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Atomkraft

Atomkraft

Kernenergie (auch Atomenergie, Atomkraft oder Kernkraft) ist einerseits die Form von Primärenergie, die bei Kernreaktionen, insbesondere bei der Kernspaltung und Kernfusion, entsteht. Andererseits wird damit die Technologie und Industrie zur großtechnischen Erzeugung von Sekundärenergie, wie Elektrischem Strom, aus Kernenergie bezeichnet. Während sich Kernfusionsreaktoren erst im Forschungsstadium befinden, wird die Kernspaltung bereits seit den 1950er Jahren in Kernkraftwerken – überwiegend unter Verwendung des Energieträgers Uran – im großen Maßstab eingesetzt.

Begriff

Der Begriff Atomenergie wurde 1899 von Hans Geitel geprägt. Der atomrechtliche und naturwissenschaftliche Fachbegriff ist Kernenergie. Zu ihm synonym sind sowohl die – insbesondere auch von Atomkraftgegnern verwendeten – Begriffe Atomenergie und Atomkraft als auch der Begriff Kernkraft, der allerdings in der Hochenergiephysik auch als Bezeichnung für die Starke Wechselwirkung verwendet wird.

Physikalischer Hintergrund

Starke Wechselwirkung Die am häufigsten verwendeten Kernreaktionen zur Erzeugung von Kernenergie sind die Induzierte Kernspaltung und die Kernfusion. Bei der Induzierten Kernspaltung zerfallen die Atomkerne von schweren Uran-, Thorium-, oder Plutonium-Isotopen in mehrere leichtere Kerne, sobald sie eine geringe Aktivierungsenergie – durch Eindringen eines Neutrons in den Kern – erhalten. Die Differenz zwischen der Masse des Ursprungkerns und der Summe der Massen der Spaltprodukte, auch als Massendefekt bekannt, wird dabei nach der Äquivalenz von Masse und Energie in kinetische Energie umgesetzt. Pro Spaltung sind dies etwa 200 MeV. Zu den Spaltprodukten zählen auch 2–3 prompte Neutronen, die bei jeder Spaltung freigesetzt werden. Diese können weitere Kernspaltungen induzieren und führen so zu einer Kettenreaktion. Die durch radioaktiven Zerfall der Spaltprodukte entstehenden verzögerten Neutronen ermöglichen eine gesteuerte Kettenreaktion in einem Kernreaktor. Bei der Kernfusion werden mehrere leichte Atomkerne, wie die Wasserstoff-Isotope Deuterium und Tritium, zu einem schwereren Kern, etwa einem Helium-Isotop, verschmolzen. Da Atomkerne positiv geladen sind muss dafür die Coulomb-Kraft, die eine Abstoßung der Kerne bewirkt, überwunden werden. Dazu ist ein hoher Druck und sehr hohe Temperatur – etwa 100 Millionen Kelvin – erforderlich. Wie bei der Kernspaltung wird durch den Massendefekt ein Teil der Kernbindungsenergie, je nach Reaktion in der Größenordnung von etwa 3–18 MeV pro Fusion, freigesetzt.

