Die Kernspaltung ist ein wirkungsvolles und vielseitiges Phänomen, das die moderne Wissenschaft und Technik unauslöschlich geprägt hat. Von der Energieerzeugung über die Medizin bis hin zur Weltraumforschung hat sich die Kernspaltung als wichtiger Innovationsmotor erwiesen.
Nachfolgend zeige ich Ihnen verschiedene Anwendungen der Kernspaltung mit jeweils einigen Beispielen:
Beispiel 1: Erzeugung elektrischer Energie
Eines der bemerkenswertesten Beispiele für die Kernspaltung ist ihre Nutzung zur Erzeugung elektrischer Energie in Kernkraftwerken. Diese Anlagen nutzen die enorme Energiemenge, die bei der Kernspaltung freigesetzt wird, um effizient und kontinuierlich Strom zu erzeugen.
In einem Kernkraftwerk wird als spaltbares Material ein Kernbrennstoff wie beispielsweise Uran-235 oder Plutonium-239 verwendet. Wenn diese Kerne Neutronen einfangen, werden sie instabil und spalten sich in zwei oder mehr kleinere Fragmente auf.
Bei diesem Vorgang wird eine große Menge Energie in Form von Wärme freigesetzt. Diese Wärme wird genutzt, um Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen, der wiederum Turbinen antreibt, die an elektrische Generatoren angeschlossen sind. Das Ergebnis ist eine Stromerzeugung im großen Maßstab.
Beispiel
Das Kernkraftwerk Fukushima Daiichi in Japan erzeugte vor seinem tragischen Unfall im Jahr 2011 etwa 30 % des Stroms der Region Tohoku. Dieses Beispiel veranschaulicht die entscheidende Bedeutung der Kernspaltung bei der Stromerzeugung im großen Maßstab.
Beispiel 2: Raumfahrtantriebe
Auch die Kernspaltung wird als vielversprechende Antriebsmöglichkeit für Raumfahrzeuge erkundet. Die durch die Kernspaltung freigesetzte hohe Energie könnte es Raumfahrzeugen ermöglichen, mit deutlich höherer Geschwindigkeit zu reisen und weit entfernte Ziele im Weltraum zu erkunden.
Der nukleare Antrieb im Weltraum basiert auf der Idee, einen Kernreaktor an Bord eines Raumfahrzeugs zu nutzen, um Treibstoff, beispielsweise Wasserstoff, zu erhitzen und durch einen Antriebsmotor auszustoßen. Die durch die Kernspaltung freigesetzte Energie wird genutzt, um diesen Treibstoff auf extrem hohe Temperaturen zu erhitzen, wodurch ein Hochgeschwindigkeits-Ausstoßstrahl entsteht, der das Raumfahrzeug vorwärts treibt.
Beispiel
Das Orion-Projekt der NASA ist ein zentrales Beispiel für ein nukleares Antriebssystem, das die Reisezeit zwischen Planeten erheblich verkürzen könnte. Diese Technologie könnte den Weg für bemannte Missionen zum Mars und darüber hinaus ebnen.
Beispiel 3: Produktion von Radioisotopen
Durch Kernspaltung werden Radioisotope erzeugt, die in zahlreichen medizinischen, industriellen und wissenschaftlichen Bereichen Anwendung finden. Beispielsweise wird das Radioisotop Technetium-99m in der Nuklearmedizin zur bildgebenden Diagnostik eingesetzt.
Radioisotope sind instabile Atome, die ionisierende Strahlung abgeben. Diese Strahlung wird in der Medizin zur Diagnose von Krankheiten und in Therapien zur Behandlung bestimmter Krebsarten eingesetzt. Um eine konstante und zuverlässige Versorgung mit diesen lebenswichtigen Stoffen zu gewährleisten, ist eine kontrollierte Produktion von Radioisotopen in Kernreaktoren unabdingbar.
Beispiel
Technetium-99m ist für medizinische Verfahren wie Knochenscans unverzichtbar, die Ärzten bei der Diagnose von Knochenerkrankungen und der Beurteilung der Schilddrüsenfunktion helfen.
