Kernspaltung und Kernfusion sind zwei verschiedene Kernreaktionen, die beide enorme Mengen an Energie freisetzen. Der entscheidende Unterschied: Bei der Kernspaltung wird ein schwerer Atomkern in kleinere Teile gespalten. Bei der Kernfusion verschmelzen zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren. Beide Prozesse nutzen die Bindungsenergie im Atomkern, aber auf gegensätzliche Weise. In diesem Beitrag erfährst du, wie die beiden Reaktionen funktionieren, welche Vor- und Nachteile sie haben und warum Kernfusion bisher noch keine kommerzielle Energie liefert. Schau dir auch unsere Videos zu Kernspaltung und Kernfusion an!
Inhaltsübersicht
Wie funktionieren Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene?
Bei der Kernspaltung trifft ein Neutron auf einen schweren Atomkern, zum Beispiel Uran-235. Der Kern ist so instabil, dass er in zwei kleinere Kerne zerfällt und dabei zwei oder drei neue Neutronen freisetzt. Diese Neutronen treffen auf weitere Kerne und lösen eine Kettenreaktion aus. Dabei wird ein kleiner Teil der Masse in Energie umgewandelt.
Bei der Kernfusion passiert das Gegenteil. Zwei leichte Atomkerne, meist Wasserstoffisotope, werden so stark zusammengepresst, dass sie miteinander verschmelzen. Dabei entsteht ein neuer, schwererer Kern. Auch hier geht ein winziger Teil der Masse verloren und wird als Energie freigesetzt. Genau das passiert in der Sonne jeden Tag.
Beide Prozesse folgen Einsteins berühmter Formel E = mc². Ein kleiner Masseverlust ergibt durch die riesige Lichtgeschwindigkeit im Quadrat eine enorm große Energiemenge. Das ist der Grund, warum Kernreaktionen in der Physik so bedeutend sind.
Welche Energiemengen erzeugen Kernspaltung und Kernfusion im Vergleich?
Kernfusion setzt pro Reaktion deutlich mehr Energie frei als Kernspaltung. Bei der Fusion von Deuterium und Tritium entsteht etwa dreimal bis viermal so viel Energie wie bei der Spaltung eines Uranatoms. Das liegt daran, dass der Massedefekt bei der Fusion im Verhältnis zur eingesetzten Masse größer ist.
Ein praktischer Vergleich macht das deutlich: Ein Kilogramm Fusionsbrennstoff kann theoretisch mehr Energie liefern als mehrere Tonnen Kohle oder auch mehr als ein Kilogramm Uran. Deshalb gilt die Kernfusion als der energiereichere Prozess. Allerdings ist dieser Vorteil bisher nur in der Theorie nutzbar, weil die technischen Hürden bei der Fusion noch sehr hoch sind.
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Was sind die Brennstoffe für Kernspaltung und Kernfusion?
Für die Kernspaltung werden schwere radioaktive Elemente benötigt. Der häufigste Brennstoff in kommerziellen Kernkraftwerken ist Uran-235. In manchen Reaktoren wird auch Plutonium-239 eingesetzt. Beide Elemente kommen in der Natur vor, sind aber nur in begrenzten Mengen verfügbar und müssen aufwendig abgebaut und angereichert werden.
Für die Kernfusion braucht man leichte Atomkerne. Das vielversprechendste Brennstoffpaar ist Deuterium und Tritium, beides Isotope des Wasserstoffs. Deuterium lässt sich aus normalem Meerwasser gewinnen und ist praktisch unbegrenzt verfügbar. Tritium ist seltener und muss in speziellen Reaktoren erzeugt werden. Langfristig könnte die Fusion also aus Wasser Energie erzeugen, was ein riesiger Vorteil wäre.
Welche Risiken und Abfälle entstehen bei Kernspaltung und Kernfusion?
Die Kernspaltung erzeugt radioaktiven Abfall, der über Tausende von Jahren gefährlich bleibt. Außerdem besteht das Risiko einer unkontrollierten Kettenreaktion, wie bei den Unfällen in Tschernobyl oder Fukushima. Radioaktive Strahlung kann Menschen und Umwelt stark schädigen. Die sichere Lagerung des Atommülls ist bis heute ein ungelöstes Problem.
Die Kernfusion ist in dieser Hinsicht deutlich sicherer. Eine unkontrollierte Kettenreaktion ist physikalisch nicht möglich. Stoppt die Energiezufuhr, erlischt die Reaktion einfach. Auch der Abfall ist weniger problematisch. Es entsteht zwar schwach radioaktiver Reaktorschrott, der aber nach einigen Jahrzehnten den größten Teil seiner Radioaktivität verliert. Langlebige radioaktive Abfälle wie bei der Spaltung entstehen nicht in dem Maß.
Warum gibt es noch keine kommerziellen Fusionskraftwerke?
Die Kernfusion funktioniert nur bei extrem hohen Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius. Das ist heißer als das Innere der Sonne. Bei diesen Temperaturen befindet sich der Brennstoff im sogenannten Plasmazustand. Dieses Plasma muss eingeschlossen und stabil gehalten werden, ohne dass es die Reaktorwände berührt. Das ist technisch extrem schwierig.
Bisher haben Fusionsreaktoren mehr Energie verbraucht, als sie erzeugt haben. Erst im Jahr 2022 gelang es Forschern in den USA erstmals, mehr Energie zu gewinnen als einzusetzen. Das war ein historischer Durchbruch. Trotzdem fehlt noch der Schritt zur kommerziellen Nutzung. Aktuelle Projekte wie ITER in Frankreich, ein internationales Forschungsprojekt, sollen zeigen, ob Fusionsenergie im großen Maßstab funktionieren kann. Bis ein kommerzielles Fusionskraftwerk am Netz ist, werden voraussichtlich noch einige Jahrzehnte vergehen.
Wo werden Kernspaltung und Kernfusion heute eingesetzt?
Die Kernspaltung wird heute in Kernkraftwerken zur Stromerzeugung genutzt. Weltweit sind mehrere hundert Reaktoren in Betrieb. In Deutschland wurden die letzten Kernkraftwerke 2023 abgeschaltet, in anderen Ländern wie Frankreich oder China spielt Atomkraft weiterhin eine große Rolle. Auch in der Medizin und Forschung wird Kernspaltung genutzt, zum Beispiel zur Herstellung von radioaktiven Isotopen für die Diagnostik.
Die Kernfusion wird bisher ausschließlich in der Forschung eingesetzt. Fusionsreaktoren wie der Tokamak sind Experimentalanlagen, keine Kraftwerke. In der Natur findet Kernfusion in Sternen statt, also auch in unserer Sonne. Auf der Erde wurde die Fusion bisher nur in der Wasserstoffbombe unkontrolliert genutzt. Das Ziel der Forschung ist es, die Fusion kontrolliert und sicher für die Energiegewinnung nutzbar zu machen. Mehr Grundlagen dazu findest du auf Studyflix.
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