Kernspaltung und Kernenergie
1938 gelang Otto Hahn und Fritz Straßemann die erste Kernspaltung von Natururan. Sie bestrahlten eine Probe Natururan mit langsamen Neutronen und konnten nachweisen, dass sie eine Kernreaktion ausgelöst hatten.
Kernenergie ist in Atomkernen gespeichert und wird bei der Kernspaltung und der Kernfusion freigesetzt. Sie kann zum Teil zur Energiegewinnung genutzt werden. Die Kerne der Atome bestehen aus ungeladenen Neutronen und positiv geladenen Protonen. Da sich gleiche Ladungen abstoßen, müssten die Protonen eigentlich auseinander fliegen. Sind sie aber so dicht gepackt wie in einen Atomkern, werden sie von der sogenannten Kernkraft zusammengehalten. Sie wirkt nur auf sehr kurze Entfernung und stellt gleichsam gespeicherte Energie dar. Mit Hilfe der Kernspaltung ist es gelungen diese Energie freizusetzen und zu nutzen. Dabei wird eine riesige Energiemenge freigesetzt. So liefert beispielsweise die Spaltung von 1 Gramm Uran-235 so viel Energie wie die Verbrennung von 2,4 Tonnen Steinkohle.
Wie funktioniert Kernspaltung?
Zur Kernspaltung verwendet man sehr schwere Atome wie z. B. das Uran mit 92 Protonen und 143 Neutronen. Schießt man ein Neutron auf dieses Atom, wird es in den Atomkern aufgenommen. Dadurch geschehen 2 Dinge: zum einen wird ein Teil der Bewegung des Neutrons auf den Atomkern übertragen, der sich dadurch etwas mehr bewegt, zum anderen vergrößert das zusätzliche Neutron im Atomkern die Abstände zwischen einigen Protonen. Durch diese beiden Veränderungen reicht die Kernkraft nicht mehr aus, um die Protonen zusammenzuhalten, so dass der Kern auseinander fliegt. Neben den beiden Kernbruchstücken werden auch 3 Neutronen frei, die wieder auf Uran-Atome treffen können. Dies passiert allerdings nur, wenn die Uran-235 Atome dicht genug beieinander liegen. In der Natur kommt dies nicht vor, da dieses spaltbare Uran-Isotop im natürlichen Uran nur zu einem sehr kleinem Teil vorhanden ist. Reichert man allerdings das spaltbare Material aber an, liegen die Atome dicht beieinander, so dass sie von den bei der Spaltung des ersten Atoms frei gewordenen Neutronen getroffen werden können. Auf diese Weise setzt sich die Kernspaltung fort und es kommt zu einer Kettenreaktion. Die Masse, bei der eine Kettenreaktion ablaufen kann, wird als kritische Masse bezeichnet.
Kernkraftwerk
Kernkraftwerke sind Wärmekraftwerke wie Kohle, Öl oder Gaskraftwerke, weil in diesem Wärme erzeugt wird, mit der Wasser verdampft wird. Der Wasserdampf treibt dann eine Turbine an. Diese Drehbewegung wird von einem Generator dann in elektrichen Strom umgewandelt.
Kernkraftwerke unterscheiden sich von herkömlichen Kraftwerken zunächst in der Art der Wärmeerzeugung. In Kohle, Öl oder Gaskraftwerken werden fossile Brennstoffe verbrannt.
In Kernkraftwerken dagegen läuft eine Kettenreaktion ab.
Kernspaltung im Kernreaktor
Bei den in Deutschland betriebenen Kernreaktoren wird als Spaltmaterial Uran-235 eingesetzt. Im natürlichen Uran beträgt der Massenanteil des spaltbaren U-235 nur ca. 0,7 Prozent, es besteht aus 99,3 Prozent aus U-238 und Spuren von U-234.
Um für die Aufrechterhaltung der Kettenreaktion eine genügend hohe Dichte an U-235 Atomen zu erhalten, wird es auf 3 Prozent angereichert. Das Uran ist in Tabletten gepresst und in langen Rohren den so genannten Brennstäben gepackt. Jeweils 72 dieser Brennstäbe bilden ein Brennelement. In einem Reaktor eines 1300 MW Kernkraftwerkes befinden sich senkrecht angeordnet 840 Brennelemente die insgesamt 150 Tonnen Uran enthalten.
Zum Erreichen der Kettenreaktion bei der Kernspaltung müssen die schnellen Spaltneutronen in langsame Neutronen umgewandelt werden.
Dies erfolgt durch das als Neutronenbremse schwere wirkende Wasser.