Geschichte

MeV Um 1890 wurden erste Experimente zur Radioaktivität durchgeführt. Das Ziel von Antoine Henri Becquerel, Marie Curie und Pierre Curie war die Erforschung von Kernreaktionen. 1938 entdeckten Otto Hahn und Fritz Straßmann die induzierte Kernspaltung von Uran, welche 1939 von Lise Meitner und Otto Frisch theoretisch erklärt wurde. Zusammen mit dem von Frédéric und Ir%C3%A8ne Joliot-Curie erbrachten Nachweis, dass eine Kettenreaktion möglich ist, wurden die praktischen Anwendungsmöglichkeiten der Kernspaltung klar. Ir%C3%A8ne Joliot-Curie Zuerst wurden diese Erkenntnisse für die militärische Forschung während des 2. Weltkrieges eingesetzt. Im Rahmen des Manhattan-Projekts gelang Enrico Fermi am 2. Dezember 1942 die erste kontrollierte nukleare Kettenreaktion in einem Kernreaktor in Chicago. Während das Ziel des von Robert Oppenheimer geleiteten Manhattan-Projekts mit der ersten erfolgreich gezündeten Atombombe am 16. Juli 1945 (Trinity-Test) erreicht wurde, gelang es der deutschen Forschungsgruppe unter Werner Heisenberg und Carl Friedrich von Weizsäcker bis zum Kriegsende nicht einen funktionierenden Kernreaktor zu entwickeln (Uranprojekt). Auch nach dem 2. Weltkrieg wurde die militärische Forschung fortgesetzt. So wurde am 31. Oktober 1952 die erste Wasserstoffbombe gezündet, bei der die Kernfusion Anwendung findet. Gleichzeitig wurde aber auch an der zivilen Verwendung der Kernenergie geforscht. 1954 wurde in Obninsk bei Moskau das erste Kernkraftwerk in Betrieb genommen. 1955 folgte das erste kommerziell zur Stromerzeugung eingesetzte Kernkraftwerk in Calder Hall (Nord-West England). In Deutschland wurde 1957 mit dem Atomei in Garching bei München der erste Forschungsreaktor in Betrieb genommen. 1961 folgte das erste deutsche Kernkraftwerk in Kahl am Main mit einer Leistung von 15 MW. MW] In den 1960er Jahren wurden zahlreiche weitere Kernkraftwerke gebaut, wobei deren Leistung deutlich erhöht wurde. So hatte das Kernkraftwerk Gundremmingen, welches 1966 in Betrieb ging, eine Leistung von 250 MW. In den 1970er Jahren wurde insbesondere nach der Ölkrise 1973 der Bau von Kernkraftwerken forciert. Die Leistung dieser Kraftwerke, wie etwa Block B des Kernkraftwerks Biblis, lag bei 1,3 GW. Mit dem Protest der Atomkraftgegner gegen den Bau eines Kernkraftwerks in Wyhl am Kaiserstuhl 1975 entstand in Deutschland eine größere Opposition gegen die zivile Nutzung der Kernenergie. Diese verstärkte sich noch insbesondere durch das schwere Reaktorunglück im Kernkraftwerk Three Mile Island am 28. März 1979 bei dem es zu einer teilweisen Kernschmelze kam. 1983 wurde in Hamm-Uentrop der Thorium-Hochtemperaturreaktor THTR-300 in Betrieb genommen. Dieser Prototyp wurde nach mehreren Störfällen schon 6 Jahre später wieder stillgelegt. Am 26. April 1986 ereignete sich die Katastrophe von Tschernobyl. Block 4 des Kernkraftwerks in Tschornobyl vom Typ RBMK explodierte durch einen Bedienfehler und setzte große Mengen an Radioaktivität frei, bisher starben 56 Menschen und 135 000 mussten evakuiert werden. Nach dieser Katastrophe nahm die Kritik an der Nutzung der Kernenergie deutlich zu, so dass beispielsweise der Brutreaktor Kalkar nie in Betrieb genommen wurde. 2000 wurde in Deutschland der Austieg aus der kommerziellen Nutzung der Kernenergie bis 2020 beschlossen. In diesem Rahmen wurden bis 2005 bereits zwei Kernkraftwerke vom Netz genommen. In anderen Ländern insbesondere in Indien, Russland, China und Japan werden zurzeit neue Kernkraftwerke gebaut. In Olkiluoto (Finnland) wurde am 12. August 2005 mit dem Bau des ersten Kraftwerks vom Typ European Pressurized Water Reactor (EPR) mit einer Leistung von 1,6 GW begonnen.

Wirtschaft

European Pressurized Water Reactor Die wichtigste Anwendung der Kernenergie ist die Erzeugung von elektrischem Strom in Kernkraftwerken (KKW). Zurzeit sind 442 Kernkraftwerke mit einer Gesamtleistung von 369 GW in 30 Ländern in Betrieb. 135 dieser Kernkraftwerke stehen in Westeuropa (124 GW), darunter 17 in Deutschland (20  GW) und 5 in der Schweiz (3,2  GW). Österreich hat keine Kernkraftwerke in Betrieb. In 9 Ländern, darunter Finnland als einzigem westeuropäischem Land, befinden sich insgesamt 24 Kernkraftwerke mit einer Gesamtleistung von 20 GW in Bau. (Stand Oktober 2005) Der Atomstromanteil an der weltweiten Stromerzeugung beträgt etwa 16 %. Dabei nehmen Litauen und Frankreich mit fast 80 % Anteil die Spitzenplätze ein. In Westeuropa wird etwa 30 % des elektrischen Stroms mit Hilfe von Kernenergie erzeugt, in Deutschland 28 % und in der Schweiz knapp 40 %. Bis 2030 prognostiziert die IAEO einen Anstieg der Gesamtleistung aller Kernkraftwerke auf 423–592 GW und einen Atomstromanteil von 13–14 %. (Stand Ende 2003) In Belgien, Deutschland und Schweden ist ein Ausstieg aus der kommerziellen Nutzung der Kernenergie geplant. Eine weitere Anwendung – der Kernenergieantrieb – hat sich außerhalb von militärisch genutzten Atom-U-Booten und Schiffen nur noch (teilweise) bei Eisbrechern durchgesetzt.

