Power of the Atom

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Ich hatte am Freitag mit jemanden auf Arbeit über Atomenergie gesprochen. Er meinte, dass Atomenergie ja eigentlich gar nicht so schlecht wäre und man die vollkommen grundlos abschaffen will. Dass das alles Hysterie ist und bla. Leider ist es immer ein bisschen schwierig darauf eine passende Antwort zu geben denn Atomenergie ist ein sehr komplexes Thema welches man nicht so einfach erklären kann wie ein Kohlekraftwerk oder ein Windrad. Trotzdem will ich es mal versuchen…

 

Also als erstes sollten wir uns klar machen wie das mit der Atomenergie eigentlich funktioniert. Ich denke selbst die Menschen unter uns die wenig mit Naturwissenschaften am Hut haben werden sich daran erinnern wie ein Atom aufgebaut ist. Da haben wir die Atomhülle mit ihren Elektronen und den Atomkern mit den Protonen und Neutronen. Protonen und Elektronen sind für uns erst mal egal. Wir brauchen die Neutronen.

Ich nehme an irgendwie hat man schon mal gehört, dass man in Atomkraftwerken Uran benutzt. Uran hat die Ordnungszahl 92. Das bedeutet wir haben im Kern 92 Protonen. Normale Elemente die wir kennen haben in der Regel auch genauso viele Neutronen im Kern. Doch es gibt auch die sogenannten Isotope welche ein Ungleichgewicht besitzen. Dieses Ungleichgewicht ist in der Regel dann auch für die Radioaktive Strahlung zuständig. Wie diese sich auswirkt werde ich später erklären.

 

C14

 

Schauen wir uns aber vielleicht einfach mal Kohlenstoff an. Jeder kennt ihn und wir bestehen selbst zu großen Teilen daraus. Er hat im Kern 6 Protonen und 6 Neutronen. Wir nennen ihn daher C12. C12 ist im Gleichgewicht und wird daher stabil genannt. Es gibt aber auch das C14 Isotop. Auch das kommt ganz normal in der Natur vor. Wir haben sogar einiges davon im Körper. Dieses hat im Kern 6 Protonen aber 8 Neutronen. Es gibt also ein Ungleichgewicht und das C14 ist nicht stabil! Es zerfällt! Dieser Zerfall setzt sogar Radioaktive Strahlung frei. In unserem Körper! Das ist aber nicht weiter schlimm.

C14 hat übrigens eine ganz interessante Anwendung. Die Halbwertszeit beträgt etwa 5730 Jahre. Nach dieser Zeit ist das C14 zur Hälfte abgebaut. Vielleicht hat ihr schon ein mal den Begriff Kohlenstoff Datierung gehört? Damit bestimmt man das Alter von irgendwelchen Funden. Je nachdem wie weit der Zerfall von genau diesem C14 voran geschritten ist kann man sagen wie alt etwas ist. In der Regel funktioniert das bei Lebewesen weil diese kein neues C14 aufnehmen wenn sie gestorben sind.

Aber zurück zu unserem Uran. In der Natur kommt in der Regel Uran 235 und Uran 238 vor. Wobei der Anteil von Uran 235 etwa 0,7% beträgt. Also sehr gering ist. Beides sind aber Isotope welche zerfallen. Ich bin mir gerade nicht sicher ob es überhaupt Uran gibt welches diesen Gleichgewichtszustand hat. In der Natur gibt es soweit ich weis nur diese beiden Arten.

Genau dieses Ungleichgewicht der Isotope nutzt man aber nun in der Kernspaltung. Wenn dem Uran von außen ein weiteres Neutron hinzufügen, dann kann es zur Kernspaltung kommen. Bei diesem Prozess entstehen aus dem einen Uran-Kern, zwei neue Atomkerne. Diese sind für uns vorerst unwichtig. Neben diesen beiden Atomkernen entstehen aber auch noch drei neue Neutronen die dann wieder zu neuer Kernspaltung in anderen Uran-Kernen führen. Diese erzeugen dann wieder drei neue Neutronen welche wieder Kerne spalten usw. Daneben entsteht durch die Spaltung natürlich auch Energie in Form von Wärme.

