Kernenergie

Kernenergie
Definition: Die zivile Energiegewinnung durch Atomkernreaktionen.
Kernreaktion: Ein physikalischer Prozess, bei dem durch Zusammenstoß eines Atomkerns
mit einem anderen Kern oder Teilchen mindestens ein in ein anderes Nuklid
(Atomkern) und/oder in freie Nukleonen (Protonen; Neutronen) umgewandelt
wird. Man unterscheidet zwischen Kernfusion und Kernspaltung.
Kernfusion
Kernfusion ist eine Alternative zu den bisherigen Energiequellen, weil die dafür notwendigen
Rohstoffe (Deuterium und Tritium) als nahezu unerschöpflich gelten. Ein Beispiel für einen
natürlichen Fusionsprozess ist unsere Sonne.
Abbildung 1: Die Sonne
Vorgänge bei der Kernfusion:
Für die Kernfusion benötigt man leichte Kerne. Am geeignetsten dafür sind Deuterium und
Tritium (Abb.2) . Das als ,,schwerer Wasserstoff“ bezeichnete Deuterium
besteht aus einem Wasserstoffkern (1 Proton/rot) mit einem
zusätzlichen Neutron (blau). Es kann aus den Weltmeeren gewonnen
werden, da jeder Liter Meerwasser ca. 13 Gramm Deuterium enthält.
Tritium, welches (aufgrund der geringen Halbwertszeit von ca. 12 Jahren)
in der Natur nicht vorkommt, besitzt zwei Neutronen und wird aus
Lithium gewonnen, wodurch es als nahezu unerschöpflich gilt.
Bei der Verschmelzung dieser beiden Kerne wird Energie freigesetzt:
+ + + 17,5 MeV (siehe Abb. 3)
Dieser Energiegewinn ist mit dem Massendefekt zu erklären. Die Masse eines Atomkerns ist
kleiner als die Summe der Massen seiner Bestandteile. Dieser ,,Massenverlust“ tritt in Form
von Bindungsenergie der Kernbestandteile auf. Dieser Masse Δ m kann durch die Gleichung:
E= Δm*c² eine Energie zugeordnet werden.
Abb. 2
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Probleme:
Für die kontrollierte Fusion wäre eine Temperatur von 100 Mio. Grad nötig. Es gibt keine
Materialien, die derartigen Temperaturen für einen längeren Zeitraum standhalten und
dadurch eine kontrollierte Fusion ermöglichen würden. Daher ist die technische Realisierung
aufwendig.
Im Gegensatz dazu wurde die unkontrollierte Fusion, d.h. die Freisetzung riesiger
Energiemengen in kurzer Zeit, schon längst in Form der Wasserstoffbombe realisiert.
Vorteile
 Kernfusion ist wesentlich ungefährlicher als Kernspaltung, da nur wenige Gramm
Brennstoff benötigt werden und jede Störung den Fusionsprozess unterbricht
 Fusionskraftwerke würden deutlich geringere Mengen an Abfallprodukten erzeugen,
die zudem eine deutlich geringere Halbwertszeit besitzen
 Umweltverschmutzungen, wie bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, treten bei
Fusionsvorgängen nicht auf
 Der weltweite Energiebedarf steigt. Um diesen zu decken müssen riesige
Energiemengen erzeugt werden. Da saubere bzw. regenerative Energie diesen Bedarf
(nach dem Stand der heutigen Technik) nicht decken können und
Verbrennungskraftwerke (Öl, Kohle…) eine nicht unerhebliche Luftverschmutzung
verursachen, ist man bisher auf Atomkraftwerke angewiesen. Die einzige Alternative
zu den leistungsfähigen (aber gefährlichen) Atomkraftwerken wären die
Fusionskraftwerke.
Abbildung 3: Kernfusion
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Kernspaltung
Die Kernspaltung bezeichnet in der Kernphysik eine Reaktion bei der ein Atomkern in zwei
oder mehrere Bestandteile zerlegt wird. Seltener wird die Kernspaltung auch als Kernfission
bezeichnet ein Begriff der nicht mit Kernfusion verwechselt werden darf.
Bei der induzierten Kernspaltung zerfallen die Atomkerne von schweren Uran-, Thorium-,
oder Plutonium-Isotopen in mehrere leichtere Kerne und in γ-Strahlung, sobald sie eine
geringe Aktivierungsenergie, durch Eindringen eines Neutrons in den Kern, erhalten. Die
Differenz zwischen der Masse des Ursprungkerns und der Summe der Massen der
Spaltprodukte, auch als Massendefekt bekannt, wird dabei nach der Äquivalenz von Masse
und Energie in kinetische Energie umgesetzt. Pro Spaltung sind dies etwa 200 MeV. Zu den
Spaltprodukten zählen auch 2-3 Neutronen, die bei jeder Spaltung freigesetzt werden. Diese
können weiter Kernspaltungen induzieren und führen so zu einer Kettenreaktion. Die durch
radioaktiven Zerfall der Spaltprodukte entstehenden verzögerten Neutronen ermöglichen
eine gesteuerte Kettenreaktion, d.h. die Rate der Kernspaltungen ist begrenzt.
Beispiel:
Abbildung 4: Kernspaltung Uran-235
Ein Neutron wird von einem Atomkern Uran-235 absorbiert. Der entstehende Zwischenkern
Uran-236 ist instabil und spaltet sich z.B. in die Spaltbruchstücke Barium-144 und Krypton-
89. Dabei werden im Mittel 2 bis 3 schnelle Neutronen und 200 MeV Energie frei. Sofern
genau eines dieser Neutronen nach geeigneter Abbremsung in einem weiteren Kern Uran-
235 eine Spaltung auslöst, liegt eine stabile Kettenreaktion für die Energieumsetzung vor.
