Kernenergie und ihre Nutzung für Industrie und Krieg

Autor: Sebastian Barthlomé

Kernenergie

Das Atom

Für uns setzt sich das Atom einem positiv geladenen Kern und einer negativ geladenen Atomhülle zusammen. Der Atomkern setzt sich aus den massereichen Nukleonen zusammen, den positiv geladenen Protonen und den elektrisch neutralen Neutronen. Er macht fast die gesamte Masse des Atoms aus. Im Gegensatz dazu sind die Elektronen der Atomhülle eher massearm. Die Teile des Atoms halten durch starke Kräfte zusammen. Diese Energie wird bei der Kernspaltung freigesetzt. Bei Kernspaltreaktionen kann sich das Neutron, das keine elektrische Ladung besitzt, leicht einem spaltbaren Kern nähern und diesen spalten.

Kernenergie

Unter dem Begriff Kernenergie verstehen wir die Energiegewinnung aus einem Atomkern. Durch Spaltung oder Verschmelzen jeglicher Atome verliert das Endprodukt an Masse, welche in Energie umgewandelt wird (E=mc[2]). Der Unterschied zwischen herkömmlichen Kraftwerke, wie z.B. Kohlenkraftwerke, wodurch auch Masse in Energie umgewandelt wird, passiert diese Umwandlung bei der Kernspaltung in Sekundenbruchteilen. Die Energie, die freigesetzt wird, besteht aus enormer Hitze. Die Hitze wird in Wasser geleitet, wodurch Wasserdampf entsteht. Dieser wiederum treibt Dampfturbinen an, die über Generatoren Strom erzeugen. Die beiden wesentlichen Merkmale der Kernspaltung:

Erstens ist die Energie pro Kernspaltung sehr groß. In verständlichen Einheiten ausgedrückt, bedeutet dies, dass die Spaltung von einem Kilogramm Uran 235 18,7 Millionen Kilowattstunden Energie freisetzt, d.h. Die gleiche Uranmenge besitzt die Energie von 93 Waggons Kohle.

Zweitens setzt der Spaltvorgang, der durch die Aufnahme eines Neutrons in das Uran-235- Atom in Gang gesetzt wurde, durchschnittlich etwa 2,5 Neutronen aus dem gespaltenen Kern frei. Die so freigesetzten Neutronen lösen unverzüglich die Spaltung weiterer Atome aus. Dadurch werden vier oder mehr zusätzliche Neutronen frei, und es beginnt eine sich selbst erhaltende Folge von Kernspaltungen, eine Kettenreaktion, die ständig Kernenergie freisetzt. Natürlich vorkommendes Uranerz (Vorkommen hauptsächlich in Südafrika) enthält nur 0,71 Prozent leicht spaltbares Uran 235; der Rest ist das nicht spaltbare Isotop Uran 238. Natürliches Uran kann daher von selbst keine Kettenreaktion fortfahren und muss vor der Nutzung verarbeitet werden. Die Wahrscheinlichkeit ist äußerst gering, dass ein durch Kernspaltung freigesetztes Neutron mit seiner anfänglichen Energie eine Kernspaltung auslöst. Die Möglichkeit kann jedoch um das Hundertfache und mehr gesteigert werden, wenn das Neutron durch Kollisionen mit leichten Kernen, einem sogenannten Moderator z.B. Kohlenstoff abgebremst wird. Dies ist sozusagen die Basis für die Gewinnung von Kernenergie.

Im Dezember 1942 gelang dem italienischen Physiker Enrico Fermi im Rahmen des ,,Manhattan-Projekts" zur Herstellung von Atombomben die Auslösung der ersten nuklearen Kettenreaktion. Er verwendete dazu als Brennsubstanz natürliches Uran und als Bremssubstanz (Moderator) Graphit, eine Art Kohlenstoff.

Eine andere Art der Energiegewinnung ist die Verschmelzung zweier Atome, diesen Vorgang nennt man Kernfusion. Dies finden wir auf der Sonne wieder, welche Helium und Wasserstoff verschmelzen lässt. Eine künstliche Kernfusion wurde erstmals in den dreißiger Jahren durchgeführt. Bei den Tests von Wasserstoffbomben in den Vereinigten Staaten, in der ehemaligen Sowjetunion, in Großbritannien und Frankreich wurden in den fünfziger Jahren erstmals große Mengen an Fusionsenergie unkontrolliert freigesetzt. Eine so kurze und unkontrollierte Freisetzung kann allerdings nicht für die Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden.

Bei Fusionsreaktionen haben beide Kerne eine positive elektrische Ladung, und die elektrische Abstoßung (gleiche Ladungen stoßen sich ab) zwischen ihnen, muss überwunden werden, bevor sie verschmelzen können. Dies ist nur möglich, wenn die Temperatur des reagierenden Gases ausreichend hoch ist: 50 bis 100 Millionen °C. Es wird Gas verwendet, weil sich Gase feiner und besser mischen lassen (homogen).

1991 wurde im (Joint European Torus) JET-Laboratorium in England erstmals eine bedeutende Energiemenge, etwa 1,7 Megawatt, aus kontrollierter Kernfusion gewonnen. Im Dezember 1993 benutzten Forscher an der Universität von Princeton einen Tokamak- Fusionsversuchsreaktor für eine kontrollierte Kernfusion mit einer Energieerzeugung von 5,6 Megawatt. Allerdings benötigten sowohl JET als auch der Tokamak- Fusionsversuchsreaktor während ihres Betriebs mehr Energie, als sie erzeugten. Nach acht Jahren Bauzeit ging Anfang April 1998 in Japan eine der größten Fusionsanlagen der Welt in Betrieb(Large Helical Device, LHD). Eine noch größere Anlage (Wendelstein 7- X) entsteht derzeit am Max-Planck-Institut Greifswald.

