Kernenergie - Physik.

Kernenergie - Physik. 1 EINLEITUNG Kernkraftwerk Gundremmingen Das Demonstrationskraftwerk Gundremmingen A wurde 1977 stillgelegt. Der neue Siedewasserreaktor mit den Blöcken B und C ging 1984 in Betrieb. Beide Blöcke erreichen eine Nettoleistung von rund 1 300 Megawatt. Helga Lade/Peter Arnold, Inc. Kernenergie, auch Atomenergie, Energie, die bei der Spaltung oder Verschmelzung von Atomkernen freigesetzt wird. Die Energiemengen, die sich aus Kernumwandlungen gewinnen lassen, übertreffen bei weitem die Mengen, die mit Hilfe anderer, konventioneller Verfahren erhältlich sind. Prinzipiell wird Kernenergie beim radioaktiven Zerfall (siehe Radioaktivität), bei der Kernspaltung oder bei der Kernfusion frei. Die Freisetzung äußert sich dabei in Form von schnell bewegten Teilchen (z. B. Alphateilchen) und in Form von Strahlung (z. B. Gammastrahlung). Bei diesem Vorgang entsteht Wärme, die man dann zur Erzeugung von Wasserdampf nutzt. Mit Hilfe des Dampfes werden in anschließenden Schritten Dampfturbinen (siehe Turbine) angetrieben und auf diese Weise elektrischer Strom gewonnen. In bestimmten Fällen wird der Wasserdampf auch direkt für großtechnische Prozesse verwendet. Die Gewinnung von Kernenergie erfolgt in Kernkraftwerken bzw. Kernreaktoren (siehe unten). Außerdem setzt man kleine Kernreaktoren beispielsweise auch zur Energieversorgung von Raumstationen (siehe Weltraumforschung: Raumstationen) und Satelliten ein. 2 DAS ATOM Nach einem einfachen Modell besteht die Grundstruktur von Atomen aus einem positiv geladenen Kern und einer negativ geladenen Atomhülle. Der Atomkern setzt sich aus den massereichen Nukleonen zusammen, den positiv geladenen Protonen und den elektrisch neutralen Neutronen. Er macht fast die gesamte Masse des Atoms aus. Im Gegensatz dazu sind die Elektronen der Atomhülle eher massearm. Die Nukleonen des Kernes werden durch starke Kernkräfte zusammengehalten. Dabei handelt es sich um starke Wechselwirkungen mit kurzer Reichweite, die sowohl zwischen gleichartigen Nukleonen (z. B. Proton-Proton-Wechselwirkungen), als auch zwischen unterschiedlichen Nukleonen (z. B. Proton-Neutron-Wechselwirkungen) wirken. Diese Wechselwirkungen sind viel größer als die Kräfte, die die Elektronen an den Kern binden. Die Ordnungszahl Z gibt die Zahl der Protonen in einem Kern an, während die Massenzahl A eines Kernes die Zahl der Nukleonen ist, also der Neutronen und Protonen. Die Zahl der Protonen in einem Atom ist gleich der Zahl der Elektronen und repräsentiert jeweils ein Element oder eine Atomart. Ein Element kann unterschiedlich viele Neutronen besitzen: Das sind die Isotope oder Atomsorten. Ein Kern wird mit ¿? symbolisiert. Der Ausdruck ¯ U steht z. B. für das natürliche Isotop Uran 235. Die Bindungsenergie eines Kernes ist ein Maß dafür, wie stark seine Neutronen und Protonen von den Kernkräften zusammengehalten werden. Die Bindungsenergie pro Nukleon, also die Energie, die benötigt wird, um ein Neutron oder ein Proton aus dem Kern zu entfernen, stellt eine Funktion der Massenzahl A dar. Das begleitende Diagramm zeigt die (vereinfachte) Modellkurve der Bindungsenergie. Dabei ist es so, dass ein Kern um so stabiler ist, je höher seine Bindungsenergie ist, d. h. je höher seine Position in der Kurve ist. Ein Prozess in Richtung auf das Maximum (bei A = 40) der Kurve setzt Energie frei, also sowohl die Fusion (Verschmelzung) zweier leichter Kerne (links vom Maximum) zu einem schwereren Kern wie auch umgekehrt die Spaltung eines schweren Kernes (rechts vom Maximum) in zwei leichtere, stärker gebundene Kerne. Aus Kernfusionen gewinnen auch Sterne, wie z. B. die Sonne, ihre Energie. Wenn sich z. B. zwei schwere Wasserstoffkerne, so genannte Deuterone (ª H), in der Reaktion vereinigen und einen Helium-3-Kern und ein freies Neutron (¦ n) bilden, werden 3,2 Megaelektronenvolt bzw. 5,1×10-13 Joule Energie frei. Auch bei der Spaltung