Chancen und Risiken der Kernenergie

INHALTSVERZEICHNIS

EINLEITUNG

1. GRUNDLAGEN DER KERNENERGIE
1.1. Die Äquivalenz von Masse und Energie
1.2. Radioaktivität und Atomtheorie
1.3. Radioaktive Prozesse im Atomkern
1.4. Massendefekt und Bindungsenergie

2. PRAKTISCHE UMSETZUNG

3. RISIKEN BEIM EINSATZ
3.1. Biologische Risiken
3.2. Gesellschaftliche Risiken
3.3. Endlagerung

4. ALTERNATIVEN
4.1. Systemimmanente Alternativen
4.1.1. Kernfusion
4.2. Systemtranszendente Alternativen

5. FAZIT

6. LITERATURVERZEICHNIS

Einleitung

Mit der Erfindung der elektrischen Glühlampe 1879 durch Thomas Alva Edison begann der Siegeszug der Elektrizität. Heute findet Strom in praktisch jedem Bereich des täglichen Lebens Einsatz, unsere Gesellschaft ist von Strom abhängig. Daher gehört die Versorgung mit Elektrizität notwendigerweise zu den zentralen technischen, aber auch politischen Problemen der modernen Gesellschaft. Im Rahmen dieser Facharbeit stelle ich einen Lösungsansatz für die Problematik der Energieversorgung, die Kernenergie, vor. Der erste Teil der Facharbeit beschreibt die theoretischen Voraussetzungen, die zur industriellen Nutzung der Kernspaltung geführt haben, im zweiten Teil werden die praktischen Verfahren zur Umsetzung beschrieben. Anschließend werden die Risiken, die mit der Technologie der Kernspaltung verbunden sind beleuchtet und schließlich wird ein Überblick über mögliche Alternativen gegeben.

1. Grundlagen der Kernenergie

1.1. Die Äquivalenz von Masse und Energie

Die wohl berühmteste Formel des 20. Jahrhunderts wurde Gleichung 1.

(1) E = m × c ², modern W = m × c ²

Sie folgt aus der speziellen Relativitätstheorie, die Albert Einstein 1905 veröffentlichte.

(1) sagt aus, dass Energie der Masse und zugleich dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit proportional ist. Masse ist also eine weitere Erscheinungsform von Energie, genau wie Wärme oder kinetische Energie. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt 299792458 m/s, stellt also einen ungeheuer großen Wert dar. Somit müsste selbst in einer kleinen Masse eine ungeheure Energie ‚eingefroren’ sein. Einstein vertraute dieser Aussage jedoch zunächst nicht, wie man aus einem Brief an seinen Freund Habicht ersehen kann:

„Eine Konsequenz der elektrodynamischen Arbeit ist mir noch in den Sinn gekommen. Das Relativitätsprinzip im Zusammenhang mit der Maxwellschen Grundgleichung verlangt nämlich, dass die Masse direkt ein Maß für die im Körper enthaltene Energie ist, das Licht überträgt Masse. Eine merkliche Abnahme der Masse müsste beim Radium erfolgen. Die Überlegung ist lustig und bestechend; aber ob der Herrgott nicht darüber lacht und mich an der Nase herumgeführt hat, das kann ich nicht wissen.“¹

Nun stellte sich die Frage, wo eine Umwandlung von Masse in Energie zu beobachten ist. Diese Vorstellung widersprach damals jeglichen Erfahrungswerten der makroskopischen Welt. Die Erfahrung lehrt, dass sich Stein nicht in Wärme verwandelt oder aus Wärme Holz wird. In der Welt des Makrokosmos jedenfalls war eine solche, von der speziellen Relativitätstheorie postulierte Umwandlung nicht zu beobachten.

1.2. Radioaktivität und Atomtheorie

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts begann die physikalische Erforschung im Bereich der Elementarteilchen. 1896 entdeckte der französische Physiker Antoine Henri Becquerel, dass das Element Uran selbst durch Glas oder dickes schwarzes Papier hindurch eine photographische Platte schwärzen kann. Wenige Jahre später beobachteten Marie und Pierre Curie, dass 1g Radium etwa eine Energie von 420 J pro Stunde in Form von Wärme freisetzt. Diese Beobachtungen riefen ein weltweites Echo in der Fachwelt hervor. Ernest Rutherford stellte anhand von Strahlungsuntersuchungen seine Atomtheorie auf, die von Niels Bohr erweitert wurde.

