Kernspaltung, Kernfusion und Kernenergie
Ein Kilogramm Steinkohle liefert beim Verbrennen etwa 30 Millionen Joule. Ein Kilogramm Uran-235, wenn es vollständig gespalten würde, liefert etwa 80 Billionen Joule. Das entspricht etwa 2700 Tonnen Kohle.
Kernkraftwerke nutzen das. In Deutschland wurden die letzten im April 2023 abgeschaltet, in anderen Ländern laufen sie weiter. Über sie wird gestritten, weil Unfälle und Abfälle viele Menschen beunruhigen.
Die Sonne bezieht ihre Energie auf ganz andere Weise, aus der Verschmelzung kleiner Kerne. Du lernst, wie beide Vorgänge funktionieren, woher die Energie kommt und welche Vor- und Nachteile die Kernenergie hat.
Kernspaltung
Bei der Kernspaltung zerbricht ein schwerer Kern in zwei mittelschwere Kerne, die Spaltprodukte. Entdeckt haben sie 1938 Otto Hahn und Fritz Straßmann. Uran-235 spaltet sich besonders gut, wenn es ein langsames Neutron einfängt. Dabei entstehen zwei Spaltprodukte, meist zwei bis drei freie Neutronen und viel Energie, etwa J je Spaltung. Der größte Teil steckt in der Bewegung der Spaltprodukte, die sie durch Stöße als Wärme abgeben. Ein Beispiel:
Kettenreaktion und kritische Masse
Die frei werdenden Neutronen können weitere Kerne spalten, deren Neutronen wieder weitere. Das ist eine Kettenreaktion. Löst jede Spaltung im Mittel mehr als eine neue Spaltung aus, wächst die Zahl der Spaltungen lawinenartig an, und das in winzigen Bruchteilen einer Sekunde. So funktioniert eine Atombombe. Löst jede Spaltung im Mittel genau eine neue aus, bleibt die Zahl der Spaltungen gleich. Das ist der Zustand im Reaktor, die kontrollierte Kettenreaktion. Im Mittel weniger als eine neue: Dann erlischt die Reaktion.
Damit die Kettenreaktion läuft, muss ein Stück Uran genug Kerne enthalten, damit nicht zu viele Neutronen nach außen entkommen. Die dafür nötige Mindestmenge heißt kritische Masse.
Spaltungsgleichung ergänzen
Spaltungsgleichung ergänzen
Uran-235 () fängt ein Neutron ein und spaltet sich in Strontium-94 (), Xenon-140 und freie Neutronen. Wie viele Neutronen werden frei, und welche Kernladungszahl hat Xenon?
Kernladungszahl: Xenon hat . Massenzahl: links stehen 235 + 1 = 236. Rechts stehen 94 + 140 = 234, dazu kommen die freien Neutronen. Es fehlen 236 − 234 = 2, also werden 2 Neutronen frei. Links geht 1 Neutron hinein, rechts kommen 2 heraus. Darum kann die Kettenreaktion weitergehen.
Wie schnell wächst eine Kettenreaktion?
Wie schnell wächst eine Kettenreaktion?
Angenommen, jede Spaltung löst genau zwei neue Spaltungen aus. In der Generation 0 spaltet sich ein Kern. Wie viele Spaltungen gibt es in der Generation 10?
Jede Generation hat doppelt so viele Spaltungen wie die davor: 1, 2, 4, 8, 16 ... In der Generation 10 sind es Spaltungen. In der Generation 30 wären es über eine Milliarde. Im Reaktor sorgt man dafür, dass im Mittel nur eines der Neutronen eine neue Spaltung auslöst. Dann bleibt die Zahl in jeder Generation konstant.
