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Wörterbuch

Kernspaltung und Reaktoren

Fission ist die Aufspaltung eines großen Atoms (wie das Uran-Isotop U-235) in kleinere Atome mit einer Freisetzung von Energie, und andere Produkte, wie schnell oder langsam Neutronen, Alphateilchen und Strahlung.

  • Kernspaltung
    • Kernspaltung (Engl. Fission) bezieht sich auf die Teilung einer großen Zellkern in eine Anzahl von kleineren Elementen (Zerfallsprodukte) während der Kernzerfall. die Kernspaltung passiert in der Natur, oder kann durch den Neutronen- oder Alpha Partikelbeschuss in AKW-Reaktoren, oder in einem Atomwaffe, induziert werden.

      Nuclear fission

      Die Spaltung großer Nuklide, wie die verschiedenen Isotope von Uran und Transuran-Elemente, wird durch die Freisetzung von großen Mengen an Energie begleitet. Ionisierende Strahlung, wie Beta- (Elektronen) und Alpha- (Heliumkerne) Teilchen und Gamma-Strahlung (Photonen), kann auch ausgegeben werden. Die Spaltung vom Uran-235 ist die Primärreaktion der Kernenergieerzeugung, obwohl U-238 (um Plutonium Pu-239 zu erzeugen) und Thorium Th-233 (um U-233 zu erzeugen) können auch benutzt werden.

      10n + 23592U → 23692U → 14054Xe + 9438Sr + 210n

  • Kernkraft
    • Strom aus Kernkraft is erzeugt durch die Umwandlung der Wärme aus Kernspaltung in Elektrizität in einem Kraftwerk.

      Fast alle elektrische Strom wird durch die Erwärmung von Wasser in einem Kessel erzeugt, wodurch Dampf oder überhitztem Wasser durch Rohrleitungen zum Antrieb einer Dampfturbine geleitet wird. Der Dampf wird durch einen Turbineläufer geführt, wobei eine Welle innerhalb einem Generator dreht. Eine der zwei Generatorteile, Stator oder Rotor, wird mit großen Magneten versehen, und der andere mit dicht gewickelten Kupferdrähte. Die Drehung erzeugt den elektrischen Strom, welche durch dem Stromnetz zu den Verbrauchern transportiert wird. Wenn Gas als Brennstoff verwendet wird lässt sich einen Wirkungsgrad von etwa 46 % erreichen, oder sogar 60% bei einem Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk.

      Uranium 235

      Fossile Brennstoffe sind Kohle, Öl und Erdgas, sogenannte Kohlenwasserstoffe. Während ihrer Verbrennung Kohlenwasserstoffe reagieren mit Sauerstoff in einer exothermen Reaktion, mit der Freigabe großer Mengen von chemischer potentiellen Energie in Form von Wärme.

      Kernreaktoren produzieren auch große Mengen Wärme. Sie tun dies nicht durch die Verbrennung des Kraftstoffs, sondern durch die Beschleunigung eines natürlichen Prozesses, indem Uranatome spontan in kleinere Atome spalten. Während der Spaltung, Uranatome geben subatomische Partikeln, Neutronen, frei, die auf anderen Uranatome treffen, und regen diesen zum Zerfall an, wodurch neue Neutronen freigesetzt werden. In diesem Vorgang, sogenannte Kettenreaktion, wird Teil des Masses der Atomkern in reine Energie umwandelt, in Übereinstimmung mit der berühmten Gleichung Einsteins E = mc2.

      Wenn das Uranmaße in der Form einer Kugel wäre, und es genug davon gäbe, wird die Kettenreaktion außer Kontrolle geraten, mit einer nuklearen Explosion zur Folge. Um elektrische Energie zu erzeugen ohne alles in der Luft zu sprengen, muß die Zerfallsrate so gesteuert werden, dass das Uran nicht in den kritischen Zustand geht. In einem Kernreaktor, das Uran wird in Stäben, die durch Neutronen absorbierenden Steuerstäben aus Bor getrennt gehalten werden, so angeordnet, daß die Neutronenerzeugungsrate bei einem konstanten Optimal gehalten wird. Die Wärme, die erzeugt werden kann, ist deshalb gut kontrollierbar, und Strom kann wie in jedem anderen Kraftwerk erzeugt werden.

      Treibhausgasemissionen (CO2-Ausstoß) bei Kernkraftanlagen sind ähnlich in höhe wie die erneuerbaren Energiequellen, und viel niedriger als bei fossile Kraftstoffe.

      Klinkt wie ein gutes System... Also warum sind Länder wie Deutschland und die Schweiz auf dem Weg zum Atomausstieg?

