Referat Kernphysik - Die Energie der Kernbindungskräfte

Kernphysik

Die Energie der Kernbindungskräfte läßt sich durch Kernspaltung oder Kernfusion nutzen.

Kernfusion:

Allgemein versteht man unter Kernfusion die Verschmelzung von Atomkernen.

So werden bei der Kernfusion Kerne geringerer Massenzahl zu schwereren Kernen verschmolzen, wobei Bindungsenergie freigesetzt wird.

Um die Fusion einzuleiten muß man die beiden Atomkerne (z.B schwerer Wasserstoff) einander so nahe bringen, daß die kurzreichweitigen Kernkräfte wirksam werden.

Dazu schießt man die Kerne mit hoher Energie aufeinander und sobald die Kerne einander bis auf die Reichweite der Kernkräfte nahegekommen sind, kann die Kernverschmelzung erfolgen und die Bindungsenergie wird abgegeben.

Bedingung für die Kernfusion sind sehr hohe Temperaturen, die zum Beispiel in unserer Sonne oder den Fixsternen herrschen und deshalb erfolgt die Energieerzeugung dieser auch durch Kernverschmelzungsvorgänge.

Trotz hohem Forschungsaufwand ist es jedoch noch nicht gelungen, die Kernfusion zur Energiegewinnung zu nutzen. 

Ein zweiter Weg zur Freisetzung von Kernenergie ist die Kernspaltung, wobei Kerne hoher Massenzahl in zwei oder mehrere Bruchstücke durch Neutronen gespalten werden.

Trifft ein einzelnes Neutron von außen auf einen spaltbaren Atomkern, so kann dieser in zwei oder mehrere kleinere Kerne zerbrechen, die Spaltprodukte genannt werden.

Dabei werden große Energiemengen freigesetzt und außerdem setzt der Spaltvorgang auch Neutronen frei, die unverzüglich die Spaltung weiterer Atome auslösen.

Folgt jeder Kernspaltung eine neue, so spricht man von einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion, die ständig Kernenergie freisetzt. 

Voraussetzung für das Zustande kommen einer Kettenreaktion ist eine Mindestmenge an spaltbarem Material (kritische Masse).

Im Jahre 1938 machten die deutschen Physiker Otto Hahn und Fritz Straßmann bei ihren Experimenten eine Entdeckung, die bahnbrechend für weitere Forschungen war.

Es gelang ihnen das Uran - Isotop 235 zu spalten. Bei dieser Spaltung entstehen zwei mittelschwere Kerne und zwei bis drei Neutronen. Die kinetische Energie der Kern- Bruchstücke wird bei ihrem Aufprall auf die umgebenden Stoffe in Wärmeenergie umgewandelt. Infolge der elektrischen Abstoßung fliegen die neu entstandenen Kerne mit hoher Geschwindigkeit auseinander.

Jedes Neutron, das nicht aus dem spaltbaren Material entweicht, kann zu einer weiteren Kernspaltung führen ( - Kettenreaktion).

Wenn 1kg Uran gespalten wird, haben die Spaltprodukte zusammen nur mehr die Masse von 999 g, denn bei der Kernspaltung ist Materie mit insgesamt 1 g Masse verschwunden.

Diese Erscheinung bezeichnet man als Massendefekt, das fehlende Gramm Materie wurde in Energie umgewandelt.

Zivile Nutzung:

Auf den zwei physikalischen Prinzipien der Kernspaltung und Kettenreaktion  beruht vor allem die Funktion eines Kernkraftwerkes.

Heute dienen sie überwiegend zur Gewinnung elektrischer Energie, wobei sie in technischer Hinsicht nämlich Wärmekraftwerke sind, von denen eine Vielzahl unterschiedlicher Typen entwickelt wurden, die jedoch alle nach dem selben Arbeitsprinzip funktionieren.

