Die Energie der Atomkerne
Zwischen Faszination und Ablehnung
Albert Einstein formulierte den Zusammenhang zwischen Energie und Masse. Energie ist gleich der Masse mal dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit. Die Energie der Atomkerne beruht auf diesem Zusammenhang. Wir nehmen sie mit auf eine Reise in die Welt, die alles im Innersten zusammenhält. Starke Kernkraft ist die stärkste der bekannten Naturkräfte und sie sorgt dafür, dass Atomkerne zusammenhalten und gleichzeitig eine extreme Energiedichte beinhalten.
Inhaltsverzeichnis
- Die Energie der Atomkerne
- Energiepotenziale der Kernspaltung
- Rezeptur der gesteuerten Kernspaltung oder „Der Mann mit der Axt”
- Technologiesuche zur Energiegewinnung mit Kernspaltung in der Generation I
- Leichtwasserreaktoren der Generation II
- Harrisburg, Tschernobyl, Fukushima
- Neue Sicherheitskonzepte und die Generation III
- Kernkraftwerke neu gedacht und die Generation IV
- Die Energie der Sonne durch Kernfusion und aufkommende Technologien
Mechanische Energie und Einführung in die Energieeinheiten
Wer kennt diese Gleichung nicht? Albert Einstein formulierte den Zusammenhang zwischen Energie und Masse. Energie ist gleich der Masse mal dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit. Die Energie der Atomkerne beruht auf diesem Zusammenhang. Wieviel Energie steckt also in einem Barren Gold mit der Masse ein Kilogramm (kg)? Man könnte sagen: Es kommt darauf an. Energie kommt in verschiedenen Formen vor. Dies trifft auch für einen Barren Gold sowie jeden anderen Stoff zu. Wir werden darauf eingehen. Das folgende Beispiel dient erst einmal dazu, Energiegrößenordnungen begreifbar zu machen.
Stellen wir uns vor, beim Graben eines Lochs in einem Meter Tiefe auf einen Barren Gold zu stoßen. Um das Gold zu bergen, muss Energie aufgewendet werden. Die benötigte Menge berechnet sich aus der aufgebrachten Kraft multipliziert mit dem zurückzulegenden Weg. Der Barren wird entgegen der Erdanziehungskraft angehoben. Die dazu notwendige Kraft ist gleich der Masse des Barrens (1 kg) mal Erdbeschleunigung. Diese Beschleunigung drückt aus, dass ein vom Eifelturm geworfener Gegenstand ohne Luftreibung in jeder Sekunde um rund 10 Meter (m) pro Sekunde (s) schneller wird (kurz: 10 m/s2). Die aufzubringende Kraft beträgt also 10 kg ⋅ m/s2. Physiker schreiben diese Einheit in verkürzter Form als 10 Newton (N). Die Multiplikation der Kraft mit dem Weg zur Anhebung des Goldbarrens ergibt die aufgewendete Energie. Für unser Loch mit ein Meter Tiefe ist das Ergebnis 10 N mal 1 m, also 10 Nm (Newtonmeter).
Die eingesetzte Energie verschwindet nicht, denn ansonsten wäre das Heiligtum der Physik, der Energieerhaltungssatz, verletzt. Die Energie steckt als potenzielle Energie im Goldbarren. Denn das Loch ist noch da und der Barren kann wieder fallen gelassen werden. Dabei wirkt wiederum eine schon bekannte Kraft auf das mühsam geborgene Gold. Schon Isaak Newton formulierte den Zusammenhang, dass die Kraft gleich der Masse mal eine auf die Masse wirkende Beschleunigung ist. Der Barren kann einen Meter tief fallen. Seine potenzielle Energie wandelt sich dabei in Bewegungsenergie, auch kinetische Energie genannt, um. Ein Kilogramm Masse mal rund 10 Meter pro Sekundenquadrat Erdbeschleunigung mal einen Meter Fallhöhe ergeben ebenso 10 Newtonmeter kinetische Energie.
