Energiepotenziale der Kernspaltung

Energiepotenziale der Kernspaltung

Energiepotenziale der Kernspaltung

Von der Uran-Aufbereitung bis zur Kernspaltung


Die Erschlie­ßung der Ener­gie­po­ten­zia­le der Kern­spal­tung begann im zwei­ten Welt­krieg mit den unmensch­li­chen Atom­bom­ben-Angrif­fen auf die Zivil­be­völ­ke­rung von Hiro­shi­ma und Naga­sa­ki. Die­se von berühm­ten Phy­si­kern mit­ge­tra­ge­ne Erb­sün­de wirft einen dau­er­haf­ten Schat­ten auf die Tech­no­lo­gie­be­geis­te­rung. Die fried­li­che Nut­zung der gewal­ti­gen Poten­zia­le von Kern­kraft­wer­ken war auch des­halb immer umstrit­ten. Risi­ken sind sehr sorg­fäl­tig abzu­wä­gen. Es gilt aber eben­so die Unter­schie­de zwi­schen frü­he­ren Tech­no­lo­gien und neu­en Ent­wick­lun­gen zu betrachten.

Solan­ge die Atom­bom­be sich nur in Hän­den der bei­den Groß­mäch­te befin­det, gibt es kei­nen Krieg. Gefähr­lich wird es erst, wenn sich jeder das dazu not­wen­di­ge Plu­to­ni­um aus der Dro­ge­rie holen kann“  Otto Hahn

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

Energiepotenziale der Kernspaltung

Die tech­no­lo­gi­schen Mög­lich­kei­ten zur Kern­spal­tung sind viel­fäl­tig. Vor der Betrach­tung ange­wen­de­ter und zusätz­lich vor­ge­schla­ge­ner Ver­fah­ren erwei­tern die fol­gen­den Zei­len zuerst die Ener­gie­be­trach­tun­gen aus dem Kapi­tel „Die Ener­gie der Atom­ker­ne“. 

Dazu erset­zen wir den ein Kilo­gramm schwe­ren Gold­bar­ren durch einen eben­so schwe­ren Block aus spalt­ba­rem Uran-235. Die­se spe­zi­el­le Uran-Vari­an­te, die Phy­si­ker Iso­top nen­nen, besitzt 235 Pro­to­nen und Neu­tro­nen im Atom­kern. Die Anzahl ent­spricht unge­fähr der soge­nann­ten ato­ma­ren Mas­se von Uran. Ein auf den Atom­kern auf­tref­fen­des Neu­tron mit der ato­ma­ren Mas­se eins kann den Kern spal­ten. Nach der Kern­spal­tung sind die End­pro­duk­te plus die dabei weg­flie­gen­den Neu­tro­nen in Abhän­gig­keit von der Art der Spalt­pro­duk­te rund 0,18 ato­ma­re Mas­sen leich­ter als die Aus­gangs­pro­duk­te. Damit geht also weni­ger als 0,1 Pro­zent — ein Tau­sends­tel — der ato­ma­ren Mas­se der Aus­gangs­pro­duk­te ver­lo­ren.  Die End­pro­duk­te haben somit nach der voll­stän­di­gen Spal­tung von einem Kilo­gramm Uran ein Gramm der Ursprungs­mas­se ver­lo­ren, die in Ener­gie umge­wan­delt wurde.

Ein­stein for­mu­lier­te den Zusam­men­hang zwi­schen Ener­gie (E) und Mas­se (m) über das Qua­drat der Licht­ge­schwin­dig­keit © mit der Glei­chung E = m ⋅ c2. Die­se Glei­chung führt zum fast unglaub­li­chen Ergeb­nis, dass ein Gramm Mas­sen­ver­lust bei der Spal­tung aller Atom­ker­ne eines Kilo­gramms Uran-235 die enor­me Ener­gie­men­ge von 20 Giga­watt­stun­den frei­setzt. Die­se gewal­ti­ge Ener­gie­dich­te lau­ert ganz tief innen im Atom­kern, der sich zur Grö­ße eines Atoms ver­hält wie der Steck­na­del­kopf zu einem Fußballstadion.

Der durch­schnitt­li­che Strom­ver­brauch eines deut­schen Haus­hal­tes beträgt 3000 Kilo­watt­stun­den (kWh) pro Jahr. Somit rei­chen 20 Giga­watt­stun­den, das heißt 20 Mil­lio­nen kWh ein Jahr für unge­fähr 7000 Haus­hal­te, eine Stadt mit knapp 20.000 Einwohnern.

