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Kernkraftwerk

Die Geschichte der Kernkraftwerke beginnt mit der Erforschung der Radioaktivität und Kernspaltung. Bekannte Wissenschaftler*innen wie Lise Meitner waren daran beteiligt. Entdecke den Aufbau von Druckwasserreaktoren und wie sie funktionieren. Erfahre mehr über die Vor- und Nachteile von Kernkraftwerken. Interessiert? Dies und vieles mehr findest du im folgenden Text!

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Jakob Köbner
Kernkraftwerk
lernst du in der Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse

Beschreibung zum Video Kernkraftwerk

Warum sieht es so aus, als hätte dein Löffel einen Knick, wenn du von oben in dein Glas schaust? Der Grund dafür ist die Lichtbrechung. In diesem Video stellen wir uns gemeinsam die Frage, was Lichtbrechung eigentlich ist. Wir lernen, von welchen Einflüssen die Brechung von Licht abhängt und wie wir sie im Strahlenmodell beschreiben können. Außerdem lernen wir ein Experiment kennen, das du ganz einfach zu Hause nachmachen kannst.

Ergänzend zum Video findest du auf dieser Seite auch interaktive Übungen und ein Arbeitsblatt. Du kannst direkt loslegen und dein neues Wissen testen!

Grundlagen zum Thema Kernkraftwerk

Kernkraftwerk – Geschichte

Die Geschichte der Kernkraftwerke geht vor allem auf die Entdeckung und Erforschung der Radioaktivität (1896) und der Kernspaltung (1938) zurück, die die theoretischen und technischen Grundlagen für diese Form der Energieerzeugung (genauer gesagt Energieumwandlung) lieferten. Viele hervorragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wie Lise Meitner, Irène Joliot-Curie und Arthur Compton forschten in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts zu diesem Thema.

Ein Kernkraftwerk ist ein Kraftwerk, in dem Kernenergie in elektrische Energie umgewandelt und damit Strom erzeugt wird. Die Kernenergie wird dabei durch Kernspaltung freigesetzt.

Der erste funktionstüchtige Reaktor wurde am 02.12.1942 von Enrico Fermi und seinem Team im Rahmen des Manhattan Projects, also der Entwicklung der Atombombe während des Zweiten Weltkriegs, in Chicago 28 Minuten lang in Betrieb genommen. Das erste kommerzielle Kernkraftwerk in Deutschland ging 1962 in Betrieb.

Kernkraftwerk – Aufbau

Es gibt verschiedene Arten von Kernkraftwerken. Sie basieren alle auf dem Prinzip der Kernspaltung, unterscheiden sich aber in ihrer Bauform, der Art der Kühlung und teilweise auch der Art des Brennstoffs. Die häufigste Bauform sind sogenannte Druckwasserreaktoren mit drei Wasserkreisläufen. Deswegen wollen wir uns ihren Aufbau näher anschauen.

Wusstest du schon?
In einem Kernkraftwerk wird so viel Energie freigesetzt, dass aus einem Kilogramm Uran so viel Strom erzeugt werden kann wie aus fast $16\,000$ Kilogramm Steinkohle!
Das zeigt, wie verhältnismäßig effizient diese Technologie ist und wie wenig Rohstoff benötigt wird, um große Mengen an Energie freizusetzen.

Kernkraftwerk – Druckwasserreaktor

Die folgende Abbildung stellt die Funktionsweise eines Druckwasserreaktors schematisch dar.

Kernkraftwerk: Aufbau und Funktion

Auf die einzelnen Prozesse, die im Reaktor ablaufen, gehen wir im Folgenden genauer ein.

Reaktor und Primärkreislauf

Der Reaktor ist das Herz des Kraftwerks, in dem die Kernspaltung abläuft. Er befindet sich unter einer Betonkuppel mit sehr dicken Wänden, die verhindern, dass Strahlung aus dem Reaktor nach außen dringt. Umgekehrt wird der Reaktor von äußeren Einwirkungen abgeschirmt. Die Kuppel ist aber nicht die einzige Schutzhülle. Unter der Kuppel befindet sich ein weiterer Behälter, eine große Hohlkugel aus zentimeterdickem Baustahl, der extrem hohen Drücken standhalten kann. Darin wiederum befindet sich der Reaktordruckbehälter, also der eigentliche Reaktor des Kraftwerks. Er enthält die Brennstäbe aus Uran und ist komplett mit Wasser gefüllt.