Wenn Fusionsenergie wirtschaftlich einsetzbar wird, bietet sie folgende Vorteile:

(1) einen unbegrenzten Brennstoffvorrat in Form von Deuterium (schweres Wasser) aus dem Meer,
(2) Reaktorunfälle sind unwahrscheinlich, da die Brennstoffmenge im System sehr gering ist,
(3) und ferner sind Abfallprodukte sehr viel weniger radioaktiv und einfacher zu handhaben als jene von Kernspaltanlagen. Die Fortschritte in der Fusionsforschung sind vielversprechend, aber die Entwicklung von nutzbaren Systemen wird - zumal die Forschung sehr kostenintensiv ist - wahrscheinlich noch Jahrzehnte dauern.

Das Atomkraftwerk

Kernreaktoren

Zum Bau der Atombombe braucht man Plutonium, das man nur im Kernreaktor herstellen kann. Darum wurden 1944 die ersten Kernreaktoren genau zu diesem Zweck gebaut, jedoch wurde die entstehende Wärme nicht genutzt. Kernreaktoren werden nicht nur zur Energiegewinnung eingesetzt, sondern auf zu Versuchszwecken.

Der Kernreaktor ist das Herzstück eines Atomkraftwerks. Eine Vielfalt von Reaktortypen, die durch die Art des verwendeten Brennstoffs, Moderators und Kühlmittels charakterisiert werden können, hat man im Lauf der Entwicklung dieser Technik weltweit für die Erzeugung von elektrischem Strom gebaut. Man unterscheidet ferner nach dem Zweck Leistungsreaktoren zur Energieerzeugung, Produktionsreaktoren zur Gewinnung von waffenfähigem Plutonium oder Uran sowie Forschungsreaktoren. Meist wird als Kernbrennstoff Uranoxid verwendet, das auf etwa drei Prozent Uran 235 angereichert ist. Als Moderator und Kühlmittel zugleich kann dann Wasser (mit gewöhnlichem Wasserstoff) eingesetzt werden. Reaktoren dieses Typs werden als Leichtwasserreaktoren bezeichnet. Strom erzeugende Reaktoren, die nicht angereichertes Natururan ,,verbrennen", können kein gewöhnliches Wasser als Moderator verwenden. In diesem Fall würden zu viele Neutronen durch das normale Wasser absorbiert werden und so die Kettenreaktion abbrechen. In diesen Reaktortypen wird mit reinem Graphit oder so genanntem Schwerem Wasser (Deuteriumoxid) D2O - also mit dem Isotop Deuterium anstelle von Wasserstoff - moderiert. Aufgrund dessen bezeichnet man sie auch als Schwerwasserreaktoren. Im so genannten Druckwasserreaktor steht das Kühlwasser unter einem Überdruck von etwa 150 Atmosphären. Das Kühlwasser wird durch den Reaktorkern gepumpt und dort auf 325 °C erhitzt. Das auf diese Weise überhitzte Wasser (es kann aufgrund des Überdruckes nicht sieden) wird anschließend durch einen Dampfgenerator gepumpt, wo mit Hilfe von Wärmetauschern in einem Sekundärkreislauf Wasser erhitzt und in Dampf umgewandelt wird. So kommt das durch den Kernreaktor radioaktiv verseuchte Wasser nicht in Kontakt mit dem Wasser, welches die Turbinen antreibt. Dieser Dampf treibt über Turbinen Generatoren an und kondensiert zu Wasser, das zurück zum Dampfgenerator gepumpt wird. Der Sekundärkreislauf ist vom Kühlwasser des Reaktors getrennt und daher nicht radioaktiv. Ein dritter Wasserstrom, gespeist von einem Fluss oder einem Kühlturm, dient der Dampfkondensation.

Ein typischer Reaktordruckbehälter ist 15 Meter hoch und hat einen Durchmesser von fünf Metern. Seine Wandstärke beträgt 25 Zentimeter. Der Reaktorkern enthält etwa 82 Tonnen Uranoxid, das sich in dünnen, nichtrostenden Röhren befindet, die zu Bündeln zusammengefasst sind.

Im Siedewasserreaktor, der uns den Strom aus Mühleberg liefert, wird das Kühlwasser unter etwas geringerem Druck gehalten, so dass es im Reaktorkern siedet. Der im Reaktordruckbehälter entstehende Dampf wird direkt zur Turbine des Generators geleitet, kondensiert dann und wird zum Reaktor zurückgepumpt. Der Dampf ist dabei zwar radioaktiv, aber es gibt keinen Wärmetauscher zwischen Reaktor und Turbine, der den Wirkungsgrad verringert. Wie beim Druckwasserreaktor ist das Kühlwasser des Kondensators von diesem Kreislauf getrennt.