Kernkraftwerk

Siehe Hauptartikel Kernkraftwerk Zur Gewinnung von elektrischem Strom durch Kernenergie werden Kernkraftwerke, spezielle Elektrizitätswerke, die gesteuerte Kettenreaktionen von Kernspaltungen in Kernreaktoren durchführen, verwendet. Kernfusionsreaktoren befinden sich zurzeit noch im Forschungsstadium.

Technik

Die Erzeugung elektrischer Energie geschieht indirekt: Die Wärme, die bei der Kernspaltung entsteht, wird auf ein Kühlmedium – etwa Wasser – übertragen, wodurch dieses erwärmt wird. Direkt im Reaktor oder indirekt in einem Dampferzeuger entsteht Wasserdampf, der dann eine Dampfturbine antreibt. In Kernkraftwerken werden unterschiedliche Reaktortypen eingesetzt die sich im Wesentlichen durch die verwendeten Kernbrennstoffe, Kühlkreisläufe und Moderatoren unterscheiden. Die wichtigsten sind: Moderatoren Moderatoren
- Im Leichtwasserreaktor (LWR) wird „leichtes“ Wasser (\mathrm) als Reaktorkühlmittel und Moderator verwendet. Als Brennstoff wird angereichertes Uran mit einem 235U-Massenanteil zwischen etwa 1,5 und 6 Prozent verwendet. Der Leichtwasserreaktor existiert in den Varianten Druckwasserreaktor (DWR) und Siedewasserreaktor (SWR). Während beim Druckwasserreaktor das Reaktorkühlmittel in einem geschlossenen Primärkreislauf zirkuliert und mit einem Dampferzeuger Wasserdampf in einem Sekundärkreislauf erzeugt, der die Turbinen antreibt, wird beim Siedewasserreaktor das Kühlmittel im Reaktordruckbehälter verdampft und treibt die Turbinen direkt an.
- Da das im Schwerwasserreaktor (HWR) als Reaktorkühlmittel und Moderator verwendete schwere Wasser (\mathrm) Neutronen schlechter absorbiert als normales Wasser, kann als Brennstoff Natur-Uran mit einem Massenanteil an 235U von etwa 0,7 Prozent verwendet werden.
- Der RBMK ist ein Reaktor sowjetischer Bauart, der Graphit als Moderator und Wasser als Kühlmittel verwendet, daher kann zum Betrieb Uran mit der natürlichen Isotopenverteilung verwendet werden. Die Bauart macht den Betrieb dieser Reaktoren sehr unsicher, deswegen werden sie nach der Katastrophe von Tschernobyl in einem solchen Reaktor nicht mehr gebaut. Allerdings sind auf dem Gebiet der ehemaligen Sowjetunion noch einige Reaktoren dieser Bauart mit einigen technischen Verbesserungen weiterhin in Betrieb.
- Der Brutreaktor (Schneller Brüter) erzeugt während des Betriebs spaltbares Plutonium aus Natur-Uran und ermöglicht dadurch eine höhere Brennstoffausnutzung. Als Kühlmittel wird statt Wasser flüssiges Natrium eingesetzt, da für diesen Reaktortyp schnelle Neutronen benötigt werden.
- Der Hochtemperaturreaktor (HTR) ist eine deutsche Erfindung, bei dem der Brennstoff (235U oder 232Th) in tennisballgroßen Graphitkugeln eingeschlossen ist. Das Graphit dient als Moderator. Zur Kühlung wird Helium eingesetzt.

