Energiepotenziale der Kernspaltung

Von der Uran-Aufbereitung bis zur Kernspaltung

Energiepotenziale der Kernspaltung
Energiepotenziale der Kernspaltung; Bild copyright by Adobe Stock No. 319389205

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 Tech­no­lo­gie­be­geis­te­rung. Die fried­li­che Nut­zung der gewal­ti­gen Poten­zia­le in Kern­kraft­wer­ken war auch des­halb immer umstrit­ten. Risi­ken sind sehr sorg­fäl­tig abzu­wä­gen. Es gilt aber eben­so die Unter­schie­de frü­he­rer Tech­no­lo­gien und neu­er 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. Tech­no­lo­gien zur Ener­gie­ge­win­nung mit Kernspaltung
  4. Die Ener­gie der Son­ne durch Kern­fu­si­on und auf­kom­men­de Technologien
  5. Fort­set­zung folgt …

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 spalt­ba­ren 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, dem Steck­na­del­kopf im Fuß­ball­sta­di­on eines Atoms.

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 zur 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 einem 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 spaltbaren 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 gewinn­ba­ren Ener­gie. Über die bis­her ange­wen­de­ten tech­ni­schen Ver­fah­ren zum Ein­satz von Uran in Kern­kraft­wer­ken spre­chen wir im nächs­ten Kapi­tel. Da aber rei­nes Uran-235 in der Natur nur zu einem sehr gerin­gen Anteil vor­kommt, benö­ti­gen wir noch ein Ver­ständ­nis der 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 not­wen­di­gen 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 bei einem Anrei­che­rungs­schritt in Zen­tri­fu­gen nur ein gerin­ger Tren­nungs­grad erreicht wird, 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 benö­ti­gen 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

Über Andreas Kießling 96 Artikel
Andreas Kießling hat in Dresden Physik studiert und lebt im Raum Heidelberg. Er beteiligt sich als Freiberufler und Autor an der Gestaltung nachhaltiger Lebensräume und zugehöriger Energiekreisläufe. Dies betrifft Themen zu erneuerbaren und dezentral organisierten Energien. Veröffentlichungen als auch die Aktivitäten zur Beratung, zum Projektmanagement und zur Lehre dienen der Gestaltung von Energietechnologie, Energiepolitik und Energieökonomie mit regionalen und lokalen Chancen der Raumentwicklung in einer globalisierten Welt.

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