Die Betriebsleistung eines Reaktors wird von Messgeräten für Temperatur, Strömung und nukleare Vorgänge überwacht. Die Leistung wird durch das Einbringen oder Entfernen von neutronenabsorbierenden Steuerstäben im Reaktorkern gesteuert. Die Lage dieser Stäbe bestimmt das Leistungsniveau, bei dem die Kettenreaktion von selbst abläuft. Während des Betriebs und nach seiner Stilllegung enthält ein Reaktor mit einer Leistung von 1 Gigawatt Radioaktivität in der Größenordnung von mehreren Milliarden Curie. Curie, Marie und Pierre (1867-1934) und (1859-1906), französische Physiker und Nobelpreisträger. In gemeinsamer Forschungsarbeit entdeckten sie die chemischen Elemente Radium und Polonium und untersuchten radioaktive Strahlung. Sie legten damit eine der Grundlagen für die moderne Kernphysik. Curie ist ein Mass für die radioaktive Strahlung. Wird aber heute von Becquerel abgelöst.

Die Radioaktivität, die der Reaktor während seines Betriebs abstrahlt, und die Spaltprodukte, die nach seiner Stilllegung zurückbleiben, werden von Betonwänden und meist einer zusätzlichen Hülle aus Stahlbeton um den Reaktor und um das Primärkühlsystem absorbiert. Eine weitere Sicherheitseinrichtung ist das Notkühlsystem, das bei einem Ausfall des Hauptkühlsystems ein Überhitzen des Reaktorkernes verhindern soll.

Obwohl sich Anfang der achtziger Jahre in den Vereinigten Staaten über 100 Kernkraftwerke in Betrieb oder in Bau befanden, blockierten nach dem Unfall von Three Mile Island Sicherheitsbedenken und wirtschaftliche Faktoren jeden weiteren Ausbau der Kernenergie in den USA. Seit 1978 wurden keine Kernkraftwerke mehr in Auftrag gegeben, und einige fertiggestellte Anlagen erhielten keine Betriebserlaubnis. 1990 wurden etwa 20 Prozent des elektrischen Stromes in den Vereinigten Staaten von Kernkraftwerken erzeugt, in Frankreich stammten fast drei Viertel des Stromes aus Kernkraftwerken. Das kanadische System der Deuterium-Uran-Reaktoren (CANDU) funktioniert mit seinen 20 Reaktoren zufriedenstellend. Ähnliche Anlagen wurden auch in Indien, Argentinien und anderen Ländern gebaut.

Weltweit befanden sich Anfang der neunziger Jahre 120 Kernkraftwerke in Bau. In der Schweiz stehen zur Zeit 5 Atomkraftwerke, die etwa Antriebsreaktoren Kernreaktoren werden u. a. auch als Antrieb für große Schiffe, z. B. für Flugzeugträger, verwendet. Diese Aggregate sind meistens ähnlich konstruiert wie der Druckwasserreaktor. Reaktoren für den Antrieb von U-Booten (Unterseeboot: Atomare Unterseeboote) sind in der Regel kleiner und verwenden höher angereichertes Uran, um einen kompakteren Reaktorkern zu ermöglichen.

Forschungsreaktoren

In vielen Ländern sind kleinere Kernreaktoren gebaut worden, die für Ausbildungs- und Forschungszwecke verwendet werden oder radioaktive Isotope produzieren. Diese Reaktoren arbeiten in der Regel im Leistungsbereich von 1 Megawatt und können leichter angefahren und abgeschaltet werden als größere Reaktoren.

Brutreaktoren

Die weltweiten Vorräte an Uran, dem natürlichen Rohstoff, auf dem die Kernenergie beruht, sind begrenzt. Ein gewöhnliches Kernkraftsystem hat zudem eine relativ kurze Lebensdauer etwa 30 Jahre und einen sehr schlechten Wirkungsgrad: Nur etwa ein Prozent des Energiegehalts des Urans wird in einem solchen System genutzt.

Daraus resultiert das Interesse an Brutreaktoren, die mehr Kernbrennstoff produzieren, als sie verbrauchen. Erreicht wird dies durch die Abgabe von Neutronen an ein Ausgangsmaterial. Das Brüterverfahren, dem weltweit die größte Aufmerksamkeit geschenkt wird, benutzt Uran 238 als Ausgangsmaterial. Wenn Uran 238 im Reaktor Neutronen aufnimmt, wird es in das spaltbare Plutonium umgewandelt.

Kernkraftsicherheit

In den fünfziger Jahren wurde die Kernenergie als Lieferant einer billigen und unerschöpflichen Energie für die Zukunft angesehen. Die Energiewirtschaft hoffte, dass die Kernenergie die knapper werdenden fossilen Brennstoffe wie Kohle; Erdöl; Brenngas: Erdgas ersetzen und die Kosten für elektrischen Strom senken würde. Nach dieser anfänglichen Euphorie wurden Vorbehalte gegen die Kernenergie geäußert, als der Sicherheit der Anlagen und der möglichen Verbreitung von Material für Atomwaffen mehr Aufmerksamkeit geschenkt wurde. In den westlichen Industrieländern regte sich bald Widerstand gegen die Kernenergie. Die Kritik an der Nutzung der Kernenergie geht in zwei Richtungen:

