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Kernkraft

 

Energie in Atomkernen

Foto: Atomkraftwerk

Atome bestehen aus einer Hülle und einem Kern. In der Hülle bewegen sich elektrisch negativ geladene Elektronen mit hohen Geschwindigkeiten. Der Kern enthält positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen. Diese Teilchen werden durch die Kernbindungsenergie zusammen gehalten.

Moderne Kernkraftwerke werden überwiegend mit Uran betrieben. Das in der Natur vorkommende Uran setzt sich aus drei Isotopen zusammen: Uran-234, Uran-235 und Uran-238. Isotope sind die unterschiedlichen Atomarten eines Elements, die sich durch die Anzahl der Neutronen unterscheiden.

Nur Uran-235 ist direkt zur Kernspaltung geeignet. Deshalb muss das natürlich vorkommende Uranoxid mit diesem Isotop angereichert werden. Das heißt, der Anteil wird von 0,7 auf 3 Prozent erhöht.

Brennstäbe als Basis

Aus dem Prozess des Anreicherns von Uran mit dem Isotop Uran-235 entsteht ein braun-schwarzes Uranoxid-Pulver, das zu Tabletten von etwa einem Zentimeter Höhe gepresst wird. Diesen so genannten Pellets kann auch das Plutonium-Isotop 239 beigemischt sein, das bei der Kernspaltung in Kernkraftwerken vom Typ Schneller Brüter entsteht (Wiederaufbereitung).

Die Pellets werden anschließend in Hüllrohre gefüllt und gasdicht zu Brennstäben verschweißt. Sie werden zu Brennelementen mit einer Höhe von vier bis fünf Metern zusammengesetzt.

 

Kernspaltung durch Neutronenbeschuss

Eine Kernspaltung wird ausgelöst, indem man Uran-235 mit Neutronen beschießt. Wobei beschießen nicht ganz richtig ist, denn es werden Neutronen mit geringen Geschwindigkeiten benötigt. Dieses Abbremsen (Moderation) wird bei den in Deutschland eingesetzten Siedewasserreaktoren durch Wasser erreicht, das die Brennstäbe umgibt und gleichzeitig die bei der Kernspaltung frei werdende Wärme aufnimmt. Wird ein Kernreaktor das erste Mal in Betrieb genommen, geschieht der Neutronen-Beschuss durch eine Neutronen-Quelle. Ist die Kettenreaktion einmal in Gang gesetzt, sind genügend abgespaltene Neutronen vorhanden. Eine Regelung der Leistung wird durch so genannte Steuerstäbe erreicht. Sie absorbieren die Neutronen durch Cadmium und können eine Kettenreaktion deshalb auch zum Stillstand bringen – je nachdem, wie tief sie in den Reaktorkern eingefahren werden.

Trifft nun ein Neutron auf einen Kern von Uran-235, bildet sich das Uranisotop-236. Dieser Kern zerfällt sofort in zwei leichtere Atomkerne. Dabei wird ein Teil der im Kern gespeicherten Bindungsenergie frei. Bei vollständiger Spaltung von einem Kilogramm Uran werden rund 20 Gigawattstunden Energie freigesetzt. Die gleiche Energiemenge ist in circa 2.500 Tonnen Braunkohle enthalten.

Die neu entstandenen Atomkerne sind meist instabil und zerfallen von allein in stabile Kerne. Zwei bis drei Neutronen werden durch die Kernspaltung ebenfalls freigesetzt. Treffen sie auf weitere Kerne von Uran-235 ist die Kettenreaktion in Gang gesetzt.

 

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