HT 4 — Tritium im ehemaligen Kernkraftwerk Fukushima Daiichi
Am 11. März 2011 gab es vor der japanischen Ostküste mit einem Erdbeben und resultierender Tsunamie-Flutwelle eine folgenschwere Naturkatastrophe. Das am Meer gelegene Kernkraftwerk in Fukushima Daiichi wurde davon so stark getroffen, dass in der Folge drei der sechs Reaktoren teilweise zerstört wurden. Später wurden die zerstörten Reaktoren mit einer großen Menge Wasser gekühlt. Dieses Kühlwasser ist mit radioaktiven Stoffen kontaminiert und lagert seitdem in Tanks auf dem Werksgelände. Bevor dieses Wasser wieder in die Umwelt gelangen kann, muss es so aufbereitet sein, dass die radioaktiven Stoffe weitgehend entfernt sind. Dies ist technisch für fast alle radioaktiven Nuklide möglich, allerdings nicht für das Wasserstoffisotop 
dem sogenannten Tritium.
Beim radioaktiven Wasserstoffisotop Tritium 
handelt es sich um einen 
Strahler.
Gib die vollständige Zerfallsgleichung des Tritiums an und beschreibe anhand von Abbildung 1 in Material 1 allgemein den Ablauf seiner Umwandlung auf Quarkebene.
Bestimme anhand von Abbildung 2 und Abbildung 3 in Material 1 die Maximalenergie der Elektronen aus der Strahlung sowie deren maximale Reichweite 
in Wasser.
In einem gefüllten Wassertank befindet sich leicht radioaktives Wasser. In einer Messreihe wird über einen langen Zeitraum alle fünf Tage eine immer gleich große Probe entnommen und deren Aktivität gemessen. In Abbildung 4 in Material 1 sind die Aktivitätswerte dieser Messreihe zusammen mit einer Näherungslinie für diesen Zeitbereich dargestellt.
Zeige für die in Abbildung 4 aufgetragenen Messwerte, dass die Halbwertszeit 
des dort beobachteten Zerfalls mit der des Tritiums vereinbar ist.
Hinweis: Die Halbwertszeit des Tritiums kann der Nuklidkarte entnommen werden.
Erkläre anhand von Abbildung 5 und Abbildung 6 in Material 2, dass bei der Spaltung eines 
Kerns in zwei mittelschwere Kerne mit (
) Energie freigesetzt wird und erläutere, dass im Brennelement eines Kernkraftwerks diese Energiefreisetzung in Form einer sogenannten „Kettenreaktion“ stattfindet.
Einer der vielen möglichen Spaltprozesse erzeugt das Bariumisotop 
Gib die vollständige Reaktionsgleichung der speziellen Spaltreaktion des 
an, bei der 
zusammen mit drei Neutronen entsteht, und bestimme anhand von Tabelle 1 in Material 2 die dabei frei werdende Kernbindungsenergie in der Maßeinheit 
Im Betrieb eines Kernreaktors entstehen die meisten radioaktiven Nuklide im Kernbrennstoff der Brennelemente. In Tabelle 2 in Material 2 ist die Zusammensetzung des Kernbrennstoffs vor und nach der Nutzung im Reaktorbetrieb angegeben. Es zeigt sich, dass nach der Nutzung neue Bestandteile des Kernbrennstoffs hinzugekommen sind.
Erläutere die Prozesse während der Nutzung des Kernbrennstoffs, die zur Entstehung der hinzugekommenen Bestandteile führen.
Die Neubildung von Tritium in einem Kernkraftwerk findet ausschließlich während des Reaktorbetriebs statt. Der wesentliche Anteil des Tritiums entsteht direkt beim Prozess der Kernspaltung im Spaltmaterial. Dieser Anteil des Tritiums wurde bei der Katastrophe in Fukushima Daiichi aus dem zerstörten Inneren der Reaktoren ins Kühlwasser freigesetzt.
Begründe unter Verwendung von Abbildung 7 in Material 3, dass Tritium durch den in Abbildung 6 dargestellten „typischen“ Spaltprozess praktisch nicht entstehen kann, aber dennoch gemäß den Informationen in Text 1 in Material 3 etwa in 
aller Spaltprozesse entsteht.
Beurteile anhand der Texte 2 und 3 im Material 4, ob die Ableitung des kontaminierten Kühlwassers ins Meer eine ernst zu nehmende Gefahr für Gesundheit und Umwelt darstellt.
