Referat zur Kernenergie

Referat zur Kernenergie !

Kernenergie = Atomenergie

Schon vor 2000 Jahren kannte man die Atome. Einer der größten griechischen Gelehrten namens Demokrit glaubte, daß Materie aus den kleinsten Teilchen bestand, die nicht mehr teilbar waren. Diese nannte er „Atome“ und mit seiner Theorie kam er der Wirklichkeit schon ziemlich nahe. Doch erst um das 18. Jahrhundert wurde diese Idee wieder aufgegriffen. Und man entdeckte, daß es verschiedene Atomarten geben mußte, um die in der Natur vorkommenden Stoffe zu erklären. Im Jahr 1803 erkannte der englische Lehrer John Dalton, daß es Stoffe gibt, die aus mehreren Atomen bestehen, wie Gold, Eisen und Sauerstoff. Ein Eisenatom zum Beispiel ist das kleinstmögliche Eisenteilchen. Daher findet man in Definitionen nicht selten den Satz:„ Ein Atom ist der kleinste Baustein eines chemischen Grundstoffs oder Elements, der ohne Verlust der typischen Eigenschaften dieses Elements nicht mehr geteilt werden kann.“

Ein Atom besteht aus einem Kern um den ebenso winzige Teilchen kreisen, die Elektronen. Diese Elektronen sind negativ geladen und umkreisen den Kern nur, weil dieser positiv aufGeladen ist und die Elektronen anzieht. Würde ein Atom eine Größe von einer Kirsche haben, wären die Elektronenbahnen so groß, wie ein Fußballstadion.

Der Kern eines Atoms besteht aus Neutronen und Protonen, wobei die Anzahl der Protonen immer gleich der Anzahl der Elektronen sind. Die Protonen und die Neutronen haben ungefähr die gleiche Masse und sind rund 2000 mal schneller, als die Elektronen. Beide werden allerdings meist als Nukleonen bezeichnet und bestehen ihrerseits aus noch kleineren Teilchen, den Quarks.

Radioaktivität

Lange Zeit wußte keiner was Radioaktivität überhaupt ist. Man entdeckte zwar einige Elemente, die eine unbekannte Strahlung abgeben, aber man erkannte jedoch nicht worum es sich hier handelt, bis dann doch die Herkunft der Strahlen erforscht worden war. Es handelt sich hierbei um Kerne, die plötzlich zerfallen, wobei sie kleinere Teilchen mit großer Wucht ausschleudern und sich dabei verformen und umwandeln. Diese Strahlung wurde erst von dem französischem Physiker Henri Becqerel entdeckt und von dem Ehepaar Piere und Marie Curie untersucht. Heute kennt man drei Arten radioaktiver Strahlung. Die Alphastrahlung, die aus Heliumatomen besteht, die Betastrahlung, die aus Elektronen zusammengesetzt wird und die Gammastrahlung aus Quanten oder masselosen Teilchen.

Atomenergie

Heute kennt ein jeder Atomkraftwerke und alle wissen auch von Atomenergie, aber keiner weiß wirklich, wie dies alles funktioniert.

Schon bald nachdem die Radioaktivität entdeckt wurde, bemerkte man auch, daß von den radioaktiven Substanzen Energie abgegeben wird. Das Ehepaar Curie hatte ebenso erkannt, daß das von ihnen entdeckte Radium etwas wärmer war als die Umgebung. Dies ist auch ein Hinweis auf Energie.

Wenn man sich die Geschwindigkeit anschaut, mit der die von zerfallenen Atomen herausgeschleuderten Teilchen auf andere treffen, weiß man sofort, daß diese den Aufprall nicht unbeschädigt überstehen. Alphastrahlung bekommt eine Geschwindigkeit von 290000 km in der Sekunde, Betastrahlung auf 14000-21000 km pro Sekunde und Alphastrahlung sogar Lichtgeschwindigkeit, also 300000 km\s.

Die Strahlungen rammen dann oft die Elektronen weg, die um die Kerne kreisen. Übrig ist dann nur noch ein Atom, welches nun nur noch positiv geladen ist, da die positiv geladenen Protonen in der Überzahl sind. Diese positiv geladenen Atome nennt man Atomrümpfe oder Ionen. Wurden viele Atome bestrahlt und demoliert änderten sich auch die Eigenschaften des Stoffes in dem die Atome waren. Sind bei Lebewesen entscheidende Stoffe verändert entstehen unabsehbare Folgen, wie Unwohlsein, Krankheiten und im letzten Fall sogar Tod. Besonders fallen hier die Alphateilchen auf , die rund 8000 mal größer sind als Elektronen. Sie wirken in der Welt der Atome wie ein Rammbock. Die Betateilchen sind zwar wesentlich kleiner aber dafür können sie auch in dichtere Materie eindringen.