Das Wasser erfüllt mehrere Aufgaben. Es bremst zum einen die Neutronen ab, die bei den Zerfallsprozessen entstehen. Das ist wichtig, weil die Kernspaltung am besten mit langsamen Neutronen funktioniert. Außerdem kühlt es die Brennstäbe und nimmt die durch die Spaltung erzeugte Energie auf und wird dadurch über $300\,^\circ\text{C}$ heiß. Es bleibt dabei flüssig, weil es unter enorm hohem Druck steht, der bis über $150\,^\circ\text{bar}$ steigen kann.
Weil dieses Wasser direkten Kontakt zu den Brennstäben hat, ist es radioaktiv verunreinigt. Aus diesem Grund wird es nicht direkt dazu benutzt, die Turbinen anzutreiben, sondern erhitzt über eine Heizschleife das Wasser im Sekundärkreislauf. Die Wärme wird dabei über die Rohrwände übertragen, das Wasser aus dem Primärkreislauf hat also keinen direkten Kontakt zum Wasser im Sekundärkreislauf. Dieses bleibt daher sauber.

Direkt über den Brennstäben befinden sich die Steuerstäbe. Sie bestehen aus Materialien, die besonders gut Neutronen absorbieren können. Wenn die Steuerstäbe zwischen die Brennstäbe gefahren werden, verkleinert sich die Reaktionsrate, der Reaktor wird also heruntergefahren. Wenn sie vollständig zwischen die Brennstäbe gefahren sind, wird die Kettenreaktion komplett abgebrochen. Deswegen sind sie meistens auch an Elektromagneten befestigt, sodass sie bei einem Stromausfall automatisch zwischen die Brennstäbe fallen.

Fehleralarm
Ein häufiger Fehler ist zu denken, dass ein Kernkraftwerk mit einer Atombombe vergleichbar ist. Ein Kernkraftwerk nutzt jedoch die kontrollierte Kernspaltung zur Energiefreisetzung, während eine Atombombe eine unkontrollierte Kettenreaktion herbeiführt.

Stromerzeugung und Sekundärkreislauf

Das Wasser im Sekundärkreislauf wird durch die Heizschleife erhitzt, beginnt zu sieden und verdampft. Es steht auch hier unter erhöhtem Druck. Der ist zwar nicht ganz so hoch wie im Primärkreislauf, aber er beträgt immer noch etwa $70~\text{bar}$. Deswegen verdampft das Wasser auch nicht bei $100\,^\circ\text{C}$, sondern erst bei knapp $300\,^\circ\text{C}$.
Der Wasserdampf wird dann durch Rohre aus der Kuppel hinaus in ein weiteres Gebäude geleitet. Dort gelangt er zu den Turbinen – zuerst zu einer Hochdruckturbine und dann, nachdem er schon etwas abgekühlt ist, zu einer Niederdruckturbine. Die Turbinen treiben durch ihre Drehung einen Generator an, der dann Strom erzeugt. Der wird dann durch einen Transformator umgespannt und gelangt so in unser Stromnetz. Der heiße Dampf gelangt dann in ein weiteres Behältnis, den sogenannten Kondensator, der mit dem dritten Kreislauf verbunden ist.

Kühlkreislauf

Im Kondensator muss der heiße Wasserdampf abgekühlt werden, damit er als Wasser wieder zurück zur Heizschleife fließen kann. Dazu wird im Kühlkreislauf kaltes Wasser, zum Beispiel aus einem Fluss, durch viele Rohre durch den Kondensator geführt. Es nimmt durch die Rohrwände Wärme auf, erhitzt sich so und kühlt dabei den Wasserdampf ab.
Das heiße Kühlwasser muss dann noch abgekühlt werden, bevor es in den Fluss zurückgeleitet werden kann. Dazu dienen die hohen Kühltürme, die neben Kernkraftwerken stehen. Dort verdunstet ein Teil des Kühlwassers und erzeugt so die großen, weißen Wolken, die man manchmal über den großen Türmen aufsteigen sieht.

