Kernreaktionen: Kernspaltung und Kernfusion einfach erklärt

Woher hat die Sonne ihre unvorstellbare Energie, mit der sie unser gesamtes Sonnensystem wärmt? Und wie kann ein einziges Kraftwerk auf der Erde genug Strom produzieren, um eine ganze Großstadt zu versorgen?

Die Antwort liegt tief im Inneren der Atome verborgen. In dieser Lektion werden wir lernen, wie man durch das Spalten oder Verschmelzen von winzigen Atomkernen gigantische Mengen an Energie freisetzen kann und wie diese Kernreaktionen genau ablaufen.

Vorwissen

• Aufbau des Atoms: Ein Atom besteht aus einem Kern (mit Protonen und Neutronen) und einer Hülle.

  Beispiel: Ein Kohlenstoffatom hat 6 Protonen in seinem Kern.

• Isotope: Atome desselben Elements, die gleich viele Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen haben.

  Beispiel: Uran-235 und Uran-238 sind beides Uran, aber unterschiedlich schwer.

• Massendefekt: Wenn sich Atomkerne verändern, kann ein winziger Teil ihrer Masse verschwinden und sich in reine Energie verwandeln.

  Formel: $E = m \cdot c^{2}$

  Beispiel: Bei Kernreaktionen ist die Masse nach der Reaktion minimal geringer als davor.

Aufgabentyp 1: Kernspaltung und Kettenreaktionen

Stell dir vor, du spielst Billard und triffst mit der weißen Kugel eine Gruppe anderer Kugeln, die daraufhin auseinanderfliegen. Ähnlich funktioniert die Kernspaltung.

Wenn ein einzelnes Neutron auf einen schweren Atomkern (wie zum Beispiel Uran) geschossen wird, wird dieser Kern instabil. Er zerplatzt in zwei kleinere Atomkerne. Dabei passieren zwei entscheidende Dinge: Es wird eine riesige Menge an Energie freigesetzt, und es fliegen zwei bis drei neue Neutronen wie kleine Geschosse aus dem Kern heraus.

Diese neu entstandenen Neutronen fliegen weiter und können nun benachbarte Uranatome treffen, die sich dann ebenfalls spalten. Wenn genügend spaltbares Material dicht beieinander liegt – das nennt man die kritische Masse –, entsteht eine Kettenreaktion. Immer mehr Atome spalten sich, und in extrem kurzer Zeit wird unvorstellbar viel Energie frei.

Wir Menschen nutzen diesen Prozess auf zwei verschiedene Arten:

• Kontrollierte Nutzung (Kernkraftwerk): Um aus der Kettenreaktion sicher Strom zu erzeugen, nutzt man sogenannte Steuerstäbe. Diese Stäbe fangen überschüssige Neutronen ein. So wird immer nur genau ein Neutron pro Spaltung für die nächste Spaltung übrig gelassen. Die Reaktion läuft gleichmäßig und sicher ab.

• Unkontrollierte Nutzung (Kernwaffe): Hier gibt es keine Steuerstäbe. Die Kettenreaktion breitet sich rasend schnell aus. Die gesamte Energie wird auf einen Schlag als gewaltige, zerstörerische Explosion freigesetzt.

Aufgabentyp 2: Kernfusion

Die Kernfusion ist das genaue Gegenteil der Kernspaltung. Anstatt schwere Kerne zu teilen, verschmelzen hier sehr leichte Atomkerne (wie zum Beispiel Wasserstoff) zu einem neuen, schwereren Element.

Da Atomkerne positiv geladen sind, stoßen sie sich normalerweise stark ab – genau wie zwei Magnete, die man mit dem gleichen Pol aneinanderdrücken will. Damit sie trotzdem verschmelzen, müssen sie mit enormer Wucht aufeinanderprallen. Dafür braucht man extremen Druck und unvorstellbar hohe Temperaturen von mehreren Millionen Grad Celsius. Solche extremen Bedingungen gibt es in der Natur im Inneren von Sternen, wie unserer Sonne.

Wenn die leichten Kerne schließlich verschmelzen, entsteht ein neues Element. Wenn man dieses neue Element wiegen könnte, würde man feststellen, dass es ein winziges bisschen leichter ist als die beiden ursprünglichen Kerne zusammen. Diese fehlende Masse nennt man den Massendefekt.

Die Masse ist aber nicht einfach verschwunden! Sie hat sich in eine gigantische Menge an Energie verwandelt. Bei diesem Prozess wird außerdem hochenergetische Gammastrahlung freigesetzt. Die Kernfusion setzt sogar noch deutlich mehr Energie frei als die Kernspaltung.

Wichtige Erkenntnisse

• Kernspaltung: Ein schwerer Kern (z. B. Uran) wird durch ein Neutron gespalten. Dabei entstehen neue Neutronen, die eine Kettenreaktion auslösen können.

• Steuerung: In Kernkraftwerken wird die Kettenreaktion durch Steuerstäbe kontrolliert, in Kernwaffen verläuft sie unkontrolliert.

• Kernfusion: Leichte Atomkerne verschmelzen unter extremem Druck und Hitze zu einem neuen Element.

• Energiefreisetzung: Bei beiden Reaktionen wird durch den Massendefekt eine gewaltige Menge Energie freigesetzt. Bei der Fusion entsteht zusätzlich Gammastrahlung.