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Die Nutzung der Kernkraft nimmt trotz spektakulärer Unglücksfälle (Tschernobyl, Harrisburg, Fukushima) weltweit weiterhin einen bedeutenden Anteil an der Energieversorgung ein. Wie funktioniert ein Kernkraftwerk?
Kernspaltung
Der wesentliche Prozess in einem Kernkraftwerk ist die Spaltung von Uran-235-Atomkernen durch je ein Neutron. Neben zwei kleineren Atomkernen werden dabei jeweils drei Neutronen freigesetzt, die wieder Uranatome spalten können. Sehen Sie dazu oben stehendes Video.
Uran-Brennstäbe sind im Kernreaktor in Wasser eingetaucht, das die zu schnellen Neutronen abbremst. Damit stehen viele langsame Neutronen für weitere Kernspaltungen zur Verfügung.
Beim Wechseln der Brennelemente ist ein Blick in den geöffneten Druckbehälter des Kernkraftwerks möglich
Zwischen den Brennstäben des Kernreaktors werden Steuerstäbe eingefahren, die aus einem Material bestehen, das Neutronen absorbiert. Damit wird die Anzahl der wirksamen Neutronen so verändert, dass die Reaktionsrate konstant bleibt.
Modell-Experiment zur Kettenreaktion
Für eine ungeregelte Kettenreaktion gibt es ein sehr schönes Modell-Experiment: Gespannte Mausefallen repräsentieren instabile U-235-Kerne. Darauf liegen jeweils zwei Hüpfbälle, die für zwei Neutronen stehen, die bei einer Reaktion freigesetzt werden. In einer sehr kleinen Menge an U-235 steckt eine sehr große Energie. Im Gegensatz zu einer Verbrennung von Kohle oder Öl findet jedoch keine chemische Reaktion statt, sondern eine Kernreaktion.
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Massendefekt
Die Spaltprodukte sind um den "Massendefekt" leichter, als der Ausgangskern.
Wenn ein Neutron einen Urankern mit 235 Protonen und Neutronen spaltet, entsteht dabei sehr häufig ein Barium-Kern mit 144 Kernteilchen und ein Krypton-Kern mit 89 Kernteilchen und es werden 3 Neutronen freigesetzt. Protonen und Neutronen haben ungefähr die gleiche Masse. Ein Urankern hat 92 Protonen, Krypton und Barium zusammen auch. Auch bei den Neutronen gehen die Summen auf. Die Spaltprodukte sind aber etwas leichter, als der Ausgangskern. Der sogenannte Massendefekt ist der Grund dafür, warum bei einer Kernspaltung Energie freigesetzt wird.
Moderne Kernkraftwerke
Neuere deutsche Kernkraftwerke erkennt man an der Sicherheitskuppel.
Moderne Kernkraftwerke erkennt man meist am charakteristischen Kuppelbau des Reaktorgebäudes. Die Uran-Brennstäbe befinden sich innen in einem Stahlkessel mit 25 cm dicken Wänden. Dort wird die Spaltenergie an vorbeiströmendes Wasser abgegeben, dann in einem Wärmetauscher, der sich noch im Sicherheitsbereich befindet, an einen zweiten Wasserkreislauf weitergeleitet, in dem Dampf entsteht, der schließlich eine Turbine antreibt. Um den kugelförmigen Sicherheitsbehälter aus Stahl ist eine weitere Sicherheitskugel aus Stahlbeton gegossen, die als Schutz vor äußeren Einwirkungen vorgesehen ist.
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