Sie haben sicher schon von Atom- (oder Kern-) bomben gehört — einem Beispiel für die militärische Nutzung von Kernenergie. Eine Atombombe ist ein Gerät, das eine unkontrollierte Kettenreaktion von spaltbarem Material beinhaltet. Dieser Prozess verläuft extrem schnell, sodass sich die Energie aufbaut und die Temperatur extrem hoch wird und Zehnmillionen von Grad erreicht.

Little Boy (Bildquelle: US National Archives, RG 77-AEC, 1960 freigegeben).

Der Druck innerhalb des spaltbaren Materials bei einer solchen Temperatur wird enorm und das Gerät explodiert. Damit dies geschieht, muss die Bombe eine kritische Masse (sogar eine überkritische Masse) an spaltbarem Material enthalten. Das bedeutet jedoch nicht, dass das gesamte Material gespalten wird. Die Explosion geschieht, bevor alle ²³⁵U-Kerne die Möglichkeit haben, die Spaltung zu durchlaufen — bei der auf Hiroshima abgeworfenen Bombe beispielsweise haben nur etwa 2 % der Urankerne die Spaltung durchlaufen. Das war dennoch ausreichend, um enorme Zerstörungen zu verursachen.

Die tödliche Wirkung solcher Bomben wirft wichtige ethische Fragen hinsichtlich Forschung und Entwicklung solcher Waffen auf.

Die Möglichkeit, dass Terroristen Atomwaffen erlangen und einsetzen könnten, ist eine dringende und potenziell katastrophale Herausforderung für die globale Sicherheit. Im April 2010 konzentrierte sich der Nuklearsicherheitsgipfel in Washington, D.C., auf die Bedrohung durch nuklearen Terrorismus, und die Teilnehmer trafen konkrete Vereinbarungen, wie etwa die Verbesserung der Sicherheit von Kernmaterialien und die Verringerung der Verfügbarkeit von Plutonium und hochangereichertem Uran.

Kernenergie kann in sehr kleinen Geräten wie Batterien eingesetzt werden. Bei der Erkundung von Planeten und des Weltraums benötigt man langlebige und effiziente Batterien (tatsächlich werden die sogenannten Herzschrittmacher, die von Menschen mit schweren Herzerkrankungen verwendet werden, ebenfalls von solchen Batterien betrieben). Radioaktive Energiequellen werden seit 1961 für diesen Zweck eingesetzt.

Es gibt zwei Arten solcher Energiequellen:

1) Thermoionische Radiosisotopgeneratoren, bei denen die nukleare Wärme zur Erzeugung einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen zwei metallischen Elektroden genutzt wird, und

2) RTG — Radioisotop-Thermoelektrogeneratoren, bei denen die Zerfallswärme von z. B. ²³⁸Pu (0,56 W/g) zur Erwärmung eines p-n-Typ-Halbleiterübergangs (Thermoelement) verwendet wird

Die Raumsonden Voyager, die Galileo-Mission zum Jupiter und die Cassini-Mission zum Saturn werden alle von RTGs angetrieben. Die Mars-Rover Spirit und Opportunity nutzen Solarpanele für Elektrizität und RTGs für Wärme. Der Mars-Rover Curiosity nutzt RTGs für Wärme und Elektrizität, da Solarpanele allein nicht ausreichend Strom liefern könnten.

Kleine Kernreaktoren, die thermoelektrische oder thermoionische Wandler verwenden, wurden konstruiert und werden für verschiedene Anwendungen in Raumfahrzeugen entwickelt, beispielsweise für deren Antrieb.

Die Verwendung von Kernbrennstoff in einem Kernreaktor führt zu einer Energieausbeute, die etwa 100 Millionen (10⁸) Mal größer ist als die bei Verwendung einer äquivalenten Menge chemischer Reaktanten!