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Material 1
Abbildung 1: 
Umwandlung auf Quarkebene
Abbildung 2: Energieverteilung der Elektronen beim Zerfall des Tritiums
(Quelle verändert; Zugriff: 11.03.2026)
Abbildung 3: Reichweite 
von Elektronen in Wasser
Abbildung 4: Gemessene Aktivitäten der Wasserproben zusammen mit einer an die Messwerte angepassten Näherungslinie
Material 2
Abbildung 5: Mittlere Nukleonenbindungsenergien als Funktion der Massenzahl
(Quelle verändert; Zugriff 10.03.2026)
Abbildung 6: Typischer Spaltprozess eines Urankerns
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Nuklid |
Kernmasse in |
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Tabelle 1: Kernmassen
(Quelle Zugriff: 10.03.2026)
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vor der Nutzung im Reaktor |
nach der Nutzung im Reaktor |
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Nuklide mit |
– |
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– |
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– |
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Tabelle 2: Nuklidanteile im Spaltmaterial vor und nach der Nutzung im Reaktor
Material 3
Abbildung 7: Relative Häufigkeit der mittelschweren Spaltprodukte bei Spaltprozessen von 
(Spaltprodukte mit Massenzahlen außerhalb des dargestellten Bereichs kommen bei typischen Spaltprozessen des noch seltener vor als die im abgebildeten Bereich)
(Quelle: Metzler Physik, 3. Auflage, Schroedel 1998, S. 515, Darstellung vereinfacht)
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Bei der neutroneninduzierten Spaltung des |
Text 1: Informationen zur Anzahl der Spaltprodukte bei der Kernspaltung von
(Quelle Zugriff: 10.03.2026))
Material 4
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[...] Tritium gibt nur niederenergetische Betateilchen ab, von denen angenommen wird, dass sie minimale Risiken für Meereslebewesen und Menschen darstellen. TEPCO [die Betreiberfirma von Fukushima] plant, das kontaminierte Wasser mit großen Mengen Meerwasser zu verdünnen, um die Tritiumwerte unter die geltenden Normen für Trinkwasser zu senken, bevor es durch ein Rohr Ein „trinkwassersicherer Wert“ klingt beruhigend, ist aber immer noch tausendmal höher als der natürliche Wert im Meerwasser, sagt Robert Richmond (Professor und Direktor des Kewalo Marine Laboratory der Universität von Hawaii). Das Wasser wird jahrzehntelang an einer einzigen Stelle abgelassen, sodass Tritium, das in Tier- und Pflanzengewebe gebunden werden kann, [...] sich in Meeresorganismen anreichert und über die Nahrungskette zu Fischen und Menschen gelangt. „Dies hat reale Auswirkungen auf das Leben im Meer und das menschliche Leben, das mit unseren Ozeanen verbunden ist, jetzt und in der Zukunft“, sagt Richmond. [...] |
Text 2: Ökologische Einordnung der Tritium-Einleitung ins Meer
(Quelle verändert; Zugriff: 10.03.2026))
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Das gesamte in Fukushima Daiichi gelagerte Wasser enthält rund Aber es entstehen auch jedes Jahr rund Vor dem Unfall von Fukushima Daiichi wurden allein in Japan jedes Jahr rund Aus der jahrzehntelangen weltweiten Erfahrung ist auch klar, dass keine unbekannten Folgen zu erwarten sind. Es handelt sich um einen regelmäßig durchgeführten und gut erprobten Vorgang. […] |
Text 3: Vergleichende Einordnung der Tritium-Einleitung ins Meer
(Quelle verändert; Zugriff: 10.03.2026, basierend auf: Quelle und Quelle)
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Die vollständige Zerfallsgleichung für das Isotop Tritium () lautet:
Auf der Quarkebene kann der 
Zerfall als „Umwandlung“ eines 
-Quarks in ein 
-Quark beschrieben werden. Ein Neutron besteht aus zwei -Quarks und einem -Quark, während ein Proton aus zwei -Quarks und einem -Quark besteht. Folglich wird beim Zerfall ein Neutron zu einem Proton und dadurch der Tritiumkern zu einem 
Kern. Bei diesem Umwandlungsprozess entstehen ein Elektron 
als messbare Strahlung sowie ein Antineutrino 
Aus dem Energiespektrum (Abbildung 2) der beim Zerfall freiwerdenden Elektronen geht eine Maximalenergie von etwa 
hervor.