eines schweren Kernes wie z. B. ¯ U wird Kernenergie frei. Auslöser bei diesem Vorgang ist die Aufnahme eines Neutrons, wie z. B. in wobei Cäsium 140, Rubidium 93 und drei Neutronen entstehen. Die freigesetzte Energiemenge liegt bei 200 Megaelektronenvolt bzw. 3,2×10-11 Joule. Eine Kernspaltung setzt zehn Millionen Mal so viel Energie frei wie eine chemische Reaktion. Siehe Kernchemie 3 ENERGIE AUS KERNSPALTUNG Kernenergie aus Kernumwandlungen Im Prinzip lässt sich Kernenergie durch Kernspaltung oder Kernfusion gewinnen. © Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten. Die beiden wesentlichen Merkmale der Kernspaltung, die für die Freisetzung von Kernenergie in der Praxis von Bedeutung sind, gehen aus der Gleichung 2 (siehe oben) hervor. Erstens ist die Energie pro Kernspaltung sehr groß. In praxisnahen Einheiten ausgedrückt, bedeutet dies, dass die Spaltung von einem Kilogramm Uran 235 18,7 Millionen Kilowattstunden Energie freisetzt. Zweitens setzt der Spaltvorgang, der durch die Aufnahme eines Neutrons in das Uran-235-Atom in Gang gesetzt wurde, durchschnittlich etwa 2,5 Neutronen aus dem gespaltenen Kern frei. Die so freigesetzten Neutronen lösen unverzüglich die Spaltung weiterer Atome aus. Dadurch werden vier oder mehr zusätzliche Neutronen frei, und es beginnt eine sich selbst erhaltende Folge von Kernspaltungen, eine Kettenreaktion, die ständig Kernenergie freisetzt. Natürlich vorkommendes Uran enthält nur 0,71 Prozent leicht spaltbares Uran 235; der Rest ist das nicht spaltbare Isotop Uran 238. Natürliches Uran kann daher von selbst keine Kettenreaktion unterhalten. Die Wahrscheinlichkeit ist äußerst gering, dass ein durch Kernspaltung freigesetztes Neutron mit seiner anfänglichen Energie von ungefähr 1 Megaelektronenvolt eine Kernspaltung auslöst. Die Wahrscheinlichkeit kann jedoch um das Hundertfache und mehr gesteigert werden, wenn das Neutron durch eine Reihe von elastischen Kollisionen mit leichten Kernen wie Wasserstoff, Deuterium oder Kohlenstoff abgebremst wird. Dies ist sozusagen die Basis für die Gewinnung von Kernenergie. Im Dezember 1942 gelang dem italienischen Physiker Enrico Fermi im Rahmen des ,,Manhattan-Projekts" zur Herstellung von Atombomben die Auslösung der ersten nuklearen Kettenreaktion (siehe Atomwaffen). Er verwendete dazu als Brennsubstanz natürliches Uran und als Bremssubstanz (Moderator) Graphit. 4 KERNREAKTOREN Atomkraftwerk in der Nähe von Avignon In Frankreich werden etwa drei Viertel der elektrischen Energie in Kernkraftwerken erzeugt. Die Aufnahme zeigt ein Kernkraftwerk in der Nähe von Avignon. Todd Gipstein/Corbis Die ersten Kernreaktoren wurden 1944 in den USA zur Gewinnung von Plutonium für den Bau von Atombomben errichtet. Auch hier war der Brennstoff natürliches Uran, der Moderator (die Bremssubstanz) Graphit. In diesen Anlagen wurde durch die Vereinigung von Neutronen mit Uran 238 das Element Plutonium hergestellt. Die dabei entstehende Wärme wurde nicht genutzt. Elektrischer Strom aus Kernkraftwerken machte 1973 weltweit 0,1 Prozent des gesamten Energieverbrauchs (etwa 3 Prozent des Stromverbrauchs) aus, 2000 waren es fast 8 Prozent (knapp 18 Prozent des Stromverbrauchs). Laut Angaben der IAEA waren Anfang 2005 weltweit 441 Kernkraftwerke in Betrieb, 206 davon in Europa. Der Anteil der Kernenergie an der gesamten Stromerzeugung nach Energieträgern lag 2004 in Deutschland bei etwa 28 Prozent; es waren 18 Kernkraftwerke mit einer Gesamtleistung von mehr als 21 000 Megawatt in Betrieb (siehe Stromversorgungsnetze). Der älteste Kernkraftwerksblock in Deutschland, der Druckwasserreaktor Obrigheim (Bruttoleistung 357 Megawatt), ging 1968 ans Netz und wurde im Mai 2005 abgeschaltet. Der jüngste, Neckarwestheim II (Bruttoleistung 1 365 Megawatt), nahm 1989 die Stromproduktion auf. 4.1 Reaktortypen Funktionsweise eines Kernreaktors Weltweit wird häufig der Druckwasserreaktor zur Erzeugung von S...