Kontrovers diskutiert:
Expertinnen und Experten sind sich uneinig, ob Kernkraftwerke tatsächlich umweltfreundlicher sind als fossile Brennstoffe wie Kohle und Gas.
Einige Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler argumentieren, dass die geringen $\ce{CO2}$-Emissionen von Atomkraftwerken einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leisten können. Andere weisen jedoch auf die ungelöste Problematik der radioaktiven Abfälle und die Umweltrisiken von Kernschmelzen hin. Was denkst du?

Kernkraftwerke – Vor- und Nachteile

In der folgenden Tabelle sind einige Vor- und Nachteile von Kernkraftwerken aufgeführt:

Vorteile Kernkraftwerk Nachteile Kernkraftwerk
Der Brennstoff Uran hat eine sehr hohe Energiedichte. Deswegen benötigt man nur sehr wenig davon. $1~\text{kg}$ Natururan liefert so viel Energie wie $1 000~\text{kg}$ Kohle oder etwa $500~\text{m}^{3}$ Erdgas. Transport und Förderung haben also einen vergleichsweise geringen Einfluss. Radioaktiver Abfall in Form von Brennstäben macht zwar nur eine geringe Menge aus, ist aber hochradioaktiv und extrem heiß. Deswegen gibt es auch immer noch kein Endlager für diese Abfälle. Man weiß also nicht genau, was man mit diesem gefährlichen Müll machen soll.$^1$
Wenn ein Kernkraftwerk erst einmal in Betrieb ist, setzt es kaum noch Treibhausgase frei. Es ist dann eine sehr klimafreundliche Art, Energie zu erzeugen.$^2$ Auch beim Rückbau von Kernkraftwerken, also dem Abbauen eines alten Kraftwerks, gibt es viel radioaktiven Müll. Die Wände und andere Bauteile werden nämlich mit der Zeit selbst radioaktiv. Sie sind zwar nicht so hochradioaktiv oder heiß wie die Brennstäbe, dafür gibt es von dieser Form des Mülls viel mehr.$^1$
Kernkraftwerke haben, insbesondere im Vergleich zu Wind- und Solarenergie, einen sehr geringen Flächenverbrauch. Das heißt, es steht insgesamt mehr Fläche für Natur und Landwirtschaft zur Verfügung.$^3$ Im Fall eines GAUs, also eines größten anzunehmenden Unfalls, können die Schäden für Mensch und Umwelt sehr groß sein. Man kann die Sicherheit in Kernkraftwerken zwar immer weiter erhöhen, aber ganz auszuschließen sind solche Unfälle natürlich nicht.
Statistisch gesehen zählen Kernkraftwerke zu den sichersten Energieerzeugern: Wenn man Todesfälle durch die Produktion auf die erzeugte Energiemenge bezieht, schneidet die Kernenergie neben Wind am besten ab.$^4$ Grundsätzlich ähneln sich die Technologie für Kernenergie und Kernwaffen sehr. Deswegen führt sie auch immer wieder zu politischen Konflikten: Wer Kernkraftwerke baut, kann theoretisch auch Kernwaffen (wie die Atombombe) bauen.

Wenn du ein Referat über Kernkraftwerke schreiben musst, hast du hier schon einmal die wichtigsten Grundlagen gelernt. Es gibt allerdings noch viel mehr zu lernen, zum Beispiel über ganz neue Techniken, mit denen man radioaktive Abfälle wiederverwerten kann.

Quellenverzeichnis zum Thema Kernkraftwerke

Ausblick – das lernst du nach Kernkraftwerk

Vertiefe dein Wissen über erneuerbare Energien und fossile Energieträger, um sie mit Kernenergie vergleichen zu können. Verschaffe dir auch einen Überblick über verschiedene Zukunftstechnologien. Bereite dich auf spannende Lerninhalte vor!

Zusammenfassung – Kernkraftwerk

  • Im Kernkraftwerk wird die Kernspaltung genutzt, um Energie freizusetzen. Mit dieser Energie wird Wasser verdampft, um die Turbine eines Generators anzutreiben und Strom zu erzeugen.
  • Moderne Kernkraftwerke sind relativ effizient und sicher. Allerdings lassen sich Unfälle (oder auch Anschläge) niemals ganz ausschließen und können verheerende Folgen haben.
  • Als ein noch größeres Problem gilt allerdings der Atommüll, der durch die Kernspaltung anfällt.
  • Der Brennstoff Uran hat eine hohe Energiedichte, aber auch eine sehr lange Halbwertszeit. Die anfallenden radioaktiven Abfälle strahlen noch über Millionen von Jahren.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Kernkraftwerk