Sicherheit

Siehe Hauptartikel Sicherheit von Kernkraftwerken Die Konstruktion eines Kernkraftwerks erfordert – neben der eigentlichen Aufgabe, mit Hilfe des Kernreaktors elektrischen Strom zu erzeugen – die Emission von radioaktiven Stoffen, die durch die Kernspaltung entstehen, in die Umgebung zu verhindern. Die Freisetzung von Radioaktivität im normalen Betrieb so klein zu halten, dass nach heutigen wissenschaftlichen Ernkentnissen Gesundheitsschäden auszuschließen sind, wird durch geschlossene Kreisläufe und eine ausreichenden Abschirmung des Reaktors erreicht. Des Weiteren muss aber auch die Emission von Radioaktivität in die Umwelt durch Stör- und Unfälle möglichst verhindert werden. Durch ein „mehrstufiges, fehlerverzeihendes Sicherheitskonzept“ sollen Kausalitäten, die zur Emmision von Radioaktivität führen können, durch mehrere von einander unabhängige Maßnahmen verhindert werden, so dass sowohl technische Fehler als auch menschliches Versagen abgefangen werden kann. In modernen westlichen Leichtwasserreaktoren kommt dazu ein „Mehrbarrieren- und Sicherheitsebenen-Konzept“ zum Einsatz, das den Einschluss der radioaktiven Materialien in mehrfachen, einander umschließenden Barrieren vorsieht, die durch ein System gestaffelter Maßnahmen eine ausreichenden Integrität gewährleisten sollen. Sowohl die Konstrukion der Brennelemente, als auch die des Reaktors dienen als Barrieren. Der Brennstoff befindet sich als Kristallgitter in gasdicht verschweißten Brennstäben, so dass die Spaltprodukte normalerweise die Brennelemente nicht verlassen. Der, aus 20–25 cm dickem Stahl bestehende, Reaktordruckbehälter bildet zusammen mit den anschließenden Rohrleitungen ein geschlossenes Kühlsystem. Er befindet sich, zusammen mit einem, der Abschirmung von Strahlung dienenden, thermischen Schild, in dem Containment, einem Sicherheitsbehälter aus etwa 4 cm dickem Stahl. Eine 1,5–2 m dicke Stahlbetonhülle umschließt den gesamten Sicherheitsbehälter und soll Einwirkungen von außen verhindern. In modernen deutschen Kernkraftwerken gibt es vier Sicherheitsebenen, die vom Normalbetrieb auf der ersten Ebenen bis zur vierten Ebene, in der die Auswirkungen eines Störfalls möglichst auf die Anlage selbst beschränkt werden sollen, reichen. Bei den einzelnen Ebenen wird systematisch ein Versagen unterstellt, das durch geeignete Maßnahmen auf der nächsten Ebene aufgefangen werden soll. Um den Ausfall mehrerer Sicherheitssysteme durch eine gemeinsame Ursache zu vermeiden, wird darauf geachtet, dass diese sowohl redundant, das heißt mehrfach vorhanden und dabei räumlich und systemtechnisch strikt getrennt, als auch möglichst diversitär, also auf unterschiedlichen physikalischen Grundlagen beruhend, sind.

Brennstoffkreislauf

Siehe Hauptartikel Brennstoffkreislauf Brennstoffkreislauf Der Brennstoffkreislauf besteht einerseits aus den Arbeitsschritten die der Versorgung von Kernreaktoren mit Brennelementen dienen und andererseits aus den notwendigen Maßnahmen zur Entsorgung des radioaktiven Abfalls.

Versorgung

Als Kernbrennstoff werden zurzeit die drei Isotope 235U, 238U und 239Pu verwendet. Während in Schwerwasserreaktoren und in Brutreaktoren Uran mit der natürlichen Isotopenverteilung von 99,3 % 238U zu 0,7 % 235U verwendet werden kann, benötigen die weit verbreiteten Leichtwasserreaktoren angereichertes Uran mit einem Anteil von bis zu etwa 6 % 235U. Uranerz wird sowohl im Tagebau als auch im Untertagebau gefördert. Das Erz wird gemahlen und das Uran chemisch – üblicherweise als U3O8 – extrahiert. Anschließend wird das U3O8 in UF6 umgewandelt. Die Anreicherung von 235U erfolgt üblicherweise mittels Gasdiffusion oder Ultrazentrifugen. Das Uran wird dann als Urandioxid, eventuell zusammen mit Plutoniumdioxid als Mischoxid, zu Brennstäben verarbeitet. Mehrere Brennstäbe werden dann zu Brennelementen zusammengefasst.