Allerdings verlieren die Teilchen bei jedem Zusammenstoß Energie, da sie mit jedem solchem abgebremst werden. Irgendwann kommen sie dann in der Welt der Atome zum stillstand. Wie aber nun konnte man die Energie nutzen?

Dazu muß man wissen das nur ein Gramm Radium in drei Tagen soviel Energie abgibt wie die Verbrennung von einem Gramm Steinkohle. Allerdings das die Kohle dann nicht wieder gebraucht werden kann, im Gegensatz zum Radium, von dem in 25 Jahren erst ein Hundertstel verfallen ist. Wenn zwei Gramm zu einem zerfallen wird soviel Energie frei wie bei dem Verbrennen von 500 kg Steinkohle. Leider mußte man feststellen, daß es unglaublich lange dauert bis einem die Energie zur Verfügung steht. Man müßte also den Prozeß kontrollieren, beschleunigen und wieder stoppen können.

Es war Rutherford, der im Jahr 1919 versuchte Atomkerne mit Alphateilchenstrahlen zu treffen, um Energie zu gewinnen. Da diese Sache wegen der Größenordnung der Atome ziemlich unwahrscheinlich war beschoß er Stickstoffatome in einem mit Stickstoffgas gefüllten Behälter. Mit Erfolg, denn durch die Treffer der Alphastrahlen wurden die Stickstoffatome in Sauerstoffatome umgewandelt. Nun versuchten viele Atomforscher ihr Glück, leider mit wenig Erfolg.

Denn schon Atome mit über 13 Protonen konnten dem Ansturm der Alphateilchenstrahlen standhalten und die Teilchen hatten nicht genug Energie um bis zum Kern vorzudringen. Danach gab es allerdings nicht viel Ruhe um diese Versuche. Im Jahr 1932 entdeckte der Engländer James Chadwick (1891-1974) fürwahr etwas Sensationelles: Das Neutron. Durch Versuche wie sie auch Rutherford durchführte fiel ihm auf, daß aus dem Metall Beryllium Teilchen herausgeschlagen werden konnte, welche die gleiche Masse haben wie Protonen, aber nicht elektrisch neutral, sondern geladen waren. Die Neutronen. Man könnte Alphastrahlen auf Beryllium schicken und die Neutronen müßten nur noch auf Atome mit hoher Protonenzahl aufprallen. Der italienische Physiker Enrico Fermi (1901-1954) führte dieses Experiment erfolgreich durch und Stoffe mit stabilen Atomkernen wurden radioaktiv.

Das Element Uran, welches mit 92 Protonen den größten Atomkern hatte und eh schon radioaktiv war, stellte ein Problem dar, da man zwar Änderungen an der Radioaktivität feststellte, aber keine an dem Atomkern. Bis 1938 der Berliner Chemiker Otto Hahn (1879- 1968) und Fritz Straßmann (1902-1980) darauf hinwiesen, daß an der falschen Quelle gesucht wurde. Die neuen Atomkerne waren nicht größer, sondern kleiner geworden. Doch wo kam das neue Element, dessen Atomkerne nur 56 Protonen hatten her, welches alle chemischen Eigenschaften des Metalls Barium hatte? Am 22.12.1938 kam von Otto Hahn die Antwort auf diese Frage. Enrico Fermi war die erste Atomkernspaltung gelungen. Doch wie war dies möglich? Das Atom prallte mit einer Geschwindigkeit von 2 km pro Sekunde auf den Kern, doch die Kernstücke fliegen mit 10000 km\s durch die Gegend. Und insgesamt wird durch die Spaltung mehr Energie frei als durch das heranfliegende Neutron. Somit war endlich die Energie in einem Kern nützlich gemacht worden. Die Menschen konnten jetzt die Freisetzung der Kernenergie beeinflussen. Bedauernswerterweise reichte diese Energie nicht aus um Wasser zu erhitzen. Bei der Spaltung entstehen allerdings nicht nur zwei Atomkernteile, sondern auch zwei oder drei Neutronen, die die übrigen Urankerne sehr schnell durcheinanderwirbeln können. Diese neu entstandenen Neutronen rasen nun mit 20000 km\s auf die weiteren Uranatome zu, die gespalten werden und wobei wieder neue Neutronen entstehen und den Fortgang wiederholen. Damit ist man bei einer Kettenreaktion, welche genügend Uran voraussetzt, damit die neu gewonnenen Neutronen sofort wieder auftreffen können. Bei so einer Kettenreaktion wird natürlich eine riesige Energie frei, die man nur noch zu gebrauchen wissen muß.

Energie durch Atomkraftwerke

Dann schließlich, vier Jahre nach der Entdeckung der Kernspaltung, war es am 2.12.1942 soweit. Unter Anleitung von Enrico Fermi gelang die erste von Menschenhand kontrollierte Kettenreaktion wurde ermöglicht. Es gab zwar keinen großen Energiegewinn, aber es konnte bewiesen werden, daß so etwas möglich war.