Zur Regelung und Unterbrechung der Kettenreaktion werden zwischen den Brennstäben Regelstäbe gefahren, die aus stark neutronenabsorbierenden Materialien, wie zum Beispiel Bor bestehen.
Sie absorbieren die Neutronen und bringen die Kettenreaktion zum Erliegen.
Durch die Kernspaltung erhitzen sich die Brennstäbe im Kernreaktor auf ca.
1100 C. Das als Kühlmittel und Moderator dienende Wasser strömt von unten an den heißen Brennstäben vorbei, erhitzt sich und führt die Wärme ab.
Mit dieser Wärmeenergie wird Wasserdampf erzeugt, der über eine Turbine einen Generator antreibt und somit die freigesetzte Kernenergie in elektrische Energie umwandelt.
Druckwasserreaktor
Der am weitesten verbreitete Reaktortyp ist der Druckwasserreaktor kurz DWR genannt. Den Reaktorkern bildet der Reaktordruckbehälter, in dem sich die
Brennelemente und die Regelstäbe befinden.
Der zylinderförmige Stahlbehälter des Reaktordruckbehäters hat eine Wandstärke von 17 cm und eine Höhe von etwa 22 m.
Er ist mit einem Stahlbetonmantel abgeschirmt und befindet sich zusammen mit dem
Dampferzeuger,den Kühlmittelpumpen sowie weitere Anlageteilen in einem kugelförmigen Sicherheitsbehälter . Die in den Brennelementen erzeugte
Wärmeenergie wird durch den Primärkreislauf abgeführt.
Um das Sieden des Wassers zu verhindern, wird es unter einem Druck von 157 bar gehalten.
Pro Stunde treten etwa 68000 Liter Wasser mit einer Temperatur von ca. 190 ° C in den Reaktor ein und verlassen ihn mit etwa 326 °C.
Das erhitzte Wasser gibt seine Wärme an einem zweiten Wasserkreislauf den Sekundärkreislauf ab. Der entstehende Heißdampf bringt die Turbine dann zum Drehen. Die Drehbewegung wird dann in elektriche Energie umgewandelt.
Entsorgung der Kernbrennstoffe
Eines der Hauptprobleme bei der Nutzung der Kernenergie ist die Entsorgung der Kernbrennstoffe. Dies bedeutet sichere Behandlung, sicheren
Transport, sichere Zwischenlagerung und Endlagerung der Rückstände aus abgebrannten Kernbrennstäben. Hinzu kommt die sichere Entsorgung des
Kernkraftwerkes nach Ablauf der Betriebsgenehmigung.
Schwache und mittelradioaktive Rückstände werden in Fässer gefüllt und in Bergwerksstollen deponiert.
Die hochradioaktiven Abfälle werden verschmolzen, in Edelstahlbehälter von
100 cm Höhe und 30 cm Durchmesser vergossen und verglast.
Diese werden dann in Bergwerksstollen oder Salzstöcken abgelagert. Die hochradioaktiven Stoffe müssen für mehr als 1000 Jahre sicher im Glas eingeschlossen bleiben.
In dieser Zeit darf der Glaskörper seine Festigkeit durch die ständigen radioaktiven Reststrahlungen und Erwärmungen nicht verlieren.
Pro und contra Vorteile bzw. Nachteile der Atomenergie
Pro:
1) Reduzierung der Schadstoffemissionen in der Atmosphäre
2) Atomenergie hat einen größeren Energiegehalt als Steinkohle
Contra:
1) gefährliche radioaktive Strahlenbelastung (verursacht gefährliche Krankheiten wie Krebs)
2) Unfälle verseuchen große Gebiete für eine sehr lange Zeit
3) Entsorgung des Atommülls
Vergleich Kernkraftwerk mit Kohlekraftwerk
Kernkraftwerk:
Elektrische Leistung: Alle neuen Kernkraftwerke, die in den 80er gebaut wurden, liefern eine elektrische Leistung von 1300 MV.
Betriebszeit: Kernkraftwerke laufen in der Regel 7000 Stunden im Jahr und sind mit etwa 19 Prozent der erzeugten elektrischen Energie beteiligt.
Brennstoff: die Menge des im Kernkraftwerk eingesetzte Uran ist gering.
Rund 30 Tonnen Uran werden jährlich verbraucht. Das ist ungefähr ein Drittel des im Reaktor vorhandenen Brennstoffes.
Abwärme: gut 60 Prozent der im Uran steckenden Energie werden wie in jedem Wärmekraftwerk nicht genutzt, sondern als Wärme über Kühltürme an die Luft oder mit dem Kühlwasser in den Fluss gegeben, oder als Fernwärme genutzt wie es auf unserer Schule der Fall ist.