Chemische Energie und Umwandlung in mechanische Energie
Wenn es uns zu mühsam ist, kann der Goldbarren auch durch einen Mechanismus angehoben werden, der von einer Dampfmaschine angetrieben wird. Die Dampfmaschine verbrennt Kohle und erzeugt Wärmeenergie. Durch deren Nutzung kann die chemische Energie der Kohle in Bewegungsenergie der Dampfmaschine umgewandelt werden. Aber diese Maschine wandelt nicht die komplette chemische Energie in nützliche Bewegungsenergie um. Sie gibt auch Wärme in die Umgebung ab, die als nicht mehr nutzbare Energie in die Atmosphäre entweicht. Eine sehr gute Dampfmaschine besitzt einen Wirkungsgrad von 20 Prozent. Somit wird fünfmal so viel chemische Energie benötigt, wie als mechanische Arbeit zum Anheben des Goldbarrens notwendig sind, also 50 Nm.
Nun benutzen Techniker im Zusammenhang mit Dampfmaschinen und Wärmeenergie nicht die Einheit Nm. Fünfzig Newtonmeter entsprechen 50 Joule. Den meisten Menschen sind aber mit der Einheit Joule nicht so sehr vertraut. Die veraltete Maßeinheit heißt Kalorie. Diese Einheit ist bekannt als Größe, wieviel der menschliche Körper aufnehmen darf, um nicht dick zu werden. Bei wenig Bewegung reichen uns 2000 Kilokalorien am Tag. Dies sind zwei Millionen Kalorien. Zum einmaligen Anheben des Goldbarrens um einen Meter genügen 50 Joule gleich 12 Kalorien, also 0,012 Kilokalorien.
Wer Lust auf ein Experiment hat, kann 120 Kilokalorien – also 120.000 Kalorien — zusätzlich zum Grundbedarf seines Körpers essen. Die chemische Energie dieser Nahrungsmenge ist zehntausend Mal so groß, wie für einen Hebevorgang benötigt wird. Der Wirkungsgrad der Muskeln beträgt rund 25 Prozent. Aber der Wirkungsgrad der Kette von Nahrungsaufnahme, über Verdauung bis zur Umwandlung gewonnener chemischer Energie durch Muskeln in Bewegungsenergie beträgt nur rund 10 Prozent. Als Bewegungsenergie stehen somit nur 12.000 Kalorien gleich 5000 Joule und somit 5000 Newtonmeter zur Verfügung. Da der einfache Vorgang zum Heben des Goldbarrens 10 Nm benötigt, kann mit der vorgeschlagenen Nahrungsaufnahme der Barren fünfhundert Mal angehoben werden. Wenn sich der Experimentator 24 Stunden und damit 7440 Minuten Zeit lässt, reicht die zusätzlich aufgenommene Nahrungsmenge für 500 Hebevorgänge am Tag und somit ungefähr einen Hebevorgang je drei Minuten. Mit viel Kaffee überwindet der Experimentator eventuell auch seine Müdigkeit.
Mit elektrischer Energie zu höherer Energiedichte
Nun kann aber auch ein effizienterer Elektromotor den Hebemechanismus antreiben. Dessen Wirkungsgrad liegt bei 80 Prozent, Es wird somit nur 12,5 Nm elektrische Energie benötigt, um 10 Nm mechanische Energie zum Heben zu gewinnen. Für elektrische Energie wird eine weitere Einheit mit der Bezeichnung Wattsekunden (Ws) genutzt. Ein Newtonmeter entspricht einer Wattsekunde. Besser bekannt ist uns aber vom Stromzähler zu Hause die Einheit Kilowattstunde (kWh). Da ein Kilowatt Leistung 1000 Watt entspricht und eine Stunde 3600 Sekunden umfasst, sind 3,6 Millionen Wattsekunden gleich einer Kilowattstunde.
Die für den Elektromotor benötigte Energie in Höhe von 12,5 Nm entspricht 12,5 Wattsekunden und umgerechnet rund 0,0000035 kWh. Für 500 Hebevorgänge des 1 kg schweren Goldbarrens über einen Meter analog zum Muskelantrieb des Experimentators sind somit ungefähr 0,00175 Kilowattstunden notwendig. Um den Barren auf einen etwas vergrößerten Mont Everest von rund 10.000 Meter zu heben, werden 10.000 derartiger Hebevorgänge benötigt. Mit zwanzig multipliziert ergibt dies den Energiebedarf von 0,035 Kilowattstunden.