Dabei wird durch einen Brennstoff (Uran, Kohle, Gas) Wasser verdampft. Der unter hohem Druck stehende Dampf versetzt eine Turbine in Drehungen, die einen Generator antreibt, der den Strom erzeugt. Ein Reaktor- Druckgefäß, ein meterdicker Betonmantel und ein Sicherheitsgefäß verhindern, daß Strahlung aus dem Reaktor austritt.

Wenn jetzt die Kernenergie in einem Kernreaktor friedlich genutzt werden soll, so muß die Kettenreaktion kontrolliert ablaufen.

Von den zwei bis drei freiwerdenden Neutronen jeder Kernspaltung darf im Durchschnitt nur ein einziges eine weitere Kernspaltung auslösen. Zwischen die Uran- Brennstäbe des Kernreaktors werden deshalb Cadmiumstäbe eingeschoben, welche die überschüssigen Neutronen abfangen. Durch Ein- und Ausfahren der Cadmiumstäbe läßt sich die Kettenreaktion und damit die Leistungsabgabe des Reaktors regulieren.

Somit kann der Ablauf der Kettenreaktion durch eine geeignete Anordnung von Moderator (Bremsmittel oder Kühlmittel zur Abfuhr der bei der Spaltung frei werdenden enormen Wärmemenge, häufig Wasser oder Graphit) und Uranstäben gesichert werden.

Ein Kernkraftwerk gibt im Normalbetrieb nur sehr geringe Mengen an Radioaktivität an die Umwelt ab. Der Betrieb von Kernreaktoren ist jedoch problematisch, weil es viele Möglichkeiten für Störfälle gibt, bei denen Radioaktivität austreten kann.

Ein schwieriges Problem ist die Beseitigung der in einem Atomreaktor entstehenden, stark radioaktiven Spaltprodukte. Wiederaufbereitungsanlagen sowie unterirdische Endlager dienen als Lösung zur Entsorgung radioaktiven Abfalls.

Militärischer Nutzen:

Schon seit 1939 wurde den Physikern bewußt, daß man mit der Kernspaltung eine ungeheure Energiequelle erschlossen hatte.

Für kriegerische Zwecke wurde diese erstmals 1945 angewandt, als über der japanischen Stadt Hiroshima eine Atombombe abgeworfen wurde.

Die Wirkung von Kernwaffen erfolgt durch starke Wärmestrahlung, Druckwellen mit Überschallgeschwindigkeit und radioaktive Strahlung. Radioaktives Material gelangt dabei auch in hohe Schichten der Atmosphäre und fällt schließlich als radioaktiver Staub zur Erde (fall - out).

Gefahren der Radioaktivität:

Ablagerungen von radioaktiven Teilchen auf der Erdoberfläche aufgrund einer nuklearen Explosion oder durch den Austritt aus Kernkraftwerken oder anderen atomaren Anlagen stellen große Probleme dar.

Das Material, das aus radioaktiven Niederschlägen hervorgeht, entsteht durch Atomkernspaltung und der Aktivierung von Boden, Luft und Wasser sowie anderen Stoffen in der Nähe der Explosion. Erfolgt eine Explosion nahe der Erdoberfläche, so werden riesige Mengen an Oberflächenmaterial in die Atmosphäre pulverisiert.

Massereiche Materieteile fallen innerhalb von wenigen Minuten zur Erde zurück - mikroskopisch kleine Teilchen bleiben längere Zeit in der Luft und werden mit dem Regen aus der Atmosphäre ausgewaschen.

Die Kernwaffenversuche (vor allem in den 50er und 60er Jahren) führten zu erheblichen Schäden.

Neben den unmittelbar tödlichen Folgen würden Atomwaffen auch katastrophale langfristige Auswirkungen ergeben. Menschen werden durch Strahlenbelastungen langfristig geschädigt werden. Es kommt zum Auftreten von Krankheiten (Krebs), genetischen Defekten und Sterilität.

Deshalb ist es wichtig, daß Kernkraftwerke ihre Betriebssicherheit immer wieder überprüfen und die Menschen über die Vorkehrungen bei Reaktorunfällen, zur eigenen Sicherheit, aufgeklärt sind.