1. Auch beim ungestörten Normalbetrieb können radioaktive Stoffe in die Umwelt gelangen,

2. Das beim Betrieb von Kernkraftwerken anfallende Uran 235 und Plutonium 239 kann zur Herstellung von Kernwaffen verwendet werden. Im Prinzip besteht in jedem Stadium vom Uranerzbergbau über die Urananreicherung bis hin zur Endlagerung die Möglichkeit, dass radioaktives Material in die Umwelt gelangt. Die Belastung durch den Normalbetrieb eines Kernkraftwerkes scheint eher gering zu sein. Weitaus riskanter sind jedoch Katastrophenfälle durch technische Defekte und Bedienungsfehler im Kernkraftwerk, das Risiko von Sabotage, terroristischen Anschlägen oder kriegerischen Angriffen, ferner die nicht mit letzter Sicherheit zu kalkulierenden Risiken der Endlagerung. Der schlimmste denkbare Störfall beim Betrieb eines Kernkraftwerkes ist der so genannte ,,Größte anzunehmende Unfall" (GAU), für den die Sicherheitssysteme der Anlage ausgelegt sein müssen. Das betrifft vor allem die Notkühlung beim Ausfall der Kühlkreisläufe und die äußere Schutzhülle des Reaktorgebäudes. Eine nicht mehr beherrschbare Reaktorkatastrophe wie die von Tschernobyl im Jahre 1986 wird Super- GAU genannt.

Sicherheitsstudien haben wiederholt versucht, das trotz aller Sicherheitsvorkehrungen nicht auszuschließende Risiko abzuschätzen. Das letztlich nicht vermeidbare, so genannte Restrisiko ist nach dem Urteil des Bundesverfassungsgerichts von 1978 dem Bürger zuzumuten.

Was passiert in einem lebendem Organismus, der verstrahlt wird?

Radioaktive Strahlung schädigt lebendes Gewebe. Die Einheit des Strahlungsdosisäquivalents im Menschen ist das Sievert (abgekürzt Sv) oder Millisievert. Es ist ein Maß für die Strahlungsmenge, die vom Körper aufgenommen wird. Die Strahlenbelastungen des Menschen schwanken stark, sowohl die natürliche - z. B. abhängig vom geologischen Untergrund - wie die zivilisatorische - berufsbedingt (z. B. Flugpersonal) oder durch medizinische Diagnose und Therapie. Die mittlere natürliche Strahlenbelastung pro Jahr beträgt 1,1 Millisievert. Arbeiter in der Atomindustrie sind ungefähr 4,5 Millisievert ausgesetzt. Im Allgemeinen ist eine Ganzkörperbestrahlung von mehr als 6 Sievert für einen Menschen tödlich - bereits 1 bis 2 Sievert lösen die akute Strahlenkrankheit aus. Die Strahlenkrankheit ist durch plötzliche Appetitlosigkeit oder plötzliche Übelkeit gekennzeichnet, gefolgt von Erbrechen und in manchen Fällen von Durchfall. Von diesen ersten Symptomen geht sie zu schwereren Zustandsbildern über, wenn die Schädigung anderer Gewebe, etwa des Knochenmarkes, zu einer immer stärkeren Verringerung der Anzahl der Blutzellen führt und den Körper somit anfällig für Infektionen werden lässt. Hohe Strahlungsdosen können zu dauernder Sterilität führen, indem die Fortpflanzungsorgane geschädigt werden; sie können andere Organe des Körpers ernsthaft schädigen oder zum Tod führen. Abhängig von der Dosis, der Dosisfrequenz und der betroffenen Körperregion können auch viele andere Symptome auftreten. Kurzfristig können dazu Haarausfall, Verbrennungen der Haut und Blutungen gehören, langfristig ein erhöhtes Krebsrisiko.

Reaktorsicherheitssysteme

In einem in Betrieb befindlichen Reaktor enthalten die Brennelemente den bei weitem größten Teil des gesamten radioaktiven Inventars. Mehrere Sperren verhindern, dass während des normalen Betriebs Spaltprodukte in die Biosphäre entweichen. Der Brennstoff befindet sich in rostfreien Röhren. Der schwere Stahlmantel des Primärkühlsystems eines Druckwasserreaktors bildet eine zweite Sperre. Das Kühlwasser selbst absorbiert einige der biologisch wichtigen Isotope. Das Gebäude aus Stahlbeton stellt eine dritte Barriere dar. Während des Betriebs eines Kernreaktors ist es trotzdem unvermeidlich, dass radioaktive Stoffe austreten. Die Gesamtbelastung für Menschen, die in der Nähe leben, beträgt gewöhnlich nur wenige Prozent der natürlichen Umgebungsstrahlung. Größere Bedenken kommen jedoch auf, wenn aufgrund von Unfällen, bei denen Brennstäbe beschädigt werden und Sicherheitseinrichtungen ausfallen, Radioaktivität austritt. Die größte Gefahr für die Brennelemente besteht, wenn ein Verlust von Kühlflüssigkeit eintritt, durch den der Brennstoff beschädigt wird oder sogar schmilzt. Dabei treten Spaltprodukte in die Kühlflüssigkeit über, und wenn das Kühlsystem ein Leck hat, gelangen diese ins Reaktorgebäude.

Reaktorsysteme verfügen über hoch entwickelte Instrumente, die ihren Zustand überwachen, die Sicherheitseinrichtungen steuern und den Reaktor bei Störfällen abschalten. Druckwasserreaktoren verfügen über ein zusätzliches Sicherheitssystem, das Bor in die Kühlflüssigkeit einspritzt, welches Neutronen absorbiert und die Kettenreaktion unterbricht, wodurch die Abschaltung sichergestellt wird. Bei Leichtwasserreaktoren steht die Kühlflüssigkeit unter hohem Druck. Im Fall eines großen Rohrbruches würde sich ein großer Teil der Kühlflüssigkeit schlagartig in Dampf verwandeln, und die Kühlung des Reaktorkernes wäre nicht mehr möglich. Um einem Totalausfall der Kühlung des Reaktorkernes vorzubeugen, besitzen die Reaktoren Notkühlsysteme, die ihren Betrieb automatisch aufnehmen, wenn im Primärkühlkreislauf der Druck abfällt. Im Fall eines Dampfaustritts aus dem Primärkühlkreislauf in das Reaktorgebäude werden Sprühkühler in Betrieb gesetzt, die den Dampf kondensieren.