Kernreaktor
Im Kernreaktor eines Kernkraftwerks (Druckwasserreaktor) wird die Wärme der Kettenreaktion in Strom umgewandelt. Natürliches Uran enthält nur etwa 0,7 % Uran-235. Für den Reaktor reichert man es auf 3 bis 5 % an. Das häufige Uran-238 spaltet sich mit langsamen Neutronen nicht.
| Bauteil | Aufgabe |
|---|---|
| Brennstäbe | enthalten das angereicherte Uran, hier läuft die Kettenreaktion |
| Moderator (Wasser) | bremst die schnellen Neutronen durch Stöße ab, denn langsame Neutronen spalten Uran-235 viel besser |
| Steuerstäbe | schlucken Neutronen und regeln so die Zahl der Spaltungen. Tief eingefahren stoppen sie die Kettenreaktion. |
| Kühlmittel (Wasser) | nimmt die Wärme auf, steht unter hohem Druck, damit es bei über 300 °C nicht siedet |
| Dampferzeuger, Turbine, Generator | Dampf treibt die Turbine und den Generator an |
| Sicherheitsbehälter | umschließt den Reaktor und hält Radioaktivität zurück |
Nur etwa ein Drittel der Wärme wird zu Strom, der Rest ist Abwärme. Nach dem Abschalten erzeugen die zerfallenden Spaltprodukte noch einige Prozent der Leistung als Wärme. Der Reaktor muss darum weiter gekühlt werden.
Massendefekt (qualitativ)
Wiegt man nach einer Kernspaltung alle Teilchen, ist ihre Gesamtmasse ein wenig kleiner als die Masse von Uran-235 und Neutron zuvor. Der Unterschied ist der Massendefekt. Er beträgt bei der Spaltung etwa 0,1 % der Masse. Die fehlende Masse ist nicht verschwunden, sondern als Energie freigeworden. Einstein hat gezeigt, dass Masse und Energie zusammenhängen ( ist der Massendefekt, die Lichtgeschwindigkeit):
Kernfusion
Bei der Kernfusion verschmelzen zwei leichte Kerne zu einem schwereren. Dabei geht wieder ein Teil der Masse in Energie über. Beispiel: Deuterium und Tritium (zwei Wasserstoffisotope) verschmelzen zu Helium-4. Wie bei der Spaltung stimmen links und rechts Massenzahl und Kernladungszahl überein:
Spaltung und Fusion im Vergleich
Warum setzen beide Vorgänge Energie frei? Kerne aus dem mittleren Bereich des Periodensystems (um das Eisen) sind am festesten gebunden. Sehr schwere Kerne werden durch Spaltung, sehr leichte durch Fusion zu solchen Kernen. Bei der Fusion von Wasserstoff zu Helium gehen etwa 0,7 % der Masse in Energie über, bei der Spaltung nur etwa 0,1 %.
Die Fusion ist schwer zu erreichen. Die Kerne sind positiv geladen und stoßen sich ab. Sie müssen so schnell aufeinanderprallen, dass sie sich bis auf die Reichweite der Kernkraft nähern. Dafür braucht man etwa 100 Millionen Grad. Bei dieser Temperatur ist der Stoff ein Plasma: ein heißes Gas aus Kernen und Elektronen. Es darf keine Wand berühren. Man hält es mit Magnetfeldern in der Schwebe. Ein Kraftwerk, das dauerhaft Strom liefert, gibt es noch nicht. In der Sonne läuft Fusion seit Milliarden Jahren (nächste Lektion).
Energie aus Uran im Vergleich zu Kohle
Energie aus Uran im Vergleich zu Kohle
Angenommen, 1 kg Uran-235 setzt vollständig gespalten J frei, 1 kg Steinkohle J. Wie viele Kilogramm Kohle liefern dieselbe Energie?
Du teilst die Energie des Urans durch die Energie je Kilogramm Kohle: kg. Das sind etwa 2,7 Millionen Kilogramm oder 2700 Tonnen Kohle. Der Massendefekt ist dabei sehr klein: 0,1 % von 1 kg sind 1 g, und nach entsprechen 1 g etwa J.
Nutzen und Risiken der Kernenergie
Nutzen: Im Betrieb entsteht kaum Kohlenstoffdioxid. Die Leistung ist groß und unabhängig vom Wetter. Wenig Brennstoff liefert viel Energie.
Risiken: Bei Unfällen können große Mengen Radioaktivität freiwerden (Tschernobyl 1986, Fukushima 2011). Die Abfälle strahlen sehr lange. Die Technik kann auch für Waffen missbraucht werden. Hinzu kommen hohe Kosten und lange Bauzeiten. Wie man Nutzen und Risiken gewichtet, entscheidet die Gesellschaft.