Im Kapi­tel “Die Ener­gie der Atom­ker­ne” lern­ten wir auch, dass ein Kilo­gramm schwe­rer Gold­bar­ren mit dem Ener­gie­ein­satz von 0,035 kWh auf einen 10.000 Meter hohen Berg geho­ben wer­den kann. Die welt­weit gela­ger­te Gold­men­ge beträgt 30 Mil­lio­nen Kilo­gramm. Damit rei­chen 1,05 Mil­lio­nen kWh, rund eine Giga­watt­stun­de, zum Trans­port von 30.000 Ton­nen Gold auf die­sen Berg. Die bei der Spal­tung von einem Kilo­gramm Uran-235 frei­wer­den­de Ener­gie­men­ge von 20 Giga­watt­stun­den reicht also aus, das Gold der Mensch­heit zwan­zig Mal auf einen zehn Kilo­me­ter hohen Berg zu tragen.

Zu erwäh­nen ist aber, dass die­se Berech­nung der Ener­gie­po­ten­zia­le der Kern­spal­tung eine idea­li­sier­te Betrach­tung ist. Sie geht davon aus­geht, dass rei­nes Uran-235 ein­ge­setzt und voll­stän­dig gespal­ten wird. Dies ent­spricht nicht der Rea­li­tät. Ihre Neu­gier­de auf die ver­schie­de­nen Tech­no­lo­gien der Kern­spal­tung wird aber noch gestillt. Vor­her kann der mathe­ma­tisch Inter­es­sier­te die Berech­nung der frei­wer­den­den Ener­gie­men­ge im nach­fol­gen­den Exkurs nach­voll­zie­hen. Ansons­ten über­sprin­gen sie die­sen Abschnitt ein­fach. Für das wei­te­re Ver­ständ­nis ist er nicht erforderlich.

Berechnung der Energiepotenziale der Kernspaltung für Fortgeschrittene

Mas­se und Anzahl der Atom­ker­ne in einem Kilo­gramm Uran-235

Die ato­ma­re Mas­sen­ein­heit wird als Ein­heit der Mas­se von Ato­men benutzt.

Sie ist defi­niert als ein Zwölf­tel der Mas­se eines iso­lier­ten Atoms des Koh­len­stoff-Iso­tops mit 12 Nukleo­nen im Atom­kern (Pro­to­nen und Neu­tro­nen) im Grundzustand.

Auf Basis die­ser Defi­ni­ti­on beträgt die ato­ma­re Mas­sen­ein­heit (u) 1,66⋅10−27 kg.

Annä­hernd ent­spricht die Anzahl der Nukleo­nen (Pro­to­nen und Neu­tro­nen im Atom­kern) der ato­ma­ren Mas­se; z.B. ist die ato­ma­re Mas­se der häu­figs­ten Was­ser­stoff-Vari­an­te rund 1.

Ein Atom­kern von Uran-235 besitzt somit mit 235 Nukleo­nen die ato­ma­re Mas­se von 235 u, also 235⋅1,66⋅10−27 kg gleich 390⋅10-27 kg.

1 kg Uran besteht somit aus 0,00256⋅1027 gleich 2,56⋅1024 Atomkernen.

Mas­sen­ver­lust (Δm; auch Mas­sen­de­fekt genannt) bei der Kernspaltung

Die ato­ma­re Mas­se eines Atom­kerns mit 235 Nukleo­nen plus ein ein­tref­fen­des Neu­tron beträgt 236 u. Nach der Spal­tung von Uran unter Frei­set­zung von drei Neu­tro­nen ist die ato­ma­re Mas­se für eine durch­schnitt­li­che Zer­falls­re­ak­ti­on bei­spiels­wei­se 0,18 u klei­ner als die ato­ma­re Mas­se der Ausgangsprodukte.

Δm = 0,18 u = (0,18⋅1,66⋅10−27 kg)

Δm = 0,3⋅10−27 kg.         

Die Mul­ti­pli­ka­ti­on mit 2,56⋅1024 Atom­ker­nen in 1 kg Uran ergibt bei voll­stän­di­ger Spal­tung den nach­fol­gen­den Massenverlust.