Wer jetzt ein bisschen überlegt wird feststellen: Ein Atomkern bringt 3 Neutronen. Die spalten 3 Kerne die jeweils wieder 3 Neutronen erzeugen. Wenn man diesen Gedanken ein bisschen weiterdenkt, dann hat man in kurzer Zeit extrem viele Neutronen + Kernreaktionen. Das ganze wächst extrem schnell und eskaliert! Das ist übrigens genau das was in Atombomben passiert.

In Kernkraftwerken will man aber eben nicht, dass alles explodiert. Daher haben wir die  beiden Arten von Uran. Uran 235 ist genau das was ich oben beschrieben habe. Ein Neutron und es teilt sich. Uran 238 ist da ein bisschen verträglicher. Das teilt sich nicht. Dort passiert zwar dann auch etwas und es wandelt sich um aber wir haben keine neuen Neutronen und keine neue Kernspaltung.

Der Trick in einem Atomkraftwerk ist jetzt Folgender:

Wir wollen das Uran 235 spalten. Wir wollen, dass im Idealfall von den 3 Neutronen die entstehen genau eines zu einer neuen Spaltung führt und wir wollen, dass die anderen beiden verschwinden. Dann bleibt der Prozess stabil.

Oben haben wir schon erfahren, dass in der Natur Uran nur zu 0,7% aus Uran 235 besteht. Das bedeutet wenn das Neutron jetzt entsteht ist die Chance, dass es auf Uran 235 trifft viel geringer, als dass es auf Uran 238 trifft. Einfach weil es viel weniger davon gibt. Außerdem gibt es in so einem Reaktor auch noch Kühlwasser und Metall und ganz viel anderen Kram der Neutronen aufnehmen kann. Nimmt man jetzt also das Uran aus der Natur ist es sehr schwer diese Reaktion aufrecht zu erhalten. Man könnte jetzt noch Neutronen von Außen dazugeben aber das bedeutet Energie und eigentlich will man das nicht.

Also reichert man das Uran an. Uran anreichern. Das hat man bestimmt auch schon gehört. Dazu trennt man eigentlich das Uran 235 von dem Uran 238. Im Grunde ist das auch keine Magie. Uran 238 hat mehr Neutronen im Kern, ist also schwerer. Mit ein bisschen Chemie machen wir alles zu einem Gas. Dieses Gas stecken wir in eine Zentrifuge und drehen alles ein bisschen. Durch die Fliehkraft wird das schwere Uran 238 nach außen gedrückt und das leichtere Uran 235 bleibt im inneren. Tada, wir haben beide getrennt. Jetzt wandeln wir das wieder zu richtigen Uran um.

In Kernkraftwerken nutzt man in der Regel so Mengen von 5% Uran 235. Es gibt aber auch welche die mit etwas mehr laufen. Für Atomwaffen nutzt man hingegen Mengen von 95% und mehr Uran 235. Das Uran aus Kernkraftwerken ist also nicht für Atomwaffen verwendbar genauso wie das Uran aus Atomwaffen nicht für Kernkraftwerke geeignet ist!

Das interessante ist jetzt eigentlich, dass das Atomkraftwerk fast allein durch dieses Verhältnis am Laufen gehalten wird. Den Prozess selbst kann man nur bedingt steuern. Man kann in einem Kraftwerk versuchen die Anzahl der Neutronen zu verringern in dem man Steuerstäbe nutzt die Neutronen absorbieren. Andere Kraftwerke setzen auch dem Kühlmittel noch Stoffe bei um die Anzahl der Neutronen zu regulieren. Alles  in allem ist es aber ein Selbstläufer.

 

Gut. Nun wissen wir Grundsätzlich wie das da so funktioniert in einem Atomkraftwerk. Was sind denn die Gefahren und was spricht gegen Atomkraftwerke?