Gemäß Abbildung 3 haben die Elektronen, welche diese maximale kinetische Energie 
besitzen, eine maximale Reichweite in Wasser von circa 
Anhand der durch die Messwerte gelegten Ausgleichsgerade lassen sich zwei markante Datenpunkte für die Aktivität bestimmen:
-
Anfangsaktivität:
-
Aktivität zum Zeitpunkt
Mithilfe dieser beiden Datenpaare kann mit 
die Halbwertszeit 
berechnet werden. Die Umformung der Gleichung nach ergibt:
![Formula: \begin{array}{rcll} A(t) & = & A_{0} \cdot 2^{-\frac{t}{T_{\mathrm{H}}}} \quad&\mid : A_{0} \\[5pt] \dfrac{A(t)}{A_{0}} & = & 2^{-\frac{t}{T_{\mathrm{H}}}} \quad&\mid \ln \\[5pt] \ln\left(\dfrac{A(t)}{A_{0}}\right) & = & -\dfrac{t}{T_{\mathrm{H}}} \cdot \ln(2) \quad&\mid \cdot \dfrac {T_{\mathrm{H}}}{\ln\left(\tfrac{A(t)}{A_{0}}\right)} \\[5pt] T_{\mathrm{H}} & = & \dfrac{-t \cdot \ln(2)}{\ln\left(\tfrac{A(t)}{A_{0}}\right)} \end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/4bac61d2a43206c444b58fa6d8990005ccac01fcdd11af2a8115875ef59d00f0_light.svg)
![Formula: \begin{array}{rcll} A(t) & = & A_{0} \cdot 2^{-\frac{t}{T_{\mathrm{H}}}} \quad&\mid : A_{0} \\[5pt] \dfrac{A(t)}{A_{0}} & = & 2^{-\frac{t}{T_{\mathrm{H}}}} \quad&\mid \ln \\[5pt] \ln\left(\dfrac{A(t)}{A_{0}}\right) & = & -\dfrac{t}{T_{\mathrm{H}}} \cdot \ln(2) \quad&\mid \cdot \dfrac {T_{\mathrm{H}}}{\ln\left(\tfrac{A(t)}{A_{0}}\right)} \\[5pt] T_{\mathrm{H}} & = & \dfrac{-t \cdot \ln(2)}{\ln\left(\tfrac{A(t)}{A_{0}}\right)} \end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/4bac61d2a43206c444b58fa6d8990005ccac01fcdd11af2a8115875ef59d00f0_dark.svg)
Durch Einsetzen der abgelesenen Datenpaare folgt:
![Formula: \begin{array}{rcl} T_{\mathrm{H}} & = & \dfrac{-200\;\mathrm{d} \cdot \ln(2)}{\ln\left(\tfrac{805\;\mathrm{Bq}}{830\;\mathrm{Bq}}\right)} \\[5pt] & \approx & 4530\;\mathrm{d} \approx 12,4\;\mathrm{a} \end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/569b20efdc057b6c3fa414600c877ac69f36f2792caf6a494481e27df7804e49_light.svg)
![Formula: \begin{array}{rcl} T_{\mathrm{H}} & = & \dfrac{-200\;\mathrm{d} \cdot \ln(2)}{\ln\left(\tfrac{805\;\mathrm{Bq}}{830\;\mathrm{Bq}}\right)} \\[5pt] & \approx & 4530\;\mathrm{d} \approx 12,4\;\mathrm{a} \end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/569b20efdc057b6c3fa414600c877ac69f36f2792caf6a494481e27df7804e49_dark.svg)
Dieses Ergebnis von 
deckt sich unter Berücksichtigung der Ablesegenauigkeit mit dem Literaturwert der Nuklidkarte für Tritium, welcher 
beträgt.
Abbildung 5 verdeutlicht, dass der Betrag der mittleren Bindungsenergie pro Nukleon für sehr schwere Kerne bis zu einer Massenzahl von 
mit abnehmender Massenzahl kontinuierlich ansteigt. Erfolgt die Spaltung eines 
Kerns in zwei mittelschwere Fragmente mit jeweils 
so vergrößert sich folglich der Betrag der mittleren Bindungsenergie pro Nukleon. Da die Gesamtbindungsenergie der beiden Spaltprodukte betragsmäßig größer ist als die Bindungsenergie des ursprünglichen Urankerns, wird die Differenz dieser Bindungsenergien während des Spaltprozesses freigesetzt.
