Kernspaltung & Kernfusion

Kernspaltung

Trifft ein langsames Neutron auf einen Kern von Uran-235, kann dieser in zwei mittelschwere Bruchstücke zerplatzen — begleitet von zwei bis drei neu freigesetzten Neutronen und einer gewaltigen Energiemenge. Da ²³⁵U jenseits des Bindungsenergiemaximums bei Eisen liegt, sind die entstehenden Bruchstücke fester gebunden als der Ausgangskern — die Differenz wird als Energie frei.

Weil bei jeder Spaltung mehrere neue Neutronen entstehen, die ihrerseits weitere Kerne spalten können, kann daraus eine sich selbst tragende Kettenreaktion entstehen — kontrolliert in einem Kernreaktor, unkontrolliert in einer Kernwaffe. Damit die Reaktion nicht abbricht, muss eine bestimmte Mindestmenge spaltbaren Materials vorhanden sein: die kritische Masse.

Kernfusion

Am anderen Ende der Bindungsenergiekurve liegt die Fusion: Verschmelzen zwei leichte Kerne wie Deuterium (²H) und Tritium (³H) zu Helium, ist der entstehende Kern fester gebunden als beide Ausgangskerne zusammen — wieder wird die Differenz als Energie frei, pro Nukleon sogar deutlich mehr als bei der Spaltung.

Das Problem: Beide Kerne sind positiv geladen und stoßen sich elektrostatisch ab. Erst bei Temperaturen von mehreren zehn Millionen Grad — wie im Innern der Sonne oder in einem Fusionsreaktor — bewegen sich die Kerne schnell genug, damit einige von ihnen die Coulomb-Barriere überwinden (mit etwas Nachhilfe durch den quantenmechanischen Tunneleffekt). Dieses Problem zu beherrschen ist der Grund, warum kontrollierte Kernfusion auf der Erde bis heute nicht kommerziell nutzbar ist.

E = mc² im Vergleich

Sowohl Spaltung als auch Fusion setzen einen winzigen Massendefekt als Energie frei — aber in einer Größenordnung, die jede chemische Reaktion in den Schatten stellt: Ein Kilogramm Uran-235 liefert bei vollständiger Spaltung etwa so viel Energie wie zwei bis drei Millionen Kilogramm Kohle bei der Verbrennung.

Kraftwerk versus Fusionsreaktor

Bei über 100 Millionen Grad existiert kein fester oder flüssiger Brennstoff mehr, sondern nur noch Plasma — ein Gas aus freien, elektrisch geladenen Atomkernen und Elektronen. Kein bekanntes Material könnte eine Gefäßwand bilden, die diese Temperatur berührungslos aushält; jeder direkte Kontakt würde das Plasma augenblicklich abkühlen und die Wand verdampfen. Die Lösung nutzt genau die elektrische Ladung des Plasmas aus: Geladene Teilchen können sich nahezu frei entlang von Magnetfeldlinien bewegen, aber nur äußerst schwer quer dazu — sie werden von der Lorentzkraft auf enge Spiralbahnen um die Feldlinien gezwungen. Verbiegt man diese Feldlinien so, dass sie in sich geschlossene Ringe bilden, etwa in Form eines Torus (einer Donut-Form), kann das Plasma auf diesen Bahnen zirkulieren, ohne je eine Wand zu berühren — eine unsichtbare "Magnetflasche". Dafür sind gewaltige, meist supraleitende Magnetspulen nötig, die um das Vakuumgefäß herum angeordnet werden und Feldstärken von mehreren Tesla erzeugen — das Zehn- bis Hunderttausendfache des Erdmagnetfelds.

Technisch haben sich für diesen magnetischen Einschluss zwei unterschiedliche Bauweisen durchgesetzt: Beim Tokamak — russisch für "toroidale Kammer mit Magnetspulen" — erzeugen ringförmig angeordnete Spulen zusammen mit einem im Plasma selbst induzierten elektrischen Strom das nötige Magnetfeld; die Bauform ist vergleichsweise einfach symmetrisch, verlangt aber einen Plasmastrom, der nur gepulst aufrechterhalten werden kann. Der internationale Forschungsreaktor ITER in Südfrankreich, derzeit größter Fusionsversuchsreaktor der Welt, folgt diesem Prinzip.

Der Stellarator dagegen verzichtet auf einen induzierten Plasmastrom und erzeugt das nötige verdrillte Magnetfeld allein durch komplex geformte, dreidimensional gewundene Spulen — technisch deutlich anspruchsvoller in Bau und Berechnung, dafür grundsätzlich für den Dauerbetrieb geeignet. Das deutsche Max-Planck-Institut betreibt mit Wendelstein 7-X in Greifswald den weltweit größten Stellarator.

Draufsicht auf einen Tokamak: Das Plasma zirkuliert im Torus, gehalten von Magnetspulen; geladene Teilchen können Feldlinien kaum verlassen, sondern spiralen um sie herum.

Einen komplett anderen Weg verfolgt die Trägheitsfusion: Statt Magnetfeldern bündeln hier extrem starke Laser, wie an der National Ignition Facility (NIF) in den USA, ihre Energie innerhalb weniger Nanosekunden auf ein winziges Brennstoff-Kügelchen, komprimieren und erhitzen es schlagartig von allen Seiten, sodass die Fusion zündet, bevor das Material wieder auseinanderfliegen kann — der NIF erzielte damit 2022 erstmals einen Nettoenergiegewinn aus der eigentlichen Fusionsreaktion. Daneben verfolgen zunehmend auch privat finanzierte Unternehmen wie Commonwealth Fusion Systems (kompakte Hochfeld-Tokamaks mit Hochtemperatur-Supraleitern) oder Helion Energy (gepulste, magnetisierte Trägheitsfusion) eigene, teils hybride technische Ansätze mit dem Ziel, kommerzielle Fusionskraftwerke schneller als die staatlich finanzierte Forschung zu realisieren.