Da die Welt der Elementarteilchen der direkten Wahrnehmung verschlossen ist, entwickelten sie Modelle. Diese funktionieren meist aber nur für bestimmte Zwecke, in anderen Bereichen können sie zu falschen Aussagen führen. Dieses Atommodell liefert auch nach heutigem Erkenntnisstand für viele Bereiche richtige Aussagen. Nach ihm kann man ein Atom mit dem Sonnensystem vergleichen. Um den Atomkern, bestehend aus Neutronen und Protonen, kreisen die Elektronen. Das Atom besteht zum größten Teil aus Leere, die Masse ist auf winzige Bereiche verteilt. Die Elektronen haben, verglichen mit dem Atomkern eine vernachlässigbare Masse

(m_e = 9,109 ×10^-31 kg; m_p = 1,673×10^-27 kg)², nahezu die gesamte Masse des Atoms ist also im Kern konzentriert. Die Größenverhältnisse lassen sich durch folgende Vorstellung sehr gut verdeutlichen: Wäre der Atomkern so groß wie eine Kirsche und läge er auf dem Anstoßpunkt eines Fußballfeldes, würden die Elektronen in den äußersten Zuschauerreihen um ihn kreisen.

Das oben beschriebene Atommodell hat seine Gültigkeit bis heute behalten. Neue Erkenntnisse wurden eingebaut und das Modell entsprechend erweitert.

1.3. Radioaktive Prozesse im Atomkern

Atomkerne bestehen aus elektrisch positiv geladenen Teilchen, den Protonen, sowie elektrisch neutralen Neutronen. Bei einem elektrisch neutralen Atom kreist die gleiche Anzahl Elektronen um den Kern, wie Protonen im Kern vorhanden sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Die Elementarteilchen. Die obere Zahl ist die Massenzahl, die untere die Kernladungszahl

Zwischen den elektrisch positiv geladenen Protonen wirkt die abstoßende elektrostatische Kraft Fel, die eigentlich dazu führen müsste, dass ein Atomkern sofort zerplatzt. Der elektrischen Kraft wirkt jedoch auf die kurze Entfernung die starke Kernkraft FK, die die Elementarteilchen, vergleichbar mit klebrigen Bonbons³, zusammenhält, entgegen. Sie wirkt unabhängig von der Art der Nukleonen (ist also gleich stark zwischen p-p, n-p, n-n), ihre Reichweite ist jedoch so kurz, dass sie nur bei unmittelbar benachbarten Teilchen Auswirkung zeigt. Bei einer geringen Nukleonenzahl (Anzahl von Protonen und Neutronen im Kern) ist jedes Teilchen mit jedem in Kontakt, so dass die Kernkräfte zwischen allen Elementarteilchen des Atomkerns wirksam werden (nach dem ‚Bonbon-Modell’: Jedes Bonbon berührt alle anderen Bonbons). Ist die Teilchenzahl jedoch größer wirkt FK nur noch zwischen den sich unmittelbar berührenden Teilchen. Die elektrostatische Abstoßung wirkt in jedem Fall auf alle Teilchen, nahezu unabhängig von deren Entfernung (sie nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab, aber für die Größe des Atomkerns kann diese Abnahme vernachlässigt werden).

1.4. Massendefekt und Bindungsenergie

Theoretisch müsste die Masse eines Atomkerns einfach zu berechnen sein: Ein Helium4 Kern [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] besteht aus 2 Protonen und 2 Neutronen. Somit müsste seine Masse 2

m_He=m_2p+2_n= 6,69520 ×10²⁷ kg betragen. Sehr genaue Massenbestimmungen des Heliumkerns haben jedoch eine Masse mHe= 6,6448 ×10^-27 kg ergeben. Der Heliumkern ist also um ca. 0,8% leichter als die Summe seiner Nukleonen! Diesen Verlust bezeichnet man als Massendefekt. Er kommt dadurch zu Stande, dass ein Teil der Masse der Elementarteilchen in Energie umgewandelt wird (vgl. 1.1). Diese Energie tritt entweder als Gammaquant oder als kinetische Energie auf und ist exakt so groß wie von Einstein vorhergesagt. Um den Kern wieder zu trennen müsste man ihm exakt diese Energie wieder zuführen. Je größer also die Energieabgabe bei einer Kernentstehung ist, umso stabiler ist das Reaktionsprodukt, desto fester sind die Elementarteilchen aneinander gebunden. Daher nennt man diese Energie auch Kernbindungsenergie EB. Sie berechnet sich nach Gl. 2.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Die Kernbindungsenergie

Z steht für die Protonenzahl, N für die Neutronenzahl, m p für die Masse des freien Protons, m n für die Masse des freien Neutrons und M für die tatsächliche Kernmasse. Die Einheit E B ist nach Definition negativ, da beim Zerlegen eines Kerns diese Energie aufzuwenden ist.

In Abb. 3 sind die Bindungsenergien pro Nukleon in Abhängigkeit zu den Nukleonenzahlen aufgetragen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: EB in Abhängigkeit zu der Nukleonenzahl des Atomkerns⁴

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¹ Zitiert nach: Stratis Karamonolis: Albert Einstein für Anfänger. München¹ 1992, S. 60

² Tabellenwerte aus: Schüler Duden Die Physik, Mannheim 31995

³ nach M. Volkmer: „Basiswissen zum Thema Kernenergie“ 12000, S. 6

⁴ Volkmer, Martin: Basiswissen zum Thema Kernenergie. Die wichtigsten Erkenntnisse aus Kernphysik und Kerntechnik, PDF Version 2000, S. 10