Kernenergie - Physik.
Publié le 10/06/2013
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Kernenergie aus KernumwandlungenIm Prinzip lässt sich Kernenergie durch Kernspaltung oder Kernfusion gewinnen.© Microsoft Corporation.
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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 23518,7 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 werdenvier 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 selbstkeine Kettenreaktion unterhalten.
Die Wahrscheinlichkeit ist äußerst gering, dass ein durch Kernspaltung freigesetztes Neutron mit seiner anfänglichen Energie von ungefähr1 Megaelektronenvolt eine Kernspaltung auslöst.
Die Wahrscheinlichkeit kann jedoch um das Hundertfache und mehr gesteigert werden, wenn das Neutron durch eine Reihevon elastischen Kollisionen mit leichten Kernen wie Wasserstoff, Deuterium oder Kohlenstoff abgebremst wird.
Dies ist sozusagen die Basis für die Gewinnung vonKernenergie.
Im Dezember 1942 gelang dem italienischen Physiker Enrico Fermi im Rahmen des „Manhattan-Projekts” zur Herstellung von Atombomben die Auslösung der erstennuklearen Kettenreaktion ( siehe Atomwaffen).
Er verwendete dazu als Brennsubstanz natürliches Uran und als Bremssubstanz (Moderator) Graphit.
4 KERNREAKTOREN
Atomkraftwerk in der Nähe von AvignonIn Frankreich werden etwa drei Viertel der elektrischen Energie in Kernkraftwerken erzeugt.
Die Aufnahme zeigt ein Kernkraftwerk inder 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, derModerator (die Bremssubstanz) Graphit.
In diesen Anlagen wurde durch die Vereinigung von Neutronen mit Uran 238 das Element Plutonium hergestellt.
Die dabeientstehende Wärme wurde nicht genutzt.
Elektrischer Strom aus Kernkraftwerken machte 1973 weltweit 0,1 Prozent des gesamten Energieverbrauchs (etwa 3 Prozent desStromverbrauchs) aus, 2000 waren es fast 8 Prozent (knapp 18 Prozent des Stromverbrauchs).
Laut Angaben der IAEA waren Anfang 2005 weltweit 441 Kernkraftwerke inBetrieb, 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 einerGesamtleistung 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 KernreaktorsWeltweit wird häufig der Druckwasserreaktor zur Erzeugung von Strom aus Kernenergie verwendet.
Wichtige Komponenten diesesReaktortyps sind seine beiden Wasserkreisläufe (Primär- und Sekundärkreislauf).
Im Primärkreislauf steht das Wasser unter sohohem Druck, dass es selbst bei den hohen Temperaturen im Reaktor flüssig bleibt.© Microsoft Corporation.
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Eine Vielfalt von Reaktortypen, die durch die Art des verwendeten Brennstoffs, Moderators oder Kühlmittels charakterisiert werden können, hat man im Lauf der Entwicklungdieser Technik weltweit für die Erzeugung von elektrischem Strom gebaut.
In Deutschland sind Siedewasser-, Druckwasser- und Hochtemperaturreaktoren in Betrieb.
Manunterscheidet ferner nach dem Zweck Leistungsreaktoren zur Energieerzeugung, Produktionsreaktoren zur Gewinnung von waffenfähigem Plutonium oder Uran sowieForschungsreaktoren.
Meist wird als Kernbrennstoff Uranoxid verwendet, das auf etwa 3 Prozent Uran 235 angereichert ist.
Als Moderator und Kühlmittel zugleich kann dannWasser (mit gewöhnlichem Wasserstoff) eingesetzt werden.
Reaktoren dieses Typs werden als Leichtwasserreaktoren bezeichnet.
Reaktoren, die nicht angereichertesNatururan „verbrennen”, können kein gewöhnliches Wasser als Moderator verwenden.
In diesem Fall würden zu viele Neutronen durch das normale Wasser absorbiertwerden und so die Kettenreaktion abbrechen.
In diesen Reaktortypen wird mit reinem Graphit oder so genanntem Schwerem Wasser (Deuteriumoxid) D 2O – also mit dem Isotop Deuterium anstelle von Wasserstoff – moderiert.
Aufgrund dessen bezeichnet man sie auch als Schwerwasserreaktoren.
Im so genannten Druckwasserreaktor (z.
B.
Brockdorf, Biblis, Stade) steht das Kühlwasser unter einem Überdruck von etwa 150 Atmosphären.
Das Kühlwasser wird durchden Reaktorkern gepumpt und dort auf 325 °C erhitzt.
Das auf diese Weise überhitzte Wasser (es kann aufgrund des Überdruckes nicht sieden) wird anschließend durcheinen Dampfgenerator gepumpt, wo mit Hilfe von Wärmetauschern in einem Sekundärkreis Wasser erhitzt und in Dampf umgewandelt wird.
Dieser Dampf treibt überTurbinen Generatoren ( siehe Elektromotoren und Generatoren) an und kondensiert zu Wasser, das zurück zum Dampfgenerator gepumpt wird.
Der Sekundärkreis ist vom Kühlwasser des Reaktors getrennt und daher nicht radioaktiv.
Ein dritter Wasserstrom, gespeist von einem Fluss oder einem Kühlturm, dient der Dampfkondensation.
Eintypischer Reaktordruckbehälter ist 15 Meter hoch und hat einen Durchmesser von fünf Metern.
Seine Wandstärke beträgt 25 Zentimeter.
Der Reaktorkern enthält etwa.
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