Schadstoffe: für die Kernspaltung wird keine Luft benötigt. Daher pusten Kernkraftwerke kein Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre. Kernkraftwerke geben aber geringe Mengen an gasförmigen radioaktiven Stoffe wie zum Beispiel Krypton-85 mit der Abluft an die Umwelt ab.
Abfälle: das Hauptproblem sind die jährlich aus dem Reaktor kommenden
Brennelemente mit den 30 Tonnen Uran, Transuranen und Spaltprodukte .
Sie enthalten hochradioaktive Stoffe, die noch tausende von Jahren strahlen.
Kohlekraftwerk:
Elektrische Leistung: sie beträgt je Kraftwerksblock in der Regel 500 bis 800MW. Zwei oder mehrere Blöcke an einem Standort können zusammen einige Tausend Megawatt erreichen.
Betriebszeit: Kohlekraftwerke liefern 25 Prozent der in Deutschland erzeugten elektrischen Energie.
Sie werden im Schnitt 5000 Stunden im Jahr betrieben.
Brennstoff: 450 Güterwagen mit je 25 Tonnen Steinkohle täglich decken den Brennstoffbedarf. Wegen des großen Transportweges werden Kohlekraftwerke möglichst da gebaut wo Kohle gefördert wird.
Abwärme: siehe Kernkraftwerk Abwärme
Schadstoffe: die Abgase von Kohlekraftwerken enthalten Feinstaub, vor allem aber Schwefeldioxid und krebserregende Kohlenwasserstoffe, aber heutzutage werden durch Filteranlagen diese Stoffe weitgehend zurückgehalten.
Außerdem radioaktive Stoffe wie Radon, die mit der Abluft aus Kohlekraftwerken freitreten.
Abfälle: neben Gips und Schlacke entsteht vor allem Kohlenstoffdioxid.
Die riesige Menge ,welche über den Schornstein in die Luft geblasen wird,
belastet die Umwelt extrem.
Tschernobyl
Bei allen bisher bekannten Reaktorunfällen konnten die Schäden mit Hilfe der Not- und Sicherheitssysteme soweit beherrscht werden, dass sie auf die jeweiligen Anlagen begrenzt blieben. Nur der Unfall in Tschernobyl, bei dem auch das Reaktorgebäude zerstört wurde, hatte katastrophale Folgen für die Umwelt. Ungefähr 4 Prozent des Kernbrennstoffes wurden aus dem Reaktor in die Luft geschleudert und im Verlauf der nächsten Stunden und Tage im Umkreis von 30 Kilometer um den Reaktor herum verteilt. Die Gegend wurde dadurch so sehr radioaktiv verseucht, dass 135000 Menschen evakuiert werden mussten. Es wurde eine große Menge radioaktiver Stoffe, insbesondere Iod131, Cäsium137, Strontium90 und radioaktive Gase freigesetzt. Mit östlichen Winden breiteten sich diese Stoffe über weite Teile Europas aus. Von den Männern, die in den ersten Tagen nach dem Unfall z. B. am Feuerlöscher oder an Aufräumarbeiten beteiligt waren, mussten etwa 300 mit akuter Strahlenkrankheit und zum Teil sehr schweren Brandverletzungen in Krankenhäuser eingeliefert werden.
Die unkontrollierte Kettenreaktion
Atombombe
Die Atomwaffe ist die tödlichste Waffe, die es gibt. Ihre zerstörerische Wirkung beruht auf einer explosionsartig ablaufenden Kettenreaktion.
Ihre Entwicklung erfordert einen enormen wissenschaftlichen und technischen Aufwand. Von herkömmlichen Waffen unterscheidet sie sich dadurch dass:
1) eine Tausend- bzw. Millionenmal so größere Sprengkraft besitzen wie herkömmliche Waffe
2) bei der Explosion wesentlich höhere Temperaturen entwickelt werden
3) durch die Explosion radioaktive Strahlung frei wird
Atomwaffen können in Form von Bomben geschossen werden, Raketensprengköpfe oder Torpedogefechtsköpfen eingesetzt werden. Atombomben enthalten ziemlich reines auf 93 Prozent angereichertes Uran235 oder Uran238 und Plutonium239. Die über Hiroshima abgeworfene Bombe war eine Uranbombe, die über Nagasaki eine Plutoniumbombe. der Abwurf der zweiten Atombombe über Nagasaki war nur ein Feldversuch der Militär und eine politische Demonstration der Stärke an Moskau. Außerdem wollten die Militärs nach der Uranbombe von Hiroshima noch ihre Plutoniumbombe im Einsatz sehen. "Fat-Man" war eine Plutoniumbombe und doppelt so stark wie "Little Boy", die Uranbombe von Hiroshima. Sie ging jedoch weit entfernt vom Ziel im Nordwesten der Stadt nieder, sodass nur Dreiviertel der Stadt ausradiert wurde und nur 80000 Menschen umkamen.