Bisher wurden zwei Antriebssysteme mit Kernreaktoren entwickelt. Das erste, das sogenannte nuklear-thermische Antriebssystem (kurz NTR für Nuclear Thermal Rockets), besteht in der Erhitzung von Wasserstofftreibstoff, der bei niedrigen Temperaturen in flüssiger Form gespeichert wird. Das Wasserstoffgas bei etwa 2500 °C wird dann durch eine Düse ausgestoßen, um Schub zu erzeugen. Das zweite System, der nuklear-elektrische Antrieb (NEP), besteht darin, Kernenergie in Elektrizität umzuwandeln und diese dann zur Versorgung eines geeigneten elektromagnetischen Geräts zu nutzen, das Ionen auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Die beschleunigten Ionen erzeugen beim Durchgang durch einen Neutralisator in der Düse einen Strahl neutraler Atome, der den Motor verlässt und Schub erzeugt. Diese Art des Antriebs wurde bei zahlreichen, vor allem sowjetischen, Orbitalmissionen eingesetzt. Besonders bei Langzeitmissionen ist der Nuklearantrieb dem chemischen Antrieb vorzuziehen.

Der Einsatz von Kernenergie in U-Booten und Flugzeugen wurde fast von Beginn der Geschichte der Kernreaktoren an in Betracht gezogen. Die mit dem Einsatz von Kernreaktoren in Flugzeugen verbundene Gefahr hat eine echte Entwicklung der Idee weder in der zivilen noch in der militärischen Luftfahrt ermöglicht, obwohl die Idee für den Antrieb von Raumfahrzeugen entwickelt wurde, eingesetzt wird und noch weiterentwickelt wird. Jedoch wird der Nuklearantrieb sehr erfolgreich in modernen Marine- und Zivilschiffen eingesetzt.

Das erste atomgetriebene U-Boot der USA, die „Nautilus", dessen Bau bereits 1946 begann und das 1954 vom Stapel lief, war das erste, das am 23. Juli 1958 unter der arktischen Eiskappe den Nordpol überquerte. Der atomgetriebene Eisbrecher „Arktika" der ehemaligen Sowjetunion war das erste Überwasserschiff, das am 17. August 1977 den Nordpol erreichte. Die USA bauten auch Flugzeugträger. Der erste, die USS Enterprise, lief 1960 vom Stapel. Das erste Frachtschiff, NS Savannah, wurde 1959 in den USA vom Stapel gelassen. Japan ließ das Handelsschiff Mutsu 1962 vom Stapel.

Die in der Marinefahrt verwendeten Reaktoren sind vom Typ PWR. Alle russischen U-Boote und alle Überwasserschiffe werden von zwei Reaktoren angetrieben. Daher ist es wichtig, dass diese Reaktoren so kompakt wie möglich sind. Ursprünglich wurde dies durch die Verwendung von hochangereichertem Kernbrennstoff erreicht: ²³⁵U-Konzentrationen von 90 %. In jüngerer Zeit sind jedoch Anreicherungsgrade von etwa 20–25 % in US-amerikanischen Reaktorkernen und etwa 50 % in russischen häufiger.

Auf den ersten Blick erscheint es naheliegend, Autos mit Kernenergie antreiben zu wollen. Insbesondere könnte der Motor viele Jahre lang laufen, ohne dass die Brennelemente ausgetauscht werden müssten. Allerdings würde die Energiequelle — eigentlich ein kleiner Kernreaktor — Neutronen produzieren, die eine stark ionisierende Strahlung darstellen. Diese Strahlung wäre schädlich für alle im Auto und sogar für Fußgänger in der Nähe. Um den Fahrer und die Passagiere nicht der Neutronenstrahlung auszusetzen, müsste der biologische Schutzschild des Kerns sehr voluminös und sehr schwer sein — etwas, das nicht wirklich mit unserer heutigen Vorstellung von einem nützlichen Personenkraftwagen vereinbar ist.

Aber selbst wenn es gelänge, ein sicheres Auto unter Verwendung z. B. effizienter thermoelektrischer Wandler zu bauen, bliebe noch das Problem der Kontrolle der radioaktiven Materialien.