Entsorgung

Da verbrauchte Brennelemente hoch radioaktiv sind, werden für den Abtransport und die Lagerung spezielle Behälter, beispielsweise Castor-Behälter, verwendet. In Wiederaufarbeitungsanlagen – wie etwa die Wiederaufarbeitungsanlage La Hague in Frankreich – können die in abgebrannten Brennelementen enthaltenen 97 % unverbrauchtes Uran und Plutonium von den 3 % Spaltprodukten und höheren Aktiniden getrennt und zu neuen Brennelementen verarbeitet werden. Die Spaltprodukte und höheren Aktinide machen dann den eigentlichen radioaktiven Abfall aus. Abgebrannte, nicht wiederaufgearbeitete Brennelemente und radioaktiver Abfall aus Wiederaufarbeitungsanlagen werden in Lagerungsbehältern in Zwischenlagern so lange gelagert bis die Radioaktivität so weit abgeklungen ist, dass eine Endlagerung möglich ist. Zurzeit gibt es weltweit noch kein Endlager für hoch radioaktiven Abfall. In Gorleben wurde von 1979 bis 2000 ein unterirdischer Salzstock auf seine Eignung als Endlagerstätte für alle Arten von radioaktiven Abfällen, darunter speziell auch für Brennelemente und hochradioaktive Abfälle, untersucht. Die Erkundung des Salzstockes ist seitdem (Stand 2005) unterbrochen. Das auf drei bis zehn Jahre angelegte Moratorium wurde auf der Grundlage der von der Bundesregierung mit den Energieversorgungsunternehmen getroffenen Vereinbarung in Kraft gesetzt und dient der Klärung konzeptioneller und sicherheitsrelevanter Fragen zur Endlagerung.

Rechtsgrundlage

Moratorium Die Internationale Atomenergieorganisation (IAEO) soll die internationale Zusammenarbeit auf dem Gebiet der friedlichen Nutzung der Kernenergie und der Anwendung radioaktiver Stoffe fördern und gleichzeitig den Missbrauch dieser Technologie (insbesondere die Proliferation von Kernwaffen) durch Überwachungsmaßnahmen verhindern. Diverse internationale Verträge wie der Atomwaffensperrvertrag und das Atomhaftungsübereinkommen geben entsprechende Richtlinien vor. In Deutschland ist die Rechtsgrundlage der zivilen Verwendung der Kernenergie das deutsche Atomgesetz (Gesetz über die friedliche Verwendung der Kernenergie und den Schutz gegen ihre Gefahren). In der Schweiz dient das schweizerische Atomgesetz (Bundesgesetz über die friedliche Verwendung der Atomenergie) als Rechtsgrundlage. In Österreich ist die kommerzielle Nutzung von Kernreaktoren aufgrund eines nationalen Referendums nicht erlaubt. Weitere Verordnungen, wie die Atomrechtliche Deckungsvorsorge-Verordnung (AtDeckV), setzen die internationalen Richtlinien in Deutschland um. Die Deckungsvorsorge für ein Kernkraftwerk beträgt 2,5 Milliarden Euro, die zu einem Teil als Haftpflichtversicherung und zum anderen Teil als Solidarvereinbarung unter den Kernkraftwerksbetreibern abgesichert ist. Die Haftungshöchstgrenze bei Schäden, die unmittelbar auf Handlungen eines bewaffneten Konfliktes, von Feindseligkeiten, eines Bürgerkrieges, eines Aufstandes oder auf eine schwere Naturkatastrophe außergewöhnlicher Art zurückzuführen sind, liegt bei eben diesen 2,5 Milliarden Euro. Für Schäden aus anderen Ursachen haften die Betreiber unbegrenzt. Für den Rückbau von Kernkraftwerken müssen die Betreiber in Deutschland und der Schweiz eine Rückstellung von etwa 500 Millionen Euro je Nuklearkraftwerk anlegen.