Die Sprengkraft von Fat-man entsprach 20000 Tonnen des herkömmlichen
Sprengstoffes TNT. Dies war aber nur ein kleiner Funke im Vergleich zu dem was heute in den arsenalen der Atommächte lagert. Die heutigen Bomben haben eine Sprengkraft von unglaublichen 200 Millionen Tonnen TNT.
Heute existieren über 50000 atomare Sprengköpfe mit einer gesamten Sprengkraft von 13 Milliarden Tonnen TNT – genug um unseren Planeten gleich mehrmals in die Luft zu sprengen.
Aufbau einer Atombombe
Der Kern bildet eine Kugel aus Plutonium, die nur 6 bis 7 Zentimeter groß ist und die Masse in ihr etwa 6 kg.
Diese faustgroße Kugel ist von etwa 400 kg U-238 umgeben. Das Uran ist dann noch von etwa 2300 kg herkömmlichen Sprengstoff eingeschlossen, was den Durchmesser der gesamten Bombe auf etwa 1,5 Meter bringt. Ein Stahlmantel hält alles zusammen.
Ablauf bei einer atomaren Explosion
Die Explosion läuft folgendermaßen ab:
Zunächst wird der Sprengstoff am Außenmantel an mehreren Stellen gleichzeitig gezündet. Die entstehenden heißen Explosionsgase drücken das Uran und den Plutoniumkern auf etwa das halbe Volumen zusammen.
Im Mittelpunkt des Plutonium-Kerns sitzt ein nussgroßer ,,Zünder" für die Auslösung der Kettenreaktion, welches Beryllium und Polonium, einen α-Strahler getrennt enthält.
Durch das Zusammenpressen werden beide miteinander vermischt, so dass a-Teilchen auf Beryliumkerne stoßen und so Neutronen freisetzen.
Diese Neutronen erzeugen eine lawinenartig anwachsende
Kettenreaktion im Plutonium. Der Uranmantel hält das nukleare Material so lange zusammen bis ein großer Teil des Plutoniums gespalten war.
Innerhalb von weniger als 1 Sekunde erreicht die Temperatur im Bombenkern etwa 100 Millionen Grad.
Alles Bombenmaterial verdampft im Feuerball einer ,,Superexplosion".
Auswirkung der Atombombe
Hitzewelle: die erste Wirkung einer Atombombenexplosion ist ein intensiver Lichtblitz. Dabei steigen die Temperaturen ins unermessliche.
In einem bestimmten Umkreis wird alles verdampft.
Die direkte Hitze entfacht nicht nur Brände an Gebäuden und in
Wäldern, sondern sie verursacht auch schwerste Verbrennungen am Menschen.
Druckwelle: ungefähr die Hälfte der Energie einer atomaren Explosion wird als Druckwelle freigesetzt. Die Explosionskraft ist gewaltig.
Die Schäden werden sowohl durch den Luftüberdruck an der Vorderseite der Druckwelle als auch durch die extrem starken Stürme verursacht.
Diese Stürme halten auch dann noch an, wenn die Druckwelle das Gebiet längst passiert hat. Die entfachten Brände durch die Hitzewelle dehnen sich bei den orkanartigen Winden rasenschnell aus, sie sind in einem Umkreis von 10 bis 20 Kilometer wirksam. In der Atmosphäre bilden sich tödliche Stoffe:
Der Sauerstoff wird der Luft entzogen, sie füllt sich mit Rauch, Asche und Verbrennungsgasen.
Die Menschen werden getötet, sei es im Schutzraum, im Freien oder im Haus.
Strahlung: die durchdringende radioaktive Strahlung führt zu ernsthaften Verletzungen im Körper. Die von der Explosion ausgehenden radioaktiven
Strahlen können in 2 Kategorien eingeteilt werden:
– Sofortstrahlung besteht aus Alpha ,Beta , Gamma und Neutronenstrahlung, geht vom Explosionsmittelpunkt aus und wirkt bis zu einer Minute und der so genannten
– Rückstrahlung, Teil der Strahlung, welcher nach Ablauf der Minute wirksam ist.