Zur Einleitung der Spaltung eines Kerns, muss dieser zunächst von einem Neutron getroffen werden. Bei diesem Vorgang werden wiederum 2 bis 3 neue Neutronen emittiert, welche ihrerseits weitere Kernspaltungen hervorrufen können. Diese fortlaufende Energiefreisetzung innerhalb des Brennelements erfolgt somit in Form einer Kettenreaktion.
Die gesuchte Spaltreaktion, bei der 
und drei Neutronen entstehen, lautet wie folgt:
Die dabei freiwerdende Kernbindungsenergie resultiert aus dem Massendefekt 
dieser Spaltreaktion:
![Formula: \begin{array}{rcl} \Delta E & = & \Delta m \cdot c^{2} \\[5pt] & = & [m_{\mathrm{U-235}} + m_{\mathrm{n}} \\[5pt]&\phantom{=}& - (m_{\mathrm{Ba-138}} + m_{\mathrm{Kr-95}} + 3 \cdot m_{\mathrm{n}})] \cdot c^{2} \quad&\mid \text{Einsetzen} \\[5pt] & = & [(3,90154 - 2,28910 - 1,57594 - 2 \cdot 0,0167492) \\[5pt]&\phantom{=}& \cdot 10^{-25}\;\mathrm{kg}] \cdot (2,9979 \cdot 10^{8}\;\dfrac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}})^{2} \\[5pt] & = & [0,0030016 \cdot 10^{-25}\;\mathrm{kg}] \cdot 8,98755 \cdot 10^{16}\; \dfrac{\mathrm{m}^2}{\mathrm{s}^2} \\[5pt] & \approx & 2,696 \cdot 10^{-11} \;\mathrm{J} \end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/814c4907a63179defcc749610e85933c4ef247b2cbb9c572b59606e6676bdfd3_light.svg)
![Formula: \begin{array}{rcl} \Delta E & = & \Delta m \cdot c^{2} \\[5pt] & = & [m_{\mathrm{U-235}} + m_{\mathrm{n}} \\[5pt]&\phantom{=}& - (m_{\mathrm{Ba-138}} + m_{\mathrm{Kr-95}} + 3 \cdot m_{\mathrm{n}})] \cdot c^{2} \quad&\mid \text{Einsetzen} \\[5pt] & = & [(3,90154 - 2,28910 - 1,57594 - 2 \cdot 0,0167492) \\[5pt]&\phantom{=}& \cdot 10^{-25}\;\mathrm{kg}] \cdot (2,9979 \cdot 10^{8}\;\dfrac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}})^{2} \\[5pt] & = & [0,0030016 \cdot 10^{-25}\;\mathrm{kg}] \cdot 8,98755 \cdot 10^{16}\; \dfrac{\mathrm{m}^2}{\mathrm{s}^2} \\[5pt] & \approx & 2,696 \cdot 10^{-11} \;\mathrm{J} \end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/814c4907a63179defcc749610e85933c4ef247b2cbb9c572b59606e6676bdfd3_dark.svg)
![Formula: \begin{array}{rcl} \Delta E & = & \Delta m \cdot c^{2} \\[5pt] & = & [m_{\mathrm{U-235}} + m_{\mathrm{n}} \\[5pt]&\phantom{=}& - (m_{\mathrm{Ba-138}} + m_{\mathrm{Kr-95}} + 3 \cdot m_{\mathrm{n}})] \cdot c^{2} \\[5pt] & = & [(3,90154 - 2,28910 - 1,57594 \\[5pt]&\phantom{=}& - 2 \cdot 0,0167492) \cdot 10^{-25}\;\mathrm{kg}] \\[5pt]&\phantom{=}&\cdot (2,9979 \cdot 10^{8}\;\dfrac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}})^{2} \\[5pt] & = & [0,0030016 \cdot 10^{-25}\;\mathrm{kg}] \\[5pt]&\phantom{=}& \cdot 8,98755 \cdot 10^{16}\; \dfrac{\mathrm{m}^2}{\mathrm{s}^2} \\[5pt] & \approx & 2,696 \cdot 10^{-11} \;\mathrm{J} \end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/d95d19fc596e17009e792b746aa1a04669bbd197d26ab4c739d8b575f8d2284f_light.svg)
![Formula: \begin{array}{rcl} \Delta E & = & \Delta m \cdot c^{2} \\[5pt] & = & [m_{\mathrm{U-235}} + m_{\mathrm{n}} \\[5pt]&\phantom{=}& - (m_{\mathrm{Ba-138}} + m_{\mathrm{Kr-95}} + 3 \cdot m_{\mathrm{n}})] \cdot c^{2} \\[5pt] & = & [(3,90154 - 2,28910 - 1,57594 \\[5pt]&\phantom{=}& - 2 \cdot 0,0167492) \cdot 10^{-25}\;\mathrm{kg}] \\[5pt]&\phantom{=}&\cdot (2,9979 \cdot 10^{8}\;\dfrac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}})^{2} \\[5pt] & = & [0,0030016 \cdot 10^{-25}\;\mathrm{kg}] \\[5pt]&\phantom{=}& \cdot 8,98755 \cdot 10^{16}\; \dfrac{\mathrm{m}^2}{\mathrm{s}^2} \\[5pt] & \approx & 2,696 \cdot 10^{-11} \;\mathrm{J} \end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/d95d19fc596e17009e792b746aa1a04669bbd197d26ab4c739d8b575f8d2284f_dark.svg)
Unter Verwendung der Werte aus Tabelle 1 sowie dem Wert der Neutronenmasse ergibt sich somit folgende eine Energie von 
Die im genutzten Spaltmaterial nachweisbaren Nuklide mit einer Ordnungszahl 
stellen entweder direkte Spaltprodukte der Kernspaltung oder deren nachfolgende Zerfallsprodukte dar.