Wie funktioniert ein Kernkraftwerk?
Was ist ein Kernkraftwerk?
Wie ist ein Kernkraftwerk aufgebaut?
Wie viel Strom erzeugt ein Kernkraftwerk?
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Vorschaubild einer Übung

Transkript Kernkraftwerk

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle! Wir machen weiter mit der Atom- und Kernphysik und wollen uns heute ein Mal das Kernkraftwerk genauer ansehen. Für dieses Video solltet ihr unbedingt das Video zu Atombombe gesehen haben, da dort die nukleare Kettenreaktion erklärt wird, die wir für dieses Video dringend brauchen. Und auf geht's! Wir lernen heute, wie man in einem Kernkraftwerk eine kontrollierte, nukleare Kettenreaktion nutzt, um elektrische Energie zu gewinnen, wie der Aufbau eines typischen Kernkraftwerks aussieht und zum Schluss noch ein wenig über die Vorteile und Nachteile eines Kernkraftwerks. Dann wollen wir mal. Was ist denn eigentlich eine kontrollierte Kettenreaktion? Wie wir im Video über die Atombombe gehört haben, werden bei einer Atombombenexplosion pro Kernspaltung mehrere Neutronen frei, die ihrerseits wieder jeweils eine Kernspaltung verursachen, sodass das gesamte vorhandene Spaltmaterial so schnell wie möglich verbrennt. Die Idee eines Kernkraftwerks ist dagegen, das Spaltmaterial gleichmäßig verbrennen zu lassen. Das heißt, man versucht die Anzahl der Kernspaltungen pro Sekunde konstant zu halten. Das nennt man eine kontrollierte Kettenreaktion. Das ist natürlich leichter gesagt als getan. Was mache ich denn nun zum Beispiel, wenn meine Kettenreaktion doch heißer läuft als gewünscht und mir der ganze Reaktor droht, um die Ohren zu fliegen? Es gibt viele verschiedene Arten von Kernkraftwerken, aber die gängigste Methode ist diese: Man benutzt Brennstäbe, die kritische Masse haben. Aber, damit der Neutronenfluss nicht zu groß wird, kann man zwischen diese Brennstäbe sogenannte Neutronenabsorber, das heißt, Stäbe, die aus einem Material sind, das sehr gut Neutronen schluckt, schieben. Falls meine Kettenreaktion also droht zu heiß zu werden, schiebe ich einfach mehrere dieser Steuerelemente zwischen die Brennstäbe. Damit reduziert sich die Neutronenzahl und die Kettenreaktion wird langsamer. So, meine Kettenreaktion läuft also. Was ich aus ihr gewinne, ist allerdings nicht Strom, den ich gerne haben würde, sondern Hitze. Ich muss also die gewonnene Hitze irgendwie in elektrische Energie verwandeln und wie das geht, erkläre ich euch im nächsten Kapitel. Wie ist denn nun so ein Kernkraftwerk aufgebaut und wie funktioniert es? Ihr habt bestimmt schon Mal ein Bild eines Kernkraftwerks gesehen. Hier seht ihr zum Beispiel eines des Kernkraftwerks in Grafenrheinfeld. Sie sind immer leicht erkennbar an den riesigen Kühltürmen. Allerdings ist auch immer eine riesige Betonkuppel dabei und die ist der Ort, an dem der Kernreaktor sitzt. Was genau nun sich hinter dem gesamten Beton verbirgt, will ich euch jetzt ein mal zeigen. Fangen wir an mit den Brennstäben, die ich hier im Bild einmal rot eingezeichnet habe. Darüber installiere ich meine Steuerelemente, die ich bei Bedarf zwischen die Brennstäbe fahren kann und das Ganze tue ich in einen großen Behälter, damit mir meine Hitze nicht abhaut. Diesen Behälter fülle ich nun mit Wasser, im Bild lila, denn irgendetwas muss unsere Hitze ja auch aufnehmen. Außerdem hat Wasser die angenehme Eigenschaft, unsere Neutronen gut zu bremsen, denn langsame Neutronen sind besser, um eine Kernspaltung zu verursachen als schnelle. Das Wasser im Primärkreislauf steht übrigens unter extremen Druck und ist sehr heiß. Es hat meistens über 300 Grad und über 150 Bar. Um die Hitze aus dem Primärkreislauf zu nutzen, baue ich nun um meine Heizschleife herum, einen zweiten Container, den ich ebenfalls mit Wasser fülle. Alles, was wir bis jetzt gesehen haben, befindet sich übrigens normalerweise unter der Betonkuppel eines Atomkraftwerks. Im Falle eines Super-GAUs, was übrigens die Abkürzung für "größter anzunehmender Unfall" ist, würde unser Brennmaterial ja ähnlich, wie bei einer Atombombenexplosion, explodieren. Die Kugelform ist am stabilsten gegenüber Explosionen und wird deshalb immer gewählt. So, zurück zur Energiegewinnung. Ich habe nun also einen zweiten Behälter, in dem ich Wasser erhitze. Dieser Behälter bringt mir aber nun alleine nichts. Ich muss das Wasser ja irgendwo hinleiten. Also wird ein sogenannter Sekundärkreislauf eingerichtet. Dieser Sekundärkreislauf führt das