Also als erstes haben Menschen immer Angst vor dem was in Japan oder in Tschernobyl passiert ist. Nun kann man sagen „Hey da in Japan wurde auch geschlampt und die haben dieses nicht beachtet und jenes nicht beachtet“. Das ist richtig. Das Problem ist aber dass es immer Situationen gibt wo Dinge passieren können mit denen man nicht rechnet. Wenn das bei einem Windkraftwerk passiert dann fällt das Ding um und es sind im schlimmsten Fall eine Hand voll Menschen tot. Wenn ein Atomkraftwerk ausfällt haben wir viel viel mehr Probleme.

Wenn die Kühlung in einem Kernreaktor ausfällt bekommen wir die berühmte Kernschmelze. In der Regel sind die Uran Brennstäbe mit Metall umhüllt. Diese Hülle fängt schon mal viel von der fiesen Strahlung ab. Kommt es jetzt aber zu einer Kernschmelze dann erhitzt sich das Uran immer weiter. Wie wir oben erfahren haben ist es nicht ganz so einfach die Kernreaktion zu stoppen bzw. wurde der Reaktor ja gerade so gebaut, dass er von allein läuft. Selbst wenn wir die Steuerstäbe in den Reaktor fahren dauert es seine Zeit bis die Reaktion aufgehört hat. Wir reden hier von Stunden bis Tagen. Plötzliches Versagen der Kühlung ist also eine blöde Sache. Man kann dort nicht mehr reagieren und auf den roten Notaus-Schalter drücken.

Kommt es dann zur Kernschmelze, dann verflüssigt sich der Brennstab. Das Metall schmilzt und wir bekommen eine sehr heiße radioaktive Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit bekommt man nur sehr schwer (gar nicht) in den Griff. Außerdem kommt es durch verschiedene Effekte dazu, dass der Wasserstoff und Sauerstoff im Kühlwasser (Wasserdampf)  getrennt werden. Der Wasserstoff explodiert dann ordentlich und wirft wild mit radioaktivem Material um sich.

Ein Reaktorunfall kann also schwere Folgen haben und wir können einen solchen Unfall nie komplett ausschließen. Naturkatastrophen. Menschliches Versagen. Es gibt immer Gründe warum etwas passieren kann. Terror halte ich für einen schwierigen Grund. Schaut man sich die normalen IS Terroristen an so glaube ich nicht, dass sie über das Know How verfügen um einen Atomreaktor so zu manipulieren, dass etwas fundamental schief läuft. Aber ich will mich da auch nicht zu weit aus dem Fenster lehnen.

 

Außerdem haben wir da noch den Atommüll. Wenn in unserem Reaktor die Neutronen auf das Uran 238 treffen kommt es ja nicht zur Kernspaltung. Stattdessen wandelt es sich in Plutonium um. Das ist richtig ekliges Zeug. Theoretisch könnte man das Plutonium auch zur Energiegewinnung nutzen weil es sich ähnlich wie Uran 235 verhält. Praktisch ist das etwas schwierig.

Bis jetzt existiert auf der Welt noch kein einziges Endlager für Atommüll. Ich glaube in Schweden wollen sie jetzt eins bauen oder haben schon eins gebaut. Aber das würde nicht unsere deutschen Standards erfüllen.

Das Problem mit einem Endlager ist, dass die Geologischen Formationen sich über die nächsten paar 100.000 Jahre nicht verändern sollten. Nun ist die Erde aber ständig im Wandel. Erdbeben entstehen ja zB. gerade durch die Verschiebung der Erdplatten. Ganze Kontinente haben sich im Laufe der Erdgeschichte verschoben.

Daher glaube ich nicht, dass man jemals ein passendes Endlager auf der Erde finden wird. Bessere Lösungen wären der Weltraumfahrstuhl (hatte ich über den schon mal geschrieben?) oder aber wir warten einfach ab. Denn ich könnte mir vorstellen, dass wir in 100 Jahren sicherlich einen Weg finden um mit radioaktiven Materialien umzugehen.

