Kernkraftwerk Isar, Deutschland

Abgebrannten Kernbrennstoff Pool

Turbine eines Kernkraftwerks

Geschichte der Kernenergie

Geschichte der Kernenergie

Die erste Definition von Atom stammt aus dem 5. Jahrhundert vor Christus. Sie wurde vom griechischen Philosophen Demokrit von Abdera entwickelt und lautet "das kleinste Teilchen, aus dem sich die Materie zusammensetzt". Das Wort "Atom" kommt aus dem Griechischen und bedeutet, "unteilbar".

Erst später gelingt es, mithilfe der Kernspaltung Atome zu zerteilen, um Energie zu gewinnen.
1803 beschrieb der britische Chemiker John Dalton in seinem Buch A New System of Chemical Philosophy, dass alle Elemente aus bestimmten Kombinationen von Atomen bestehen, und dass alle Atome eines Elements identisch sind. Das heißt, die Atome von Eisen oder die Atome von Uran sind alle gleich.

Periodensystem der Elemente

Auf dieser Grundlage konzentrierten sich die Wissenschaftler nun auf die Bestimmung und Einordnung aller Elemente. Einer der ersten Wissenschaftler, der einen Vorschlag zur Einordnung der Elemente machte, war der englische Chemiker Newlands. Sein Vorschlag wurde von anderen Wissenschaftlern, wie Lothar Meyer, Dimitri Mendelejew oder Moseley untersucht und so lange verändert, bis das aktuelle Periodensystem entstanden ist.

Die Entdeckung des Elektrons

1897 gab J.J. Thompson die Entdeckung eines negativ geladenen Teilchens bekannt, das er Elektron nannte. Er schloss daraus auf die Beziehung zwischen der Landung eines Teilchens (e) und seiner Masse (m). Elektronen sind negativ geladene Teilchen, die um den Kern kreisen, in etwa so, wie die Planeten um die Sonne kreisen. Kern und Elektronen bilden zusammen das Atom, wie Rutherford später herausfand.

Die Entdeckung der Radioaktivität

Antoine Henri Becquerel, der Vater der Kernenergie

1896 bewies der französische Physiker Antoine-Henri Becquerel, dass bestimmte Stoffe, wie Uransalze, durchdringende Strahlung aus unbekannter Quelle abgeben. Dieses Phänomen wurde Radioaktivität genannt.

Der französische Wissenschaftler lies nach der Arbeit im Labor Uransalze neben einer Fotoplatte liegen, die danach geschwärzt war, obwohl kein Sonnenlicht einfallen konnte. Er untersuchte das Phänomen und fand heraus, dass dafür die Uransalze verantwortlich waren. Aufgrund dieser Entdeckung wurde Becquerel zum "Vater der Kernenergie".

Etwa zur gleichen Zeit schloss das Ehepaar Pierre und Marie Curie aus seinen Forschungen, dass es ein anderes Element geben müsse, das eine höhere Radioaktivität hat als Uran. Sie nannten es zu Ehren ihrer Heimat Polonium. Außerdem fanden sie ein zweites neues Element, das Radium.

Diese drei Elemente hatten aufgrund ihrer Eigenschaften eine große Bedeutung für die Entwicklung der Kernenergie. Heutzutage werden praktisch alle Kernkraftwerke mit Uranbrennstoff betrieben.

Später bewiesen Rutherford und Soddy in ihren Forschungsarbeiten, dass Uran und andere schwere Elemente drei Arten von Strahlung abgeben: Alpha-Strahlung, Beta-Strahlung und Gamma-Strahlung. Die Alpha- und Beta-Strahlung besteht aus geladenen Teilchen: Kerne von Heliumatomen bei der Alpha-Strahlung und Elektronen bei der Beta-Strahlung. Zudem wurde bewiesen, dass es sich bei der Gamma-Strahlung um eine elektromagnetische Strahlung handelt.

