Energie aus Atomkernen

Der Mensch braucht zum Überleben andauernd Energie. In Nahrung, Holz, Kohle oder Erdölprodukten ist Energie gespeichert, die z. B. durch Verbrennung in andere Energieformen umgewandelt werden kann.

Besonders viel Energie ist in den Kernen von Atomen gespeichert. Wenn sehr schwere Kerne zu mittelschweren zerfallen, wird ein Teil dieser Energie frei.

Spontane Kernspaltung findet auf der Erde kaum statt. Durch Beschuss mit Neutronen können schwere Kerne allerdings zur Spaltung angeregt werden. Dies wird in Kernreaktoren angewendet. Ein Teil der freiwerdenden Energie wird zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt.

Bei der Verbrennung werden chemische Verbindungen umgewandelt und dabei wird Energie freigesetzt.

Bei der Verbrennung von 1 g Holz werden etwa 0,02 Megajoule an Energie frei.

Die freiwerdende Energie wird von der Menschheit seit langem zur Beheizung, Beleuchtung und zur Bereitung von Speisen genutzt. Seit Ende des 19. Jahrhunderts wird in kalorischen Kraftwerken Wärmeenergie in elektrische Energie umgesetzt.

Ein Kernkraftwerk benötigt etwa 50 – 100 t Kernbrennstoff (Uranoxid). Die Leistung ist zirka 500 – 1 000 Megawatt, das entspricht einem großen Wärmekraftwerk oder mehreren Laufkraftwerken.

Wenn leichte Atomkerne verschmelzen, wird Energie frei, und zwar besonders viel bei der Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium.

Bei der Verschmelzung von 1 g Wasserstoff werden 700 000 Megajoule an Energie freigesetzt.

Dieser Verschmelzungsprozess findet laufend in der Sonne statt. Die freiwerdende Energie ermöglicht das Leben auf unserer Erde. Die Sonne hat derzeit ungefähr die Hälfte ihres Brennstoffs verbraucht und wird noch etwa 10 Milliarden Jahre strahlen.

Pro Sekunde „verbrennen“ im Zentrum der Sonne etwa 600 Millionen Tonnen Wasserstoff zu 596 Millionen Tonnen Helium. Die fehlende Masse wird in Form von Strahlung freigesetzt.  

Kraftwerke, in denen durch Verschmelzung (Fusion) von Kernen Energie gewonnen wird, nennt man Fusionsreaktoren. Diese befinden sich aber derzeit noch im Versuchsstadium.

Im Inneren der Sonne herrschen aufgrund der Gravitationskraft der großen Masse eine sehr hohe Temperatur (15 Millionen Grad) und ein großer Druck (200 Milliarden bar). Dadurch werden die leichten Teilchen so nahe zusammengedrückt, dass sie verschmelzen können. In Fusionsreaktoren versucht man ähnliche Bedingungen durch hohe Magnetfelder zu erreichen.

Der größte Versuchsreaktor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) befindet sich in Cadarache in Südfrankreich. In einer internationalen Zusammenarbeit soll der erste funktionsfähige Fusionsreaktor entwickelt und gebaut werden.