Wasser zuerst in einen Behälter, in dem mittels Turbinen Strom gewonnen wird, und dann in einen zweiten Behälter, in dem das Wasser wieder gekühlt und zurück zur Erhitzung geschickt wird. Ich montiere also Turbinen in die erste Kammer. Zuerst eine Hochdruckturbine, dann, wenn das Wasser langsamer ist, Niedrigdruckturbinen, um auch diese Energie noch zu nutzen. An die Turbinen angeschlossen ist ein Generator, der aus ihrer Umdrehung Strom gewinnt, der dann, umgespannt von einem Transformator, in das Stromnetz eingespeist wird. In der zweiten Kammer soll nun das Wasser wieder heruntergekühlt werden, womit wir zum dritten Wasserkreislauf kommen, den ein Kernkraftwerk benötigt, dem Kühlwasserkreislauf. Kaltes Wasser wird in die Kammer gepumpt, wo es sich natürlich erhitzt, und von dort aus in den Kühlturm gebracht, in dem es an der Seite herunterrieselt, wobei es wieder ein wenig abkühlt. Deswegen stehen Kühltürme auch auf einer Art Gitter, damit die Luft besser hinein und dann innen nach oben ziehen kann, um das Wasser abzukühlen. Ein Teil des Kühlwassers geht als Wasserdampf verloren. Das sind die großen, weißen Schwaden, die man immer aus Kühltürmen aufsteigen sieht. Da der Kühlturm alleine aber nicht ausreicht, um das Wasser wieder komplett abzukühlen, stehen Atomkraftwerke immer in der Nähe eines Flusses. Der Kühlwasserkreislauf wird also beständig durch kaltes Flusswasser aufgefrischt und ein Teil des warmen Abwassers wird wieder in den Fluss geleitet, wobei sich übrigens seine Temperatur erhöht, was einer der Hauptkritikpunkte an Kernkraftwerken ist. Und das war es auch schon. Nun versteht ihr wie in einem Kernkraftwerk Energie erzeugt wird. Als Nächstes wollen wir uns ein wenig zu den Vor- und Nachteilen eines Kernkraftwerks ansehen. Dann wollen wir mal. Was gibt es denn so an Pro- und Contrapunkten? Das ist übrigens lateinisch für dafür und dagegen. Fangen wir mal mit den Vorteilen an. Ein Kernkraftwerk benötigt nur sehr geringe Mengen Brennstoff. 1 kg Uran liefert fast die gleiche Energie wie 30 Tonnen Steinkohle. Das heißt, ich habe nur sehr kleine Transportprobleme. Wenn mein Kernkraftwerk optimal läuft, ist es sogar sehr umweltfreundlich. Umweltfreundlicher auf jeden Fall als ein Kohlekraftwerk. Es setzt sogar weniger radioaktiven Abfall frei. Außerdem sind Kernkraftwerke eine sehr günstige Variante, um Strom herzustellen. Dann wollen wir uns mal die Contrapunkte ansehen. Was spricht denn gegen ein Kernkraftwerk? Als Erstes wollen wir uns das Problem der Endlagerung ansehen. Natürlich produziert ein Kernkraftwerk auch radioaktiven Abfall, hoch konzentriert, der relativ langlebig ist. Dieser wird meistens in stillgelegten Minenschächten einfach verbuddelt, da man nicht so recht weiß, was man sonst mit ihm anfangen soll. Außerdem muss natürlich die Unfallgefahr erwähnt werden. Gerade in ärmeren Ländern, die sich nicht so extreme Sicherheitsbestimmungen leisten, ist die Gefahr eines Super-GAUs höher. Und man muss sich nur an Tschernobyl erinnern, um zu wissen, welch riesige Schäden das an der Umwelt anrichten kann. Und dann ist da ja auch noch das Problem des Kühlwasserkreislaufs, das wir vorhin schon kurz angesprochen haben. Jedes Kernkraftwerk heizt ja auch einen Fluss. Es gibt dazu zwar sehr genaue Bestimmungen, das heißt es gibt einen Temperaturwert, über den das Flusswasser auf keinen Fall steigen darf, aber gut für die Umwelt kann das natürlich trotzdem nicht sein. Es gibt natürlich noch viel mehr Vor- und Nachteile, als ich hier aufgelistet habe. Wenn es euch interessiert, sucht da mal im Internet. Die Vor- und Nachteile von Kernkraftwerken werden schon seit langer Zeit äußerst hitzig diskutiert. So, wir wollen noch mal zusammenfassen, was wir heute gelernt haben: In Kernkraftwerken wird mithilfe einer kontrollierten, nuklearen Kettenreaktion Hitze erzeugt, die dann mit einer Turbine in elektrische Energie gewandelt wird. Dies geschieht, indem die Hitze der Kettenreaktion vom Primärkreislauf auf den Sekundärkreislauf übertragen wird, in dem sich die Turbinen befinden. Mithilfe eines Generators wird dann aus der Bewegung der Turbinen Strom gewonnen. Außerdem haben wir gelernt: Um den Atomstrom gibt es eine hitzige Diskussion. Er ist zwar billig und praktisch, aber gerade bei schlechten Sicherheitsvorkehrungen auch ziemlich riskant. So, das war es schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank für das Zuschauen, vielleicht bis zum nächsten Mal! Euer Kalle!