Δm = 0,3⋅10−27 ⋅ 2,56⋅1024 = 0,77⋅10-03 kg = 0,77 g und somit grob gerun­det 1 Gramm

Ener­gie­frei­set­zung durch Mas­sen­ver­lust pro Atomkern

E = Δm ⋅ c2 (Ein­stein: Ener­gie gleich Mas­se mal Qua­drat der Lichtgeschwindigkeit)

E = (0,3⋅10−27 kg) ⋅ (3⋅108 m/s)2 = 2,7⋅10−11 Nm

Ener­gie­frei­set­zung für 1 kg Uran

1 kg Uran besteht aus 2,56⋅1024 Atomkernen.

E = (2,7⋅10−11 Nm / Atom­kern) ⋅ (2,56 ⋅ 1024 Atomkerne)

E = 6,9⋅1013 Nm = 6,9⋅1013 Ws rund 20.000.000 kWh = 20.000 MWh = 20 GWh

Produktion von spaltbarem Material

Atom­ker­ne besit­zen eine extrem hohe Ener­gie­dich­te. Nur ein Kilo­gramm rei­nes Uran-235 kann bei voll­stän­di­ger Spal­tung eine Ener­gie­men­ge von unge­fähr 20 Mil­lio­nen Kilo­watt­stun­den, also 20 Giga­watt­stun­den, frei­set­zen. Das ent­spricht unge­fähr der durch Ver­bren­nung von rund 3.000 Ton­nen Stein­koh­le gewon­ne­nen Ener­gie. Über die bis­her ange­wen­de­ten tech­ni­schen Ver­fah­ren zum Ein­satz von Uran in Kern­kraft­wer­ken spre­chen wir im nächs­ten Kapitel.

Da aber der Anteil von rei­nem Uran-235 in der Natur nur sehr gering ist, benö­ti­gen wir noch das Ver­ständ­nis für Ver­fah­ren zur Pro­duk­ti­on von tech­nisch nutz­ba­rem Uran.

Natür­li­ches Uran kommt in der Natur vor­ran­gig mit 238 Pro­to­nen und Neu­tro­nen im Kern vor, nur 0,7 Pro­zent der För­de­rung bestehen aus zur Ener­gie­ge­win­nung not­wen­di­gem Uran-235. Das gewon­ne­ne Uran wird des­halb in Zen­tri­fu­gen behan­delt, um den benö­tig­ten Anteil auf unge­fähr fünf Pro­zent zu erhö­hen. Dage­gen muss für Kern­waf­fen der Anteil in einem auf­wen­di­gen Pro­zess auf über 90 Pro­zent erhöht wer­den. Die­ser Unter­schied ist auch gut so. Da ein Anrei­che­rungs­schritt in Zen­tri­fu­gen nur einen gerin­gen Tren­nungs­grad erreicht, muss das Sepa­ra­ti­ons­ver­fah­ren tau­sen­de Male durch­lau­fen wer­den. Nur weni­ge Staa­ten errei­chen den hohen Rein­heits­grad von Uran-235 für kern­waf­fen­fä­hi­ges Mate­ri­al. Inter­na­tio­na­le Abkom­men sol­len die Wei­ter­ver­brei­tung des Ver­fah­rens ver­hin­dern. Dage­gen genügt die Anrei­che­rung auf rund fünf Pro­zent Uran-235 für Kern­kraft­wer­ke. Abge­rei­cher­tes, nicht zur Ener­gie­ge­win­nung nutz­ba­res Uran-238 ver­bleibt als über­flüs­si­ges Uran­he­xa­fluo­rid zur wei­te­ren Lage­rung und zum Trans­port. Die damit ver­bun­de­nen Gefah­ren erfor­dern eine geson­der­te Betrach­tung (sie­he auch Sen­dung von plus­mi­nus zur Uran­an­rei­che­rungs­an­la­ge Gronau).

Das ange­rei­cher­te Uran­ge­misch wird in Brenn­stä­be ein­ge­bracht, die im Kern­kraft­werk in den Reak­tor ein­ge­setzt und zur Ener­gie­ge­win­nung genutzt wer­den. Ein Brenn­ele­ment gilt als aus­ge­brannt, wenn unge­fähr zwei Drit­tel des zur Spal­tung zur Ver­fü­gung ste­hen­den Uran-235 ver­braucht sind. Bei der Nut­zung eines Brenn­sta­bes im Kern­kraft­werk ent­steht aber ein wei­te­res, höchst gefähr­li­ches Mate­ri­al – Plu­to­ni­um-239. Die­ses Iso­top bil­det eben­so kern­waf­fen­fä­hi­ges Mate­ri­al. Ein Kern­re­ak­tor her­kömm­li­cher Bau­art kann somit nicht kern­waf­fen­fä­hi­ges Mate­ri­al nut­zen, pro­du­ziert aber kern­waf­fen­fä­hi­ge Stoffe.

