Die Energie der Atomkerne

Die Energie der Atomkerne

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.

„Nach unten gibt es noch viel Platz“ Richard Feynman

Inhaltsverzeichnis

  1. Die Ener­gie der Atomkerne
  2. Ener­gie­po­ten­zia­le der Kernspaltung
  3. Rezep­tur der gesteu­er­ten Kern­spal­tung oder „Der Mann mit der Axt”
  4. Tech­no­lo­gie­su­che zur Ener­gie­ge­win­nung mit Kern­spal­tung in der Gene­ra­ti­on I
  5. Leicht­was­ser­re­ak­to­ren der Gene­ra­ti­on II
  6. Har­ris­burg — Tscher­no­byl — Fukushima
  7. Neue Sicher­heits­kon­zep­te und die Gene­ra­ti­on III
  8. Kern­kraft­wer­ke neu gedacht und die Gene­ra­ti­on IV
  9. 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:

kei­ne

 

Die Ener­gie der Atom­ker­ne” — Lei­men / Hei­del­berg — 18. Okto­ber 2022

Andre­as Kieß­ling, ener­gy design

1 Kommentar zu „Die Energie der Atomkerne“

  1. Wir müs­sen zur Kennt­nis neh­men, dass die west­li­chen Staa­ten mit ihren For­de­run­gen den grö­ße­ren Teil der Welt über­for­dern, in denen 7 Mil­li­ar­den Men­schen die glei­chen Rech­te auf wirt­schaft­li­che Ent­wick­lung anstre­ben, wie sie 1 Mil­li­ar­de Men­schen in den Indus­trie­staa­ten im letz­ten Jahr­hun­dert genie­ßen durf­ten. Die Bekämp­fung von Hun­ger und Armut haben noch für 2 Mil­li­ar­den Men­schen Priorität.
    Dazu wird viel mehr Ener­gie benö­tigt, denn Ener­gie ist für den Phy­si­ker die Fähig­keit, Arbeit zu ver­rich­ten. Und Arbeit schafft Wer­te und damit das Wachs­tum in die­sen Regio­nen der Welt.
    Dafür benö­tigt die Mensch­heit eine Viel­falt an Ver­fah­ren zur Ener­gie­ge­win­nung sowie Inno­va­tio­nen und Technologieoffenheit.

    Somit wird auch Kern­ener­gie zukünf­tig mit neu­en und siche­ren Tech­no­lo­gien eine zuneh­men­de Rol­le in der Ener­gie­ver­sor­gung der Mensch­heit bilden.

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