Vergleich mit fossilen Brennstoffen (Treibhauseffekt)

Kernkraftwerke erzeugen im Betrieb zwar kein CO2, doch ist – wie bei allen Kraftwerken – der Energieeinsatz bei der Herstellung der Kraftwerke, bei ihrem Betrieb (bei Kernkraftwerken einschließlich Brennstoffbeschaffung und Abfallentsorgung) und bei ihrem Abriss grundsätzlich mit CO2-Freisetzungen verbunden. Die insgesamt (über den gesamten Lebenszyklus) freigesetzte CO2-Menge ist allerdings bei Kernkraftwerken um mehr als eine Größenordnung geringer als bei Erzeugung der gleichen Strommenge mittels konventioneller (fossil gefeuerter) Kraftwerke. Kernkraftwerke können daher effektiv zur Bekämpfung des Treibhauseffektes eingesetzt werden. Annähernd gleich hohe CO2-Reduktionsfaktoren können theoretisch mit Windkraft- (in Zusammenarbeit mit bestehenden Kraftwerken auf anderer Basis, sowie zurzeit noch geringerem Einsatzpotential) und Wasserkraftwerken erreicht werden, während andere Erneuerbare Energien, insbesondere die Fotovoltaik, nur deutlich kleinere CO2-Reduktionsfaktoren erreichen. In Deutschland reduzieren die Kernkraftwerke die CO2-Freisetzungen jährlich um etwa 150 Millionen t (gegenüber Steinkohle gerechnet; Gesamtfreisetzung 858 Millionen t, davon 337 Millionen t durch die Energieerzeugung, Werte jeweils für das Jahr 2000). Laut einer Studie der Deutschen Physikalischen Gesellschaft e. V. (September 2005) könne folgender Trend der CO2-Reduktion im Jahr 2020 abschätzt werden (in Mio. Tonnen CO2 pro Jahr):
- Strom aus erneuerbaren Energien (hauptsächlich Windenergie): Verminderung um 8 bis 15,
- Modernisierung der fossilen Kraftwerke und Verdoppelung des Gasanteils auf 32%: Verminderung um 23,
- Einführung alternativer Treibstoffe im Verkehr: Verminderung um 20,
- Abschalten der Kernkraftwerke und Ersatz durch modernste fossile Kraftwerke mit Gasanteil 40%: Erhöhung um 112. Bisher gibt es keine Studie mit einer vollständigen CO2-Bilanz, da der immense Aufwand der Erdbewegungen beim Abbau - pro Tonne Uranoxid fallen zwischen 1000 und 40.000 Tonnen Abraum an - und für die Sicherheit bei der Entsorgung nicht in Gänze erfaßt werden oder werden können.

Kritik

Siehe Hauptartikel Atomkraftgegner Atomkraftgegner Die Nutzung der Kernenergie zur Erzeugung von elektrischem Strom wird von Atomkraftgegnern abgelehnt. Sie sind der Auffassung, dass der Betrieb von Kernkraftwerken sowie deren Ver- und Entsorgung mit Kernbrennstoff unverantwortliche Sicherheitsrisiken bergen. Bereits bei der Uranförderung würden hochgradig gesundheitsgefährdende radioaktive Stoffe wie Radon in großen Mengen freigesetzt. Die Geschichte des Uranbergbaus in der ehemaligen DDR z.B. habe zahlreiche Krebserkrankungen der Anlieger und Arbeiter zur Folge gehabt. Anlagen zur 235U-Anreicherung, wie die deutsche Urananreicherunganlage in Gronau, könnten auch zur Herstellung von Kernwaffen-fähigem Material, mit einem Anteil von 80 % 235U, verwendet werden. Der Betrieb von Kernkraftwerken wäre unsicher, da eine Katastrophe wie im Kernkraftwerk Tschornobyl nicht auszuschließen sei und es auch sehr häufig – wenn auch meist nur kleinere – Störfälle gäbe, bei denen teilweise Radioaktivität freigesetzt werde. Inbesondere die Folgen eines Größten Anzunehmenden Unfalls seien nicht verantwortbar, da ganze Regionen unbewohnbar würden (z.B. im Falle einer Biblis-Kernschmelze das Rhein-Main-Ballungsgebiet um Frankfurt am Main). Insbesondere die Entsorgung der hoch radioaktiven Brennelemente sei völlig ungesichert, da diese sehr hohe Halbwertszeiten haben (239Pu beispielsweise 24 000 Jahre). Der Transport in Castor- und anderen Behältern sei wegen möglicher Unfälle ebenfalls nicht sicher. Bei der Wiederaufarbeitung extrahiertes Plutonium könne zur Herstellung von Kernwaffen verwendet werden. Außerdem gebe es insbesondere aus der Wiederaufarbeitungsanlage Sellafield viele Medienberichte, dass dort unkontrolliert Radioaktivität ausgetreten wäre und die benachbart wohnenden Familien mit einigen Fällen von darauf zurückzuführenden Leukämie-Erkrankungen ihrer Kinder und Senioren konfrontiert seien. Aufgrund der hohen Halbwertszeit gehen Atomkraftgegner davon aus, dass der Zeitraum, in der radioaktiver Abfall in einem Endlager aufbewahrt werden müsste, unüberschaubar sei und es deswegen kein sicheres Endlager geben könne. In Opposition zu den Atomkraftgegnern stehen die Kernkraftbefürworter.