Das Atommodell von Rutherford

Die Entdeckung der Natur der Strahlungen ermöglichte es Rutherford, die Struktur der Materie zu erforschen. Aus seinen Experimenten schloss er, dass das Atom aus einem positiv geladenen Kern besteht, der die gesamte Masse enthält, und dass die Elektronen um den Kern kreisen, als ob es sich um ein kleines Sonnensystem handelte. Das bedeutete, dass das Atom nicht wie zuvor angenommen massiv war.

Die Entdeckung der Planck-Konstante und die Quantentheorie

1900 erklärte der deutsche Physiker Max Planck, dass Energie in einzelnen kleinen Einheiten, auch Quants genannt, abgegeben wird. Er entdeckte eine universelle Naturkonstante, die sogenannte Planck-Konstante, die mit dem Formelzeichen h angegeben wird.

Das Plancksche Strahlungsgesetz besagt, dass die Energie von jedem Quant gleich der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung multipliziert mit dieser Naturkonstanten ist.

Die Entdeckungen von Planck waren die Geburtsstunde eines neuen Feldes der Physik, der Quantenmechanik. Sie legten den Grundstein für die Forschung in anderen Bereichen, wie zum Beispiel der Kernenergie.

Die Relativitätstheorie von Albert Einstein

Albert Einstein ist einer der angesehensten Wissenschaftler des 20. Jahrhunderts. Der schlug die bekannte Gleichung E = mc 2 vor. Diese Gleichung revolutionierte die späteren Studien der Kernphysik, auch wenn es zu jener Zeit noch keine Mittel gab, um sie experimentell zu beweisen. E steht für die Energie und m für die Masse. Die beiden Größen stehen in Beziehung zur Lichtgeschwindigkeit c. Mit dieser Gleichung wird eine Beziehung zur Massenumwandlung der Energie hergestellt, sodass gesagt werden kann, dass beide Einheiten Ausprägungen derselben Sache sind.Albert Einstein stellte die Beziehung zwischen Energie und Masse her

 

Das Atommodell von Bohr

Der dänische Physiker Niels Bohr entwickelte 1913 eine Hypothese, nach der sich die Elektronen in Schichten befanden, die einen bestimmten Abstand zum Kern hatten. Auf diese Weise setzte sich die Elektronenstruktur der verschiedenen Elemente zusammen.

Nach Bohr bewegten sich die Elektronen in gleichbleibenden Bahnen, aus denen sie keine Strahlung abgaben. Damit wurde das alte Konzept des Atoms als einfacher, träger und unzertrennbarer Körper begraben und es entstand die Hypothese einer komplexen Struktur, in der verschiedene energetische Vorgänge abliefen.

Die Entdeckung des Neutrons

Das Neutron wurde 1932 von  James Chadwick entdeckt, als dieser die Masse eines neuen Teilchens "maß" und den Schluss zog, dass es dem Proton ähnelte, aber keine elektrische Ladung trug. Auf diese Weise fand er heraus, dass der Atomkern aus Neutronen und Protonen besteht, und es gleich viele Protonen wie Elektronen gibt.

Dank seiner Entdeckung schuf Chadwick ein "Geschoss" mit den idealen Eigenschaften, um Kernreaktionen auszulösen.

Die Entdeckung der künstlichen Radioaktivität

Das Ehepaar Frédéric Joliot und Irène Curie entdeckte die künstliche Radioaktivität.

Der Ausgangspunkt für ihre Schlussfolgerungen war die Idee, dass die natürliche Radioaktivität durch den Menschen erzeugt werden konnte, indem bestimmte chemische Elemente mit Alpha-Teilchen beschossen wurden, um radioaktive Elemente zu schaffen.

Die Entdeckung der Kernspaltung

Bei der Kernspaltung wird Energie freigesetzt

Gegen Ende des Jahres 1938, kurz vor Beginn des Zweiten Weltkriegs, deutete ein deutsches Forschungsteam, zu dem Otto Hahn, Fritz Strassmann, Lisa Meitner und Otto Frisch gehörten, am Kaiser-Wilhem-Institut in Berlin das Phänomen der Kernspaltung, indem sie das nach der Spaltung eines Urankerns entstandene Element Barium identifizierten.