Das Ford Nucleon war ein maßstabsgetreues Konzeptauto, das 1958 von der Ford Motor Company als Vorstellung entwickelt wurde, wie ein atomgetriebenes Auto aussehen könnte. Das Design enthielt keinen Verbrennungsmotor; stattdessen sollte das Fahrzeug von einem kleinen Kernreaktor im Heck des Fahrzeugs angetrieben werden, basierend auf der Annahme, dass dies eines Tages aufgrund schrumpfender Größen möglich sein würde. Das Auto sollte eine Dampfmaschine verwenden, die durch Uranspaltung angetrieben wird, ähnlich wie bei Atom-U-Booten.

Wasserstoff spielt eine zunehmende Rolle in der Chemie, in der Landwirtschaft (Produktion von Stickstoffdünger), in der Ölindustrie und als potenzielle Energiequelle, d. h. als Kraftstoff. Es ist zu erwarten, dass unter den vielfältigen möglichen Anwendungen von Wasserstoff seine Verwendung in Brennstoffzellen am populärsten werden wird. Angesichts des wachsenden Interesses an Wasserstoff gibt es Schätzungen, dass die für seine Produktion benötigte Energie schon bald so groß sein könnte wie die gegenwärtige Produktion elektrischer Energie.

Man ist daher sehr an effizienten Energiequellen interessiert, die Wasserstoff produzieren können, und hier könnte der Einsatz von Kernreaktoren von entscheidender Hilfe sein. Reaktoren können elektrische Energie für die Elektrolyse von Wasser erzeugen. Die nukleare Wärmeenergie kann auch für die Wasserstoffproduktion aus Erdgas und in thermochemischen Prozessen aus Wasser verwendet werden. Im Gegensatz zum chemischen Prozess, bei dem der Dampf Erdgas reformiert, haben thermochemische Reaktionen den Vorteil, dass kein Kohlendioxid produziert wird. Da in beiden Fällen relativ hohe Temperaturen benötigt werden (1000–1300 K), werden für diesen Zweck wahrscheinlich Hochtemperaturreaktoren eingesetzt. Während sie als normale Kernkraftwerke arbeiten und tagsüber Strom ins Netz liefern, könnten solche Reaktoren nachts Wasserstoff produzieren und so die Wasserstofflieferung für den nächsten Tag vorbereiten.

Kernenergie wird bereits für die Entsalzung von Wasser eingesetzt — ein Problem von extremer Wichtigkeit für einen großen Teil der Welt, der unter Trinkwassermangel leidet, ein besonders schwerwiegendes Problem in Asien und Nordafrika. Solche Reaktoren können darüber hinaus Strom erzeugen, d. h. als kleine Kernkraftwerke arbeiten. Ein Beispiel für einen Kernreaktor, der sowohl Strom als auch entsalztes Wasser produziert, ist der Schnellreaktor BN-350 in Aktau, Kasachstan. Japan, Russland und Kanada haben alle Erfahrung mit Kernreaktoren, die bei der Wasserentsalzung eingesetzt werden, und die Internationale Atomenergiebehörde (IAEA) fördert diese Nutzung der Kernenergie nachdrücklich. Die Idee ist, die Kernkraftwerke für die Stromerzeugung für das Netz in Zeiten der größten Nachfrage zu nutzen und wenn die Nachfrage sinkt, einen Teil des erzeugten Stroms für Entsalzungszwecke zu verwenden. In Indien, China, Russland, Pakistan, Tunesien, Marokko, Ägypten, Algerien, Iran, Südkorea, Indonesien und Argentinien werden Projekte entwickelt.

