Kernspaltung und Kernfusion Mindmap

Das Thema verstehen

Kernspaltung und Kernfusion sind Kernreaktionen, bei denen sich Atomkerne umwandeln und dabei Energie freisetzen. Bei der Spaltung zerfällt ein schwerer Kern wie Uran-235 in leichtere Fragmente, während bei der Fusion leichte Kerne wie Wasserstoffisotope zu schwereren Kernen verschmelzen. Beide Prozesse folgen dem Massedefekt: Die Bindungsenergie pro Nukleon nimmt zu, die Differenz wird als Energie frei. Spaltung wird in Kernkraftwerken genutzt, Fusion ist die Energiequelle der Sterne und Gegenstand aktueller Forschung.

Unterschied zwischen Spaltung und Fusion
Kernspaltung und Kernfusion verfolgen entgegengesetzte Wege zur Energiegewinnung. Bei der Spaltung wird ein schwerer Kern wie Uran-235 durch Neutronenbeschuss gespalten; die Fragmente haben eine höhere Bindungsenergie pro Nukleon, sodass Energie frei wird. Bei der Fusion verschmelzen leichte Kerne wie Deuterium und Tritium zu Helium, ebenfalls mit Energiegewinn. Der entscheidende Bezugspunkt ist Eisen-56: Kerne, die leichter sind, gewinnen Energie durch Fusion, schwerere durch Spaltung. Fusion benötigt extrem hohe Temperaturen von Millionen Grad, Spaltung lässt sich bei moderaten Bedingungen auslösen. Beide Prozesse beruhen auf demselben Prinzip des Massedefekts gemäß E=mc².

Die Kettenreaktion bei der Kernspaltung
Bei der Spaltung von Uran-235 werden pro Reaktion zwei bis drei schnelle Neutronen frei. Diese können weitere U-235-Kerne spalten und so eine Kettenreaktion auslösen. Ob die Reaktion kritisch wird, hängt von der Neutronenbilanz ab: In Kernkraftwerken regeln Steuerstäbe aus Bor oder Cadmium die Neutronenabsorption, und Moderatoren wie Wasser verlangsamen die Neutronen, um die Spaltwahrscheinlichkeit zu erhöhen. Unkontrollierte Kettenreaktionen sind die Grundlage von Kernwaffen. In Reaktoren wird die Leistung durch die Konstruktion so begrenzt, dass sich ein stabiler, regelbarer Betrieb ergibt; eine Explosion wie bei einer Bombe ist dort durch die Anordnung nicht möglich.

Warum Fusion so schwer zu nutzen ist
Damit zwei Kerne verschmelzen, müssen sie sich trotz ihrer positiven Ladung extrem nahekommen, denn die Coulomb-Abstoßung wirkt ihnen entgegen. Das gelingt nur bei Temperaturen von etwa 100 Millionen Grad, bei denen Materie als Plasma vorliegt. Zusätzlich muss das Plasma über ausreichend lange Zeit eingeschlossen werden, ohne die Wände des Reaktors zu berühren. Tokamaks nutzen Magnetfelder für den Einschluss, Stellarator bieten mit ihrer komplexen Spulengeometrie einen alternativen Ansatz. Das Ziel ist der Zündpunkt, an dem die Fusionsenergie die Aufheizung übersteigt; einzelne Experimente haben kurzzeitig Nettoenergiegewinn erreicht, ein durchgehender Kraftwerksbetrieb steht noch aus.

Fusion als Energiequelle der Sterne
Die Sonne wandelt im Kern Wasserstoff zu Helium um, überwiegend über die Proton-Proton-Kette: Zwei Protonen verschmelzen unter Bildung von Deuterium, über Zwischenschritte entsteht Helium-4, wobei Positronen und Neutrinos freigesetzt werden. In massereicheren Sternen dominiert der CNO-Zyklus, an dem Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff als Katalysatoren beteiligt sind. Die freiwerdende Strahlungsenergie hält den Stern im Gleichgewicht zwischen Gravitationskontraktion und Strahlungsdruck. Erst wenn der Wasserstoff im Kern erschöpft ist, können in fortgeschrittenen Phasen auch schwerere Elemente fusionieren, bis hin zu Eisen, bei dem die Energiebilanz negativ wird.