Jahrzehnte lang haben 27 Kernkraftwerke knapp 25 % unserer Stromproduktion ausgemacht. Dieser Wert, ist in Folge der Abschaltung einiger Kraftwerke und der heutigen Energiewende weiterhin rückläufig und wird Ende des Jahres 2022 auf einen Anteil von 0% sinken. 

Während wir in Deutschland unabhängiger vom Atomstrom werden wollen und die erneuerbaren Energieträger immer weiter ausbauen, setzt das Ausland immer mehr auf den Strom, der durch die Kernspaltung von Uran gewonnen wird. Gerade Länder die einen starken Anstieg des Energieverbrauchs aufweisen (z.B. China & Indien), Planen und Bauen immer mehr Kernkraftwerke. 

Einer der Gründe warum man auf Kernkraftwerke setzt ist die ungeheure Energiemenge, die durch die Spaltung von Uran Atomen freigesetzt werden kann. In einem Kilogramm Uran-235 steckt genügend Energie, um damit 24.000.000 kWh Strom (bei vollständiger Spaltung) zu erzeugen. Um die selbe Energiemenge mit Steinkohle oder Erdöl herzustellen, werden deutlich größere Mengen der jeweiligen Rohstoffe benötigt. 

1 kg Natururan, erzeugt nach entsprechender Anreicherung knapp 45.000 kwh Strom. Um diese Energiemenge durch einen anderen Brennstoff zu ersetzen, würde man entweder 10.000 kg Erdöl oder 14.000 kg Steinkohle benötigen.[1]

Uran, ein Stoff des Periodensystems 

Uran ist ein chemisches Element, das nach dem Planeten Uranus benannt ist. Es steht im Periodensystem in der Gruppe der Actinoide und ist ein Metall, dessen sämtliche Isotope radioaktiv sind. Natürlich auftretendes Uran besteht zu etwa 99,3 % aus dem Isotop 238 U und zu 0,7 % aus 235 U. [2]

Kernspaltung und dessen Voraussetzungen 

Quelle: wikipedia; Urheber: U.S. Department of Energy; Gaszentrifugen werden zur Urananreicherung eingesetzt

Um die Atomkerne eines Uran Atoms zu spalten und für die Energieproduktion nutzbar zu machen, muss eine Mindestmasse eines aus spaltbarem Material bestehendes Objekts erzeugt werden (kritische Masse). Daher wird das Uran, das sich aus den Isotopen 238 U und 235 U zusammensetzt, angereichert. 

Uran lässt sich über verschiedene Methoden anreichern. Neben der Anreicherung durch Gaszentrifugen, gibt es die Diffusionsmethode, die Elektromagnetische Anreicherung, das Trenndüsenverfahren sowie ein Laserverfahren. Die Gaszentrifuge stellt die gängigste Methode der Urananreicherung dar. 

Um Uran anzureichern und eine kritische Masse zu erhalten, um eine Kettenreaktion bei der Kernspaltung zu ermöglichen, wird der Anteil des 235 U Isotops erhöht. Dazu wird mittels chemischer Verfahren aus dem Uran, Uranhexafluoridgas erzeugt, das in einer Zentrifuge durch die wirkende Trägheit in die Uranisotope 238 U und 235 U getrennt wird. 

Das Ergebnis ist schließlich angereichertes und abgereichertes Uranhexafluoridgas, das wieder durch Anwendung von chemischen Verfahren in einen festen Stoff umgewandelt wird. Schlussendlich wird das angereicherte Uran zu Urantabletten verpresst und in Brennstäbe eingeführt, die in einer Reaktorkammer eines Kernkraftwerks eingelassen werden. 

Ablauf der Kernspaltung 

 

Bei einer Kernspaltung wird ein Atomkern unter Energiefreisetzung in zwei oder mehrere kleinere Kerne zerlegt. Die durch die Spaltung eines Atoms entstehenden Stoffe, werden Spaltprodukte genannt. Der Atomkern eines Uran Isotops 235 U besteht aus 92 Protonen (positive Ladung) und 143 Neutronen (keine Ladung). 

Wird ein solches Uran Atom mit einem freien Neutron beschossen, bildet sich ein neues Uran Isotop (Uran 236). Dieses neu gebildete Isotop ist sehr instabil und zerfällt nach kurzer Zeit in 4 Teile. Es entsteht ein Barium Atom, ein Krypton Atom sowie 2 energiereiche "schnelle" Neutronen und jede Menge an Energie. 

Die 2 schnellen Neutronen werden durch einen so genannten Moderator (z.B. Wasser) abgebremst, da nur langsame Neutronen weitere nachgelagerte 235 Uran Atome spalten können, um eine Kettenreaktion zu verursachen. 

Kontrollierte Kettenreaktion 

Zur Stromerzeugung muss man die Kettenreaktion der Uran Atome steuern können. Dazu wird anteilig in den Moderator (Wasser) Bor eingeleitet oder Steuerstäbe, die mit Cadmium besetzt sind, eingesetzt. Diese wirken wie ein Magnet auf die Neutronen und ziehen diese an, wodurch die Geschwindigkeit der ablaufenden Kettenreaktion verlangsamt oder gestoppt werden kann. 

Der eingesetzte Moderator, der die Brennstäbe (Metallrohre mit Urantabletten) umgibt wird erhitzt und erzeugt in einem Wärmetauscher Wasserdampf, der eine Turbine antreibt, die Strom erzeugt.  

Quellen

[1] Brennstoffvergleich von Uran, Kohle und Erdöl

[2] Zusammensetzung von Uran Atomen (Isotop 238U &235U)