Neutronen sind Teilchen von großem wissenschaftlichem Interesse. Sie mögen keine Ladung haben, aber sie wirken wie winzige Magnete: Wir sagen, dass sie ein magnetisches Moment besitzen. Freie Neutronen zerfallen in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino mit einer Halbwertszeit von 10,25 Minuten, sodass in der Sonne produzierte Neutronen keine Chance haben, unseren Planeten zu erreichen. Obwohl sie angeblich keine elektrische Ladung haben, suchen Physiker immer noch nach einer winzigen Ladung; es wäre eine Schlagzeile, wenn eine solche Ladung gefunden würde. Bisher wurde nachgewiesen, dass die Ladung kleiner als 10^-21 Elementarladungen sein muss! Aber wir wissen, dass es positive und negative Ladungen innerhalb eines Neutrons gibt, und das lässt uns fragen, ob sie ein sogenanntes elektrisches Dipol bilden, bei dem positive und negative Ladungen durch einen kleinen Abstand getrennt sind. Bisher wurde experimentell nachgewiesen, dass eine solche Trennung kleiner als 10^-26 cm sein muss, was von der Genauigkeit aktueller Experimente zeugt.

Um solche Studien durchzuführen, benötigt man viele Neutronen, und Kernreaktoren sind äußerst nützlich, da sie gigantische Neutronenfabriken sind. Reaktoren, die für die Erzeugung von Neutronen für Experimente ausgelegt sind, werden Forschungsreaktoren genannt. Forschungsreaktoren haben zahlreiche Anwendungen in Wissenschaft, Medizin und Technik.

TRIGA-Forschungsreaktor am AERE in Bangladesch (Bildnachweis: IAEA).

Die beliebtesten Neutronenquellen für die Forschung sind stationäre Reaktoren, die kontinuierlich Neutronen produzieren. Bei den meisten von ihnen ist der Reaktorkern in einem Wasserbecken untergetaucht. Das Wasser bildet einen Teil des Kühlsystems, dient als biologischer Schutzschild und ist auch Teil des Neutronenmoderators. Alle Kernkraftwerke verwenden stationäre Reaktoren.

Es gibt auch gepulste Neutronenquellen, die periodische Neutronenstöße produzieren. Einige davon verwenden eine Spallationsreaktion anstelle der Spaltung.

Ein Prozess, der heute große Geschicklichkeit erfordert, trat tatsächlich vor etwa zwei Milliarden Jahren spontan in der Natur auf. In der Uranmine Oklo in Gabun, Westafrika, wurde im Juni 1972 eine sensationelle Entdeckung gemacht. Es wurde entdeckt, dass der Gehalt an ²³⁵U im Uranerz erheblich kleiner als die anderswo gefundenen 0,72 % war. Wie konnte das sein?

Da ²³⁵U eine kürzere Halbwertszeit als ²³⁸U hat, muss die relative Häufigkeit von ²³⁵U im Uran vor 2 Milliarden Jahren auf einem Niveau von 3–4 % anstatt der typischen 0,72 % gelegen haben. Aber eine 3–4 %-ige Anreicherung von Uran in ²³⁵U ist recht typisch für heutige Kraftwerksreaktoren. Die hydrogeologischen Bedingungen rund um das angereicherte Uranerz waren für eine Kettenreaktion günstig. Wasser ist ein guter Neutronenmoderator und kann auch als Reflektor dienen. Der „Reaktor" konnte funktionieren, wenn Wasser vorhanden war. Als das Wasser verdampfte, hörte der Reaktor auf zu arbeiten, bis wieder frisches Wasser in der Nähe des Uranerzes verfügbar war. Das Erz wurde stetig ärmer an ²³⁵U, sodass das 1972 Entdeckte ²³⁵U war, das durch diesen natürlichen Spaltungs-„Reaktor" abgereichert worden war.

Es wird geschätzt, dass diese natürlichen Reaktoren (bisher wurden in Oklo 17 fossile Reaktoren entdeckt) etwa 1 Million Jahre lang in Betrieb waren. Die Studien haben gezeigt, dass Oklos Reaktoren auch ²³⁹Pu produziert haben, das (durch Alpha-Zerfall) zu ²³⁵U zerfiel, sodass es sich um natürliche Brutreaktoren handelte! Oklo war ein Geschenk für die Menschheit, da Studien darüber, wie Oklos langlebige Spaltprodukte durch den Boden diffundieren, uns ermöglichen, die Wirksamkeit unterirdischer Endlager für Atommüll, die derzeit gebaut werden, abzuschätzen.