Energiedichte in Uran-Brennstäben

Pro­du­zier­te Brenn­stä­be besit­zen in der Pra­xis einen Anrei­che­rungs­grad von bis zu fünf Pro­zent. Auf­grund die­ses gerin­gen Anteils von Uran-235 in den Brenn­stä­ben eines Kern­kraft­wer­kes wer­den zur Gewin­nung von 20 Giga­watt­stun­den Ener­gie statt einem Kilo­gramm rei­nen Uran-235 letzt­end­lich zwan­zig Kilo­gramm Uran-Gemisch für die Brenn­stä­be benö­tigt. Der Nut­zungs­grad der Brenn­stä­be beträgt rund zwei Drit­tel. Damit steigt der Brenn­stoff­be­darf auf rund 30 kg Uran-Gemisch im Brenn­stab pro 20 Giga­watt­stun­den Ener­gie­ge­win­nung durch Kernspaltung.

Schluss­end­lich wan­deln die Gene­ra­to­ren aber nur rund 40 Pro­zent der gewon­ne­nen Ener­gie nach der Dampf­erzeu­gung und dem Antrieb der Tur­bi­nen in Strom um. Strom­erzeu­gung im Umfang von 20 GWh benö­tigt somit rund 75 kg Uran-Gemisch in Brennstäben.

Die zu die­sem Wert im Kapi­tal füh­ren­de gro­be Über­schlags­rech­nung genügt einem Pra­xis­ver­gleich. Bei­spiels­wei­se benö­tigt das schwei­ze­ri­sche Kern­kraft­werk in Gös­gen mit einer Leis­tung von 1000 Mega­watt pro Jahr 20 Ton­nen ange­rei­cher­tes Uran. Das Kraft­werk erzeugt dabei rund 8,5 Mil­li­ar­den Kilo­watt­stun­den Strom. Zwan­zig Kilo­gramm des ange­rei­cher­ten Aus­gangs­stof­fes rei­chen somit zur Gewin­nung von 8,5 Mil­lio­nen Kilo­watt­stun­den gleich 8,5 Giga­watt­stun­den elek­tri­scher Ener­gie. Für 20 GWh Strom wer­den im Kern­kraft­werk Gös­gen rund 50 Kilo­gramm ange­rei­cher­tes Uran benötigt.

Um noch ein­mal zu unse­rem Bei­spiel zurück­zu­keh­ren. Mit dem Ein­satz von 50 Kilo­gramm ange­rei­cher­ten Uran im Kern­kraft­werk Gös­gen kön­nen 30.000 Ton­nen Gold zwan­zig Mal auf einen 10 Kilo­me­ter hohen Berg gebracht werden.

Umwandlung von Elementen bei der Kernspaltung

Um im nächs­ten Kapi­tal die ver­schie­de­nen Tech­no­lo­gien zur Kern­spal­tung ver­glei­chen zu kön­nen, benö­ti­gen wir noch ein wenig Ver­ständ­nis für die Abläu­fe bei der Kern­spal­tung. Wis­sen­schaft­ler nut­zen zur Erläu­te­rung der Kern­spal­tung ver­schie­de­ne Fach­be­grif­fe. Des­halb wen­den wir uns zunächst der Klä­rung die­ser Begrif­fe zu.

Bei ver­schie­de­nen schwe­ren Ele­men­ten und ihren Vari­an­ten, den Iso­to­pen, ist die Kern­spal­tung grund­sätz­lich mög­lich. Um die Spal­tung aber tech­nisch effek­tiv nut­zen zu kön­nen, wen­de­te sich die For­schung zuerst Uran-235 und Plu­to­ni­um-239 zu. Das Uran-Iso­top besitzt 235 Teil­chen im Atom­kern mit 92 posi­tiv gela­de­nen Pro­to­nen und 143 elek­trisch neu­tra­len Neu­tro­nen. Im Peri­oden­sys­tem der Ele­men­te besitzt Uran somit die Ord­nungs­zahl 92. Ver­schie­de­ne Uran-Vari­an­ten unter­schei­den sich nur in der Anzahl der Neu­tro­nen. Im Peri­oden­sys­tem steht Plu­to­ni­um dem Ele­ment Uran am nächs­ten und besitzt die Ord­nungs­zahl 93. Im Atom­kern von Plu­to­ni­um-239 befin­den sich 93 Pro­to­nen und 146 Neutronen.

