Atomenergie

Heute im PHYSIKUNTERRICHT: Kernspaltung ✔ | Kernspaltung in einem Kernreaktor ✔ | Radioaktiver Abfall (Atommüll) ✔ | Masse und Energie ✔

Wenn Alpha- oder Beta-Teilchen von einem radioaktiven Isotop emittiert werden, kollidieren sie mit den sie umgebenden Atomen und bewirken, dass diese sich schneller bewegen. Mit anderen Worten, ihre Temperatur steigt an, wenn die Kernenergie (im Kern gespeicherte potentielle Energie) in thermische Energie (Wärme) umgewandelt wird.

Beim radioaktiven Zerfall ist die pro Atom freigesetzte Energie etwa eine Million Mal größer als bei einer chemischen Reaktion, wie etwa beim Verbrennen von Stoffen. Die Zerfallsrate eines Atoms ist jedoch normalerweise sehr langsam. Ein viel schnellerer Zerfall kann eintreten, wenn die Atomkerne durch Beschuss mit Neutronen instabiler werden. Wann immer ein Teilchen einen Atomkern durchdringt und verändert, nennt man das eine Kernreaktion.


Wissenswertes über Kernphysik

Jedes einzelne Atom eines beliebigen Elements hat die gleiche Anzahl Protonen in seinem Kern.

Elemente existieren in verschiedenen Versionen, Isotope genannt. Zum Beispiel gibt es von Lithium zwei Isotope: Lithium-6 (mit 3 Protonen und 3 Neutronen im Atomkern) und Lithium-7 (mit 3 Protonen und 4 Neutronen).

Jeder einzelne Atomtyp, beispielsweise Lithium-7, wird als Nuklid bezeichnet. Anstelle von Nuklid wird jedoch üblicherweise das Wort "Isotop" verwendet.

Radioaktive Isotope haben einen instabilen Atomkern. Mit der Zeit zerfällt der Atomkern, indem er ein Alpha- oder Beta-Teilchen und in einigen Fällen auch Gammastrahlung emittiert.


Kernspaltung

Natürliches Uran ist ein dichtes, radioaktives Metall, das hauptsächlich aus zwei Isotopen besteht: Uran-238 (über 99%) und Uran-235 (weniger als 1%). Das folgende Bild zeigt, was passieren kann, wenn ein Neutron den Kern eines Uran-235 Atoms trifft und ihn durchdringt. Der Kern wird sehr instabil, er spaltet sich in zwei leichtere Kerne auf und zwei oder drei Neutronen strahlen ab. Der Teilungsprozess wird Kernspaltung genannt. Dabei wird Energie freigesetzt und die Fragmente fliegen auseinander. Wenn die emittierten (freigesetzten) Neutronen dann immer weitere Kerne spalten, nennt man das eine Kettenreaktion, die eine enorme und schnelle Freisetzung von Energie zur Folge hat.


Was bei der Kernspaltung vor sich geht
Eine Kettenreaktion. Ein Neutron bewirkt, dass sich ein Uran-235-Kern aufspaltet, wodurch mehr Neutronen entstehen, die mehr Kerne spalten ... und so weiter.

Damit eine Kettenreaktion aufrechterhalten werden kann, muss das Uran-235 über einer bestimmten kritischen Masse liegen, sonst können beim Start der Reaktion zu viele Neutronen entfliehen, die dann zur Kettenreaktion nicht mehr zur Verfügung stehen. Bei den ersten Atombomben wurde eine unkontrollierte Kettenreaktion in Gang gesetzt, indem man zwei Stücke aus reinem Uran-235 zusammengebracht hat, so dass die kritische Masse überschritten wurde. Bei heutigen Atomwaffen wird Plutonium-239 zur Kernspaltung verwendet.

Kernpaltung in einem Kernreaktor

Ein energiereicher Brennstoff
Mit 1 kg angereichertem Uran kann so viel Strom erzeugt werden wie mit 55 Tonnen Kohle.

In einem Kernreaktor in einem Atomkraftwerk findet eine kontrollierte Kettenreaktion statt und die thermische Energie (Wärme) wird gleichmäßig abgegeben. Die Energie wird verwendet, um Dampf für den Antrieb von Turbinen zu erzeugen, genau wie in einem herkömmlichen Kraftwerk. In vielen Reaktoren ist der Kernbrennstoff Urandioxid, wobei das natürliche Uran mit zusätzlichem Uran-235 angereichert ist. Der Kernbrennstoff befindet sich in verschlossenen Röhren (Brennstäben).

Um die Kettenreaktion in einem Reaktor aufrechtzuerhalten, müssen die Neutronen gebremst werden, ansonsten werden viele von ihnen vom Uran-238 absorbiert. Um sie zu verlangsamen, wird ein Material benötigt, das Moderator genannt wird. In einigen Reaktoren wird Graphit verwendet, in anderen Wasser. Die Geschwindigkeit der Reaktion wird durch Anheben oder Absenken der Kontrollstäbe kontrolliert. Diese enthalten Bor oder Cadmium, Elemente, die Neutronen absorbieren können.