Three Mile Island und Tschernobyl

Trotz der oben beschriebenen Sicherheitseinrichtungen ereignete sich 1979 im Druckwasserreaktor von Three Mile Island in der Nähe von Harrisburg in Pennsylvania (USA) ein Unfall. Ein Wartungsfehler und ein defektes Ventil führten zu einem Unfall durch Kühlwasserverlust. Der Reaktor wurde durch ein Sicherheitssystem abgeschaltet, und das Notkühlsystem nahm kurze Zeit nach Beginn des Unfalls seinen Betrieb auf. Dann wurde jedoch aufgrund menschlichen Versagens das Notkühlsystem abgeschaltet, wodurch es zu einem schweren Schaden im Reaktorkern und zum Austritt von flüchtigen Spaltprodukten aus dem Reaktorbehälter kam.

Am 26. April 1986 beunruhigte ein weiterer ernster Zwischenfall die Welt. Einer der vier Kernreaktoren in Tschernobyl explodierte und geriet in Brand. Einem offiziellen Bericht zufolge wurde der Unfall durch einen nicht genehmigten Test des Reaktors durch seine Betreiber verursacht. Der Reaktor geriet außer Kontrolle; es gab zwei Explosionen, der obere Teil des Reaktors wurde weggesprengt, der Reaktorkern entzündete sich und brannte bei einer Temperatur von 1 500 °C. Radioaktive Strahlung, die ungefähr 50-mal so stark war wie die in Three Mile Island, schädigte Menschen in der Nähe des Reaktors, und eine Wolke radioaktiven Niederschlags zog nach Westen. Radioaktives Material breitete sich über Skandinavien und Mitteleuropa aus. Dies ist auch der Grund, dass wir in dieser Zeit kein Gemüse essen durften, weil es schwach radioaktiv war. Im Gegensatz zu Reaktoren in westlichen Ländern hatte der Reaktor von Tschernobyl keine Sicherheitshülle. Ein solches Gebäude hätte möglicherweise das Austreten von radioaktivem Material verhindert. Ungefähr 135 000 Menschen wurden aus einem Gebiet von 1 600 Quadratkilometer Größe evakuiert. Mehr als 30 Menschen starben in kurzer Zeit. Das Kraftwerk wurde einbetoniert. 1988 wurden jedoch die drei anderen Reaktoren von Tschernobyl wieder in Betrieb genommen. Auch der Unglücksreaktor ging einige Zeit später - im Teilbetrieb - trotz der Bedenken von westlichen Experten wieder ans Netz. Erst auf dem Atom-Gipfeltreffen im April 1996, an dem die sieben führenden Industriestaaten (G7) sowie Russland und die Ukraine teilnahmen, wurde u. a. beschlossen, den Reaktor von Tschernobyl spätestens im Jahre 2 000 komplett abzuschalten.

Herstellung und Verbrauch des Kernbrennstoffs Uran wird aus dem Bergbau gewonnen, das Erz gemahlen und angereichert und dann zu einer Verarbeitungsanlage transportiert, wo aus Uran das Gas Uranhexafluorid UF6 hergestellt wird. Aus diesem Gas wird Pulver hergestellt und zu Tabletten gepresst. Diese werden zu Brennelementen zusammengefasst und in die Kraftwerke gebracht. Nach seiner Nutzung im Reaktor ist der Brennstoff aufgrund der in ihm enthaltenen Spaltprodukte hoch radioaktiv und erzeugt daher noch eine große Menge Energie. Die entnommenen Brennelemente werden mindestens ein Jahr lang in Wasserbecken auf dem Reaktorgelände gelagert.

Wiederaufbereitung von Brennstoffen

Nach einer Abkühlzeit werden die abgebrannten Brennelemente entweder gleich in Endlager oder erst in Wiederaufarbeitungsanlagen gebracht. Der verbrauchte Brennstoff enthält noch fast das gesamte ursprüngliche Uran 238, ungefähr ein Drittel des Uran 235 und einen Teil des im Reaktor produzierten Plutoniums 239. Bei der Wiederaufbereitung wird das Uran in der Diffusionsanlage wieder gewonnen, und das ebenfalls wieder gewonnene Plutonium 239 kann anstelle von Uran 235 in neuen Brennelementen verwendet werden. Plutonium 239 kann aber auch für die Produktion von Atombomben verwendet werden, weswegen die Wiederaufbereitung politisch umstritten ist. Europäische Wiederaufbereitungsanlagen stehen in La Hague (Frankreich) und in Windscale/Sellafield (Großbritannien). Die Wiederaufbereitung von Brennstoffen stellt eine Kombination von Strahlungsrisiken dar. Ein Risiko ist das Entweichen von Spaltprodukten im Fall eines Leckes in der Anlage.