Literatur


- Armin Hermann / Rolf Schumacher (Hrsg): Das Ende des Atomzeitalters? : Verlag Moos & Partner München, 1987. - ISBN 3-89164-029-3 (Eine sachlich-kritische Dokumentation, von 26 Autoren, davon 17 Akademikern aus den Naturwissenschaften und 7 aus den Geisteswissenschaften)

Weblinks

Pro


- [http://www.kerntechnische-gesellschaft.de/ Kerntechnische Gesellschaft]
- [http://www.kernenergie.net Kernenergie-Portalseite mit Links zu verschiedenenen Organisationen]
- [http://www.kernenergie.net/informationskreis/de/lexikon/lexikon.php?navid=60&dir=/informationskreis/de/lexikon/a/&buchstabe=a Lexikon zum Thema Kernenergie beim Informationskreis Kernenergie]
- [http://www.energie-fakten.de http://www.energie-fakten.de]

Neutral


- [http://bundesrecht.juris.de/bundesrecht/atg/ Deutsches Atomgesetz (Gesetz über die friedliche Verwendung der Kernenergie und den Schutz gegen ihre Gefahren)]

Kritisch Kernenergie


- [http://www.greenpeace.de/themen/atomenergie/ Seite von Greenpeace Deutschland, die Argumente gegen die Nutzung der Kernenergie aufführt]
- [http://www.umweltinstitut.org/frames/all/m410.htm Artikel gegen die aktuelle und zukünftige Nutzung der Kernenergie vom Umweltinstitut München (November 2004)]
- [http://www.anti-atom.de Anti-Atom-Lexikon]
- [http://www.bund-gegen-atomkraft.de Atomkraft in Deutschland und Europa] Fakten und Debatte, vom Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland
- [http://www.elstatconsultant.nl/ Kritische Betrachtung der Energiebilanz heutiger Kernkraftwerke] (englisch)
- [http://www.lebenshaus-alb.de/mt/archives/subcategories/atomenergie.html Artikelsammlung Atomenergie in Lebenshaus-Website] Kategorie:Kernenergie ja:原子力 th:พลังงานนิวเคลียร์

Primärenergie

Als Primärenergie bezeichnet man die Energie, die aus den natürlich vorkommenden Energieträgern zur Verfügung steht. Jede Umwandlung von Primärenergie in Sekundär-Energieformen ist nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik mit einem Verlust in Form von Abwärme (Wärmeenergie) verbunden.

Energieträger


- fossile Energie (Steinkohle, Braunkohle, Erdgas, Erdöl)
- Biomasse
- Windenergie (atmosphärische Strömungen)
- Wasserkraft
- Sonnenenergie (nutzbare solare Energieeinstrahlung: Licht, Wärme)
- Kernenergie (Natururan,u.a.)
- Gezeiten (Tidenhub)
- Geothermie (Erdwärme)
- Wellenkraft (Wellenkraftwerk)
- Meeresströmung (Meeresströmungskraftwerk)

Primärenergieverbrauch

Teil der volkswirtschaftslichen Gesamtrechung ist der Primärenergieverbrauch.

Weblinks


- [http://infografik.ea-nrw.de/graph_bild/graph_VAD002.jpeg Primärenergieverbrauch Energieagentur NRW]
- [http://www.vng.de/content/deutsch/Presse/Download/Grafiken/Primaerenergieverbrauch1.pdf Primärenergieverbrauch VNG (
- .PDF)] siehe Sekundärenergie, Energie Kategorie:Energietechnik Kategorie:Energiewirtschaft

Kernreaktion

Eine Kernreaktion ist ein physikalischer Prozess unter Beteiligung eines oder mehrerer Atomkerne.