Schema eines Druckwasserreaktors
Schema eines Druckwasserreaktors

Radioaktiver Abfall (Atommüll)

Wenn ein Brennstab drei oder vier Jahre in einem Reaktor war, hat er ausgedient und muss entfernt und ersetzt werden. Das Uran-235 ist nach dieser Zeit verbraucht worden und es haben sich Spaltprodukte gebildet. Viele dieser Spaltprodukte sind selbst radioaktiv und viel zu gefährlich, um in der Umwelt freigesetzt zu werden. Dabei handelt es sich um die folgenden Isotope, von denen keines natürlich vorkommt.

  • Strontium-90 und Iod-131, die beide leicht vom Körper aufgenommen werden. Strontium konzentriert sich in den Knochen; Iod in der Schilddrüse.
  • Plutonium-239, das entsteht, wenn Uran-238 mit Neutronen beschossen wird. Plutonium-239 ist selbst ein Kernbrennstoff und wird in Atomwaffen eingesetzt. Es ist hoch giftig und als Staub eingeatmet, kann die kleinste Menge einen Menschen töten.

Verbrauchte Brennstäbe werden in eine Wiederaufbereitungsanlage gebracht, wo ungenutzter Brennstoff und Plutonium entfernt werden. Der verbleibende Abfall, jetzt eine Flüssigkeit, wird in einem dicken und abgeschirmten Behälter gelagert. Einige der Isotope haben lange Halbwertszeiten, so dass eine sichere Lagerung für Tausende von Jahren nötig wird. Das Problem, akzeptable Standorte für so eine lange Lagerung von Atommüll zu finden, ist noch immer nicht gelöst.


Zug mit Castor-Behälter
In dem weißen Zuganhänger hinten befindet sich ein Castor-Behälter, wie man ihn zum Transport für radioaktiven Abfall benutzt.

Masse und Energie

Laut Albert Einstein (1905) hat Energie selbst eine Masse. Wenn ein Objekt an Energie aufnimmt, nimmt seine Masse zu; wenn es Energie abgibt, nimmt seine Masse ab. Die Massenänderung m (kg) steht mit der Energieänderung E (Joule) durch diese Gleichung in Zusammenhang:

$E \ = \ mc^2$ wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist ($\mathrm {3 \ \cdot \ 10^8 \ \frac {m}{s}}$)

Der Wert von c2 ist so hoch, dass die Energie, die von Alltagsgegenständen aufgenommen oder abgegeben wird, einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Masse hat. Bei einer Kernreaktion sind die Energieänderungen pro Atom jedoch viel größer und erzeugen nachweisbare Massenänderungen. Wenn beispielsweise die Spaltprodukte von Uran-235 in einem Kernreaktor abgebremst werden, kann man messen, dass sich ihre Gesamtmasse um etwa 0,1% verringert hat.


Fragen

Richtig ist:
Wenn Stahlung von einem radioaktiven Isotop emittiert wird, stoßen die Teilchen der Strahlung mit anderen Atomen zusammen und deren Temperatur steigt an.

2. Was ist gemeint mit ...

  1. ... einer Kernspaltung
  2. ... einer Kettenreaktion

Richtig ist:

  1. Wenn ein Neutron eines instabilen Isotops auf einen weiteren Atomkern des Isotops trifft, wird dieser in zwei Teile gespalten.
  2. Bei der Kernspaltung wird Energie frei und die freigesetzten Neutronen können dann immer weitere Atomkerne spalten, so dass die Reaktion nicht zum Stillstand kommt, bis alle Kerne gespalten sind.

3. Nenne ein Beispiel einer ...

  1. ... kontrollierten Kettenreaktion.
  2. ... unkontrollierten Kettenreaktion

Richtig wäre z.B.:

  1. Eine Kettenreaktion in einem Kernkraftwerk.
  2. Eine Kettenreaktion in einer Atombombe.

4. Fragen über Plutonium

  1. Woher stammt Plutonium-239?
  2. Warum ist Plutonium-239 so gefährlich?

Richtig ist:

  1. Wenn Uran-238 mit Neutronen beschossen wird, entsteht Plutonim-239
  2. Plutonium-239 ist ein hochgiftiges, radioaktives Isotop.

5. In einem typischen Spaltprozess absorbiert Uran-235 ein Neutron. Der dadurch instabile Kern spaltet sich und es entstehen Barium-141, Krypton-92 und drei Neutronen.

Teilchen Masse in kg
Neutron $\mathrm {1,674 \ \cdot \ 10^{-27}}$
Uran-235 Kern $\mathrm {390,250 \ \cdot \ 10^{-27}}$
Barium-141 Kern $\mathrm {233,964 \ \cdot \ 10^{-27}}$
Krypton-92 Kern $\mathrm {152.628 \ \cdot \ 10^{-27}}$

Nimm die Werte oben und ...

  1. ... berechne die Gesamtmasse des Urankerns mitsamt dem Neutron.
  2. ... berechne die Gesamtmasse des Bariumkerns, des Kryptonkerns und der drei Neutronen.
  3. ... verwende die Gleichung $E \ = \ mc^2$, um die Energie zu berechnen, die pro Zerfall durch den Spaltprozess freigesetzt wird.

Richtig ist:

  1. $\mathrm {391,924 \ \cdot \ 10^{-27}}$
  2. $\mathrm {391,614 \ \cdot \ 10^{-27}}$
  3. $\mathrm {2,8 \ \cdot \ 10^{-11}}$

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