Kernspaltung vs. Kernfusion: Die Chemie der Atomenergie

Im Dezember 1938 taten zwei deutsche Chemiker, Otto Hahn und Fritz Strassmann, etwas, das keinen Sinn ergab. Sie hatten Uran mit Neutronen beschossen und erwartet, es so zu etwas schwereren Elementen anzustoßen. Stattdessen brachte ihre sorgfältige chemische Analyse immer wieder Barium zum Vorschein, ein Element mit etwas mehr als der halben Masse von Uran. Es war, als hätte man eine Bowlingkugel angetippt und beobachtet, wie sie in zwei Tennisbälle zerfällt. Hahn schrieb an seine frühere Kollegin Lise Meitner, die inzwischen als Flüchtling in Schweden lebte, und fragte, wie das nur möglich sein konnte. Meitner, die das Problem auf einem winterlichen Spaziergang mit ihrem Neffen Otto Frisch durchdachte, erkannte, dass der Urankern tatsächlich in zwei Teile zerbrochen war.

Frisch entlieh ein Wort aus der Biologie, wo sich eine einzelne Zelle in zwei teilt: Spaltung. Mit dieser einen Beobachtung prallte die Chemie des Periodensystems auf die Physik des Atomkerns, und die moderne Welt der Reaktoren, der Bomben und der lange gehegte Traum von sauberer Fusionsenergie wurde in Gang gesetzt. Um all das zu verstehen, braucht man nur eine seltsame und schöne Idee: dass die Masse eines Atoms nicht ganz die Summe seiner Teile ist.

Die Masse, die verschwindet

Jeder Atomkern ist ein Verbund aus Protonen und Neutronen, der gegen die heftige elektrische Abstoßung all dieser positiven Protonen durch etwas zusammengehalten wird, das man die starke Kernkraft nennt. Sie zusammenzuhalten kostet Energie, oder besser gesagt, setzt sie frei. Hier kommt der widersinnige Teil: Ein gebundener Kern wiegt etwas weniger als die Protonen und Neutronen, aus denen er besteht, für sich allein wiegen würden. Diese fehlende Masse ist der berühmte „Massendefekt".

Albert Einsteins Gleichung E = mc-Quadrat sagt uns, was mit ihr geschehen ist. Masse und Energie sind zwei Währungen für ein und dieselbe Sache, und der Wechselkurs, c-Quadrat, ist gewaltig, weil die Lichtgeschwindigkeit so groß ist. Winzige Mengen verschwundener Masse werden zu riesigen Mengen Energie. Die in diesem Tausch gebundene Energie ist die Bindungsenergie, der Klebstoff, der den Kern zusammenhält. Wenn man Kerne so umordnet, dass sie noch ein wenig mehr Masse abwerfen können, strömt dieser Überschuss an Energie heraus.

Das ist der Kern aller Atomenergie, und es ist auch der Grund, warum Kernreaktionen pro Atom millionenfach mehr Energie freisetzen als chemische Reaktionen wie die Verbrennung von Kohle. Chemische Reaktionen schieben Elektronen in den äußeren Vororten des Atoms hin und her; Kernreaktionen ordnen den dichten, energiereichen Kern in seinem Zentrum neu.

Die Kurve, die alles erklärt

Trägt man die Bindungsenergie pro Teilchen gegen die Größe des Kerns auf, erhält man eine der wichtigsten Grafiken der gesamten Wissenschaft. Sie steigt für die leichtesten Elemente steil an, erreicht ihren Höhepunkt bei Eisen und Nickel (etwa Element 26) und fällt dann sanft ab zu den schwersten Elementen wie Uran hin.

Der Höhepunkt ist der Schlüssel. Eisen-56 liegt nahe dem stabilsten Punkt, dem Grund eines Energietals, in das jeder Kern gern hineinrollen „würde". Diese eine Kurve erklärt beide Wege, Kernenergie zu gewinnen.

Bergab von der schweren Seite: Spaltet man einen sehr schweren Kern wie Uran in zwei mittelgroße Stücke, sind die Bruchstücke näher am Eisengipfel, fester gebunden, in der Summe leichter. Die verlorene Masse wird zu Energie. Das ist die Kernspaltung.

Bergab von der leichten Seite: Verschmilzt man zwei sehr leichte Kerne wie Wasserstoff zu einem schwereren, der dem Gipfel näher ist, ist das Produkt erneut fester gebunden, und erneut wandelt sich Masse in Energie um. Das ist die Kernfusion.

Beide Prozesse erklimmen denselben Gipfel von gegenüberliegenden Hängen aus. Alles jenseits von Eisen hat auf keinem der beiden Wege weitere Energie zu geben, weshalb Eisen in einem ganz realen Sinn nukleare Asche ist.