Endlagerung von radioaktivem Abfall Der letzte Schritt der Brennstoffentsorgung ist die Endlagerung der hoch radioaktiven Abfälle, die wegen ihrer langen Halbwertszeiten über Milliarden von Jahren für Lebewesen gefährlich bleiben. Bisherige Planungen technischer Anlagen bewegten sich stets, was die Garantie ihrer Funktionsfähigkeit betrifft, in sehr viel kürzeren Zeiträumen. Allein deshalb können alle vorgeschlagenen Lösungen keine völlige Sicherheit garantieren. Der wichtigste Gesichtspunkt ist dabei nicht so sehr die derzeitige Gefahr, sondern die Gefahr für zukünftige Generationen. Die Technologie der Abfallverpackung zur Vermeidung gegenwärtiger Gefahren ist relativ sicher.

Die derzeit favorisierte Lösung sieht eine Umwandlung in stabile Verbindungen vor, die in Keramik oder Glas eingeschlossen und anschließend in Behälter aus rostfreiem Stahl verpackt werden. Für die endgültige unterirdische Lagerung sind nur geologisch langfristig stabile Formationen mit sicherem Abschluss geeignet. Das Problem besteht darin, dass für keinen Ort in der Erdkruste absolute Stabilität sicher vorhersagbar ist. In der Schweiz werden im Moment im Nord-Aargau Bohrungen vorgenommen und nach geologisch geeignetem Gestein gesucht.

Das ganze, sehr umfangreiche Gebiet Kernenergie ist sehr umstritten es gib radikale Atomgegner und Leute, die die Kernenergie befürworten. Es ist die Sicherheit, welche uns sorgen bereitet. Wir haben überall enorme Sicherheitsvorkehrungen, die notwendig sind, aber ein Restrisiko ist nicht auszuschliessen.

Die Atombombe

Die erste Atombombe wurde am 16. Juli 1945 auf dem Versuchsgelände bei Alamogordo (New Mexico) getestet. Bis zu diesem Zeitpunkt gab es nur Sprengkörper, die ihre Sprengkraft aus der schnellen Verbrennung oder der Zersetzung chemischer Substanzen entwickelten. Derartige Prozesse setzen nur die Energie der äußersten Elektronen im Atom frei.

Die Energiequelle bei der Explosion von nuklearen Sprengstoffen steckt innerhalb des Atomkernes. Die Nagasaki-Bombe erlangte z. B. ihre Sprengkraft aus Plutonium. Eine Kugel in der Größe eines Tennisballes erzeugte eine Explosion, die der Sprengkraft von 20 000 Tonnen TNT entspricht.

Die ersten Entwicklungen und Tests liefen in Los Alamos (New Mexico) unter dem Decknamen Manhattan-Project. Es wurde während des 2. Weltkrieges (August 1942) gegründet. Wissenschaftlicher Leiter des Projekts war der US-Physiker J. Robert Oppenheimer.

Nach dem Krieg übernahm die US-Atomenergiekommission die Verantwortung für alle Atomangelegenheiten, einschließlich der Waffenforschung. Es wurden weitere Bombentypen entwickelt, um sich die Energie leichter Elemente, wie z. B. Wasserstoff, zu erschließen. Treibende Kraft bei diesem Bombentyp war der Fusionsprozess, wobei die Kerne der Wasserstoffisotope zu einem schwereren Heliumkern verschmelzen. Auch die Größe der Bombe wurde mit fortschreitender Entwicklung deutlich verringert. Man begann nukleare Artilleriegranaten und kleine Raketen zu bauen, die von tragbaren Granatwerfern im Feld abgeschossen werden können. Obwohl Atombomben ursprünglich als strategische Waffen zur Ausrüstung großer Bomber entwickelt wurden, sind heute Atomwaffen für eine Vielzahl von sowohl strategischen als auch taktischen Anwendungen verfügbar.

Spaltungswaffen

1905 veröffentlichte Albert Einstein seine spezielle Relativitätstheorie. Gemäß dieser Theorie wird das Verhältnis von Masse und Energie durch die Gleichung E = mc 2 ausgedrückt. Eine sehr kleine Stoffmenge entspricht einer riesigen Energiemenge. So würde z. B. ein Kilogramm Material, das vollständig in Energie umgewandelt wird, der Energie entsprechen, die bei der Explosion von 22 Megatonnen TNT freigesetzt wird.

Kritische Masse

Eine kleine Kugel reinen Urans 235, von der Größe etwa eines Golfballes, hält keine Kettenreaktion in Gang. Durch die Oberfläche entweichen zu viele Neutronen und sind somit für die Kettenreaktion verloren. Die Mindestmenge an spaltbarem Material, die erforderlich ist, um eine Kettenreaktion aufrechtzuerhalten, wird als kritische Masse bezeichnet. Sie beträgt etwa zwischen 8 und 20 Kilo. Erhöht man die Größe der Kugel, entsteht eine superkritische Anordnung, bei der die darauf folgenden Generationen von Spaltungen sehr schnell zunehmen. Im Ergebnis führt die extrem schnelle Freisetzung riesiger Energiemengen zur Explosion. Deshalb muss in einer Atombombe eine Menge spaltbaren Materials, die größer ist als die kritische Masse, unverzüglich zusammengefügt und für etwa eine Millionstelsekunde zusammengehalten werden, um die Kettenreaktion voranschreiten zu lassen. Ein schweres Material, auch Reflektor genannt, umhüllt die spaltbare Masse und verhindert ihren vorzeitigen Durchbruch. Mit dem Reflektor wird auch die Zahl der entweichenden Neutronen verringert.