Durch Neutroneneinfangprozesse entstehen weitere Isotope:
-
Uran-236: Da nicht jeder Neutroneneinschlag auf einen
Kern zu einer Spaltung führt, bildet sich durch Neutroneneinfang ein Anteil an 
-
Plutonium-239: Dieser Bestandteil entsteht durch Neutroneneinfang eines
Kerns. Der dabei gebildete 
Kern ist instabil und zerfällt über zwei aufeinanderfolgende Zerfälle mit kurzer Halbwertszeit in 
In Abbildung 6 ist der typische Spaltprozess mit zwei mittelschweren Spaltprodukten abgebildet. Die Häufigkeitsverteilung der beiden Spaltprodukte in Abbildung 7 zeigt, dass das leichtere der beiden Spaltprodukte in weniger als 
aller Fälle eine Massenzahl von 
besitzt. Da die Wahrscheinlichkeit für noch leichtere Kerne weiter abnimmt, lässt sich die Entstehung von Tritium (
) durch diesen normalen Spaltprozess praktisch ausschließen.
Obwohl Tritium nicht im typischen Spaltprozess entsteht, tritt es dennoch als Nebenprodukt auf. Neben der typischen binären Spaltung findet bei der neutroneninduzierten Spaltung von 
in etwa 
der Ereignisse eine sogenannte ternäre Spaltung statt. Bei diesem Vorgang bildet sich zusätzlich zu den beiden mittelschweren Spaltprodukten ein drittes, sehr leichtes Spaltprodukt mit einer Massenzahl von oder 
In 
dieser speziellen ternären Spaltprozesse handelt es sich bei dem dritten Spaltprodukt um Tritium (
).
Die Gesamtwahrscheinlichkeit für die Bildung von Tritium beträgt somit:
Mögliche Argumentation:
Es handelt sich bei der Einleitung des mit Tritium kontaminierten Wassers in den Pazifischen Ozean um ein langfristiges Vorhaben. Über mehrere Jahrzehnte hinweg erfolgt die Einbringung des leicht radioaktiven Wassers kontinuierlich an derselben Stelle. Dabei reichert sich das Tritium über Jahre dort und in der Umgebung in den Meeresorganismen an und wird somit Teil der Nahrungskette.
Auf der anderen Seite fällt die zu erwartende Gesamtmenge an Tritium im Vergleich zu den Mengen, die weltweit durch den regulären Betrieb von Kernkraftwerken und Wiederaufbereitungsanlagen in die Ozeane gelangen, signifikant geringer aus. Diese Art der Entsorgung stellt seit langer Zeit eine gängige Praxis dar. Zusätzliche Gefährdungen für die Gesundheit oder die Umwelt konnten bei dieser langjährigen Praxis bislang nicht festgestellt werden.
In Anbetracht der vergleichsweise geringen Konzentration des Tritiums während des Einleitungsprozesses kann von einem vernachlässigbaren Risiko für Umwelt und Gesundheit ausgegangen werden. Diese Einschätzung wird durch die Tatsache gestützt, dass selbst bei deutlich größeren Einleitungsmengen an anderen Standorten bisher keine beobachtbaren negativen Auswirkungen aufgetreten sind.