Kernspaltung und Kernfusion: Wie Kernenergie funktioniert

Weltweit liefert Kernenergie rund 10 Prozent der Stromerzeugung. In einigen Staaten, etwa Frankreich, liegt ihr Anteil bei nahezu 70 Prozent.

Auch große Technologieunternehmen wie Google setzen auf Kernenergie, um den enormen Energiebedarf ihrer Rechenzentren zu decken.

Jede Form der Kernenergie beruht auf der Bindungsenergie eines Atoms. Die in einem Atom gespeicherte Energie lässt sich auf zwei grundlegende Arten freisetzen: durch Kernspaltung oder Kernfusion. Bei der Spaltung werden große, schwere Atome in kleinere und leichtere zerlegt. Bei der Fusion verschmelzen kleine Atome zu größeren.

Beide Vorgänge setzen sehr große Energiemengen frei. Ein einzelner Kernspaltungszerfall von U235 – einem Uranisotop, das in den meisten Kraftwerken üblicherweise als Brennstoff dient – liefert beispielsweise pro einzelner chemischer Reaktion mehr als 6 Millionen Mal so viel Energie wie reinste Kohle.

Damit eignen sich beide Prozesse hervorragend zur Stromerzeugung.

Was ist Kernspaltung in Kernkraftwerken?

Alle heute betriebenen Kernkraftwerke nutzen die Kernspaltung. Sie beginnt, wenn ein winziges subatomares Teilchen, ein Neutron, auf ein Uranatom trifft und dieses aufspaltet.

Dabei werden weitere Neutronen frei. Sie prallen wiederum auf andere Atome und lösen so eine nukleare Kettenreaktion aus, durch die gewaltige Energiemengen entstehen.

Um daraus elektrischen Strom zu gewinnen, kommt ein Wärmetauscher zum Einsatz: Er erhitzt Wasser zu Dampf, der eine Turbine antreibt und damit Strom erzeugt.

Die Spaltungsreaktion lässt sich regulieren, indem die Zufuhr von Neutronen verringert wird. Dazu werden „Steuerstäbe“ eingefahren, welche die Neutronen absorbieren.

In der Vergangenheit kam es bei Nuklearunfällen wie in Tschernobyl dazu, dass Steuerstäbe nicht rechtzeitig griffen und den Neutronennachschub nicht unterbanden und/oder die Kühlmittelzirkulation ausfiel.

Sogenannte Reaktoren der „dritten Generation“ verbessern frühere Konzepte durch passive oder inhärente Sicherheitsmechanismen. Bei Störungen sollen sie Unfälle ohne aktive Steuerung oder menschliches Eingreifen verhindern. Solche Funktionen können auf Druckunterschieden, Schwerkraft, natürlicher Konvektion oder dem natürlichen Verhalten von Materialien bei hohen Temperaturen beruhen.

Die ersten Reaktoren der dritten Generation waren die fortschrittlichen Siedewasserreaktoren Kashiwazaki 6 und 7 in Japan.

Ein weiterhin ungelöstes Problem der Kernspaltung besteht darin, dass ihre Nebenprodukte über sehr lange Zeiträume – in der Größenordnung von Tausenden Jahren – radioaktiv bleiben. Bei einer Wiederaufarbeitung können sowohl der Brennstoff als auch die Abfälle zudem zur Herstellung einer Kernwaffe verwendet werden.

Strom aus Kernspaltung ist eine erprobte Technologie. Sie kann sowohl in großem Maßstab eingesetzt werden – das größte Beispiel ist das Kernkraftwerk Kashiwazaki-Kariwa in Japan mit 7.97 Gigawatt – als auch in kleinen bis mittleren Reaktoren mit etwa 150 Megawatt elektrischer Leistung, wie sie auf Schiffen oder in Atom-U-Booten verwendet werden.

Diese Reaktoren sollen die acht Atom-U-Boote Australiens antreiben, die im Rahmen einer trilateralen Sicherheitspartnerschaft mit dem Vereinigten Königreich und den Vereinigten Staaten zugesagt wurden.

Was ist Kernfusion?

Kernfusion versorgt die Sonne und die Sterne mit Energie. Sie ist der umgekehrte Vorgang zur Kernspaltung und findet statt, wenn Atome miteinander verschmelzen.

