Atomenergie ist die Energie, die die Teilteilchen eines Atoms zusammenhält. Ein Atom besteht aus drei Unterteilchen: Neutronen, Protonen und Elektronen. Neutronen und Protonen bilden den Kern und werden durch sehr starke Energiebindungen zusammengehalten.
Die Vereinigung oder Zerstörung dieser Verbindungen erzeugt eine enorme Menge an Energie, die auf verschiedene Weise genutzt werden kann: Elektrizität, Atomwaffen, Fahrzeugantrieb ...
Wenn wir von Atom- oder Kernenergie sprechen, meinen wir oft die aus dieser Quelle gewonnene Energie.
Der Name Kernenergie wird verwendet, weil die meiste Energie eines Atoms in seinem Kern steckt.
Es gibt zwei Arten von Kernreaktionen, die Energie freisetzen:
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Bei Spaltreaktionen zerfällt ein sehr großes Atom (mit vielen Protonen und Neutronen). Uranatome sind ideal, weil sie sehr groß und instabil sind.
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Bei Fusionsreaktionen besteht das Ziel darin, zwei sehr kleine Atome (zum Beispiel Wasserstoff) zu verbinden. Auch bei diesen Reaktionen wird viel Energie freigesetzt. Sie sind schwieriger zu bekommen, bieten aber viele Vorteile.
Betrieb eines Kernkraftwerks
Atomkraftwerke (oder Kernkraftwerke) sind für die Gewinnung atomarer Energie aus den Atomkernen zur Stromerzeugung zuständig.
Alle Atomkraftwerke verfügen über einen Kernreaktor. Der Kernreaktor ist für die Spaltungsreaktionen von Atomen verantwortlich.
Was sind Spaltungsreaktionen? Dabei handelt es sich um Reaktionen, die den Kern eines Atoms spalten.
Diese Atomreaktionen erzeugen eine große Menge thermischer Energie. Dank dieser großen Energiemenge wird daraus Dampf erzeugt – oder je nach Reaktortyp der Druck von Wasser erhöht –, um eine Turbine anzutreiben.
Die Turbine ist mit einem Generator verbunden, der für die Stromerzeugung verantwortlich ist.
Dabei erfährt die Energie folgende Umwandlungen:
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Wir gehen von einem Atom aus, das eine große Menge Kernenergie enthält.
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Gewinnung von Wärmeenergie (durch Kernspaltung).
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Gewinnung kinetischer Energie (durch Antrieb der Turbinen).
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Gewinnung elektrischer Energie (über die Lichtmaschine).
Es gibt viele Arten von Kernkraftwerken zur Nutzung der Atomenergie, aber konzeptionell funktionieren sie alle nach einem ähnlichen Prozess: Kernreaktion zur Gewinnung von Wärme, Antrieb einer Turbine und Umwandlung mechanischer Energie in Elektrizität.
Die häufigsten Kernreaktoren sind:
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Druckwasserreaktoren (PWR)
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Siedewasserreaktoren (SWR).
Bis heute basieren alle Kernkraftwerke auf der Welt auf der Spaltung.
Atomforschungsreaktoren
Ein Forschungsreaktor ist ein Kernreaktor, der für wissenschaftliche Zwecke genutzt wird. Diese Reaktoren sind der Schlüssel zur Entwicklung und Weiterentwicklung der Kerntechnologie.
Forschungsreaktoren haben eine geringere Leistung als Kernreaktoren für andere Zwecke. Ein typischer Kernkraftwerksreaktor hat eine thermische Leistung von 3.000 MW (Megawatt), während Forschungsreaktoren eine Leistung zwischen 10 Kilowatt und 10 Megawatt haben.
Im Vergleich zu konventionellen Reaktoren sind Forschungsreaktoren:
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Einfacher.
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Sie arbeiten bei niedrigeren Temperaturen.
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Sie benötigen weniger Brennstoff und erzeugen daher weniger abgebrannte Brennstoffe.
Der in diesem Reaktortyp verwendete Brennstoff ist normalerweise stärker angereichertes Uran, normalerweise bis zu 20 % Uran-235. Einige Reaktoren verwenden 93 % Uran-235.
Das große Verhältnis von Volumen und Leistung im Kern erfordert spezielle Techniken bei seiner Konstruktion. Wie bei anderen Reaktoren muss der Kern gekühlt werden. Sie werden im Allgemeinen durch natürliche oder erzwungene Konvektion mit Wasser gekühlt.
Außerdem wird ein Neutronenmoderator eingesetzt, um die Neutronen abzubremsen und die auftretenden atomaren Kettenreaktionen zu kontrollieren.
Kernbrennstoff
Um atomare Reaktionen auszulösen, sind nicht alle Atome technisch geeignet.
Brennstoff für Spaltreaktoren: Uran und Plutonium
Bei Kernspaltungsreaktionen werden sehr große Atome (mit vielen Protonen und Neutronen) benötigt, da diese sehr instabil sind. Uran- und Plutoniumatome erfüllen diese Bedingungen.
Uran- und Plutoniumatome können unterschiedliche Konfigurationen haben. Diese Konfigurationen hängen von der Anzahl der Neutronen ab, die sie im Kern haben. Jede dieser Konfigurationen ist ein anderes Isotop desselben Atoms.
Uran kann natürlich gewonnen werden. Natürliches Uran kommt in einer Zusammensetzung aus Uranisotopen vor, von denen einige (einige) sehr instabil sind. Um die Leistung zu verbessern, wird natürliches Uran einem Anreicherungsprozess unterzogen, um einen höheren Anteil an Neutronen zu erhalten, wodurch es weniger stabil wird.
Brennstoff für Fusionsreaktoren: Deuterium und Tritium.
Andererseits werden bei der Kernfusion sehr kleine Atome benötigt, damit es einfacher ist, die Kraftbindungen zu bilden, die sie verbinden.
Das ideale Atom ist das kleinste von allen: Wasserstoff, der nur ein Proton hat.
Wasserstoff hat wie Uran mehrere Isotope. Am besten geeignet für Atomfusionsreaktionen sind Deuterium und Tritium.
Derzeit gibt es aus technischen Gründen keine Kernkraftwerke, die die Kernfusion nutzen. Um dies zu erreichen, wird in Frankreich jedoch ein Kernforschungsreaktor gebaut: das ITER-Projekt.
Vor- und Nachteile der Atomenergie
Die Nutzung der Atomenergie bringt Vor- und Nachteile mit sich.
Vorteile
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Die Atomenergie ermöglicht es, mit wenig Brennstoff eine große Energiemenge zu gewinnen.
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Es ist nicht auf fossile Brennstoffe angewiesen. Das bedeutet, dass es keine Treibhausgase ausstößt und nicht zur globalen Erwärmung beiträgt. Daher wirkt es sich nicht negativ auf den Klimawandel aus.
Nachteile
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Abgebrannte Brennelemente bleiben radioaktiv und sind sehr schwer zu handhaben.
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Die Radioaktivität von Atommüll hält Dutzende von Jahren an.
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Es besteht die Möglichkeit nuklearer Unfälle. Obwohl die Sicherheitssysteme von Atomkraftwerken sehr weit fortgeschritten sind, besteht immer die Möglichkeit eines nuklearen Unfalls. Atomkatastrophen sind selten, aber sehr schädlich, ebenso wie die Atomunfälle von Tschernobyl und Fukushima.