Die ersten Studien über Kernspaltung wurden von Otto Hahn und Lise Meitner basierend auf den Ergebnissen des Ehepaars Joliot-Curie durchgeführt. Nach präzisen Analysen fanden sie ein Element mit mittlerer Atomzahl in einer mit Neutronen beschossenen Probe.

Lise Meitner und Otto Frisch konnten daraus schließen, dass das Uranatom beim Beschuss mit Neutronen 1 Neutron aufnimmt, in zwei Teile zerfällt und dabei eine große Menge Energie freisetzt. Das war die Entdeckung der Kernspaltung.

Die Atombombe

Viele große Erfindungen der Menschheit haben ihren Ursprung im Militär. Die Kernenergie bildet hier keine Ausnahme.

Das Manhattan-Projekt

1939, zu Beginn des Zweiten Weltkriegs, empfahl Albert Einstein dem Präsidenten der Vereinigten Staaten von Amerika, F.D. Roosevelt, die Entwicklung einer Atombombe. Einstein erklärte, dass es dank der Forschungsarbeiten von Enrico Fermi und Leo Szilard in den USA und Frédéric Joliot und Irène Joliot-Curie in Frankreich mit hoher Sicherheit bald möglich sein würde, eine Kettenreaktion der Kernspaltung auszulösen, die große Energiemengen freisetzen würde. Dieses neue Verfahren würde auch den Bau einer neuen Art von Bombe ermöglichen.

Einstein wies ebenfalls auf die geringen Uranreserven in den USA hin und erklärte, dass sich die Minen, in denen dieses Mineral abgebaut wird, in der damaligen Tschechoslowakei und dem belgischen Kongo befänden. Er schlug vor, dass Wissenschaftler und Industrie zusammen an der schnellstmöglichen Entwicklung der Atombombe arbeiten sollten.

Außerdem informierte er darüber,  dass Deutschland den Verkauf von Uran aus den vom Dritten Reich übernommenen tschechischen Minen gestoppt hatte. Das konnte bedeuten, dass die Wissenschaftler am Kaiser-Wilhelm-Institut ebenfalls Versuche im Zusammenhang mit der Kernspaltung durchführten.

Die Angst Albert Einsteins vor einem Atomkrieg war die Folge seines fundierten Wissens über die Fortschritte der Forschung in diesem Bereich. Er musste 1933 aufgrund der Verfolgung der Juden aus Deutschland in die USA auswandern.

Aus dem Brief von Albert Einstein:

"Die letzten Arbeiten von E. Fermi und L. S. Szilard ... ermöglichen mir die Annahme, dass das chemische Element Uran ... eine sehr wichtige Energiequelle werden könnte ... In den letzten vier Monaten ist die Möglichkeit, mit einer kleinen Menge Uran eine nukleare Kettenreaktion auszulösen, näher gerückt. Mit einer solchen Reaktion würden große Mengen an Energie und neue Elemente, die dem Radium ähnlich sind, freigesetzt ... Dieses neue Phänomen würde zum Bau von Bomben genutzt werden ...

Aufgrund dieser Tatsache ist es zu empfehlen, einen gewissen Kontakt zwischen der Regierung und den Gruppen von Physikern, die in Amerika an solchen Kettenreaktionen arbeiten, aufrecht zu erhalten.
Dies könnte zum Beispiel erreicht werden, indem Sie eine Person Ihres Vertrauens mit dieser Aufgabe betrauen.

In diesem Zusammenhang könnten folgende Aufgaben anfallen: ... Sicherstellen der Uranversorgung der USA ... Beschleunigung der Forschungsarbeiten ... Beschaffung von Mitteln ... "

Roosevelt nahm Einsteins Brief ohne größere Freude auf, bestellte aber eine Kommission, die sich mit den erwähnten Fragen beschäftigen sollte.

Zwischen 1940 und 1941 wurde mit Messungen in Uran-Graphit-Systemen begonnen. Glen Seaborg entdeckte Ende 1940 ein künstlichen Element, Plutonium-239, das später für den Bau der Atombombe verwendet werden könnte.