Um in einem Kohlekraftwerk eine Kilowattstunde elektrische Energie zu erzeugen, müssen ungefähr 124 Gramm Steinkohle verbrannt werden. Um nun das Gold auf den Mont Everest zu transportieren, sind 0,035 kWh elektrische Energie und damit rund 4,3 Gramm Steinkohle erforderlich.
Nun merken wir uns die Zahlen des letzten Abschnitts sowie folgende Werte. Durch die Verbrennung von 124 Gramm Steinkohle kann eine Kilowattstunde elektrische Energie gewonnen werden. Ein durchschnittlicher Haushalt benötigt 3000 kWh im Jahr, was dem Äquivalent von 372 kg Steinkohle entspricht. 30 Millionen Haushalte würden somit rein rechnerisch im Jahr ungefähr 11 Milliarden Kilogramm gleich 11 Millionen Tonnen Steinkohle benötigen. Dies betrifft nur die elektrische Energie der Haushalte. Dazu kommt der Energiebedarf für Wärme und den Verkehr. In ähnlicher Größenordnung liegt der Bedarf für Gewerbe und Industrie.
Die große Energiemenge lauert ganz tief innen
Nun sind wir bereit für Energie gleich Masse mal dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit. Wir haben bisher nur potenzielle Energie als Wirkung der Gravitation sowie elektrische Energie und ihre bisher vorrangig genutzten Quellen aus chemischer Energie betrachtet. Chemische Energie resultiert aus Wechselwirkungen der Elektronen in der Atomhülle bei der Verbindung von Atomen zu Molekülen. Bei der Verbrennung von Kohle vereinigen sich beispielsweise Kohlenstoffatome jeweils mit zwei Sauerstoffatomen zu Kohlendioxid. Die dabei entstehenden Verbindungen in den Elektronenhüllen dieser Atome setzen Energie frei, indem chemische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Diese Wärmeenergie erhitzt Flüssigkeiten, die wiederum Turbinen und Stromgeneratoren in Bewegung setzen.
Ganz tief innen lauert aber die Energie der Atomkerne. Wenn wir uns ein Fußballstadion vorstellen, bewegen sich die Elektronen eines Atoms um das Stadion herum. Der Atomkern stellt in diesem Maßstab einen Stecknadelkopf auf dem Anstoßpunkt dar. So betrachtet besteht ein Atom quasi zu 99,99999 Prozent aus NICHTS, jedenfalls im Sinne von massebehafteten Teilen. Masse besitzen die um das Fußballstadion kreisenden Elektronen sowie der kompakte Atomkern als Stecknadelkopf im Zentrum des Nichts. Dazwischen walten Felder mit Wechselwirkungen zwischen den Elementarteilchen des Atoms. Die im Atomkern waltenden Energien werden nicht durch die Gravitation oder die elektrischen Wechselwirkungen der Atomhülle bestimmt, sondern durch sogenannte starke Kernkräfte. Das größte Energiepotenzial finden wir im Atomkern.
Die Artikelreihe wendet sich nicht an ein Fachpublikum, sondern beabsichtigt einer großen Breite von Lesern, die Energie der Atomkerne nahezubringen. Der Experte möge deshalb verzeihen, wenn die Grundlagen der Kernphysik im folgenden Abschnitt ein wenig oberflächig und sehr verkürzt wiedergegeben werden.
Eine Kurzreise in den Atomkern
Beginnen wir mit dem Chemiewissen aus der Schule. Die meisten Leser werden sich an das Periodensystem der Elemente erinnern. Es beginnt mit dem Element Wasserstoff, dass ein negativ geladenes Elektron in seiner Atomhülle sowie ein positiv geladenes Proton im Atomkern besitzt. In Summe der gegensätzlich geladenen Elektronen und Protonen ist das Atom nach außen elektrisch neutral. Als nächstes folgt das Element Helium mit zwei negativ geladenen Elektronen in der Atomhülle sowie zwei positiv geladenen Protonen und zwei Neutronen ohne Ladung im Atomkern. Die jeweilige Anzahl der Protonen im Atomkern bestimmt die Ordnungszahl eines Elementes; bei Wasserstoff also eins und bei Helium zwei. Das schwerste, natürlich vorkommende Element auf der Erde ist Uran mit der Ordnungszahl 92, also 92 Elektronen in der Hülle und 92 Protonen im Atomkern. Elemente mit höherer Ordnungszahl wurden künstlich erzeugt. Wissenschaftler erreichten dabei schon die Ordnungszahl 118.