14 Kommentare
  1. Tolles Video, hab es super verstanden!

    Von Fabiona, vor mehr als 3 Jahren
  2. Sehr gutes Video. Es wurde ALLES gut, verständlich und unkomliziert (im Gegensatzt zum eigentlich sehr komplexem Thema) erklärt und die einzelnen Infos oder auch Nebeninformationen sind ebenfalls sehr gut und einfach erklärt worden, sodass man sich gut auf das Thema konzentrieren konnte, ohne sich an irgeneinem (z.B.) Fremdwort aufzuhängen. Super!

    Von Miriam Reinhard, vor mehr als 3 Jahren
  3. sehr detailliert, ausführlich und optisch ansprchend erklärt. Super!

    Von Stefan Burkert, vor mehr als 3 Jahren
  4. cool

    Von Leon K., vor mehr als 5 Jahren
  5. Du kannst sehr gut erklären weiter so es macht echt Spaß dir zuzuschauen!!!!

    Von Albert L., vor etwa 7 Jahren
Mehr Kommentare

Kernkraftwerk Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Kernkraftwerk kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib den Unterschied zwischen kontrollierter und unkontrollierter Kettenreaktion an.

    Tipps

    Kontrolle bedeutet, etwas verändern zu können, nachdem ein Prozess gestartet wurde.

    Was unterscheidet die Absorption und die Reflexion?

    Bei einer Atombombe will man, das die entstehenden Neutronen in der Bombe bleiben.

    Bei einem Atomreaktor möchte man die Anzahl der Neutronen in den Brennstäben konstant halten.

    Lösung

    Damit man das gewaltige Potential einer atomaren Kettenreaktion für zivile Zwecke nutzen kann, muss man diese den Bedürfnissen entsprechend steuern können. Dies stellte die Wissenschaftler zunächst vor eine Herausforderung, da diese Kettenreaktion zunächst nur für kriegerische Anwendungen konzipiert war.

    Daher ging man genau entgegengesetzt zur Atombombenentwicklung vor. Anstatt Neutronenreflexion zur Senkung der kritischen Masse zu nutzen, nutzte man neutronenabsorbierende Materialien, um die Reaktion zu hemmen. Weiterhin wurden Verfahren entwickelt, um die Wärme nutzbar zu machen, ohne dass die Strahlung den Reaktor verlässt. Deshalb nutzte man mehrere Kreisläufe.