Radioaktive Abfälle und ihre Lagerung
Abgebrannte Brennelemente enthalten Spaltprodukte, die stark strahlen und Wärme erzeugen. Sie liegen zuerst im Abklingbecken beim Kraftwerk, dann in dickwandigen Behältern in Zwischenlagern. Sie sollen dauerhaft in einem Endlager tief im Gestein (Salz, Ton oder Granit, mindestens etwa 300 m unter der Erde) liegen. Dort sollen sie für etwa eine Million Jahre sicher von der Umwelt abgeschlossen sein. Ein Standort ist in Deutschland noch nicht festgelegt, die Suche läuft.
Die Zeiträume folgen aus den Halbwertszeiten (Lektion davor): Cäsium-137 und Strontium-90 haben etwa 30 Jahre. Nach 10 Halbwertszeiten, also 300 Jahren, ist nur noch etwa ein Tausendstel übrig. Plutonium-239, das im Reaktor aus Uran-238 entsteht, hat etwa 24 000 Jahre.
Ein Kernkraftwerk kann wie eine Atombombe explodieren
Ein Kernkraftwerk kann wie eine Atombombe explodieren
„Wenn etwas schiefgeht, explodiert das Kraftwerk wie eine Atombombe.“
Der Brennstoff im Reaktor ist nur auf 3 bis 5 % Uran-235 angereichert. Eine Atombombe braucht fast reines Uran-235 oder Plutonium. Das gibt es im Reaktor nicht. Die Gefahr ist eine andere: Fällt die Kühlung aus, kann der Kern überhitzen und schmelzen, und es kann viel Radioaktivität freiwerden.
Steuerstäbe bremsen die Neutronen
Steuerstäbe bremsen die Neutronen
„Die Steuerstäbe bremsen die Neutronen, damit sie Uran spalten können.“
Das macht der Moderator. Steuerstäbe schlucken Neutronen: Je tiefer sie im Reaktor stecken, desto weniger Neutronen lösen eine neue Spaltung aus, und desto geringer ist die Leistung.
Zusammenfassung
Bei der Kernspaltung zerbricht ein schwerer Kern, etwa Uran-235 nach Neutroneneinfang, in zwei Spaltprodukte, setzt 2 bis 3 Neutronen und viel Energie frei.
Eine Kettenreaktion entsteht, wenn die freien Neutronen weitere Kerne spalten. Im Reaktor löst im Mittel genau ein Neutron eine neue Spaltung aus. Eine Bombe lässt die Zahl lawinenartig wachsen.
Der Reaktor hat Brennstäbe, Moderator (bremst Neutronen), Steuerstäbe (schlucken Neutronen) und Kühlmittel. Die Wärme treibt über Dampf eine Turbine mit Generator an.
Spaltprodukte und Neutronen wiegen zusammen etwas weniger als der Ausgangskern (Massendefekt). Die fehlende Masse wird zu Energie.
Bei der Fusion verschmelzen leichte Kerne. Sie braucht etwa 100 Millionen Grad und ein Plasma, das in Magnetfeldern eingeschlossen ist. Ein Kraftwerk gibt es noch nicht. Die Sonne bezieht ihre Energie aus Fusion.
Kernenergie hat Vorteile (wenig Kohlenstoffdioxid, große Leistung) und Risiken (Unfälle, langlebiger Abfall). Hochradioaktive Abfälle sollen in einem Endlager tief im Gestein liegen.
Übungen
Uran-235 (92 Protonen) fängt ein Neutron ein und spaltet sich in Krypton-91 (36 Protonen), Barium-142 und freie Neutronen. Wie viele Neutronen werden frei?
Welche Aufgabe haben die Steuerstäbe in einem Kernreaktor?
Ein Kernkraftwerk erzeugt 3600 MW Wärmeleistung und liefert 1200 MW elektrische Leistung. Wie groß ist die Abwärmeleistung, in Megawatt?
Warum braucht Kernfusion so hohe Temperaturen?
Nenne zwei Vorteile und zwei Nachteile der Kernenergie zur Stromerzeugung.