Das Periodensystem der Elemente bietet sehr viel Raum für Erzählungen. Vielleicht später. Uns interessieren hier nur die Folgen, wenn sich durch natürliche oder künstlich geschaffene Reaktionen die Ordnungszahl ändert. Was geschieht, wenn Elemente zu anderen Elementen mutieren, das heißt, wenn sich die Anzahl der Protonen im Atomkern ändert? Welche Möglichkeiten für derartige Veränderungen existieren?
Die schwache Kernkraft
Bevor auf uns die wirklich starke Kernkraft wartet, betrachten wir zunächst die schwache Kernkraft oder auch schwache Wechselwirkung. Der Name beruht darauf, dass die daraus resultierenden Kräfte 10 Billionen Mal schwächer als die elektromagnetischen Kräfte sind. Im Atomkern sorgen sie für Umwandlungsprozesse, die für Zerfälle verantwortlich sind, die zur sogenannten radioaktiven Strahlung führen. Dazu gehören positive und negative Beta-Strahlen. Beim Betaminuszerfall werden Elektronen freigesetzt. Dagegen entstehen beim Betapluszerfall positiv geladene Positronen als Antiteilchen zu Elektronen. Um diese Umwandlung zu verstehen, mussten Physiker noch tiefer in den Atomkern eindringen.
Protonen und Neutronen im Atomkern sind nicht die kleinsten Teilchen. Innerhalb der Bestandteile des Kerns finden sich die sogenannten Quarks. Die Umwandlung dieser Quarks auf Grundlage der schwachen Wechselwirkung verursacht Radioaktivität auf Basis der Betastrahlen. Der Begriff Strahlung ist nicht ganz korrekt, da keine elektromagnetischen Strahlen sondern Materieteilchen als Elektronen und Positronen versendet werden. Da sich der Atomkern nach dem Teilchenverlust quasi im Zustand der Aufregung befindet, wird die überschüssige Energie schlussendlich als Gammastrahlung abgegeben. Diese Energieabgabe ist eine Form elektromagnetischer Strahlung als Wellen mit sehr hoher Frequenz und damit sehr hoher Energie.
Weitere Prozesse der Veränderung von Atomkernen sind bekannt. Dazu gehört zum Beispiel die Alphastrahlung. Auch hier werden Materieteilchen in Form von Heliumkernen aus zwei Protonen und zwei Neutronen abgegeben. Wir werden aber auf die genannten Prozesse der Veränderung von Atomkernen an dieser Stelle nicht eingehen. Die Aufmerksamkeit gilt vorerst den Vorgängen bei der Kernspaltung und der Kernfusion.
Die starke Kernkraft
Grundlagen
Bisher fanden die Gravitationskraft, die elektromagnetische Kraft und die schwache Kernkraft Erwähnung. Kommen wir nun zur vierten der heute bekannten Grundkräfte des Universums, die starke Kernkraft oder auch starke Wechselwirkung. Sie ist die stärkste der bekannten Naturkräfte und sorgt dafür, dass der Atomkern zusammenhält.
Bekanntlich besteht der Atomkern aus nicht geladenen Neutronen sowie aus positiv geladenen Protonen. Teilchen mit gleicher Ladung stoßen sich aber ab. Glücklicherweise ist die starke Kernkraft viel stärker als die elektromagnetische Kraft. Somit halten die Protonen zusammen. Gleichzeitig ist aber die Reichweite der starken Kernkraft viel geringer als die Reichweite der elektromagnetischen Kraft. Somit haften die Protonen im stecknadelgroßen Atomkern in der Mitte des Fußballstadions aufgrund der starken Kernkraft zusammen. Aber die das Stadion umkreisenden Elektronen in der Atomhülle bleiben aufgrund der elektrischen Abstoßung auf Abstand und klumpen nicht zusammen. Die Naturkräfte ergänzen sich in passenden Stärken, um die Bildung von Atomen und somit die Nutzbarkeit der Energie von Atomkernen überhaupt erst zu ermöglichen.