      KernenergieP/VWindHydroKohleÖlMethan
      CO2 Ausstoß (kt/TWh)1513921.000778420
      ERoEI5 - 24)3 - 716 - 2510 - 270
      % Energie Deutschland (2015)14,15,913,33,043,60,88,8
      % Energie Schweiz (2015)37,91,20,1556,50,01,30,0
      Kosten (Deutschland) ct/kWh4 - 1010 - 145 - 112 - 86 - 8ca. 6 - 127,5 - 10
      EU Subvention (Mrd. €)35Erneuerbaren Gesamt = 30Fossilen Gesamt = 26
  • Reaktoren
    • Viel wurde in verschiedenen Reaktortypen investiert, ob verschiedene Brennstoffen zu erforschen, oder die neue Generation von Reaktoren zu entwickeln, mit neuen Technologien die bisher unbekannt waren, oder als unpraktisch angesehen wurden.

      Die Kernkraft, die seit den 1950er Jahren verwendet wurde, nutzt die Spaltung von Uran: großen Uranatomen, eine Mischung aus den 235 und 238-Isotope. Eine Masse von Uranbrennstoff wird in eine kontrollierte Kettenreaktion eintreten, einige Uranatome zerfallen in kleinere Atome, mit Freisetzung von Neutronen und Wärme. Ein kleiner Teil der Masse wird in Energie umgewandelt, nach Einsteins berühmter Gleichung E = mc2, wobei E die freigesetzte Energie ist, m die Massendefizit zwischen der Anfangsmasse von Uran und den Endprodukten, und c die Lichtgeschwindigkeit, 3.0 × 108 m/s.

  • Kernbrennstoffe
    • Eine große Anzahl von Brennstoffen wird in den verschiedenen Typen von Kernreaktoren verwendet. Die häufigste Brennstoff ist Uran, wobei die natürlich reichlich U-238 teilweise angereichert zum mehr spaltbares U-235 wird.

      RGPu = reactor grade plutonium (Reaktorplutonium); WGPu = weapons-grade plutonium (Waffenplutonium); MOX = Mixed Oxide Fuel (Mischoxidbrennstoff)

      KraftstoffHalbwertzeit /MJQuelle
      U-2330.159Thorium
      U-235704angereicherten natürlichen Uranerz, zwischen 0.720% und 3%
      U-238446899.27% Natururan
      Pu-2390.0241Waffen Stilllegung, Neutronenbeschuss von U-238

      Die Energie, die durch die Kernspaltung eines Uran-235-Atom freigegeben ist: E = mc2 = 3.24 × 10-11 J (83.14 TJ/kg)

      Die Halbwertzeit des U-235-Atoms ist 704 Millionen Jahren (My). Die Halbwertzeit des U-238-Atoms ist 4.468 Milliarden Jahren (By). Dieser Unterschied erklärt, warum U-238 eine natürliche Häufigkeit von 99,27% besitzt. U-235 hat seine Menge halbiert mindestens 8 Mal seit ihrer Entstehung in der Supernova, die das Sonnensystem gebildet, vor 6 Milliarden Jahren. Die Menge an U-238 ist im gleichen Zeitraum nur einmal halbiert.

      Uran kann zu höheren Zerfallraten als natürliche Raten in Kernreaktoren gebracht werden. Dies setzt große Mengen an Wärme frei, die verwendet werden können, um Elektrizität zu erzeugen. Uranium verursacht nicht die Art der Verschmutzung der fossilen Brennstoffen.

      Uran-238 Spaltung:

      10n + 23892U → 23992U + γ    →β-   23993Np     →β-   23994Pu

      Uran-235 Spaltung:

      10n + 23592U → 23692U → 14054Xe + 9438Sr + 210n

      Steuerstäbe

      Ein Kernreaktor reguliert die Rate der Kernspaltung durch zwei Elemente: der Moderator und die Steuerstäbe.

      Steuerstäbe sind aus einem Neutronenabsorbierenden Material, wie beispielsweise Bor oder Kadmium hergestellt. Sie können einem Kernreaktorkern eingesetzt oder entfernt werden, um den Grad die durch die Kettenreaktion der Kernbrennstoff erzeugten Neutronen absorbiert werden zu variieren. Wenn wenige Stäbe vorhanden sind, wird mehr Neutronen mit mehr Uranbrennstoff-Atome kollidieren, wodurch die Kettenreaktionintensität sich erhöht.

      Durch Einsetzen vollständig alle Steuerstäbe kann der Reaktor vollständig heruntergefahren werden. Wenn zu viele der Stäbe entfernt wurden, konnte der Reaktor kritisch werden, einer Zustand, bei dem die Kettenreaktion ein gefährliches Niveau erreicht.