Eine Atombombe explodiert über Mannheim
Wenn eine Atombombe mit einer Sprengkraft von 10 Millionen Tonnen herkömmlichen Sprengstoffes über Mannheim explodiert, passiert folgendes:
1) Ein gleißender Feuerball von mehr als 6 km Durchmesser entsteht, in dem alles vernichtet und zur Wasserdampf und Staub zertrümmert wird.
Mannheim wäre in Sekundenbruchteilen vollkommen ausradiert
2) Bis zu 30 km vom Zentrum der Explosion entfernt entstehen durch die gewaltigen
Hitzeentwicklungen Brände, viele Menschen tragen schwere Brandwunden davon
3) Die Druckwelle, die man als gewaltigen Knall hört, rast zunächst mit mehrfacher
Schallgeschwindigkeit los. Sie zerstört im Umkreis von etwa 10 km alle Gebäude
4) Dinge wie z. B. Glasscherben, Mauertrümmer, Ziegelstücke oder sogar Wassertropfen, die von der Druckwelle in Bewegung versetzt werden, bekommen die Durchschlagskraft von geschossen und zerstören Lebewesen und Gebäude
5) Noch in ca. 80 Kilometer Entfernung werden Gebäude leicht beschädigt
6) In einem Heißluftschlauch wird heiße Luft zusammen mit radioaktiven Staub und
Bombenresten nach oben gerissen.
Dadurch entstehen starke Winde mit Geschwindigkeiten von 300 bis 400 Kilometer pro Stunde in Richtung auf das Zentrum der Explosion.
Sie reißen alles nieder, was ihnen im Weg steht
7) Hochgewirbelter radioaktiver Staub wird selbst bei Windstille bis zu
350 km weit getragen. Er fällt als Fall-out auf den Erdboden. Große Gebiete Deutschlands, Ostfrankreichs und andere Länder werden radioaktiv verseucht.
In diesen Gebieten können auf Jahrzehnte keine Nahrungsmittel mehr angebaut werden.
Etwa 90 Prozent der Mannheimer Bevölkerung sind sofort tot, sehr viele sterben nach Tagen, Wochen oder Monaten an Strahlenkrankheit.
Die wenigen Überlebenden müssen mit Spätschäden wie Krebs oder Unfruchtbarkeit rechnen.
Kernfusion
Die Kernfusion
Kernfusion ist eigentlich ein Prozess, bei dem zwei Atomkerne zu einem schwereren Atomkern verschmelzen. Dabei werden große Energiemengen frei, sowie je nach Art der Fusion auch elektromagnetische Strahlung oder andere Teilchen. Die Energie wird in Form von Wärme oder in Form von kinetischer Energie der Teilchen frei. Diese entstandenen Teilchen stoßen gegen andere Atome, welche durch den Aufprall beschleunigt werden. Somit haben die Atome eine größere kinetische Energie, was man letztendlich als Wärme bezeichnet.
Die beschleunigten Atome treffen jetzt auf andere Atome und wenn dies mit einer gewissen Geschwindigkeit passiert, vereinigen sich ihre Atomkerne zu einem Einzigen.
Dabei wird wieder soviel Energie frei, dass es zu einer Kettenreaktion kommt. Die Geschwindigkeit ist zur Überwindung der Abstoßungskräfte der positiv geladenen
Protonen notwendig. Wenn die Protonen aber bis auf 0,1 Picometer, also ein Zehntel eines Billionstel Meters, aneinander kommen, setzt die starke Kernenergie zwischen
den Protonen und Neutronen ein, die diese mit sehr großer Kraft zusammenhält.
Um die Abstoßungskräfte zu verdeutlichen, ist zu sagen, dass beispielsweise bei der
Verschmelzung der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium bei eine Reaktion erst bei einer Temperatur von 100 Millionen Grad ablaufen würde. Auf der Erde ließ sich bisher dieser Prozess nur unkontrolliert in Form der Wasserstoffbombe verwirklichen. Gelänge es aber die Kernfusion technisch nutzbar zu machen, stünde man vor einer praktisch unerschöpflichen Energiequelle zur Verfügung. Die aus 1 g Deuterium zur gewinnenden Kernenergie entspricht etwa der Energie, die man aus der Verbrennung von 10 Tonnen Steinkohle freisetzen kann.
Daher würde das in den Ozeanen enthaltene schwere Wasser bei nur einprozentiger Ausnutzung ausreichen, den jetzigen globalen Energiebedarf für etwa 500 Millionen Jahre zu decken.
Vielen Dank an Amer für das Einsenden dieses Weltklasse Referats!