Soge­nann­te ther­mi­sche Neu­tro­nen kön­nen die Kern­spal­tung aus­lö­sen. Der Begriff ther­mi­sches Neu­tron steht für ein lang­sa­mes Neu­tron, das sich qua­si gemüt­lich wan­dernd auf einen Atom­kern zube­wegt. Das Neu­tron kann in den Atom­kern ein­drin­gen, da es als elek­trisch neu­tra­les Teil­chen nicht von posi­tiv gela­de­nen Pro­to­nen abge­sto­ßen wird. Wenn sich das Neu­tron aber zu schnell bewegt, prallt es vom Atom­kern ab. Befin­det sich ein ther­mi­sches Neu­tron in der Nähe des Atom­kerns, fan­gen die star­ken Kern­kräf­te das Neu­tron ein und sau­gen es in den Atom­kern. Zur Erläu­te­rung der star­ken Kern­kräf­te kön­nen Sie zum Kapi­tel „Fun­da­men­te aller Ener­gie­quel­len“ zurück­keh­ren.

Mit dem Ein­fang des Neu­trons beginnt der Atom­kern zu wabern und zer­bricht in zwei Tei­le. Dabei ent­ste­hen zwei oder meh­re­re neue Ato­me, zum Bei­spiel Kryp­ton und Bari­um. Kryp­ton befin­det sich im Peri­oden­sys­tem der Ele­men­te bei der Ord­nungs­zahl 36 und Bari­um bei der Ord­nungs­zahl 56. Es gibt ver­schie­de­ne mög­li­che Zer­falls­pro­duk­te. Oft beschrie­ben wird der Zer­fall in ein Bari­um-Iso­top mit 139 Teil­chen aus 56 Pro­to­nen und 83 Neu­tro­nen sowie ein Kryp­ton-Iso­top mit 94 Teil­chen aus 36 Pro­to­nen und 58 Neu­tro­nen. Aber auch ande­re Zer­falls­pro­zes­se mit unter­schied­li­cher Pro­to­nen- und Neu­tro­nen­zahl der Spalt­pro­duk­te sind mög­lich. Zusätz­lich wer­den drei Neu­tro­nen frei, die mit hoher Geschwin­dig­keit weg­flie­gen. Im Gegen­satz zu lang­sa­men, ther­mi­schen Neu­tro­nen nut­zen Phy­si­ker hier den Begriff schnel­le Neu­tro­nen. 

Energiegewinnung bei der Kernspaltung

Die Berech­nung der ato­ma­ren Mas­se der Aus­gangs­pro­duk­te von Uran–235 plus ein ther­mi­sches Neu­tron sowie der ato­ma­ren Mas­se der Zer­falls­pro­duk­te Bari­um-139, Kryp­ton-94 und der drei schnel­len Neu­tro­nen ergibt ein inter­es­san­tes Ergeb­nis. Die Aus­gangs­pro­duk­te wie­gen 236,05 ato­ma­re Mas­sen­ein­hei­ten. Dage­gen brin­gen es die End­pro­duk­te nach dem Kern­zer­fall nur auf 235,840 Mas­se­ein­hei­ten. Die beschrie­be­ne Zer­falls­re­ak­ti­on führt also zu einem Ver­lust von rund 0,21 ato­ma­rer Mas­se. Der Ver­lust an Mas­se wird auch als Mas­sen­de­fekt bezeich­net. 

Der oben zur Berech­nung der gewon­ne­nen Ener­gie genutz­te Mas­sen­ver­lust von 0,18 steht für den Mit­tel­wert unter­schied­li­cher Zer­falls­re­ak­tio­nen. Die bestimm­ten Grö­ßen­ord­nun­gen rei­chen aber für unser Ziel, Pro­zes­se bei der Kern­spal­tung ver­ständ­lich zu machen sowie die Poten­zia­le der Ener­gie­ge­win­nung abzu­schät­zen. 