Nun folgte erst einmal der 2. Weltkrieg und man besann sich als erstes auf den Bau von stärkeren Waffen, wie der Atombombe.

Am 17.10.1956 war es schließlich und endlich das erste mal, daß eine Stadt durch das Kernkraftwert mit Energie versorgt wurde. Aber auch bei dieser „friedlichen Nutzung“ an der Nordküste Englands durch das Kernkraftwerk Calder Hall spielten militärische Interessen und Anliegen eine Rolle. Die britischen Kernreaktoren wurden so gebaut, daß genug Plutonium für ein eigenes Atomwaffenprogramm abfiel. In den nächsten Nachkriegsjahren wird auch in Ländern wie Frankreich die Atomenergie meist nur für den Aufbau eines Waffenprogramms benutzt.

Wie aber funktioniert denn ein Kernreaktor?

Der größte Teil der Energie, die bei einer Kernspaltung frei wird konzentriert sich wieder auf die nächsten Uranatome. Nun knallen die Neutronen mit einer Geschwindigkeit von 20000 km pro Sekunde nach rund einem Hundertstel Millimeter auf andere Atome drauf und bringen diese zum Schwingen. Diese Schwingungen wirken sich auf die anderen Atome aus und wenn alle Atome schwingen, entsteht Wärme. Am Rand der Brennstäbe herrscht jetzt ungefähr eine Temperatur von mehreren hundert Grad Celsius, im Inneren circa 2000 Grad Celsius. Durch die Hitze wird das Kühlwasser im Reaktordruckgefäß erwärmt.

Im Siedewasserreaktor, wie zum Beispiel im Kernkraftwerk Krümmel an der Elbe, ist das Reaktordruckgefäß nicht vollständig mit Wasser gefüllt und das auf 286 Grad Celsius erhitzte Wasser verdampft. Der Wasserdampf steigt durch ein Rohr und treibt einige Schaufelräder an. Diese Räder bewegen eine Turbine, die wiederum einem Stromgenerator Energie zufügt. Dieser Generator gibt die Energie in Elektrizität an die entsprechenden Stromnetze weiter. Der Wasserdampf durchquert schließlich einen weiteren Kühlkreislauf und wird wieder in den Siedewasserreaktor zurück gepumpt. Hier wiederholt sich das Schauspiel von Neuem. Stündlich strömten 55600 Tonnen Wasser durch das Reaktorgefäß, wovon 7200 Tonnen Wasserdampf gewonnen werden. Im diesem Kernkraftwerk können die Brennelemente eine Leistung von 3690 MW bringen, von denen am Ende im Generator nur 1316 Mwe besteht . Davon die Energie für das Kraftwerk selbst abgerechnet bleiben als Endleistung nur noch 34% der eigentlich erzeugten Energie über.

Anders im Kernkraftwerk vom Typ Biblis A am Rhein. Hier ist das Reaktordruckgefäß völlig mit Wasser gefüllt, das heißt, daß es bei 310 Grad Celsius nicht sieden kann. Das Wasser wird aus dem Druckgefäß heraus in vier Dampferzeuger geleitet. 19 m hohe und 4,75 m breite Chrom-Nickel-Stahlbehälter. Dann durchströmt es einen zweiten Kühlkreislauf, darauf ein weiteres Rohrsystem, welches wiederum von Wasser umflossen wird. Erst jetzt kann es erst verdampfen und bis zum Generator weitergegeben werden. Diese Art von Reaktor wird auch Druckwasserreaktor genannt. Der Grad der Wirkung ist noch ein bißchen niedriger und beträgt nur 32,5%.

Obwohl ein Kernkraftwerk nicht, wie eine Atombombe explodieren kann, gibt es dennoch gewisse Gefahren, denn nach einem Jahr Betriebszeit haben sich in den Brennstäben soviel radioaktive Spaltprodukte gebildet, wie nach der Zündung mehrerer hundert Atombomben. Deshalb müssen möglichst viele Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, denn es kann meist ein Teil der Spaltprodukte durch Unfeinheiten in den Brennstäben entweichen und kommt in das Kühlmittel. Da Wasserstoffatome durch Neutronen schnell radioaktiv werden, sammeln sich außerhalb der Brennstäbe meist größere Mengen an radioaktiven Teilchen an. Dafür sind in Atomkraftwerken 20cm dicke Stahlwände installiert, die selbst die bei der Kernspaltung freiwerdende Radioaktivität zurückhalten. Das Reaktordruckgefäß ist mit einer 2 m dicken Stahlbetonmauer geschützt. Umschlossen ist das ganze von einer kugelförmigen Stahlhülle mit 3 cm dicken Wänden für Spaltprodukte, die während eines Störfalls zurückgehalten werden können. Umwölbt ist die gesamte Stahlkugel noch einmal mit einer 1,5 m dicken Stahlbetonmauer, die gegen äußere Unfälle schützen soll.