Das Gebiet der Kernenergie ist umfangreich und komplex und umfasst eine Vielzahl technischer Konzepte und Anwendungen. Dieser Artikel bietet ein kurzes Glossar grundlegender Konzepte mit klaren und prägnanten Definitionen der Schlüsselbegriffe im Zusammenhang mit der Kernenergie.
Von den grundlegenden Prozessen der Spaltung und Fusion bis hin zu Konzepten im Zusammenhang mit Sicherheit, Abfallmanagement und praktischen Anwendungen wird jeder Begriff erklärt, um eine solide Wissensgrundlage zu schaffen.
Was ist die Kernenergie?
Kernenergie ist eine Möglichkeit, Elektrizität zu gewinnen, indem man sich die in den Atomkernen gespeicherte Energie zunutze macht. In Kernkraftwerken findet ein Prozess namens Kernspaltung statt, bei dem die Kerne von Atomen wie Uran in kleinere Teile geteilt werden. Bei diesem Prozess wird eine große Menge Wärme freigesetzt, die zum Erhitzen von Wasser und zur Erzeugung von Dampf verwendet wird, um eine an einen Generator angeschlossene Turbine anzutreiben. Auf diese Weise wird die Energie der Atome in Strom umgewandelt.
Neben der Stromerzeugung hat die Kernenergie noch weitere wichtige Einsatzmöglichkeiten. Beispielsweise wird es in der Medizin zur Durchführung von Diagnosen und Behandlungen, in der wissenschaftlichen Forschung zur Untersuchung von Materialien und in der Industrie zur Bestrahlung von Lebensmitteln und zur Kontrolle der Materialqualität eingesetzt. Andererseits wird es auch zum Antrieb von U-Booten und Flugzeugträgern und sogar zur Herstellung von Bomben mit großer Zerstörungskraft eingesetzt.
Kernreaktionen: Spaltung und Fusion
Um die im Atomkern vorhandene Kernenergie zu nutzen, kann dies auf zwei Arten geschehen: durch Spaltung des Atomkerns oder durch Verschmelzung der Kerne zweier Atome. Im ersten Fall nennen wir es Kernspaltung und im zweiten Fall Kernfusion.
Wenn eine dieser beiden physikalischen Reaktionen auftritt, kommt es zu einem leichten Masseverlust der Atome. Diese verlorene Masse wird in eine große Menge Wärmeenergie umgewandelt, wie Albert Einstein mit seiner berühmten Gleichung E=mc² entdeckte.
Technik 1: Kernspaltung
Kernspaltung ist eine Möglichkeit, die in einem Atom enthaltene Energie zu gewinnen, indem der Atomkern in verschiedene kleinere Teilchen aufgeteilt wird. Bei solchen Reaktionen entsteht eine große Menge an Wärmeenergie, die später auf unterschiedliche Weise genutzt werden kann.
Eine der wichtigen Eigenschaften der Kernspaltung besteht darin, dass sie durch den Beschuss eines instabilen Atoms mit einem Neutron entsteht. Sobald der Kern gespalten ist, sind neben den Teilchen noch ein oder zwei weitere Neutronen frei und können mit anderen Atomen kollidieren und so eine Kettenreaktion auslösen.
Die entstehenden Partikel gelten als abgebrannter Brennstoff, der ersetzt werden muss, wenn das Verhältnis zu hoch ist, und verhindert, dass freie Neutronen Atome zur Spaltung finden.
Derzeit ist die Kernspaltung die Art der Kernreaktion, die in allen Arten von Kernreaktoren eingesetzt wird. Die meisten dieser Reaktoren sind Leichtwasserreaktoren.
Technik 2: Kernfusion
Die Kernfusion ist der umgekehrte Prozess, also die Verschmelzung der Kerne zweier Atome. Um eine Fusion zu erreichen, müssen die Atomkerne sehr hohen Druck- und Temperaturbedingungen ausgesetzt werden. Auch bei dieser Art von Reaktion wird eine große Menge Energie gewonnen.
Allerdings ist es technisch noch nicht möglich, funktionsfähige Kernreaktoren zur Stromerzeugung herzustellen.
Diese Technik hat gegenüber der Kernspaltung mehrere Vorteile:
- Es ist nachhaltiger für die Umwelt
- Bessere Leistung
- Es wäre eine erneuerbare Energiequelle.