Detonation von Atombomben

Um Atombomben zur Detonation zu bringen, wurden verschiedene Systeme erfunden. Bei dem einfachsten System wird spaltbares Material auf ein Ziel aus dem gleichen Material geschossen. Beim Zusammentreffen verschmelzen die beiden zu einer superkritischen Anordnung. Die von den USA am 6. August 1945 auf Hiroshima abgeworfene Atombombe besaß dieses System. Ihre Sprengkraft entsprach 20 Kilotonnen TNT. Eine kompliziertere Methode (auch Implosion) wird in einer kugelförmigen Waffe angewandt. Der äußere Teil der Kugel besteht aus einer Schicht dicht nebeneinander angeordneter und speziell geformter Bauteile, die aus hochexplosivem Material bestehen und die Explosion auf die Bombenmitte richten sollen. Jeder Abschnitt des hochexplosiven Materials ist mit einer Sprengkapsel versehen. Diese wiederum sind mit allen anderen Abschnitten durch Drähte verbunden. Mit einem elektrischen Impuls werden alle Teilstücke des hochexplosiven Materials gleichzeitig gezündet. Die daraus entstehende Detonationswelle läuft im Zentrum der Waffe zusammen. Dort befindet sich eine Kugel aus spaltbarem Material. Durch den enormen nach innen gerichteten Druck (Implosion) wird diese Kugel zusammengedrückt. Bei diesem Vorgang erhöht sich die Dichte des Metalls, und eine superkritische Anordnung wird erzeugt. Unabhängig von der zum Erreichen der superkritischen Anordnung eingesetzten Methode läuft die Kettenreaktion in etwa einer Millionstelsekunde ab und setzt dabei riesige Mengen von Wärmeenergie frei. Die extrem schnelle Abgabe einer sehr großen Energiemenge in einem verhältnismäßig kleinen Raum führt dazu, dass die Temperatur auf mehrere Millionen Grad steigt.

Auswirkungen durch die Detonation

Durch die sehr schnelle Ausdehnung der Bestandteile der Bombe wird eine Druckwelle erzeugt, die sich schnell vom Explosionsherd weg ausdehnt. Die Schäden werden sowohl durch den Luftüberdruck an der Vorderseite der Druckwelle als auch durch die extrem starken Stürme verursacht. Diese Stürme halten auch dann noch an, wenn die Druckwellenfront das Gebiet längst passiert hat. Das Schadensausmaß hängt von der Höhe, in der die Bombe explodierte auch Bersthöhe genannt, und von der Entfernung des betroffenen Bauwerkes vom Nullpunkt ab - das ist der Punkt unmittelbar unter der Bombe. Bei der Hiroshima- und Nagasaki-Bombe betrug die Bersthöhe zwischen 500 und 600 Meter. Neben den enormen Zerstörungen verursachten beide Bomben Hunderttausende von Toten und Verletzten. Noch heute sterben Menschen an den Folgen der Bomben.

Geht man von einer Bersthöhe aus, die ein größtmögliches Gebiet zerstört, würde eine 10- Kilotonnen-Bombe an Häusern, wie sie in den Vereinigten Staaten üblich sind, bis zu einer Entfernung von 1,6 Kilometern vom Nullpunkt aus erhebliche Schäden anrichten. Der Zerstörungsumkreis steigt mit der Sprengkraft der Bombe (etwa im Verhältnis zur Kubikwurzel aus der Sprengkraft).

Thermische Auswirkungen

Bei der Explosion einer 10-Kilotonnen-Bombe in der Luft erreicht der Feuerball einen maximalen Durchmesser von 300 Metern. Bei einer 10-Megatonnen-Waffe kann der Feuerball bis zu 4,8 Kilometer Durchmesser erreichen. Eine extrem heiße Hitzewelle wird blitzartig vom Feuerball ausgestrahlt. Ihre Intensität nimmt mit der Entfernung ab. Die Wärmeenergiemenge, die in einer bestimmten Entfernung von der nuklearen Explosion wahrgenommen wird, hängt von der Sprengkraft der Waffe und dem Zustand der Atmosphäre ab. Ist die Sicht schlecht oder läuft die Explosion oberhalb der Wolken ab, verringert sich die Wirkung des Hitzeblitzes. Trifft die Wärmestrahlung auf unbedeckte Haut, kann das zu schwersten Verbrennungen führen. Die Explosion einer 10-Kilotonnen-Bombe kann in einem Umkreis bis zu 2,4 Kilometern vom Nullpunkt aus Verbrennungen 2. Grades hervorrufen. Bei der Explosion einer 1-Megatonnen-Bombe verbrennt beispielsweise Papier noch in einem Umkreis von 14 Kilometern.

Durchdringende Strahlung

Die durchdringende radioaktive Strahlung unterscheidet sich deutlich von der Hitzestrahlung. Die vom Körper aufgenommene radioaktive Strahlung führt zu ernsthaften Verletzungen.