Kernspaltung: Die Schwergewichte zerlegen

Die Kernspaltung ist der einfachere Trick, weshalb sie zuerst kam. Bestimmte schwere Isotope, allen voran Uran-235 und Plutonium-239, sind „spaltbar". Wenn ein langsames Neutron auf einen Uran-235-Kern trifft, wird der Kern kurzzeitig instabil, wackelt wie ein gedehnter Wassertropfen und spaltet sich in zwei leichtere Kerne (etwa Barium und Krypton), dazu ein Energiestoß und, entscheidend, zwei oder drei weitere Neutronen.

Diese zusätzlichen Neutronen sind alles. Jedes von ihnen kann einen weiteren Urankern treffen und eine weitere Spaltung auslösen, die wiederum mehr Neutronen freisetzt, und so fort. Das ist die Kettenreaktion, und ob sie sanft oder heftig abläuft, ist der ganze Unterschied zwischen einem Kraftwerk und einer Bombe.

Natürliches Uran besteht zu mehr als 99 Prozent aus Uran-238, das eine Kettenreaktion nicht gut aufrechterhält, und zu weniger als 1 Prozent aus dem spaltbaren Uran-235. Um es zu nutzen, „reichern" Ingenieure das Uran an und erhöhen den Anteil von Uran-235. Reaktorbrennstoff wird typischerweise auf etwa 3 bis 5 Prozent Uran-235 angereichert, genug für einen langsamen, kontrollierten Abbrand. Der spaltbare Anteil, der für eine Waffe nötig ist, liegt weit höher, was ein Grund dafür ist, dass die Anreicherung international so streng überwacht wird.

Bomben gegen Kraftwerke

Eine Spaltungsbombe und ein Spaltungsreaktor teilen dieselbe Physik, haben aber entgegengesetzte Ziele. Eine Bombe will, dass die Kettenreaktion so schnell wie möglich außer Kontrolle gerät; ein Reaktor will sie auf Messers Schneide gehalten wissen, sodass sie gleichmäßig Wärme freisetzt, ohne sich je unkontrolliert zu beschleunigen.

Die Bombe: Eine Waffe fügt eine „kritische Masse" aus hochangereichertem Uran-235 oder Plutonium-239 so plötzlich und dicht zusammen, dass sich die Kettenreaktion in einem Bruchteil einer Sekunde astronomisch vervielfacht, bevor sich das Material auseinandersprengen kann. Die Bombe, die im August 1945 auf Hiroshima abgeworfen wurde, nutzte Uran-235; jene, die drei Tage später auf Nagasaki abgeworfen wurde, nutzte Plutonium-239. Diese bleiben die einzigen beiden Kernwaffen, die je im Krieg eingesetzt wurden, und das Ausmaß der menschlichen Katastrophe, die sie verursachten, Zehntausende sofort getötet und viele weitere, die später an Verletzungen und Strahlung starben, ist genau der Grund, warum die Technologie seither mit so tiefem Ernst behandelt wird.

Das Kraftwerk: Ein Reaktor nutzt schwach angereicherten Brennstoff, der physikalisch nicht wie eine Bombe explodieren kann. Zwei Schutzvorrichtungen halten ihn zahm. Steuerstäbe aus neutronenabsorbierenden Materialien wie Bor oder Cadmium gleiten in den Kern, um überschüssige Neutronen aufzusaugen und die Reaktion zu verlangsamen. Ein Moderator, meist gewöhnliches Wasser, bremst die schnellen Neutronen auf die sanften Geschwindigkeiten ab, die Uran-235 am bereitwilligsten aufnimmt. Die Wärme kocht Wasser zu Dampf, der Dampf treibt eine Turbine an, und die Turbine treibt einen Generator an. Nimmt man den exotischen Kern weg, ist ein Atomkraftwerk nur eine sehr ausgeklügelte Art, Wasser zu kochen.

Der große Nachteil der Kernspaltung ist ihr Abfall. Die Spaltbruchstücke sind selbst radioaktiv, manche davon über Tausende von Jahren gefährlich, weshalb die Langzeitlagerung eine echte und noch weitgehend ungelöste Herausforderung bleibt.

Kernfusion: Die Kraft der Sterne

Die Kernfusion durchläuft die Kurve in die andere Richtung, und die Natur tut dies seit Milliarden von Jahren in gewaltigem Maßstab. Die Sonne ist ein Fusionsreaktor. In ihrem Kern verschmelzen Wasserstoffkerne Schritt für Schritt zu Helium, und die dabei verlorene Masse ist es, die die Sonne zum Leuchten bringt. Die Wärme unseres Planeten, sein Wetter und beinahe all sein Leben werden letztlich von einer Fusion angetrieben, die 150 Millionen Kilometer entfernt stattfindet.