  • Beschreibe den Aufbau eines Kernkraftwerkes.

    Tipps

    Jedes Bauteil im Reaktor hat eine bestimmte Funktion.

    Das Wasser transportiert Wärme und kinetische Energie.

    Ein Generator ist ein Energiewandler der Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt.

    Um elektrische Energie in das Stromnetz einzuspeisen muss zunächst deren Spannung und Stromstärke mit einem Transformator angepasst werden.

    Lösung

    Ein Kernkraftwerk besitzt einen Reaktor, in dem sich die Brennstäbe befinden. In ihnen ist eine kritische Masse von radioaktivem Material vorhanden. Zumeist Uran-235 oder Plutonium-239. Das radioaktive Material zerfällt in einer Kettenreaktion, die durch die Steuerstäbe reguliert werden kann.

    Wasser wird zum einen zum Bremsen der Reaktion und zum anderen als Kühlmittel und Konvektionsmedium genutzt. Das Wasser im Primärkreislauf verdampft und erreicht Temperaturen von 300°C. Der Primärkreislauf erhitzt wiederum das Wasser im Sekundärkreislauf. Mit der übertragenen Energie wird die Turbine angetrieben, welche wiederum einen Generator antreibt. Die entstandene elektrische Energie wird über einen Transformator geleitet und dann ins Stromnetz eingespeist. Die Abwärme wird über den Kühlkreislauf im Kühlturm und im Fluss abgebaut.

  • Erkläre, wie die Energien im Kernkraftwerk jeweils umgewandelt werden.

    Tipps

    Das Wasser überträgt die Wärme durch Konvektion.

    Die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen entspricht makroskopisch der Temperatur.

    Kinetische Energie der Teilchen entspricht der Wärmeenergie des Mediums.

    Lösung

    In einem Kernreaktor wird Uran gespalten, es entsteht dadurch eine Kettenreaktion.

    $^{235}_{92}U\,+\,^1_0n \,\rightarrow\,^{139}_{56}Ba\,+\,^{94}_{36}Kr\,+\,3\,^1_0n$

    Die entstanden Teilchen bewegen sich sehr schnell, haben also eine hohe kinetische Energie. Diese geben sie an das umgebende Wasser weiter. Das Wasser überträgt die kinetische Energie wiederum auf die Turbine. Die Turbine wandelt die kinetische Energie in Rotationsenergie um und gibt diese an einen Generator weiter, der die Rotationsenergie in elektrische Energie umwandelt. Über weitere Kühlung verlässt die überschüssige Wärmeenergie das System.

    Es wird also Bindungsenergie in kinetische Energie der Teilchen umgewandelt. Diese entspricht der Wärmeenergie im System.

    Die kinetische Energie der Teilchen wird dann in Rotationsenergie der Rotorblätter überführt und im Generator in elektrische Energie umgewandelt. Die verbleibende kinetische Energie der Wasserteilchen verlässt als Abwärme das System.

  • Berechne, wie die Gesamtleistung der Kernkraftwerke in Deutschland ersetzt werden könnte und bewerte die Machbarkeit.

    Tipps

    Überlege dir, was jeweils Grundwert, Wert und Prozentwert ist.

    Die Quellen der erneuerbaren Energien sind Wasserkraft, Sonnenlicht und Wind.

    Die öffentliche Meinung ist häufig emotional und nicht immer wissentschaftlich fundiert.

    Lösung

    Die Energiewende in Deutschland ist schon lange ein wichtiges Thema der öffentlichen Meinung. Die Bevölkerung hat starke Bedenken bezüglich der Kernenergie, vor allem durch die GAUs von Tschernobyl und Fukushima. Daher verlangt sie den Atomausstieg. Weiterhin gibt es sehr große Bedenken bezüglich des $CO_2$ -Ausstoßes in Deutschland. Deshalb stehen auch die Verbrennungskraftwerke auf dem Prüfstand. Ersetzt werden sollen diese vor allem durch Windkraftanlagen und Solarenergie.