Beispiel 4: Atomwaffen
Obwohl dies ein kontroverses Beispiel ist, wurde die Kernspaltung auch bei der Herstellung von Atomwaffen eingesetzt. Diese Waffen machen sich die extrem starke Energiefreisetzung bei der Kernspaltung zunutze, um verheerende Explosionen hervorzurufen.
Auf Kernspaltung basierende Atomwaffen funktionieren durch die Erzeugung einer unkontrollierbaren Kettenreaktion, bei der eine Reihe von Uran-235- oder Plutonium-239-Atomkernen gespalten werden und in Form einer Atomexplosion enorme Energiemengen freisetzen. Dieser Waffentyp verfügt über eine verheerende Zerstörungskraft und hat zu internationalen Bemühungen geführt, seine Verbreitung einzuschränken.
Beispiel
Die Entwicklung der Atombombe im Rahmen des Manhattan-Projekts unter der Leitung des Physikers Robert Oppenheimer war das erste Beispiel, bei dem die Kernspaltung zur Herstellung einer Bombe genutzt wurde. Die Atombombenabwürfe auf Hiroshima und Nagasaki im Zweiten Weltkrieg sind ein tragisches Beispiel für die zerstörerische Wirkung von Atomwaffen, die auf Kernspaltung basieren.
Detonation einer Atombombe
Atombomben nutzen die Kernspaltung, um in kurzer Zeit große Energiemengen freizusetzen. Bei der Spaltung von Uran-235 oder Plutonium-239 werden Neutronen freigesetzt, die weitere Spaltungen auslösen, eine unkontrollierte Kettenreaktion auslösen und eine verheerende Explosion auslösen.
Beispiel 5: Natürliche Kernreaktionen auf der Erde
An bestimmten Orten auf der Erde, beispielsweise in der Oklo-Lagerstätte in Gabun, wurde eine natürliche, spontane Kernreaktion entdeckt, die vor etwa 2 Milliarden Jahren stattfand.
Zu dieser Art natürlicher Kernspaltung kommt es, wenn die geologischen Bedingungen es einem Kernreaktor erlauben, über lange Zeit hinweg autark zu bleiben.
Beispiel 6: Kernforschung
Auch in der wissenschaftlichen Forschung spielt die Kernspaltung eine entscheidende Rolle. Teilchenbeschleuniger und Forschungsreaktoren nutzen die Kernspaltung, um die Struktur der Materie zu untersuchen und kontrollierte Kernexperimente durchzuführen.
Forschungsreaktoren sind Anlagen, die speziell für die Durchführung kontrollierter Kernexperimente konzipiert sind. Diese Reaktoren werden in zahlreichen Bereichen eingesetzt, von der Teilchenphysik über die medizinische Forschung bis hin zur Erzeugung von Isotopen für industrielle und medizinische Anwendungen.
Beispiel
Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN nutzt Beschleuniger, die die Prinzipien der Kernspaltung nutzen, um subatomare Teilchen kollidieren zu lassen und so grundlegende physikalische Phänomene zu untersuchen.
Beispiel 7: Gewinnung von Plutonium aus Uran
In einem Kernreaktor ist Uran-238 (U-238), das den größten Teil des natürlichen Urans ausmacht, nicht von selbst spaltbar. Wenn Uran-238 jedoch während der Kernspaltung ein Neutron einfängt, verwandelt es sich in Uran-239. Dieses Isotop ist instabil und wird durch eine Reihe von Betazerfällen zu Neptunium-239 und dann zu Plutonium-239 (Pu-239), einem spaltbaren Isotop.
Dieser Prozess läuft im Reaktor kontinuierlich ab und das erzeugte Plutonium-239 kann an Spaltreaktionen teilnehmen, wobei große Mengen Energie freigesetzt werden.
Das auf diese Weise gewonnene Plutonium-239 ist sowohl für Kernreaktoren als auch für die Herstellung von Atomwaffen von entscheidender Bedeutung. In Reaktoren kann Plutonium-239 als Kernbrennstoff verwendet werden, da es auch spaltbar ist, wodurch mehr Energie erzeugt werden kann. Im militärischen Bereich ist dieses Isotop wertvoll, da es aufgrund seiner Fähigkeit, in einer nuklearen Kettenreaktion Energie freizusetzen, bei der Herstellung von Atomwaffen verwendet wird.