Albert Ein­stein zeig­te, dass Ener­gie gleich der Mas­se mal dem Qua­drat der Licht­ge­schwin­dig­keit ist. Hin­ter die­sem klei­nen Mas­sen­ver­lust steht also ein hoher Ener­gie­ge­winn. Die frei­wer­den­de Ener­gie beträgt rund 3⋅10-11 Watt­se­kun­den und somit bei der Spal­tung von einem Kilo­gramm Uran-235, wie schon berech­net, 20 Giga­watt­stun­den. Dies ent­spricht dem Ein­satz von rund 2.500 Ton­nen Stein­koh­le im Koh­le­kraft­werk. 

Die weg­flie­gen­den schnel­len Neu­tro­nen kön­nen kei­ne neu­en Kern­spal­tun­gen aus­lö­sen. Auf­grund ihrer hohen Geschwin­dig­keit pral­len sie am Atom­kern ein­fach ab. Um eine Ket­ten­re­ak­ti­on wei­te­rer Kern­spal­tun­gen aus­zu­lö­sen, müs­sen die­se Neu­tro­nen abge­bremst wer­den. Kern­en­erge­ti­ker spre­chen bezüg­lich der Abbrem­sung von der Mode­ra­ti­on. Ver­schie­de­ne Mit­tel sind geeig­net, um Neu­tro­nen zu mode­rie­ren. Zum Bei­spiel besitzt Was­ser die not­wen­di­gen Eigen­schaf­ten. Was­ser­mo­le­kü­le bestehen mit zwei Was­ser­stoff­ato­men und einem Sau­er­stoff­atom aus leich­ten Teil­chen. Neu­tro­nen kön­nen somit beim Zusam­men­stoß ihre Bewe­gungs­en­er­gie gut abge­ben, ähn­lich dem Stoß zwi­schen zwei Billardkugeln.

Zum Start der Ket­ten­re­ak­ti­on wird eine Neu­tro­nen­quel­le benö­tigt. Wenn der Pro­zess läuft, kön­nen frei­wer­den­de und ver­lang­sam­te Neu­tro­nen wei­te­re Spal­tun­gen in einer Ket­ten­re­ak­ti­on aus­lö­sen. Da aber ein Neu­tron mit der Kern­spal­tung drei Neu­tro­nen erzeugt, steigt die Zahl der Spal­tun­gen expo­nen­ti­ell. Ohne Steue­rung, das heißt ohne Ver­rin­ge­rung der frei­ge­setz­ten Neu­tro­nen wür­de die vor­han­de­ne Men­ge an Uran–235 in einer gewal­ti­gen Explo­si­on schlag­ar­tig voll­stän­dig gespal­ten. Die­se gewal­ti­ge Kraft der Atom­bom­be wur­de zuerst in Hiro­shi­ma und Naga­sa­ki freigesetzt.

Eine Kern­spal­tung darf nur genau eine wei­te­re Spal­tung aus­lö­sen, um die Ket­ten­re­ak­ti­on zu ver­hin­dern. Dazu wird dem Was­ser Bor­säu­re bei­gefügt oder es wer­den in den Kern­re­ak­tor Regel­stä­be aus Bor und dem Metall Kad­mi­um ein­ge­bracht. Die­se Mate­ri­al­art kann Neu­tro­nen ein­fan­gen, ohne selbst zu reagie­ren. Durch die Steue­rung der Regel­stä­be kann die Anzahl der Kern­spal­tun­gen ver­än­dert wer­den. Damit lässt sich die Leis­tung des Reak­tors steu­ern, das heißt die Reak­ti­vi­tät des Reak­tors stei­gern oder verringern.

Betriebspausen und Abfälle

Um die Unter­schie­de zwi­schen ver­schie­de­nen Tech­no­lo­gien zur Kern­spal­tung zu beleuch­ten, benö­ti­gen wir noch eine kur­ze Betrach­tung der Betriebs­pau­sen eines Kern­re­ak­tors, der Erneue­rung von Brenn­ma­te­ria­li­en sowie der ent­ste­hen­den Abfälle.

