Wie ein Atomkraftwerk funktioniert

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Dieses Gruppenpuzzle ist für 3 - 4 Unterrichtsstunden konzipiert.

Der Text der 5. Gruppe ist etwas subjektiv. Je nach Größe der Klasse kann auf diesen Text am ehesten verzichtet werden. Da es sich um einen für die Schüler besonders interessanten Aspekt handelt, sollte dieser Aspekt dann jedoch gesondert behandelt werden.

Empfohlenes Vorwissen:

  • Was ist ein Isotop?
  • Was ist ionisierende Strahlung (α- & β-Strahlung)?
  • Woraus bestehen Atome und Atomkerne?
  • Was ist eine Halbwertszeit?
  • Wie funktioniert ein konventionelles Kraftwerk?
  • Gruppenarbeit sollte zumindest ansatzweise bekannt sein.


Farm-Fresh time.png Farm-Fresh database.png Phase Progressbar.png Unterrichtsschritt Farm-Fresh group gear.png Sozialform Farm-Fresh multitool.png Methode Farm-Fresh film.png Medium
5' Farm-Fresh pencil add.png Das Gruppenpuzzle und das Ziel erläutern Farm-Fresh plenum.png
40' Farm-Fresh brain.png Informationstexte lesen und gemeinsam besprechen, um Verständnis sicher zu stellen Farm-Fresh gruppe5.png
5' Farm-Fresh cup.png   Pause
45' Farm-Fresh brain.png Die Schüler werden neu eingeteilt, so dass in allen neuen Arbeitsgruppen jeweils ein Mitglied aus jeder Stammgruppe vertreten ist. Gruppe 5
5' Farm-Fresh cup.png   Pause
45' Farm-Fresh lock.png Die Schüler gehen zurück in die Stammgruppen und erstellen je Gruppe ein Plakat auf dem der Betrieb eines Atomkraftwerks möglichst genau dargestellt ist. Farm-Fresh gruppe5.png
5' Farm-Fresh cup.png   Pause
25' Farm-Fresh rosette.png Die Schüler gehen zurück in die Arbeitsgruppen und starten einen Galeriegang, in dem der jeweilige Gastgeber das eigene Plakat erläutert.


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Lassen sich Atomkerne spalten?
Lise Meitner im Alter von 28 Jahren

Lise Meitner war 1926 die erste Frau, die in Deutschland als Physik-Professorin arbeitete. Das war damals etwas besonderes, da Frauen in Deutschland bis 1909 nicht einmal studieren durften. Sie arbeitete in dem Gebiet der Teilchenphysik und forschte zusammen mit Otto Hahn in Berlin nach neuen Elementen. Dazu beschossen sie große Uran-Atome (die größten damals bekannten Atome) mit Neutronen und hofften, dass diese im Kern hängen bleiben würden.

Meitner und Hahn verwendeten zum Beschuss der Atomkerne Neutronen. Diese eignen sich deswegen so gut, da sie keine elektrische Ladung besitzen. Protonen und auch Alphateilchen (Heliumkerne) könnte man nicht ohne Weiteres in den Atomkern schießen, da diese ebenfalls eine positive, Ladung besitzen und so vom Atomkern abgestoßen würden. Neutronen besitzen aber keine Ladung und können so problemlos in den Atomkern gelangen.

Es stellte sich heraus, dass langsam fliegende Neutronen viel eher in Atomkerne eindringen. Langsame Neutronen sind für unsere Begriffe immer noch sehr schnell. Sie bewegen sich mit durchschnittlich 2,2km/s.
Die Physiker erklären den Vorteil der langsameren Neutronen damit, dass sie mehr Zeit in Kernnähe verbringen können und so auf die im Kern wirkenden Kräfte reagieren können. Ein sehr schnelles Neutron dagegen bemerkt in der kurzen Zeit, die es in Kernnähe verbringt, die Kräfte gar nicht.

Als Kind jüdischer Eltern musste Meitner 1938 aus Deutschland fliehen, da ihr Leben durch die Machtergreifung der Nazis in Gefahr war.

Hahn suchte mit seinem Assistenten, Fritz Straßmann, weiter nach größeren, bisher unbekannten Atomkernen. Dabei machten sie eine unerklärliche Entdeckung: Anstatt einen größeren Kern nachzuweisen, schien ihr Experiment plötzlich durch Barium und Krypton verunreinigt zu sein, zwei Atome, die viel Kleiner als Uran waren. Otto Hahn unterrichtete Lise Meitner, die derweil in Schweden weiterarbeiten konnte, über diese Entdeckung. Zusammen mit ihrem Neffen, Otto Frisch, konnte Meitner 1939 eine Erklärung für diese Entdeckung liefern: Der Urankern wurde durch die Aufnahme des Neutrons zu groß und instabil. Er spaltete sich in der Folge in zwei kleinere Bruchstücke, die mit einer ungeheuerlichen Geschwindigkeit auseinander flogen. Diese großen Mengen an Energie die bei der Spaltung des Urankerns frei gesetzt werden erklärte Meitner mit der Umwandlung von Masse in Energie.