Mit dem Bau der Bombe wurden die Streitkräfte beauftragt. Dieses militärische Projekt kostete rund 2.500 Millionen Dollar und sah zwei Alternativen vor: die Trennung des Uran-235 vom Uran-238, und die Herstellung von Plutonium-239 in Graphitreaktoren.

Am 2. Dezember 1942 löste eine in die USA ausgewanderte Gruppe von europäischen Kernphysikern unter Leitung des Italieners Enrico Fermi die erste künstliche nukleare Kettenreaktion der Geschichte aus. Sie hatte das Ziel, die Kernenergie zum ersten Mal zu nutzen. Der verwendete Kernreaktor hieß Chicago Pile (CP-1) und war einfach gebaut. Er wurde unter der Tribüne eines Football-Stadiums der Universität von Chicago aufgebaut. Dabei wurden Uranbrennstoff (wie Fermi bereits in seinen Experimenten in Rom verwendete) und Graphit als Moderator eingesetzt.

Die Vorbereitungen für dieses Experiment fanden unter strenger Geheimhaltung statt. Das Ziel der Forschung war das Auslösen einer kontrollierten Kettenreaktion, um deren Eigenschaften für die mögliche Entwicklung einer Atombombe erforschen zu können.

Die in einer Kettenreaktion ablaufende Kernspaltung begann, nachdem die Steuerstäbe vorsichtig entfernt worden waren. Damit lief der erste Kernreaktor der Geschichte.

1943 wurden drei Städte mit Forschungsanlagen gebaut: Oak Ridge (Tennessee) zum Trennen des Uran-235 vom Uran-238, Hanford als Standort der Kernreaktoren und Los Alamos zum Bau der Atombombe. Robert Oppenheimer wurde Leiter des Labors in Los Alamos mit fast Tausend Wissenschaftler, die dort teilweise noch 6 Monate nach der Lösung ihrer Aufgabe blieben.

In den frühen Morgenstunden des 16. Juli 1945 wurde der erste Test eine Plutonium-Atombombe in der Wüste von Alamogordo (New Mexico) durchgeführt. Der Test war ein großer Erfolg.

Die Uran-Bombe und die Plutonium-Bombe wurden gleichzeitig fertig. Die Erstere hieß Little Boy und enthielt zwei Uran-235-Massen, die mit konventionellem Sprengstoff zur kritischen Masse vereint wurden.

Die zweite, Fat Man, bestand aus einer Plutonium-Hohlkugel, die durch gewöhnlichen Sprengstoff implodierte.

Am 6. August 1945 wurden die beiden Atombomben abgeworfen, die den Lauf der Geschichte veränderten. Little Boy wurde vom Flugzeug Enola Gay am 9. August über Hiroshima abgeworfen. Am 9. August wurde Nagasaki von Fat Man getroffen.

Atompilz über Hiroshima nach Abwurf der Bombe Little BoyAtompilz über Nagasaki nach Abwurf der Bombe Fat ManA

 

Die japanischen Städte Hiroshima und Nagasaki waren die ersten und bisher einzigen Ziele von Angriffen mit Atombomben der Geschichte.

Die Bedingungen, unter denen sowjetische Physiker, wie Igor Wassiljewitsch Kurtschatow, während des Zweiten Weltkriegs erfolglos am Bau einer Atombombe arbeiteten, waren strenger als die Bedingungen, die zum Betrieb eines Kernreaktors erforderlich sind.

Die während der Explosion einer solchen Bombe freigesetzte Energie besteht zu 35% aus Wärmestrahlung, zu 50% aus Druck und zu 15% aus Kernstrahlung. Bei diesem Prozess werden Temperaturen von bis zu 14 Millionen Grad Celsius erreicht. Die Bombe von Hiroshima setzte 23,2 Millionen kWh frei.