Ein Beispiel für Kernfusionsenergie ist die von der Sonne erzeugte Energie. Kernfusionsreaktionen werden im Kern des Sterns unseres Sonnensystems erzeugt.
Andere Konzepte und Definitionen
- Atom: Die Grundeinheit der Materie, bestehend aus einem Kern (Protonen und Neutronen) und einer Elektronenwolke.
- Neutron : Subatomares Teilchen ohne elektrische Ladung, das im Atomkern vorhanden ist und eine entscheidende Rolle bei Kernreaktionen spielt.
- Isotop: Varianten eines chemischen Elements, die die gleiche Anzahl an Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen haben.
- Radioaktivität: Spontane Emission von Strahlung aus instabilen Atomkernen. Es kann Alpha-, Beta- und Gammastrahlen umfassen und ist ein Schlüsselphänomen bei der Kernspaltung und -fusion.
Kernreaktoren: Geräte, die die Spaltungsreaktion einleiten und steuern, um Wärme zu erzeugen, die in Elektrizität umgewandelt wird.- Druckwasserreaktoren (PWR): Reaktortyp, der Hochdruckwasser verwendet, um das Sieden zu verhindern und Wärme an ein separates Dampfsystem zu übertragen.
- Siedewasserreaktoren (SWR): Reaktortyp, bei dem Wasser im Kern siedet, um direkt Dampf zu erzeugen, der zum Antrieb einer Turbine verwendet wird.
- Kernbrennstoff : Material, das in Kernreaktoren zur Energieerzeugung durch Spaltung verwendet wird. Zu den gängigen Brennstoffen gehören Uran-235 und Plutonium-239. Diese Materialien setzen Energie frei, indem sie sich in leichtere Kerne aufspalten.
- Spaltbares Material: Material, das eine Spaltkettenreaktion aufrechterhalten kann, wie z. B. Uran-235 oder Plutonium-239.
- Reaktionskette: Eine Reihe von Kernreaktionen, bei denen die freigesetzten Neutronen die Spaltung anderer Kerne auslösen.
- Brennstäbe: Komponenten in einem Kernreaktor, die spaltbares Material enthalten und zur Aufrechterhaltung der Spaltungsreaktion dienen.
- Moderator : Material, das die Geschwindigkeit von Neutronen verringert, um die weitere Spaltung in einem Kernreaktor zu erleichtern.
- Kühlmittel : Stoff, der durch den Reaktor zirkuliert, um die bei der Spaltung erzeugte Wärme aufzunehmen und zu übertragen.
- Radioaktiver Abfall : Materialien, die radioaktive Isotope enthalten und aufgrund ihrer Radioaktivität eine sichere Handhabung und Lagerung erfordern.
- Kernkraftwerk: Eine Anlage, die Kernreaktoren nutzt, um durch den Prozess der Kernspaltung Strom zu erzeugen. Es besteht aus einem oder mehreren Reaktoren, Dampferzeugungssystemen und Energieumwandlungsanlagen.
- Containment-Gebäude : Struktur, die dazu dient, Spaltprodukte einzuschließen und die Freisetzung radioaktiver Stoffe in die Umwelt zu verhindern.
- Stilllegung: Prozess der Stilllegung und sicheren Entsorgung eines Kernkraftwerks am Ende seiner Nutzungsdauer.
- Nuklearer Unfall: Vorfall in einem Kernkraftwerk, der zu einer unerwarteten Freisetzung radioaktiver Stoffe in die Umwelt führt, möglicherweise mit schwerwiegenden Folgen für die menschliche Gesundheit und die Umwelt. Beispiele hierfür sind Tschernobyl und Fukushima.
- Nuklearmedizin: Teilgebiet der Medizin, das radioaktive Isotope zur Diagnose und Behandlung von Krankheiten nutzt. Zu den Verfahren gehören Positronenemissionstomographie (PET) und Radionuklidtherapie.
- Atombombe: Eine Atomwaffe, die durch die Spaltung schwerer Atome wie Uran oder Plutonium eine enorme Menge explosiver Energie freisetzt. Die erste Atombombe wurde 1945 über Hiroshima abgeworfen.
- Wasserstoffbombe : Atomwaffe, die durch die Verschmelzung leichter Atome wie Deuterium und Tritium eine viel größere Energie freisetzt als eine Atombombe. Auch als thermonukleare Bombe bekannt.