Kernenergie: Spaltung und Fusion

Ein Kernreaktor ist eine strahlungsabgeschirmte Anlage, die eine kontrollierte nukleare Reaktion erzeugt. Diese Reaktionen dienen vielfältigen Zwecken: Energieerzeugung, Produktion von spaltbarem Material für Kernwaffen, Antrieb von Schiffen oder Satelliten sowie Forschungszwecke.

Sicherheit und Umweltaspekte

Kernreaktoren verfügen über hohe Sicherheitsstandards. Sie emittieren keine Gase, die die Atmosphäre schädigen. Allerdings erzeugen sie radioaktive Abfälle, deren Halbwertszeit Tausende von Jahren beträgt. Die Radioaktivität der Reaktorstruktur kann durch sorgfältige Materialauswahl minimiert werden.

Kernspaltung: Uranisotope und Neutronen

Aktuell wird Energie kommerziell in Kernspaltungsreaktoren erzeugt, obwohl es auch experimentelle Fusionsreaktoren gibt. Natürliches Uran besteht aus drei Isotopen: U-234 (0,006%), U-235 (0,7%) und U-238 (99,3%). Die Wahrscheinlichkeit für eine Spaltung im Vergleich zum Neutroneneinfang ist für jedes Isotop unterschiedlich.

Uran-238 neigt dazu, Neutronen mittlerer Geschwindigkeit einzufangen und dabei U-239 zu bilden. U-239 zerfällt ohne Kernspaltung zu Plutonium-239, welches spaltbar ist. Aufgrund seiner Fähigkeit, spaltbares Material zu erzeugen, wird Uran-238 oft als 'fertiles' Material bezeichnet.

Schnelle Neutronen, wie sie bei einer Fusionsreaktion (z. B. Tritium-Deuterium) mit 52.000 km/s entstehen, können Uran-238 spalten. Die durch die Spaltung von Uran-235 erzeugten Neutronen (bis zu 28.000 km/s) neigen jedoch dazu, inelastisch zu streuen, was sie verlangsamt. In einem Atomreaktor neigt U-238 dazu, sowohl schnelle Neutronen aus der Spaltung von Uran-235 als auch langsame Neutronen einzufangen (und sich so in Plutonium-239 umzuwandeln), wenn deren Geschwindigkeit moderat ist.

Uran-235 spaltet mit einer viel breiteren Palette von Neutronengeschwindigkeiten als U-238. Da U-238 viele Neutronen ohne Spaltung einfängt, ist seine Anwesenheit in der Mischung nicht ideal, um die Spaltung zu fördern. Tatsächlich kann die Wahrscheinlichkeit der Spaltung von U-235 mit schnellen Neutronen hoch genug sein, um die Verwendung eines Moderators unnötig zu machen, wenn das U-238 entfernt wird.

Plutonium-Brutreaktoren (Brüter) nutzen diese Prozesse.

Kernfusion: Prozess und Herausforderungen

Kernfusion ist die Kombination leichter Atomkerne zur Bildung schwererer Atome, wodurch Energie gewonnen wird. Damit dies geschehen kann, müssen die Kerne mit sehr hoher Geschwindigkeit kollidieren, um die gegenseitige elektrische Abstoßung zu überwinden.

Der verschmolzene Kern hat eine geringere Masse als die beiden getrennten Kerne. Dieser Massenunterschied wird als Energie freigesetzt. Die Menge der bei der Reaktion freigesetzten Energie wird durch die Formel E = mc² beschrieben, wobei m der Massenunterschied im System vor und nach der Fusion und c die Lichtgeschwindigkeit ist.

Fusionsreaktionen erfordern Temperaturen von mehreren Millionen Grad Celsius und Drücke, die nur schwer zu erreichen sind. Eine der technologischen Herausforderungen besteht darin, dass alle bekannten Materialien bei den für die Fusion notwendigen Temperaturen schmelzen und verdampfen.

Forschungsansätze zur Kernfusion

Derzeit gibt es zwei Hauptforschungsrichtungen:

• Trägheitseinschluss (Inertial Confinement): Fusion durch den Stoß von Teilchen- oder Laserstrahlen auf ein Brennstoffteilchen, was dessen sofortige Zündung bewirkt.
• Magnetischer Einschluss (Magnetic Confinement): Das Material wird in einem Magnetfeld eingeschlossen, während es die notwendige Temperatur und den Druck erreicht. Wasserstoff erreicht bei diesen Temperaturen den Plasmazustand.

Containment-Methoden bei der Fusion

Die Lösung für das Materialproblem ist die Durchführung der Reaktion in einem 'immateriellen' Behälter. Ein Beispiel für einen solchen nicht-materiellen Behälter ist ein Magnetfeld, das bei jeder Temperatur hohe Kräfte auf geladene Teilchen in Bewegung ausüben kann. Wände aus einem ausreichend starken Magnetfeld können heiße ionisierte Gase, bekannt als Plasma, einschließen. Magnetische Kompression erhöht die Temperatur des Plasmas weiter, um die für die Fusion notwendigen Bedingungen zu erreichen.

Für die Fusion müssen die Kerne die elektrische Abstoßung überwinden, was bei Temperaturen von bis zu 350 Millionen Grad Celsius geschieht. Dabei wird genug Energie erzeugt, um die Reaktion aufrechtzuerhalten.

Energiebilanz und Lawson-Kriterium

Der neue, fusionierte Kern hat eine geringere Masse als die Summe der Massen der beiden verschmelzenden Kerne, und dieser Massenunterschied wird als Energie freigesetzt. Die Mindestanforderungen an die Gesamtenergieeffizienz, die für das Eintreten der Fusion erfüllt sein müssen, werden als Lawson-Kriterium bezeichnet. Dies sind Kriterien für die minimale Ionendichte und die erforderliche Einschlusszeit.

Zukunftspotenzial der Kernfusion

Die Fusion wird intensiv erforscht und konnte bereits in Labors erreicht werden. Derzeit wird jedoch mehr Energie für die Erzeugung der Bedingungen benötigt, als durch den Prozess gewonnen wird, weshalb eine kommerzielle Nutzung noch nicht möglich ist. Die Kernfusion gilt als große Alternative für die Zukunft, da sie eine unerschöpfliche Energiequelle darstellt. Sie nutzt Wasser, eine reichlich vorhandene, kostengünstige und saubere Ressource.

Brennstoffe für die Kernfusion

Die am leichtesten zu realisierende Reaktion ist die Fusion von Deuterium (ein Proton plus ein Neutron) und Tritium (ein Proton und zwei Neutronen) zu Helium (zwei Protonen und zwei Neutronen) und einem Neutron, wobei eine Energie von 17,6 MeV freigesetzt wird.

Die primären Brennstoffe sind billig, reichlich vorhanden, nicht-radioaktiv und geografisch verteilt.