Die Kernenergie nach dem Zweiten Weltkrieg

Erster Versuch des Atomwaffensperrvertrags

Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs war Nordamerika aufgrund des hohen Potentials seiner Atomwaffen militärisch überlegen. Die Komplexität der militärischen und zivilen Fragen im Zusammenhang mit der Kernenergie erforderte eine gesetzliche Regulierung für den zivilen Einsatz im Land und eine internationale Regulierung auf allen Ebenen.

Es fanden mehrere internationale Treffen statt, aber die USA wollte ihre Führungsrolle nicht aufgeben, wie Truman in folgender Erklärung verdeutlichte: "Wir müssen zu Wächtern dieser neuen Kraft werden, um zu verhindern, dass sie missbraucht wird, und sie für das Wohl der Menschheit einsetzen [...] ".

1946 stellte die USA den Vereinten Nationen einen Plan vor, der darin bestand, die Geheimnisse, Fabriken und Atombomben nach und nach offenzulegen. Diese Informationen sollten der Organisation zur Verfügung gestellt werden. Im Gegenzug sollte es internationale Kontrolle und Inspektionen geben.

Nautilus ist das erste Atom-U-Boot

Die geforderte Kontrolle wurde von der ehemaligen Sowjetunion nicht gut aufgenommen. Ihr Repräsentant, Andrei Gromyko, unterbreitete einen Gegenvorschlag, der den Bau von Atomwaffen verbot und die zügige Abrüstung der vorhandenen Atomwaffen forderte. Der erste Versuch eines Atomwaffensperrvertrags scheiterte nach mehrjährigen Verhandlungen.

Der Marshall-Plan

Im Juni 1947 wurde der Marshall-Plan als Initiative zur Wirtschaftsförderung ins Leben gerufen. Er war Teil der nordamerikanischen Eindämmungspolitik, die den sowjetischen Einfluss auf die mittel- und osteuropäischen Staaten hinter dem sogenannten Eisernen Vorhang verringern sollte. Gleichzeitig mit diesem Plan begann auch der Kalte Krieg, in dem es zu einer Reihe von Konfrontationen zwischen den beiden Supermächten kam.

Jahre später bauten die USA mehrere Plutonium-Reaktoren und 1953 nahm der Prototyp des Reaktors des Nautilus, des ersten durch Kernenergie angetriebenen U-Boots, auf dem Festland den Betrieb auf.

Die erste sowjetische Atombombe

Diese Ereignisse verdeutlichten die angespannte Situation seit der Explosion der sowjetischen Wasserstoffbombe. Der Entwurf dieser Bombe sah ein zylindrisches Gehäuse vor, in dessen einem Ende sich die Atombombe und in dessen anderem Ende sich der Wasserstoffbrennstoff befand. Die Explosion der Bombe würde eine Strahlungsmenge freisetzen, deren Druck ausreicht, um den Wasserstoff zu komprimieren und zu zünden.

Die ersten Entwürfe wurden 1951 fertiggestellt und am Anfang des Jahres 1952 war die Bombe fertig. Im November desselben Jahres wurde sie getestet. Dabei wurde die Insel Elugelab im Pazifischen Ozean zerstört. Die Sprengkraft der Bombe war 700 Mal größer als die der Atombombe von Hiroshima.

Am 8. Dezember 1953 wandten sich die USA an die Vereinten Nationen, um die Angst anzuprangern, in der die Weltbevölkerung lebte. Gleichzeitig warnte die USA, dass sie, sollte Nordamerika mit Atomwaffen angegriffen werden, den Angreifer umgehend zerstören würde.

Nutzung der Kernenergie für friedliche Zwecke

Mit dem Ziel, die Situation zu entspannen, wurden auf internationaler Ebene eine Reihe von technischen Konferenzen über den friedlichen Einsatz von Kernenergie abgehalten. Dieses Mal waren die Gespräche zwischen den Industrieländern mit Potential zur Nutzung von Kernenergie ein großer Erfolg.