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Vorteile:
 Schnelle und hohe Energiegewinnung
 Keine Umweltbelastung wie sie bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht
Nachteile:
 Der Betrieb von Atomkraftwerken verursacht einen hohen sicherheitstechnischen
Aufwand und ist deshalb mit hohen Kosten verbunden
 Die Wiederaufbereitung des radioaktiven Materials ist technisch sehr aufwendig
 Es werden immer wieder neue Standorte für die Endlagerung des radioaktiven
Materials benötigt
 Die Gefahr eines GAU`s ist nicht völlig ausgeschlossen (z.B. Tschernobyl 1986:
radioaktive Teilchen gelangten in hohe Luftschichten und verbreiteten sich mehrere
tausend Kilometer
 Kernspaltung lässt sich für die Massenvernichtungswaffen einsetzen ( Hiroshima
1945)
Anwendungsgebiete von Kernreaktionen
 Atom U-Boote
Abb. 5 Atom U-Boot
 Atombomben
Abb. 6 ,,Little Boy” Hiroshima Abb. 7 ,,Fat Man” Nagasaki
 Atomkraftwerke
Abb. 8 Atomkraftwerk Temelin
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Atomkraftwerk (AKW)
AKW mit Druckwasserreaktor
Abbildung 9: AKW mit Druckwasserreaktor
AKW mit Siedewasserreaktor
Abbildung 10: AKW mit Siedewasserreaktor
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Wirkungsgrad
Die Materialien im Bereich des Reaktorkerns sind den Belastungen durch ionisierende
Strahlen ausgesetzt. Vor allem zur Erleichterung der Kettenreaktion (Kernspaltung) sollen
nur möglichst wenige Neutronen „eingefangen“ werden. Diese Bedingungen führen zu einer
Begrenzung der höchsten Dampftemperatur. Die Leichtwasserreaktoren (alle deutschen
Kernkraftwerke arbeiten nach diesem Prinzip) haben eine Dampftemperatur am
Turbineneintritt von etwa 330°C; es werden Wirkungsgrade von etwa 35% erzielt.
Kernkraftwerke haben deshalb in der Regel einen niedrigereren Wirkungsgrad als
Kohlekraftwerke, eben weil sich beim derzeitigen Stand der Technik bei ihnen ein
gesamtwirtschaftliches Optimum bei niedrigen Dampftemperaturen ergibt.
Risiken:
Das Risiko von Kernkraftwerken besteht im Wesentlichen im möglichen Austritt radioaktiver
Stoffe in die Umgebung. Ein solcher Austritt kommt zum Einen durch die radioaktiven
Emissionen im normalen Betrieb zustande. Zum Anderen kann er sich als Folge von kleineren
oder größeren Störfällen bzw. Unfällen ergeben. Die Radioaktivitätsfreisetzung im
Normalbetrieb ist so klein, dass ihr Anteil im Vergleich zur natürlichen Strahlenbelastung (im
Wesentlichen kosmische Strahlung und terrestrische Strahlung) vernachlässigbar ist und sich
darauf zurückzuführende gesundheitliche Schäden nicht beobachten ließen bzw. nach
heutigem Wissensstand solche Beobachtungen nicht zu erwarten sind.
 Endlagerung von Atommüll
 Mögliche Unfallgefahr beim Transport des Atommülls in die Endlager
 Erhöhte Krebsrate in der Nähe von AKW`s
 Mögliches Ziel für Terroranschläge
Zahlen &Fakten
Derzeit betreiben 31 Länder 436 Kernkraftwerke mit einer gesamten Anschlussleistung von
370 Gigawatt.
Abbildung 10: Atomenergie in der Welt
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Atomkraftwerke in Deutschland
Atomkraftwerk el. Leistung in MWh Leistungsbetrieb seit
Brunsbüttel 806 1977
Brokdorf 1440 1986
Krümmel 1402 1984
Unterweser 1410 1979
Lingen 1400 1988
Grohnde 1430 1985
Grafenrheinfeld 1345 1982
Biblis A 1225 1975
Biblis B 1300 1976
Philippsburg 1 926 1980
Philippsburg 2 1485 1985
Neckarwestheim 1 840 1976
Neckarwestheim 2 1460 1989
Grundremmingen B 1344 1984
Grundremmingen C 1344 1985
Isar 1 912 1979
Isar 2 1475 1988
Zukunft
Eine neue Studie von 2009 sagt voraus, dass die Zahl der weltweiten Kernkraftwerke bis
2030 um 30 Prozent sinken werde. Zwar gebe es ein hohe Zahl von Neubauvorhaben, jedoch
wird angenommen, dass bestenfalls nur ein Drittel realisiert wird. Die derzeit (2009) im Bau
stehenden 37 Reaktoren werden nicht als ausreichenden Ersatz für die demnächst
altersbedingten Abschaltungen angesehen.
Quellen
www.greenpeace.de
www.schulmodell.de
marvin.sn.schule.de
www.wikipedia.de
www.google.de
www.um.baden-wuerttemberg.de
www.umweltlexikon-online.de
www.uni-protokolle.de
Sichere Energie im 21.Jahrhundert – Jürgen Petermann

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