Die von einer Explosion ausgehende radioaktive Strahlung kann in zwei Kategorien unterteilt werden, nämlich in Anfangsstrahlung und in Rückstandsstrahlung. Die Sofortstrahlung bestehend aus Alpha-, Beta-, Gamma- und Neutronenstrahlen, geht vom Explosionsmittelpunkt aus und wirkt bis zu einer Minute. Als Rückstandsstrahlung bezeichnet man den Teil der Strahlung, der nach Ablauf einer Minute noch wirksam ist. Beta- und Gammastrahlen haben die gleiche Wirkung wie Röntgenstrahlen. Sowohl Neutronen- als auch Beta- und Gammastrahlen besitzen die Fähigkeit, feste Stoffe zu durchdringen. Die Radioaktivität im verstrahlten Gelände nimmt innerhalb der ersten 24 Stunden stark ab. Nach etwa einer Woche kann sie bis unter einen lebensbedrohlichen Wert absinken. Der radioaktive Niederschlag (Fallout) schwebt langsam zu Boden und kann je nach Dauer der Schwebzeit mehr oder minder starke Verstrahlungen verursachen. Es gibt zwei verschiedene Arten des radioaktiven Niederschlages, den frühen und den verzögerten. Findet eine nukleare Explosion nahe der Oberfläche statt, wird Erde oder Wasser in eine pilzförmige Wolke gesogen und mit den Überresten der radioaktiven Waffe verseucht. Das verseuchte Material beginnt innerhalb weniger Minuten herabzufallen, was bis zu 24 Stunden fortdauern kann. Dadurch kann ein Gebiet bis zu Tausenden von Quadratkilometern von der Explosionsstelle entfernt in Mitleidenschaft gezogen werden. Bei Explosionen in großer Höhe gibt es keinen frühen Niederschlag. Wird eine Bombe weit über der Oberfläche gezündet, steigt der radioaktive Abfall in der pilzförmigen Wolke in große Höhen und fällt allmählich über einem großen Gebiet nieder.

Klimatische Auswirkungen

Neben dem durch die Druckwelle und die Strahlung einzelner Bomben verursachten Schäden, könnte ein großflächiger Einsatz nuklearer Waffen durch mehrere Staaten wahrscheinlich katastrophale Auswirkungen auf das globale Klima haben. Diese Möglichkeit, die in einem im Dezember 1983 von einer internationalen Gruppe von Wissenschaftlern veröffentlichten Papier vorgebracht wurde, ist als Theorie vom ,,Nuklearen Winter" bekannt geworden. Nach Meinung der Wissenschaftler würde die Explosion von nicht einmal der Hälfte aller Sprengköpfe der Vereinigten Staaten und Russlands enorme Mengen an Staub und Rauch in die Atmosphäre wirbeln. Diese Menge würde ausreichen, um der Erde für mehrere Monate das Sonnenlicht zu nehmen, ein Frostklima wäre die Folge. Besonders auf der nördlichen Halbkugel käme es zum Absterben der Pflanzenwelt. Auch die Ozonschicht wäre betroffen, was zu weiteren Schäden infolge der ultravioletten Strahlung der Sonne führen würde.

Neutronenbombe

Ein weiterer Typ einer Kernwaffe ist die Neutronenbombe. Die weiterentwickelte Strahlungs- Verschmelzungs-Bombe, die von den Vereinigten Staaten und anderen Atommächten getestet wurde, setzt keine lang anhaltenden radioaktiven Spaltprodukte frei. Jedoch weiß man, dass die hohe Anzahl frei werdender Neutronen in einem verhältnismäßig kleinen Gebiet um den Explosionsherd herum Radioaktivität in Stoffen hervorruft- besonders in Erde und Wasser. Auf Grund ihrer verheerenden Wirkung für Lebewesen wird die Neutronenbombe als taktische Waffe angesehen. Die Neutronenbombe strahlt nur für eine kurze Zeit sehr intensiv, jedoch entsteht keine Druckwelle. Diese Art einer Kernwaffe zerstört alle lebenden Organismen, jedoch bleiben Gebäude unversehrt.

Zur Zeit ist die Rede von einer Antimateriebombe, (Anti = gegen; Materie = Stoffe) die sehr viel potenter als herkömmliche Kernwaffen sein wird. Denn bei der Reaktion von Antimaterie mit Materie wird die vollständige Masse des Ausgangsstoffes in Energie umgewandelt. Es stellt sich nun die Frage, wie will man Antimaterie isolieren, denn es gibt kein Stoff in der Natur der aus Antimaterie besteht, also darf sie nicht in Kontakt mit einem Stoff treten. Die Lösung des Problems könnte in einem sehr starken elektromagnetischen Feld liegen. Aber auch die Herstellung von Antimaterie ist sehr kompliziert und kann nur in sogenannten Teilchenbeschleuniger hergestellt werden. z.B in Genf im CERN. Die Antimaterie ist sehr kurzlebig, wenn man sie nicht isoliert, und sie tritt nur in sehr kleinen Mengen auf. Ihr seht, dass man in beide Richtungen der Kernphysik intensiv forscht, sei es zur Energiegewinnung oder für militärische Zwecke. Zum einem mit dem Kernfusionsreaktor und zum anderen mit der Antimaterienbombe. Die Zukunft unserer Atomenergie ist ungewiss, da auch politische und gesellschaftliche Bedenken bestehen. Ich hoffe, dass man auch in Richtung Sicherheit atomarer Anlagen am Forschen ist, denn bei all den unzähligen Kraftwerken ist Sicherheit das A und O und hoffen wir das unsere Erde kein mehr so gravierender Zwischenfall wie in Three Miles Island und in Tschernobyl erlebt. Bei den Atomwaffen sieht es ein bisschen anders aus, man ist zwar mit der Abrüstung der Atomwaffen beschäftigt, aber die Forschungen in Richtung ABC-Waffen ist immer noch im Gange.

Erstellt von Sebastian Barthlomé