Der nordamerikanische Präsident Eisenhower nutzte die neue Situation, um den Vereinten Nationen sein Programm für internationale Zusammenarbeit "Atoms for Peace" vorzustellen. Im Rahmen dieses Programms wurde eine Reihe wissenschaftlicher und technologischer Erkenntnisse weitergegeben, die später die gewerbliche Nutzung der Kernenergie ermöglichten.

In der während des Kalten Krieges gehaltenen Rede wurde ein Abkommen zwischen den Großmächten vorgeschlagen, um die Herstellung von Atomwaffen zu stoppen, und um der Menschheit das Wissen und die Mittel, insbesondere die Kernbrennstoffe, zur friedlichen Nutzung der Kernenergie zugänglich zu machen.

Im Dezember 2013 war der 60. Jahrestag dieser wichtigen Rede, die außerdem den Grundstein für die Gründung von internationalen Organisationen legte. Dazu gehören zum Beispiel die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO), die 1957 mit Sitz in Wien gegründet wurde, und die zur Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) gehörende Nuclear Energy Agency (NEA) mit Sitz in Paris.

Länder wie Großbritannien und die ehemalige Sowjetunion hatten allerdings bereits vorher mit Forschungsarbeiten zur zivilen Nutzung von Kernenergie begonnen.

Kernkraftwerk Calder Hall

1956 weihten die Briten das erste Kernkraftwerk der Geschichte in Calder Hall ein. Es war der erste einer Reihe von gasgekühlten Reaktoren mit Graphitmoderator.

1963 baute General Electric ein ausschließlich gewerblich genutztes Kernkraftwerk mit Siedewasserreaktor (Oyster Creek I). Danach kam es zu einer Welle von Anträgen zum Bau von Kernkraftwerken, Brennstofffabriken, kleinen Wiederaufbereitungsanlagen und Forschungsarbeiten im Zusammenhang mit der Endlagerung.

Definitive Atomwaffensperrvertrag

1967 organisierte die IAEO eine Gruppe, die sich mit der Analyse der technischen Probleme beschäftigen sollte, die der 1972 in Kraft tretende Atomwaffensperrvertrag haben könnte.

Die unterzeichnenden Länder einigten sich darauf, keine Atomwaffen weiterzugeben und nicht am Bau von Atomwaffen mitzuarbeiten. Außerdem verpflichteten sie sich, die nötigen Maßnahmen für die Einhaltung des Vertrags umzusetzen.

Die weltweiten Schutzmaßnahmen umfassen folgende Punkte:

  • Antarktis-Vertrag: Unterzeichnet in Washington durch 37 Länder, beinhaltet das Verbot, diesen Kontinent für Atomwaffentest und als Endlager für radioaktive Abfälle zu nutzen.
  • Vertrag über das Verbot von Kernwaffenversuchen in der Atmosphäre, im Weltraum und unter Wasser: unterzeichnet 1963 in Moskau mit den Vereinigten Staaten von Amerika, der ehemaligen Sowjetunion und dem Vereinigten Königreich als Verwahrer.
  • Vertrag über die Grundsätze zur Regelung der Tätigkeiten von Staaten bei der Erforschung und Nutzung des Weltraums: umfasst den Mond und andere Himmelskörper, unterzeichnet im Oktober 1967 mit den USA, der ehemaligen Sowjetunion und dem Vereinigten Königreich als Verwahrer, die Unterzeichner verpflichten sich, keine Atomwaffen in der Umlaufbahn der Erde oder im Weltraum zu stationieren.
  • Vertrag über das Verbot von Kernwaffen in Lateinamerika: unterzeichnet 1967 in Mexiko.
  • Atomwaffensperrvertrag: trat 1972 in Kraft und wurde 1995 verlängert, die Verwahrer sind das Vereinigte Königreich, die Vereinigten Staaten von Amerika und die ehemalige Sowjetunion.

Die Entwicklung der Kernenergie wurde durch das Interesse an der Erzeugung von elektrischer Energie vorangetrieben. In den 60er und 70er Jahren wurden in mehreren Ländern verschiedene Programme zur Nutzung von Kernenergie begonnen.

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Referenzen

Geändert am: 17. Mai 2017