Kernenergie: Kernspaltung, Kernfusion und Klimawandel

Weltweit stammen rund 10 Prozent der Stromerzeugung aus Kernenergie. In einzelnen Ländern – etwa Frankreich – liegt dieser Anteil bei fast 70 Prozent.

Auch große Tech-Konzerne wie Google setzen inzwischen auf Kernenergie, um den enormen Strombedarf ihrer Rechenzentren zu decken.

Die Grundlage jeder Form von Kernenergie ist die Bindungsenergie im Atomkern. Diese gespeicherte Energie lässt sich grundsätzlich auf zwei Arten freisetzen: durch Kernspaltung oder durch Kernfusion. Bei der Spaltung werden große, schwere Atomkerne in kleinere, leichtere Kerne zerlegt. Bei der Fusion werden sehr leichte Atomkerne zu größeren Kernen verschmolzen.

Beide Vorgänge setzen enorme Energiemengen frei. So liefert ein einzelner Spaltungszerfall von U235 – einem Uranisotop, das in den meisten Kraftwerken typischerweise als Brennstoff eingesetzt wird – pro Ereignis mehr als 6 millionenmal so viel Energie wie eine einzelne chemische Reaktion der reinsten Kohle.

Genau deshalb eignen sich diese Prozesse sehr gut zur Stromerzeugung.

Was ist Kernspaltung?

Kernspaltung ist das Prinzip, auf dem alle heute betriebenen Kernkraftwerke basieren. Sie setzt ein, wenn ein winziges subatomares Teilchen, ein Neutron, in ein Uranatom geschossen wird und dieses dadurch aufgespalten wird.

Dabei entstehen weitere Neutronen, die wiederum mit anderen Atomkernen kollidieren und so eine nukleare Kettenreaktion auslösen. In der Folge wird eine gewaltige Energiemenge frei.

Damit daraus Strom wird, kommt ein Wärmetauscher zum Einsatz: Er erhitzt Wasser zu Dampf, der eine Turbine antreibt und so elektrische Leistung erzeugt.

Die Spaltungsreaktion lässt sich steuern, indem man den Neutronennachschub begrenzt. Das geschieht über „Steuerstäbe“, die Neutronen aufnehmen.

Historisch sind nukleare Unfälle wie Tschernobyl dann passiert, wenn die Steuerstäbe nicht wie vorgesehen eingefahren wurden und damit die Neutronenzufuhr nicht unterdrückt wurde und/oder die Zirkulation des Kühlmittels versagte.

Sogenannte Designs der „dritten Generation“ bauen auf den frühen Konzepten auf und ergänzen sie um passive oder inhärente Sicherheitsfunktionen. Diese sollen im Fehlerfall Unfälle auch ohne aktive Systeme oder menschliches Eingreifen verhindern. Solche Mechanismen können etwa auf Druckunterschieden, Gravitation, natürlicher Konvektion oder auf der Materialreaktion bei hohen Temperaturen beruhen.

Die ersten Reaktoren der dritten Generation waren die fortschrittlichen Siedewasserreaktoren Kashiwazaki 6 und 7 in Japan.

Eine bis heute nicht gelöste Herausforderung der Kernspaltung ist, dass die Reaktionsprodukte über sehr lange Zeiträume radioaktiv bleiben – in der Größenordnung von Tausenden Jahren. Wird abgebrannter Brennstoff wiederaufgearbeitet, können Brennstoffmaterial und Abfall zudem auch zur Herstellung einer Kernwaffe genutzt werden.

Spaltungskraft ist eine erprobte Technologie. Sie lässt sich außerdem skalieren – von Großanlagen (die größte ist das 7.97 Gigawatt starke Kernkraftwerk Kashiwazaki-Kariwa in Japan) bis hin zu kleinen und mittleren Reaktoren mit etwa 150 Megawatt elektrischer Leistung, wie sie auf einem Schiff oder einem Atom-U-Boot eingesetzt werden.

Solche Reaktoren sollen auch Australiens acht Atom-U-Boote antreiben, die im Rahmen einer trilateralen Sicherheitspartnerschaft mit dem Vereinigten Königreich und den Vereinigten Staaten zugesagt wurden.

Was ist Kernfusion?

Kernfusion ist der Prozess, der die Sonne und die Sterne antreibt. Sie ist das Gegenstück zur Kernspaltung und findet statt, wenn Atomkerne miteinander verschmelzen.