In unserer aktuellen Lage haben wir aber praktisch in Deutschland einige tausend Tonnen Atommüll und keine Ahnung wohin damit. Wobei tausend Tonnen jetzt auch nicht sooo viel sind.

 

Ein weiteres Problem ist ein politisches. Ich hatte ja schon erklärt, dass man keine Atomwaffen hat nur weil man ein Atomkraftwerk hat. Nun will ein Land welches ein Atomkraftwerk baut aber auch die ganze Palette haben. Dazu gehören auch Anlagen mit denen man Uran anreichern kann. Und dort kann man eben auch waffenfähiges Uran anreichern. Wenn man das erst hat ist der Weg zu einer Atomwaffe nicht mehr weit.

In Deutschland ist das Problem ehr nicht vorhanden. Wir wollen keine Atomwaffen und ich glaube bei uns ist die Technologie in recht sicheren Händen. Aber in Ländern wie dem Iran sieht das ein bisschen anders aus.

Würde die Welt jetzt also vermehrt auf Atomenergie setzen, dann müsste man auch damit rechnen, dass mehr Länder in der Lage sind Atomwaffen zu besitzen. Und Atomwaffen sind niemals nie nicht gut.

Außerdem ist das Versprechen von günstiger Atomenergie dann doch nicht ganz so schön wie es klingt. Durch diese ganzen Sicherheitsmaßnahmen und Regeln die im Laufe der Jahre immer weiter verschärft wurden haben sich Atomkraftwerke als durchaus kostspielig herausgestellt.

 

Aber schauen wir noch kurz in die Welt. Aktuell gibt es etwa 450 Atomkraftwerke auf der Welt. Wenn ich nicht irre sind gerade 64 Kraftwerke im Bau. Auf der anderen Seite sind die Kraftwerke aber auch auf eine Laufzeit von etwa 40 Jahren geplant. Von den 450 Kraftwerken erreichen in den nächsten paar Jahren die hälfte der gebauten Kraftwerke dieses Limit. Vermutlich werden nicht alle dann auch abgeschaltet aber doch so einige. Außerdem planen immer mehr Länder genau wie Deutschland den Atomausstieg.

Man muss auch sehen, dass sehr viele Atomkraftwerke im Laufe ihrer Bauzeit abgebrochen werden. Unzählige Kraftwerke wurde niemals in Betrieb genommen. Es ist also fraglich ob von den 64 Kraftwerken auch alle fertig werden.

Wenn wir das also alles berücksichtigen können wir davon ausgehen, dass in den nächsten Jahren die Atomenergie auf der Welt massiv zurückgehen wird.

 

Ich möchte aber auch nicht verschweigen, dass die Entwicklung bei Kernreaktoren noch immer weiter geht. Ich hatte ja schon erwähnt, dass aus dem Uran 238 Plutonium entsteht. Dieses könnte man wieder für neue Energiegewinnung nutzen und dabei gleichzeitig das eklige Plutonium verwerten. Diese Reaktoren nennen sich dann schnelle Brüter. Davon hat man vielleicht schon gehört. Aktuell gibt es aber nur einen Reaktor in Russland der im Betrieb ist. Würde man dieses Problem in den Griff bekommen, könnte man mit der selben Menge Uran aber etwa 10-100x mehr Energie gewinnen.

Die Reaktoren sind aber in diesem Maße noch nicht ausreichend kontrollierbar. Zumindest nicht so, dass es sich effektiv lohnen würde im Vergleich zu den Problemen die mit schnellen Brütern entstehen. Plutonium ist wie gesagt extrem ekliges Zeug und man will damit nicht arbeiten. Das was da schief gehen kann geht weit über Probleme mit normalen Reaktoren (Leichtwasser-Reaktoren) hinaus. Außerdem sind sie in der Handhabung wesentlich komplizierter da wir schweres Wasser (hat nichts mit hartem Wasser zu tun) brauchen und das ist alles bisschen blöd.

In Deutschland war Kalkar als ein Brutreaktor geplant und wurde nie in Betrieb genommen. Heute ist Kalkar ein Freizeitpark 😀

 

 

 

 

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