Bei her­kömm­li­chen Kern­re­ak­to­ren mit Uran als Fest­brenn­stoff in stab­för­mi­gen Ele­men­ten ver­bleibt die Ener­gie­quel­le auch in Betriebs­pau­sen in gleich­blei­ben­der Kon­zen­tra­ti­on im Reak­tor. Es erfol­gen also wei­ter­hin Kern­spal­tun­gen inner­halb der Brenn­stä­be, womit dau­er­haft Wär­me pro­du­ziert wird. Dies erfor­dert eine stän­di­ge Küh­lung auch wäh­rend der Betriebs­pau­sen. Wenn im Stö­rungs­fall die Küh­lung aus­fällt, kann somit das Brenn­ma­te­ri­al im Reak­tor auch im ein­ge­stell­ten Betrieb über­hit­zen. Die Kern­schmel­ze droht. Im Rah­men die­ses Pro­zes­ses wird ab bestimm­ten Tem­pe­ra­tu­ren Was­ser in Was­ser­stoff und Sau­er­stoff auf­ge­spal­ten. Somit besteht die Mög­lich­keit der Zer­stö­rung des Reak­tors durch eine Knall­gas­re­ak­ti­on, wie es im Kern­kraft­werk Fuku­shi­ma der Fall war.

Die ana­lo­ge Betrach­tung gilt für soge­nann­te, aus­ge­brann­te Brenn­stä­be. Sie wer­den aus dem Kern­re­ak­tor ent­fernt und durch neue Brenn­stä­be ersetzt. Die aus­ge­brann­ten Brenn­stä­be ent­hal­ten aber wei­ter­hin rund ein Drit­tel ihres ursprüng­li­chen Gehal­tes an Uran-235. Somit erfol­gen in den Brenn­stä­ben wei­ter­hin Kern­spal­tun­gen. Die noch hoch radio­ak­ti­ven Ele­men­te müs­sen über Jah­re gekühlt wer­den. Dies erfolgt in Abkling­be­cken außer­halb des Sicher­heits­be­häl­ters des Reak­tors unter dem nor­ma­len Dach eines Reak­tor­ge­bäu­des. Die wei­te­re Akti­vi­tät der Uran­stä­be im Zusam­men­hang mit dem mög­li­chen Aus­fall der Küh­lung birgt somit eben­so die Gefahr der Über­hit­zung, des Schmel­zens von Brenn­ele­men­ten sowie des Ein­drin­gens in den Erdboden.

Schluss­end­lich muss der aus­ge­brann­te Brenn­stoff nach dem Abküh­len in soge­nann­ten Cas­tor-Behäl­tern der Zwi­schen­la­ge­rung zuge­führt wer­den. Die­se Behäl­ter schüt­zen vor dem Aus­tre­ten der radio­ak­ti­ven Strah­lung. Der­ar­tig in Zwi­schen­la­gern auf­be­wahrt, war­tet der hoch radio­ak­ti­ve Müll auf das bis­her unge­klär­te Ver­fah­ren zur End­la­ge­rung. 300.000 Ton­nen die­ses Mülls pro Jahr fal­len welt­weit an und müs­sen der End­la­ge­rung zuge­führt wer­den. Die Halb­werts­zeit der Rest­stof­fe ist so hoch, dass teil­wei­se zehn­tau­sen­de Jah­re ver­ge­hen müs­sen, ehe die Strah­lung auf die Hälf­te des Ursprungs­wer­tes abnimmt. Des­halb sind geo­lo­gi­sche Schich­ten zu fin­den, in denen das Mate­ri­al für hun­dert­tau­sen­de Jah­re sicher ein­ge­schlos­sen bleibt. Auf­grund die­ser fast unlös­ba­ren Auf­ga­be konn­ten bis­her in Mit­tel­eu­ro­pa noch kei­ne geeig­ne­ten End­la­ger aus­ge­wählt werden.

Die­se kur­ze, popu­lär­wis­sen­schaft­li­che Ein­füh­rung in die För­de­rung, Auf­be­rei­tung und Nut­zung von Uran sowie die Lage­rung des radio­ak­ti­ven Mülls ver­wen­den wir, um in den nächs­ten Kapi­teln Tech­no­lo­gien zur Ener­gie­ge­win­nung durch Kern­spal­tung zu ver­glei­chen und damit die Ener­gie­po­ten­zia­le der Kern­spal­tung zu erschließen.

Ener­gie­po­ten­zia­le der Kern­spal­tung” — Lei­men / Hei­del­berg — 1. Novem­ber 2022

Andre­as Kieß­ling, ener­gy design

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