    Dies stellt sich aber in der Praxis als sehr schwierig heraus. Zum einen sind die Quellen dieser Energie nur in bestimmten Zeitabschnitten verfügbar und zum anderen variiert auch ihre Intensität in der verfügbaren Zeit. Die Folge wären sehr starke Schwankungen in der Stromeinspeisung. Deshalb werden zum einen sogenannte Strukturkraftwerke nötig, welche die Energie speichern können, um diese Schwankungen auszugleichen. Zum anderen verkraftet auch unser Stromnetz nicht die gewaltigen Energien, die zu Spitzenzeiten frei werden. Auch können zum Beispiel heutige Windkraftanlagen nicht bei Sturm genutzt werden. Daher ist es fraglich ob die Energiewende bis 2022 umgesetzt sein wird.

    Hoffnung machen hingegen alternative Energiequellen wie der zu 2025 geplante Fusionsreaktor in Frankreich.

  • Nenne die Vorteile eines Kernkraftwerkes.

    Tipps

    Bewerte, was gut und schlecht für uns Menschen oder die Natur ist.

    Alle Aussagen über Atomkraftwerke sind korrekt, aber nicht alle sind Vorteile.

    Lösung

    In Deutschland werden schon seit Jahren zwei Debatten geführt. Eine Debatte um den Atomausstieg und eine Debatte um den $CO_2$ -Haushalt. Und natürlich auch um die Folgen der jeweiligen Entscheidungen.

    Die Forderung nach einem sofortigen Atomausstieg würde derzeit nur dazu führen, dass es in Deutschland zu Energieengpässen kommt, da Sonne, Gezeiten und Wind nicht immer verfügbar sind. Zudem würde unser Stromnetz zu Spitzenzeiten die Energiemenge nicht verkraften.

    Daher muss in Deutschland zunächst in den Ausbau der Energieinfrastruktur investiert werden. Dazu gehört auch der Bau von Strukturkraftwerken. Die Anzahl der Verbrennungskraftwerke zu erhöhen ist jedoch aus Gründen der $CO_2$-Bilanz keine Alternative dazu.

    Noch lange bei der Kernenergie zu bleiben, wäre möglich, um günstige Strompreise zu garantieren. Davon ist aber eher abzuraten, wegen der potentiellen Gefahr eines GAUs bei langen Laufzeiten der Reaktoren. Zudem würde sich dann sehr viel Atommüll anhäufen. Weiterhin wäre es eine Entscheidung gegen das öffentliche Meinungsbild und es würde der Bau neuer Reaktoren nötig werden.

    Bleibt also nur der organisierte langsame Ausstieg aus der Kernenergie mit gleichzeitiger Investition in die Infrastruktur.

  • Bewerte den Nutzen von Kernkraftwerken in der aktuellen Energielage.

    Tipps

    Prüfe zunächst, ob die Argumente stimmen. Dann entscheide, ob die richtige Schlussfolgerung gezogen wurde.

    Es entsteht nicht nur beim Betrieb einer Anlage $CO_2$, sondern auch bei der Herstellung.

    Lösung

    In Deutschland werden schon seit Jahren zwei Debatten geführt. Eine Debatte um den Atomausstieg und eine Debatte um den $CO_2$ -Haushalt. Und natürlich auch um die Folgen der jeweiligen Entscheidungen.

    Die Forderung nach einem sofortigen Atomausstieg würde derzeit nur dazu führen, dass es in Deutschland zu Energieengpässen kommt, da Sonne, Gezeiten und Wind nicht immer verfügbar sind. Zudem würde unser Stromnetz zu Spitzenzeiten die Energiemenge nicht verkraften.

    Daher muss in Deutschland zunächst in den Ausbau der Energieinfrastruktur investiert werden. Dazu gehört auch der Bau von Strukturkraftwerken. Die Anzahl der Verbrennungskraftwerke zu erhöhen ist jedoch aus Gründen der $CO_2$-Bilanz keine Alternative dazu.

    Noch lange bei der Kernenergie zu bleiben, wäre möglich, um günstige Strompreise zu garantieren. Davon ist aber eher abzuraten, wegen der potentiellen Gefahr eines GAUs bei langen Laufzeiten der Reaktoren. Zudem würde sich dann sehr viel Atommüll anhäufen. Weiterhin wäre es eine Entscheidung gegen das öffentliche Meinungsbild und es würde der Bau neuer Reaktoren nötig werden.

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