Kernspaltung und Kernfusion – Grundlagen

Diese Lektion behandelt die beiden großen kernphysikalischen Energiequellen: Kernspaltung und Kernfusion. Ausgangspunkt ist die Bindungsenergie pro Nukleon als Maß für die Stabilität eines Atomkerns — Eisen-56 besitzt hier den höchsten Wert, weshalb sowohl die Spaltung schwerer Kerne (jenseits von Eisen) als auch die Fusion leichter Kerne (unterhalb von Eisen) Energie freisetzt, da beide Prozesse in Richtung stabilerer Kerne verlaufen.

Bei der induzierten Spaltung von Uran-235 durch ein thermisches Neutron entsteht ein instabiler Zwischenkern, der in zwei Spaltfragmente zerfällt und dabei weitere Neutronen freisetzt — die Grundlage der Kettenreaktion. Die drei essenziellen Bedingungen für eine kontrollierte Kettenreaktion im Reaktor werden herausgearbeitet: der Moderator bremst schnelle Spaltneutronen ab, um den Wirkungsquerschnitt für weitere Spaltung zu erhöhen, Steuerstäbe regulieren die Reaktionsrate, und ein kritischer Zustand ($k=1$) sorgt für stabilen Betrieb.

Die Kernfusion wird am Beispiel der Proton-Proton-Kette in der Sonne behandelt, bei der aus Wasserstoff letztlich Helium-4 entsteht. Zentral ist die Frage, wie die Fusion trotz der abstoßenden Coulomb-Kraft zwischen den positiv geladenen Protonen überhaupt stattfinden kann: Erst die enorme Temperatur und der Druck im Sonneninneren ermöglichen es den Teilchen, die Coulomb-Barriere per Tunneleffekt zu überwinden. Im Vergleich zur Kernspaltung setzt die Fusion pro Masseneinheit deutlich mehr Energie frei, ist technisch auf der Erde aber ungleich schwerer zu realisieren — die Herausforderung liegt in der Erzeugung und dem Einschluss eines extrem heißen Plasmas.

Die zehn Fragen verbinden das Verständnis der starken Kernkraft mit konkreten Reaktorprinzipien und astrophysikalischen Prozessen — ein Thema mit hoher Alltagsrelevanz durch Energiepolitik und Kernfusionsforschung.

• Die Bindungsenergie pro Nukleon als Stabilitätsmaß für Atomkerne interpretieren
• Den Ablauf einer induzierten Kernspaltung von Uran-235 und die Kettenreaktion beschreiben
• Die drei Bedingungen für eine kontrollierte Kettenreaktion (Moderator, Steuerstäbe, Kritikalität) erklären
• Erklären, wie der Tunneleffekt die Kernfusion trotz Coulomb-Abstoßung ermöglicht
• Die Energieausbeute pro Masse von Kernfusion und Kernspaltung vergleichen

Themenbereich: Kernspaltung und Kernfusion — Bindungsenergie pro Nukleon, induzierte Spaltung von Uran-235, Kettenreaktion im Reaktor (Moderator, Steuerstäbe, Kritikalität), Proton-Proton-Kette der Sonne, Coulomb-Barriere und Tunneleffekt. 10 Fragen, Konzept- und Rechenaufgaben auf Abiturniveau.