Obwohl Lise Meitner der wesentliche Teil der Interpretation gelang, erhielt nur Otto Hahn für die Entdeckung der Kernspaltung 1944 den Nobelpreis für Chemie.


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Wie ein Atomkraftwerk funktioniert (https://wiki.zum.de/wiki/Unterrichtsreihe_Kernphysik/Wie_ein_Atomkraftwerk_funktioniert)
 
 
Wie genau funktioniert denn diese Kernspaltung?

Uran besteht in seiner natürlichen Form aus einem Gemisch verschiedener Isotope: U-234, U-235 und U-238. Der Großteil (99,3%) entfällt auf U-238, nur knapp 0,7% des Urans besteht aus U-235. U-234 ist noch seltener und spielt für uns keine Rolle.

Trifft ein langsames Neutron auf einen U-235 Kern, so verbleibt das Neutron im Kern. Der Kern wird durch die Massenzunahme aber so instabil, dass er gleich wieder "zerplatzt", wir sprechen dabei von "Kernspaltung". Der Kern spaltet sich in zwei deutlich kleinere Kerne sowie einige Neutronen. Diese Neutronen sorgen dafür, dass eine Kettenreaktion möglich wird. Da man nie genau vorhersagen kann, welche Kerne bei der Spaltung entstehen, bilden sich bei der Kernspaltung alle möglichen Kerne (die sogenannten "Spaltprodukte"). Häufig sind die neu entstandenen Spaltprodukte auch radioaktiv.

Eine Kernspaltung von U-235 bei der als Spaltprodukte Barium und Krypton entstehen sowie einige Neutronen.
Die bei der Kern­spaltung freigesetzte Energie wird in Kern­kraftwerken zur Strom­erzeugung aber auch in Atom­bomben zur Zerstörung genutzt. Woher diese Energie stammt, ist nicht ganz einfach zu verstehen. Es hängt mit einer der bekanntesten Formeln der gesamten Physik zusammen: E=mC^2.

E steht hierbei für die Energie, m ist die Masse und C^2 ist eine Naturkonstante (es ist die Lichtgeschwindigkeit im Quadrat).

In der Masse steckt das Geheimnis. Vergleicht man nämlich die Massen der Ausgangsprodukte (also die Masse von Neutron und Uran 235 zusammen) mit der Masse der Endprodukte (also die Spaltprodukte und die neu freigesetzten Neutronen), so stellt man fest, dass die Endprodukte zusammen etwas leichter sind als die Ausgangsprodukte! Bei der Kernspaltung ist also offenbar Masse verloren gegangen. Es fehlen aber keine Kernbausteine (Neutronen und Protonen), sie sind nur irgendwie ein bisschen leichter geworden. Diesen Unterschied der Massen bezeichnen wir als "Massendefekt". Und genau diese Masse ist es auch, die entsprechend der obigen Formel in Energie umgewandelt wurde. Der größte Teil der Energie wird hierbei übrigens in Wärmeenergie umgewandelt.

Albert Einstein hatte 1905 bereits vorhergesagt, dass Masse und Energie ineinander umwandelbar sind, sie sind so zu sagen zwei Seiten der gleichen Medallie. 1938 war es dann erstmals möglich diese Behauptung durch einen Versuch auch zu belegen.


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Wie ein Atomkraftwerk funktioniert (https://wiki.zum.de/wiki/Unterrichtsreihe_Kernphysik/Wie_ein_Atomkraftwerk_funktioniert)
 
 
Was ist eigentlich eine Kettenreaktion?
Schematische Darstellung einer Kettenreaktion
Wenn wir genug spaltbare Atomkerne (z.B. Uran 235) haben und ein Neutron auf diese Atome schießen, führt das (mit etwas Glück) zu einer Kernspaltung bei der (unter anderem auch) zwei neue Neutronen freigesetzt werden. Treffen diese Neutronen dann ihrerseits wieder auf andere Atome und spalten diese, werden dabei insgesamt 4 Neutronen freigesetzt.

