in Betrieb gehen wird.

Die Zukunft der Atomkraft

In Zeiten klimaneutraler Stromquellen könnte die Kernenergie eine Rolle spielen. Neue Konstruktionen von Spaltreaktoren können radioaktiven Abfall effizient wiederaufbereiten und zur Stromerzeugung nutzen. Die Kernfusion bleibt jedoch der heilige Gral der Stromerzeugung. Wenn es gelingt, werden unsere Energiesorgen vorbei sein.