Der Reiz der Fusion liegt auf der Hand. Der Brennstoff, Wasserstoffisotope, lässt sich aus Wasser gewinnen und ist praktisch grenzenlos. Sie erzeugt keinen langlebigen radioaktiven Abfall der Art, wie ihn die Kernspaltung hervorbringt, und sie kann weder durchschmelzen noch außer Kontrolle geraten, weil die Reaktion in dem Augenblick stoppt, in dem die Bedingungen nicht mehr stimmen. Pro Brennstoffeinheit setzt die Fusion sogar noch mehr Energie frei als die Spaltung.

Warum also läuft unsere Welt nicht längst damit? Weil es brutal schwer ist, Kerne zum Verschmelzen zu bringen. Jeder Kern trägt eine positive Ladung, und gleiche Ladungen stoßen sich ab. Um zwei Wasserstoffkerne nahe genug aneinanderzudrücken, damit die starke Kraft zugreifen kann, muss man diese elektrische Mauer überwinden, was bedeutet, den Brennstoff auf rund 100 Millionen Grad zu erhitzen, weit heißer als das Zentrum der Sonne. (Die Sonne kommt mit einem kühleren Kern davon, weil ihre erdrückende Schwerkraft und ihre immense Größe den Unterschied wettmachen.) Bei solchen Temperaturen wird Materie zu Plasma, einem geladenen Gas, das kein fester Behälter berühren kann. Wissenschaftler nutzen starke Magnetfelder in donutförmigen Maschinen, die man Tokamaks nennt, um das Plasma in einer Art magnetischer Flasche in der Schwebe zu halten.

Der Fusionstraum, und warum er immer wieder zurückweicht

Die entscheidende Herausforderung der Fusion ist die Zündung: aus der Reaktion mehr Energie herauszuholen, als man hineinsteckt, um sie heiß und eingeschlossen zu halten. Jahrzehntelang blieb das knapp außer Reichweite, was den alten Witz nährte, die praktische Fusion sei stets dreißig Jahre entfernt.

Das Bild hat sich in den letzten Jahren wirklich verschoben. Ende 2022 berichteten Forscher an der National Ignition Facility in Kalifornien, die statt Magneten eine Anordnung von Hochleistungslasern nutzten, von der ersten kontrollierten Fusionsreaktion, die mehr Energie freisetzte, als die Laserenergie dem Brennstoffkügelchen zugeführt hatte. Es war ein Meilenstein, und er war echt. Aber es ist wichtig, ehrlich zu sein, was er bedeutet und was nicht. Der Meilenstein zählte nur die Energie, die den Brennstoff erreichte, nicht die weitaus größere Energie, die die Laser insgesamt verbrauchten, und es war ein einzelner kurzer Ausbruch, keine anhaltende, sich selbst tragende Reaktion, die ein Stromnetz speist.

Unterdessen zielt das internationale ITER-Projekt in Südfrankreich, ein von einem Bündnis aus Dutzenden Ländern gebauter Tokamak, darauf ab, eine anhaltende, großmaßstäbliche magnetische Fusion vorzuführen. Es ist eines der ehrgeizigsten Ingenieursvorhaben, das je in Angriff genommen wurde, und es ist Jahre von der Fertigstellung entfernt. Daraus Reaktoren zu machen, die zuverlässig Strom in die Haushalte einspeisen, wird allgemein noch weitere Jahrzehnte dauern. Die Physik steht nicht mehr in Zweifel; das Ingenieurwesen bleibt wahrhaft gewaltig.

Die wichtigsten Erkenntnisse

Atomenergie läuft in beiden ihrer Formen auf eine einzige elegante Idee hinaus, die von Einstein entlehnt ist: Ordne einen Kern so um, dass er einen Splitter Masse abwirft, und diese Masse erscheint als ein gewaltiger Energiestoß wieder. Die Bindungsenergiekurve, die bei Eisen ihren Höhepunkt erreicht, zeigt die beiden Wege zu diesem Gipfel. Die Kernspaltung führt von der schweren Seite herab und spaltet Uran oder Plutonium in einer Kettenreaktion, die wir bereits nutzen, sanft in Kraftwerken, die schlicht Wasser kochen, und katastrophal in den Waffen, deren Einsatz über Hiroshima und Nagasaki bis heute unser Gespür für den Ernst der Technologie prägt. Die Kernfusion führt von der leichten Seite hinauf, eben der Prozess, der die Sonne zum Leuchten bringt, und bietet nahezu grenzenlosen sauberen Brennstoff, verlangt aber Temperaturen und einen Einschluss, die so extrem sind, dass wir erst jetzt die ersten Funken Nettoenergie im Labor daraus hervorlocken. Der eine Prozess ist das Arbeitspferd von heute; der andere bleibt der Traum von morgen, nicht länger unmöglich, aber vorerst noch knapp hinter dem Horizont.