Im Labor lässt sich am einfachsten die Fusion der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium auslösen. Bezogen auf die Masse erzeugt diese Reaktion 4 Mal mehr Energie als die Spaltung von U235.

Das Brennstoffion Deuterium ist auf der Erde und im Universum außerordentlich häufig vorhanden. Tritium hingegen ist radioaktiv, hat eine Halbwertszeit von 12 Jahren und kommt daher auf der Erde nur sehr selten vor.

Das Universum ist 13.8 Milliarden Jahre alt. In der Natur existieren nur jene Isotope leichter Atomkerne – Wasserstoff, Helium und Lithium –, die über solche Zeiträume stabil sind.

In einem Fusionskraftwerk würde Tritium mithilfe eines „Lithium-Mantels“ hergestellt. Dabei handelt es sich um eine feste Lithiumwand, in der Fusionsneutronen abgebremst werden und schließlich reagieren, sodass Tritium entsteht.

Derzeit fällt es Forschenden jedoch sehr schwer, eine Fusionsreaktion außerhalb des Labors zu erzeugen. Der Grund sind die extrem hohen Temperaturen, die für die Verschmelzung erforderlich sind: Optimal sind 150 Millionen Grad Celsius.

Bei diesen Temperaturen liegen die Brennstoffionen als Plasma vor, in dem Elektronen und Ionen der Atomkerne voneinander getrennt sind. Als Nebenprodukt entsteht dabei kein radioaktives Material, sondern Helium, ein Edelgas.

Der führende technologische Ansatz für einen dauerhaft aufrechterhaltenen Fusionsprozess heißt „toroidaler magnetischer Einschluss“. Dabei wird das Plasma bei extremen Temperaturen in einer sehr großen, ringförmigen magnetischen Kammer eingeschlossen.

Anders als bei der Kernspaltung benötigt dieser Ansatz eine kontinuierliche externe Heizung, um die Fusionsbedingungen zu erreichen, sowie ein starkes Magnetfeld zur Einschließung. Wird eines davon beendet, kommt auch die Reaktion zum Erliegen.

Die Schwierigkeit liegt also nicht in einer unkontrollierten Kernschmelze, sondern darin, die Reaktion überhaupt auszulösen.

Eine zentrale ungelöste Herausforderung der Fusionsforschung mit toroidal-magnetischem Einschluss, auf die sich der Großteil der Forschung konzentriert, ist der Nachweis eines brennenden, selbstheizenden Plasmas. Dabei stammt der überwiegende Teil der Heizleistung aus der Reaktion selbst. Dieses Ziel verfolgen das öffentlich finanzierte, internationale ITER-Projekt – das größte Fusionsexperiment der Welt – sowie das privat finanzierte SPARC-Experiment am Massachusetts Institute of Technology.

Nach Einschätzung eines großen Teils der wissenschaftlichen Gemeinschaft wird Kernfusion allerdings frühestens ab 2050 wirtschaftlich nutzbar sein.

Eine Lösung für das Klima?

Ich werde oft gefragt, ob Kernenergie die Erde vor dem Klimawandel retten könnte. Viele meiner Kolleginnen und Kollegen arbeiten in der Klimaforschung; auch meine verstorbene Frau war eine bekannte Klimawissenschaftlerin.

Die wissenschaftliche Lage ist eindeutig: Den Klimawandel aufzuhalten, ist zu spät. Die Welt muss alles daransetzen, den Kohlendioxidausstoß zu senken und katastrophale Schäden so weit wie möglich zu begrenzen – und sie hätte damit schon vor Jahrzehnten beginnen müssen.

Für den Planeten gehört Kernspaltung zu dieser globalen Lösung, neben dem breiten Ausbau und der Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Wind- und Solarenergie.

Langfristig besteht die Hoffnung, dass Kernfusion die Kernspaltung ersetzen kann. Die Brennstoffvorräte sind deutlich größer und weltweit verfügbar, das Abfallproblem ist hinsichtlich Menge und Zeitraum um Größenordnungen geringer, und die Technologie kann nicht für Waffen nutzbar gemacht werden.

Matthew Hole, Professor am Mathematical Sciences Institute und an der School of Computing, Australian National University

Dieser Artikel wurde unter einer Creative-Commons-Lizenz von The Conversation erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.