Strom aus dem Atom

Vorbemerkung: SimplyScience.ch hat den Auftrag, auf neutrale Art und ohne zu werten die Wissenschaft hinter den Technologien zu erklären. Risiken der Kernenergiegewinnung oder die Auswirkungen radioaktiver Strahlung auf Mensch und Umwelt sind nicht Thema dieses Artikels.

Neben Kohle-, Solar- und Wasserkraftwerken, Ergas- und Heizölverbrennungsanlagen, kommen in der Schweiz auch Atomkraftwerke für die Stromgewinnung zum Einsatz. Doch wie funktioniert ein Atomkraftwerk und wie kann eine winzige Menge eines Stoffes so energiereich sein?
Zur Energiegewinnung nutzen Atomkraftwerke radioaktive Elemente wie das Uran. Radioaktive Elemente zerfallen spontan und senden dabei radioaktive Strahlung aus. Allerdings dauert es über 700 Millionen Jahre, bis von 1kg Uran²³⁵ die Hälfte zerfallen ist. Um die Unmenge an atomarer Bindungsenergie – also die Energie, welche den Atomkern zusammen hält – zu nutzen, muss man das Uran zum Zerfall zwingen.

Aber nicht alle Uran-Atome können dazu verwendet werden. Uran²³⁸ ist das häufigste Isotop, 99.7% aller Uranatome bestehen aus diesem Isotop. Für die meisten Kernreaktoren eignet sich Uran²³⁵, aber es macht nur 0.7% des Urans aus. Deshalb muss man nach dem Abbau des Uranerzes zunächst das Uran²³⁵ angereichern, bevor es für den Atomreaktor verwendet werden kann.

Atomare Kettenreaktion

Dazu wird das Uran²³⁵ mit kleinsten Teilchen, den Neutronen, beschossen. Trifft ein Neutron auf ein Uranatomkern, entstehen zwei neue chemische Elemente, sowie zwei neue Neutronen und eine grosse Menge an Energie (siehe Bild). Im Vergleich dazu ist die chemische Energie, die in der gleichen Masseneinheit Kohle steckt, um ein Vielfaches geringer.

 

Die Kernspaltung des Urans in einem Kernreaktor (Bild: Wikimedia Commons).

Die zwei neu entstandenen Neutronen können wieder weitere Uranatome "zerschiessen". Es wird also eine Kettenreaktion ausgelöst, bei der immer mehr Uranatome zerfallen. Und dabei entsteht viel (Kern-)Energie.

Diese Energie wird zum Erhitzen von Wasser verwendet. Das Wasser verdampft und treibt Turbinen an, die wiederum Strom erzeugen. Da das Wasser die Neutronen und die radioaktive Strahlung abbremst, sorgt es ausserdem dafür, dass die Kettenreaktion nicht ausser Kontrolle gerät. Eine weitere wichtige Kontrollvorrichtung sind die Bremsstäbe, die zum Beispiel aus Kohlenstoff bestehen. Zwischen die Brennelemente geschoben, fangen sie die Neutronen ab und verhindern, dass weitere Uranatome zerstört werden.

Aufwändige Technologie

Auch wenn ein Atomreaktor mit Hilfe der Bremsstäbe "abgeschaltet" worden ist, produzieren die Brennelemente noch während langer Zeit gewaltige Mengen an Restwärme. Sie müssen also weiterhin ständig gekühlt werden, um zu verhindern, dass es zu einer sogenannten Kernschmelze kommt. Dabei schmelzen die Brennelemente und Bremsstäbe bei gewaltigen Temperaturen sozusagen zu einem Klumpen zusammen, in dem unkontrollierte atomare Kettenreaktionen wieder von Neuem beginnen können. Nach dem Erdbeben und Tsunami im März 2011 in Japan wurde deutlich, dass dies auch in einem abgeschalteten Reaktor mit moderner Technologie tatsächlich geschehen kann, wenn durch eine unglückliche Verkettung von Störungen alle regulären Kühlsysteme ausfallen.

Bei der Spaltung des Urans entstehen radioaktive Abfallprodukte, aber auch neue radioaktive Elemente, die weiter verwendet werden könnten. Manche der Uran²³⁸-Atome nehmen nämlich ein Neutron auf und zerfallen dann zu Plutonium. Auch Plutonium eignet sich als Brennstoff in einem Atomkraftwerk. Die Aufreinigung des Plutoniums und des unverbrannten Urans ist aber sehr kostspielig. Deshalb werden die radioaktiven Reste der Brennelemente meist nur gelagert und nicht wieder aufbereitet. Dies bedeutet allerdings, dass ein sehr sicherer Lagerort geschaffen werden muss, da die Brennelemente noch Zehntausende von Jahren radioaktive Strahlung abgeben.

Quelle: Redaktion SimplyScience.ch

Von ro
Der Vergleich mit der Kohlemenge ist schlecht; der Aufwand ist ja dafür viel grösser!

24.12.09 | 09.29

Von stefanmau
eure botschaft: "entsorgung von atommüll IST NICHT DER REDE WERT. atomstrom ist normal." leute, ihr seid grenzenlos naiv! warum könnt ihr eigentlich die garantie für folgeschäden eines reaktorunfalls nicht übernehmen? und warum will niemand eure abfälle?

24.12.09 | 09.37

Von se
Eine Klarstellung: SimplyScience hat den Auftrag die Wissenschaft hinter den Technologien zu erklären. Wir werten die Technologien nicht und senden keine versteckten Botschaften. Die SimplyScience Redaktion

10.02.10 | 15.48