Im Labor lässt sich am leichtesten die Fusion von Wasserstoffisotopen zünden: Deuterium und Tritium. Bezogen auf die Masse setzt diese Reaktion 4-mal mehr Energie frei als die Spaltung von U235.

Das Brennstoffion Deuterium ist auf der Erde und im Universum außerordentlich häufig. Tritium ist dagegen radioaktiv, hat eine Halbwertszeit von 12 Jahren und ist deshalb auf der Erde sehr selten.

Das Universum ist 13.8 Milliarden Jahre alt; in der Natur finden sich bei leichten Kernen (Wasserstoff, Helium und Lithium) nur solche Isotope, die über diese Zeiträume stabil sind.

In einem Fusionskraftwerk würde Tritium mithilfe einer „Lithiumdecke“ erzeugt. Dabei handelt es sich um eine feste Lithiumwand, in der Fusionsneutronen abgebremst werden und schließlich reagieren, sodass Tritium entsteht.

Derzeit ist es für Forschende jedoch äußerst schwierig, eine Fusionsreaktion außerhalb des Labors zu erzeugen. Der Grund ist, dass das Verschmelzen extrem hohe Temperaturen erfordert: Optimal sind 150 Millionen Grad Celsius.

Unter diesen Bedingungen liegt der Brennstoff als Plasma vor, also in einem Zustand, in dem Elektronen und (Kern-)Ionen voneinander getrennt sind. Das entstehende Produkt ist nicht radioaktiv; es ist vielmehr Helium, ein inertes Gas.

Der führende technologische Ansatz, um eine dauerhaft aufrechterhaltene Fusion zu demonstrieren, heißt „toroidale magnetische Einschließung“. Dabei wird das Plasma bei extremen Temperaturen in einer sehr großen, donutförmigen magnetischen „Flasche“ gehalten.

Anders als bei der Spaltung benötigt dieser Weg eine kontinuierliche externe Heizung, um die Fusionsbedingungen zu erreichen, sowie ein starkes Einschlussfeld. Fällt eines von beiden weg, stoppt die Reaktion.

Die zentrale Schwierigkeit ist daher nicht ein unkontrolliertes Durchgehen, sondern überhaupt das Zustandekommen der Reaktion.

Eine wesentliche offene Frage bei der toroidalen magnetischen Einschließungsfusion – dem Ansatz, der den Großteil des Forschungsinteresses auf sich zieht – ist der Nachweis eines „brennenden“, selbstbeheizten Plasmas. Gemeint ist ein Zustand, in dem die durch die Reaktion selbst erzeugte Heizleistung dominiert. Genau darauf zielen das öffentlich finanzierte, multinationale ITER-Projekt (das weltweit größte Fusionsexperiment) sowie das privat finanzierte SPARC-Experiment am Massachusetts Institute of Technology.

Trotzdem ist in großen Teilen der wissenschaftlichen Gemeinschaft der Konsens, dass Fusion frühestens ab 2050 wirtschaftlich nutzbar sein wird.

Eine Lösung fürs Klima?

Ich werde häufig gefragt, ob Kernenergie die Erde vor dem Klimawandel retten könnte. Ich habe viele Kolleginnen und Kollegen in der Klimawissenschaft – und auch meine verstorbene Ehefrau war eine weithin bekannte Klimawissenschaftlerin.

Die wissenschaftliche Lage ist eindeutig: Es ist zu spät, den Klimawandel zu verhindern. Die Welt muss alles tun, um Kohlendioxidemissionen zu senken und katastrophale Schäden zu begrenzen – und sie hätte damit schon vor Jahrzehnten beginnen müssen.

Für den Planeten ist Kernspaltung Teil dieser globalen Antwort, gemeinsam mit dem breiten Ausbau und der Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Wind und Solar.

Auf längere Sicht hofft man, dass Fusion die Spaltung ablösen könnte. Der Brennstoffvorrat ist deutlich größer und nahezu überall verfügbar, das Abfallproblem ist um Größenordnungen kleiner – sowohl beim Volumen als auch beim Zeitraum – und die Technologie lässt sich nicht zu Waffen umfunktionieren.

Matthew Hole, Professor, Mathematical Sciences Institute und School of Computing, Australian National University

Dieser Artikel wurde unter einer Creative-Commons-Lizenz von The Conversation erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.

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