Im nächsten Schritt treffen diese 4 Neutronen auf 4 weitere Uran-235-Kerne und spalten auch diese, wobei 8 Neutronen freigesetzt werden und so weiter. Das ist ein Vorgang, der sich in sehr kurzer Zeit abspielt. Bei jeder Kernspaltung werden ebenfalls große Mengen Energie frei gesetzt. Bei der Explosion einer Atombombe läuft diese Kettenreaktion völlig unkontrolliert ab und entfalte so ihre zerstörerische Wirkung.

Im Atomkraftwerk muss man diese Reaktion natürlich gut Kontrollieren. Dazu nutzt man verschiedene Eigenschaften einiger Stoffe aus.

  • Damit die Kettenreaktion überhaupt zustande kommen kann, benötigt man eine ganze Menge Uran-235-Atome. 23 kg Uran sind gerade ausreichend. Diese Mindestmenge wird auch als die "kritische Masse" bezeichnet. Im Kernkraftwerk wird aber deutlich mehr Uran eingesetzt, damit die Kettenreaktion möglichst über Jahre hinweg aufrecht erhalten bleibt.
  • Um zu verhindern, dass die Reaktion außer Kontrolle gerät, muss man dafür sorgen, dass im normalen Betrieb aus jeder Kernspaltung nur genau so viele Neutronen auf andere Atomkerne fallen, dass die Kettenreaktion in Gang bleibt.
    Diese Steuerungsaufgabe wird im Kernkraftwerk durch Graphitstäbe erfüllt. Graphit fängt frei herumfliegende Neutronen ein, Physiker sagen, Graphit "absorbiert" Neutronen.
  • Das Wasser im Reaktor transportiert die Wärmeenergie zu den Turbinen, um damit Strom zu erzeugen. Außerdem sorgt es auch dafür, dass die Neutronen, die bei der Kernspaltung frei gesetzt werden, langsamer werden. Weil es die Neutronen verlangsamt bezeichnen Physiker das Wasser als "Moderator". Nur langsame Neutronen spalten Uran-235-Kerne.
    Dadurch bietet das Wasser einen zusätzlichen Sicherheitsmechanismus: Wird der Rektor zu heiß (so dass das Wasser verdampft) oder bildet sich ein Leck im Reaktor, aus dem Wasser austritt, bricht die Kettenreaktion automatisch ab, da nicht mehr genug Neutronen abgebremst werden.
Es gibt allerdings noch ein Problem: Im natürlich vorkommenden Uran findet sich zu wenig spaltbares Uran-235. Daher liegen die Uran-235-Kerne zu weit auseinander, um eine Ketten­reaktion aufrecht zu erhalten. In Atom­kraftwerken wird daher "angereichertes Uran" verwendet. Angereichert bedeutet, dass die Menge des enthaltenen Uran-235 durch Sortierung auf ca. 3% erhöht wurde.
CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Wie ein Atomkraftwerk funktioniert (https://wiki.zum.de/wiki/Unterrichtsreihe_Kernphysik/Wie_ein_Atomkraftwerk_funktioniert)
 
 
Wie unterscheidet sich ein Atomkraftwerk von einem herkömmlichen Kraftwerk?

konventionelle Kraftwerke

Kraftwerke werden gebaut, um damit Strom zu erzeugen. Bei vielen Kraftwerken wird dazu Wärme (bzw. Dampf) erzeugt, mit der eine Turbine angetrieben wird. Diese treibt dann wiederum einen Generator an, der Strom erzeugt. Prinzipiell lässt sich das vergleichen mit einem Windrädchen, dass vom Dampf eines Teekessels angetrieben wird. Das Windrädchen ist dann wiederum mit einem Fahrrad-Dynamo verbunden. In Kraftwerken ist es praktisch genau so, nur sind die Geräte dort sehr viel größer, weil sie ja auch sehr viel mehr Strom liefern müssen.

Bei einem Gas-Kraftwerk (siehe Zeichnung) wird die Wärme durch die Verbrennung von Gas erzeugt. Diese Gasflamme erwärmt und verdampft Wasser in Rohrleitungen. Der so erzeugte Dampf wird dann auf eine Turbine (In der Zeichnung Nr. 7 & 8) geleitet. Die Turbine dreht sich im Dampf und treibt über eine Achse den Generator (In der Zeichnung Nr. 9) an. Das Wasser aus der Turbine wird weiter abgekühlt und wieder zurück in den Heizkessel geschickt.

Zur Kühlung wird entweder ein Fluss oder ein Kühlturm verwendet.

Schema eines Gas-Kraftwerks

Atomkraftwerke

Bei einem Atomkraftwerk wird die Wärme für die Dampferzeugung nicht durch fossile Brennstoffe wie Gas oder Öl erzeugt, sondern durch eine Kernreaktion (beispielsweise) von Uran-Atomen. Dort, wo bei einem konventionellen Kraftwerk (z.B. Gas- oder Kohlekraftwerke) der Heizkessel steht, befindet sich beim Atomkraftwerk der Reaktor.

