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Einführung

Ende des 19. Jahrhunderts entdeckte Marie Curie, dass mache Atome wie Uran und Radium ionisierende Strahlung aussenden und nannte dieses Phänomen Radioaktivität. Seitdem wurde von Wissenschaftlern weltweit viel Forschungsarbeit auf dem Gebiet der Atom- und Kernphysik investiert, um mehr über die Radioaktivität zu lernen und sie nutzbar zu machen. Die Atom- und Kernphysik wird vielfach negativ assoziiert, was wohl auf die Atombombe, die gefährlichste Waffe der Menschheit, zurückzuführen ist. Doch Jahre der Forschung auf diesem Gebiet lehrten die Wissenschaftler auch, wie man sich die Radioaktivität positiv zu Nutzen machen kann. Beispielsweise wurde durch die Entwicklung von Kernkraftwerken eine umweltfreundliche und billige Energiequelle geschaffen.

Ein Kernkraftwerk - Aufbau und Funktion

Kernkraftwerke gibt es in vielen Industrienationen der Erde und dienen zur Stromerzeugung. Sie nutzen die Energie die beim Spalten von Uran oder Plutonium frei wird, um Wasser zu verdampfen und damit Turbinen anzutreiben. Ein Druckwasserreaktor besteht aus drei Kreisläufen. Der Primärkreislauf (1) besteht aus einem Tank, in dem sich Brennstäbe aus spaltbaren Material (Uran bzw. angereichertes Uran) befinden.

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Durch einen initialen Neutronenbeschuss wird eine kontrollierte Kettenreaktion gestartet: Trifft ein Neutron auf einen Urankern, so wird dieser in kleinere Töchterkerne sowie neue Neutronen gespalten. Diese können anschließend weitere Kerne spalten. Damit die Kettenreaktion nicht außer Kontrolle gerät, werden Moderatoren eingesetzt, die einen Teil der freien Neutronen abfangen. Bei jedem Spaltvorgang werden große Mengen Energie frei, die das Wasser im Tank auf mehrere hundert Grad erhitzen. Da es unter Druck steht, bleibt es trotzdem flüssig.

Im Sekundärkreislauf (2) wird die enorme Hitze des ersten Kreislaufs genutzt, um Wasser zu verdampfen und damit Turbinen anzutreiben (3), die Strom erzeugen (4). Anschließend wird der heiße Wasserdampf abgekühlt, kondensiert und erneut dem Kreislauf zugeführt. Zum Abkühlen des Wasserdampfs verwendet man häufig kaltes Flusswasser. Charakteristisch für Kernkraftwerke sind die großen Kühltürme (5), die man meist schon aus der Entfernung sehen kann. Der Dampf, der aus den Kühltürmen kommt ist dabei nichts anderes als Wasserdampf und nicht, wie vielerorts behauptet wird, schädliches Abgas.

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Vor- und Nachteile der Kernkraftwerke

Bei Unfällen etwaiger Natur kann es passieren, dass die Kettenreaktion nicht mehr kontrolliert werden kann. Dann kann es zu Reaktorunfällen kommen, wie die Beispiele Tschernobyl und Fukushima zeigen. Außerdem gibt es das Problem der Endlagerung. Kernkraftwerke stehen deshalb oft in der Kritik. In Deutschland werden sie in einigen Jahren sogar ganz abgestellt. Unfälle sind aber sehr selten, da die großen Industrienationen sich genügend Sicherheitsvorkehrungen leisten können.

Die Vorteile der Kernenergie sind, dass die Stromerzeugung sehr billig und umweltfreundlich ist. Außerdem gewinnt man viel mehr Energie als mit Kohlekraftwerken: 1 Kilogramm Uran liefert so viel Energie wie 30 Tonnen Kohle ohne dabei $CO_2$ auszustoßen.

Typen von Kernkraftwerken

Neben dem beschrieben Druckwasserreaktor gibt es außerdem den Sidewasserreaktor, der auf den Sekundärkreislauf verzichtet. Hier wird die Hitze der Kernspaltung direkt dazu verwendet, Wasserdampf zu erzeugen. Der Nachteil hierbei ist, dass die Turbine kontaminiert wird. Diese beiden Reaktortypen sind die häufigsten. In Ländern, die sich die Anreicherung von Uran nicht leisten können, findet man häufig Schwerwasserreaktoren. Schweres Wasser enthält mehr Neutronen. Außerdem gibt es Brutreaktoren, die gefährlicher sind, aber mehr Anteile des Urans nutzen als herkömmliche Reaktoren.

Die Atombombe

Auch die Atombombe nutz die enorme Energie der Kernspaltung. Wird eine Atombombe gezündet, wird ähnlich wie in einem Reaktor eine Kettenreaktion initialisiert, sodass alle Urankerne nahezu gleichzeitig gespalten werden. Anders als beim Kernkraftwerk, wird diese nicht kontrolliert, stattdessen wird ihrer gesamten Zerstörungskraft freien Lauf gelassen. Mit der Atombombe hält die Menschheit die Bombe zu ihrer eigen Vernichtung in den Händen. Erst zweimal wurde eine Atombombe gegen Menschen eingesetzt und zwar um das japanische Kaiserreich im 2. Weltkrieg zur Kapitulation zu zwingen.

So wurden durch das US-Militär zwei Atombomben auf die japanischen Städte Hiroshima (6. August 1945) und Nagasaki (9. August) abgeworfen. Am 15. August wurde das Kriegsende ausgesprochen und am 2. September kapitulierte Japan. Allein bis Ende 1945 starben mehr als 230.000 Menschen, durch diesen Angriff.

Während des kalten Krieges entwickelte sich die Technik sehr schnell weiter. Heutige Atombomben und Wasserstoffbomben haben ein Vielfaches der Sprengkraft von Hiroshima.

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Strahlenschutz

Radioaktivität und ionisierende Strahlung kann abhängig von der Intensität und Bestrahlungsdauer sehr gefährlich für Menschen sein. So kann etwa die DNA geschädigt werden, was zu Krebs und Erbkrankheiten führen kann. Berufsgruppen, die regelmäßig in Kontakt mit Radioaktivität kommen, müssen sich daher schützen und an Strahlenschutz-Richtlinien halten. Dazu zählen u.A. Reaktorarbeiter, Ärzte, Piloten und Bergmänner. Um vergleichen zu können, wer wieviel der gefährlichen Strahlung ausgesetzt war, wurde die Energieäquivalenzdosis $H$ mit der Einheit Sievert (1 Sv) eingeführt. Diese berechnet sich aus Art der Strahlung, Bestrahlungsdauer und -intensität. Messen kann man die Radioaktivität mit Geigerzählern.

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