Wir können also feststellen, dass Atomkerne durch die starke Kernkraft äußerst fest zusammenhaften. Um einen Atomkern zu spalten oder zwei Atomkerne zu vereinigen ist in der Regel sehr viel Energie notwendig. Bei der Erforschung der Atomkerne fanden sich aber zwei Vorgänge, die mehr Energie freisetzen als zur Auslösung der Vorgänge aufgewendet werden musste.
Kernspaltung
Die Wissenschaftler entdeckten diesen Energieüberschuss zunächst bei Atomkernen mit hoher Ordnungszahl, zum Beispiel Uran. Der Atomkern von Uran kann bei einem Energieüberschuss durch ein Neutron in zwei andere Kerne, beispielsweise in Krypton und Barium plus weitere freiwerdende Neutronen, gespalten werden. Dieser Prozess besitzt durch die freiwerdenden Neutronen einen selbstverstärkenden Mechanismus. Er sorgt bei Anwesenheit von genügend Uran dafür, dass die Kernspaltung dauerhaft weiterläuft, das heißt, zur kontrollierten oder unkontrollierten Kettenreaktion führt. Dabei kann ein Gramm reines Uran mit 235 Protonen und Neutronen im Atomkern (Uran-235) so viel Energie freisetzen wie drei Tonnen Steinkohle. Wenn also nach der Berechnung im Abschnitt „Mit elektrischer Energie zu höherer Energiedichte“ 4,3 Gramm Steinkohle reichten, um ein Kilogramm Goldbarren auf einen 10.000 Meter hohen Berg zu heben, kann mit der vollständigen Spaltung von Uran-235 eine Goldmenge von 700 Tonnen auf den Berg transportiert werden.
Der nächste Artikel betrachtet die Möglichkeiten der Kernspaltung unter dem Titel „Energiepotenziale der Kernspaltung und Technologien“.
Kernfusion
Bald entdeckten die Wissenschaftler auch den zweiten Vorgang im Atomkern mit Energieüberschuss im Zusammenhang mit der starken Kernkraft – die Kernfusion. Wenn es gelingt, zwei Atomkerne mit niedriger Ordnungszahl, zum Beispiel zwei Atomkerne von Wasserstoff miteinander zu vereinigen, werden ebenso gewaltige Energien auf Basis der hohen Energiedichte im Atomkern frei. Wasserstoff besitzt ein Elektron in der Atomhülle und ein Proton im Atomkern. Es kommt aber auch als sogenannter schwerer Wasserstoff in weiteren Varianten vor.
Physiker nennen diese Varianten Isotope und gaben ihnen die Namen Deuterium mit einem Proton und einem Neutron im Atomkern sowie Tritium mit einem Proton und zwei Neutronen im Atomkern. Ein mögliches Verfahren zur Kernfusion nutzt Deuterium. Die Energiequelle der Sonne war entdeckt. Ein Gramm Wasserstoff kann so viel Energie liefern wie zwölf Tonnen Steinkohle. Damit kann bei vollständiger Fusion der Atomkerne von einem Gramm schweren Wasserstoff eine Goldmenge von 2800 Tonnen auf den 10.000 Meter hohen Berg transportiert werden.
Dabei wird aber viel weniger radioaktives Material erzeugt, das keine langfristig anhaltende Strahlung abgibt, wie es bei bisher eingesetzten Technologien der Kernspaltung der Fall ist. Ebenso besteht keine Gefahr der Kettenreaktion und damit kein hohes Risikos für Regionen um Kernkraftwerke. Diese Aussagen werden wir im Artikel „Die Energie der Sonne durch Kernfusion und aufkommende Technologien“ betrachten. Bleiben sie neugierig.
Quellen:
“Die Energie der Atomkerne” — Leimen / Heidelberg — 18. Oktober 2022
Andreas Kießling, energy design
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