Im Reaktor sind die Brennelemente untergebracht. Sie enthalten den Treibstoff für die Kettenreaktion: Angereichertes Uran. Eine Kettenreaktion sorgt dafür, dass immer neue Kernspaltungen stattfinden und immer mehr Energie freigesetzt wird. Diese Energie liegt vor allem als Wärme vor. Die Wärme erzeugt den Dampf, der für den Betrieb der Turbinen benötigt wird. Außerdem befinden sich die Steuerstäbe im Reaktor. Durch einfahren oder herausziehen der Steuerstäbe lässt sich die Reaktion im Reaktor regulieren, da die Steuerstäbe herumfliegende Neutronen einfangen.

Auch beim Atomkraftwerk treibt die Turbine einen Generator an und der Dampf wird, nachdem er wieder verflüssigt und abgekühlt wurde zurück in den Reaktor geleitet.

Schema eines Siedewasser-Reaktors

CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Wie ein Atomkraftwerk funktioniert (https://wiki.zum.de/wiki/Unterrichtsreihe_Kernphysik/Wie_ein_Atomkraftwerk_funktioniert)
 
 
Welche Probleme bringen Atomkraftwerke mit sich?

Da Atomkraftwerke radioaktives Uran als Treibstoff benötigen erzeugen sie im Betrieb immer auch radioaktiven Abfall. Zum einen bleibt bei der Reaktion immer auch radioaktives Uran zurück, zum Anderen werden bei der Kernspaltung viele verschiedene Stoffe erzeugt, die ebenfalls häufig radioaktiv sind.

Problem: Langzeitlagerung

Radioaktive Abfälle kann man nicht so einfach entsorgen. Besonders nicht, wenn die Stoffe so lange Halbwertszeiten besitzen wie das Uran. Uran-238 besitzt eine Halbwertszeit von 4,5 Milliarden Jahren! Das bedeutet, das erst nach dieser Zeit die Hälfte aller Uran-238-Kerne zerfallen sind. Diese Zeit ist wirklich unvorstellbar lang. Trotzdem muss der "Atommüll" für alle Zeiten sicher verwahrt bleiben. Eine richtige Lösung ist dafür noch nicht gefunden. Wenn man sich ein Haus oder ein Auto anschaut, das vielleicht nur 20 Jahre nicht mehr renoviert oder repariert wurde erhält man eine Vorstellung von diesem Problem.

Unfallgefahr

Die meisten Atomkraftwerke sind heute einigermaßen sicher. Allerdings kommt es natürlich darauf an, was man unter "sicher" verstehen will.

Große Reaktorkatastrophen wie 2011 am Atomkraftwerk von Fukushima oder 1989 am Atomkraftwerk von Tschernobyl sind tatsächlich relativ selten. Das Problem ist, dass so schwere Unglücksfälle gar nicht passieren dürfen, denn die Folgen sind jedes Mal verheerend wie wir in Tschernobyl gesehen haben und noch in Fukushima sehen. Große Landstriche sind für viele Jahre nicht mehr bewohnbar.

Moderne, westliche Atomkraftwerke sind so konzipiert, dass sie im schlimmsten vorstellbaren Fall, immer noch die radioaktiven Stoffe sicher einschließen. Dieser schlimmste vorstellbare Fall wird auch als GAU (größter anzunehmender Unfall) bezeichnet. Dieser Fall wäre dann erreicht, wenn die Stahlwände eines Kernreaktors schmelzen. Die radioaktiven Stoffe sollen dann von dem Betongebäude aufgefangen werden.

In Fukushima ist genau dieser Fall aufgetreten. Dort besteht weiterhin das Problem, dass die bereits erzeugten Spaltprodukte immer noch sehr viel Wärme erzeugen (durch α- oder β-Zerfall) und eine Kühlung nur schwer möglich ist. Es war zwischenzeitlich nicht einmal sicher, ob sich der geschmolzene Reaktor nicht auch durch die Betonwanne schmelzen könnte und so das Grundwasser erreichen könnte.

Letztlich besteht bei jeder eingesetzten Technik die Gefahr, dass etwas unvorhergesehenes passiert. Selbst eine extrem unwahrscheinliche Verkettung, schwerer Pannen ist möglich. Das Katastrophenpotential ist beim Betrieb von Atomkraftwerken besonders hoch.


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Wie ein Atomkraftwerk funktioniert (https://wiki.zum.de/wiki/Unterrichtsreihe_Kernphysik/Wie_ein_Atomkraftwerk_funktioniert)