Kernspaltung und Kernfusion

Ein Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, zusammen Nukleonen genannt. Sie werden von der sehr starken, aber nur auf kurze Entfernung wirkenden Kernkraft zusammengehalten. Wie fest ein Kern gebunden ist, hängt von seiner Größe ab: Kerne mittlerer Masse wie Eisen sind am stabilsten, weil ihre Nukleonen im Schnitt am festesten gebunden sind. Sehr schwere und sehr leichte Kerne sind dagegen weniger fest gebunden.

Daraus ergeben sich zwei Wege, Energie zu gewinnen. Bei der Kernspaltung wird ein schwerer Kern wie Uran-235 durch ein Neutron in zwei mittelschwere Kerne gespalten. Dabei werden zwei bis drei neue Neutronen frei, die weitere Kerne spalten können – eine Kettenreaktion. Im Kernkraftwerk wird sie so gesteuert, dass im Mittel genau ein Neutron eine neue Spaltung auslöst. Bei der Kernfusion verschmelzen dagegen leichte Kerne wie Wasserstoff zu Helium. So erzeugt die Sonne ihre Energie, seit rund viereinhalb Milliarden Jahren.

In beiden Fällen ist die Masse der Produkte etwas kleiner als die Masse der Ausgangsstoffe. Dieser Massendefekt wird nach Einsteins berühmter Formel E = m · c² als Energie frei. Weil c, die Lichtgeschwindigkeit, eine riesige Zahl ist und im Quadrat eingeht, reicht schon ein winziger Massenverlust für eine gewaltige Energiemenge. Genau das macht Kernreaktionen so viel ergiebiger als jede chemische Reaktion wie Verbrennung.

Damit aus einzelnen Spaltungen eine nutzbare Energiequelle wird, braucht es eine Kettenreaktion. Trifft ein langsames Neutron auf einen Uran-235-Kern, entsteht kurzzeitig ein instabiler Uran-236-Kern. Dieser verformt sich wie ein schwingender Wassertropfen und zerreißt schließlich in zwei mittelschwere Bruchstücke, zum Beispiel Barium-141 und Krypton-92, dazu zwei bis drei freie Neutronen.

Jedes dieser neuen Neutronen kann wieder einen weiteren Uran-235-Kern treffen und spalten. Ohne Kontrolle würde die Zahl der Spaltungen deshalb exponentiell anwachsen, wie es in einer Atombombe geschieht. In einem Kernkraftwerk werden dagegen Steuerstäbe eingesetzt, die überschüssige Neutronen aufnehmen, sodass im Mittel genau ein Neutron pro Spaltung eine neue Spaltung auslöst. Man spricht von einer kontrollierten, kritischen Kettenreaktion.

Der häufigste Fehler ist die Verwechslung von Spaltung und Fusion: Viele denken, in Kernkraftwerken würden Kerne verschmolzen, dabei werden dort schwere Kerne gespalten. Fusion findet auf der Erde bisher nur in Forschungsanlagen statt, kein Kraftwerk erzeugt damit Strom für das Netz. Ein zweiter verbreiteter Irrtum ist die Vorstellung, „Kernenergie“ käme aus einer Art Verbrennung. Bei einer Verbrennung reagieren Elektronenhüllen mit Sauerstoff, die Atomkerne selbst bleiben dabei unverändert. Bei einer Kernreaktion ändert sich dagegen der Kern selbst, und die frei werdende Energiemenge ist um ein Vielfaches größer als bei jeder chemischen Reaktion.

Ein dritter Fehler ist die Annahme, bei einer Kernreaktion gingen Nukleonen verloren. Die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen bleibt bei jeder Kernreaktion erhalten, nur ihre Verteilung auf die Kerne und ihre Bindung ändern sich. Wer beim Aufstellen einer Reaktionsgleichung die Nukleonenzahlen nicht auf beiden Seiten vergleicht, übersieht leicht, wie viele Neutronen frei werden.

In Deutschland spielten Kernkraftwerke lange eine wichtige Rolle bei der Stromversorgung, die letzten Anlagen wurden 2023 abgeschaltet. Weltweit laufen aber weiterhin viele Kernkraftwerke, weil sie zuverlässig große Strommengen ohne CO₂-Ausstoß im Betrieb liefern, gleichzeitig aber radioaktive Abfälle hinterlassen, die über tausende Jahre sicher gelagert werden müssen. Die Diskussion um Kernenergie dreht sich meist genau um diese Abwägung zwischen Klimaschutz und Risiko.

Kernfusion dagegen läuft ständig über unseren Köpfen ab: Im Inneren der Sonne verschmelzen jede Sekunde gewaltige Mengen Wasserstoff zu Helium, dabei entsteht die Energie, die als Licht und Wärme zur Erde gelangt und Leben erst möglich macht. Forschungsprojekte wie der internationale Reaktor ITER in Frankreich versuchen, diesen Prozess kontrolliert auf der Erde nachzubauen, weil Fusion kaum radioaktive Abfälle erzeugt und der Brennstoff Wasserstoff praktisch unbegrenzt verfügbar ist. Bis Fusion tatsächlich Strom ins Netz liefert, sind aber noch viele technische Hürden zu lösen, vor allem die dauerhafte Beherrschung der extrem heißen Plasmen.