Arten

Einige Arten von Kernreaktionen:
- Emission Radioaktivität
- Absorption von Strahlung und Teilchen
- Kernspaltung (Fission)
- Kernfusion
- Spallation
- Neutronenanlagerung
- Protonenanlagerung

Formalismus

Um Kernreaktionen zu beschreiben, bedient man sich folgenden Formalismus': Ausgangskern(Projektil,Ejektil)Endkern (In einer analogen chemischen Gleichung würde man schreiben: Ausgangskern + Projektil -> Endkern + Ejektil) Beispiele:
- aus einem Atomkern von Silber-107 entsteht unter Einfang eines Neutrons und Aussendung eines γ-Quants Silber-108: 107Ag(n,γ)108Ag
- zwei Helium-3-Kerne verschmelzen zu einem Helium-4-Kern und senden dabei zwei Protonen aus: 3He(3He,2p)4He
- Ein Beryllium-Kern wird durch Einfang eines α-Teilchens zu einem Kohlenstoff-12-Kern und sendet dabei ein Neutron aus: 9Be(α,n)12C

Einordnung

Mit der Erforschung von Kernreaktionen befassen sich vor allem die Kernphysik und die Teilchenphysik. Kategorie:Kernphysik ja:原子核反応

Kernfusion

Fusions-Reaktion wird als vielversprechende Reaktion für die Energieerzeugung in einem Kernfusionsreaktor angesehen.]] Kernfusion bezeichnet den Prozess des Verschmelzens zweier Atomkerne zu einem schwereren Kern. Je nachdem, welche Ausgangskerne beteiligt sind und welches Element daraus entsteht, wird bei diesem Prozess Energie freigesetzt oder aufgewendet. Die Energiebilanz ist positiv, wenn das Fusionsprodukt eine Massenzahl von weniger als etwa 60 bis 80 hat, negativ bei noch schwereren Kernen. Der Grund dafür ist die unterschiedliche Verteilung des Massendefekts über das Periodensystem. In der Regel wird bei einer Kernverschmelzung neben dem Reaktionsprodukt ein leichtes Teilchen wie ein Neutron, ein Proton, ein Alpha-Teilchen oder ein Gamma-Teilchen erzeugt. Dieses ist wegen Energie- und Impulserhaltung erforderlich, da der neu erzeugte Kern nur fest definierte Energieniveaus annehmen kann, während die kinetische Energie, die die beiden Ausgangskerne vor der Verschmelzung haben, variabel ist. Besonders viel Energie wird frei, wenn schwerer und überschwerer Wasserstoff (Deuterium und Tritium) miteinander verschmelzen. Hier beträgt der Massendefekt fast 4 Promille, das heißt, die Reaktionsprodukte Helium und ein Neutron haben entsprechend weniger Masse als die Ausgangsprodukte. Die fehlende Masse wird aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie als kinetische Energie auf die Reaktionsprodukte übertragen oder in Form von Gammastrahlung freigesetzt. Die Kernfusion ist die Energiequelle der Sterne, etwa unserer Sonne. Die meisten Sterne fusionieren dabei beim so genannten Wasserstoffbrennen von Wasserstoff über mehrere Zwischenschritte zu Helium, die dafür nötige Temperatur liegt bei ca. 10 Millionen Kelvin. Am Ende ihrer Lebenszeit, wenn der Wasserstoff aufgebraucht ist, kommt die Energie aus der Fusion von Helium oder noch größerer Atome. Diese Fusion liefert weniger Energie und hat eine höhere Fusionstemperatur. Größere Sterne können mit ihrer Masse auch einen stärkeren Gravitationsdruck erzeugen, wodurch diese am Ende auch schwerere Elemente fusionieren. Die für die Fusion notwendige Temperatur hängt unter anderem vom Druck ab. Da auf der Erde ein ähnlich starker Druck wie auf der Sonne nicht erzeugt werden kann, liegt hier die für die Wasserstofffusion nötige Temperatur bei etwa 100 Millionen Kelvin.

Nutzung auf der Erde


- Im Labor zur Grundlagenforschung. Hier werden mittels eines Teilchenbeschleunigers energiereiche Atomkerne auf ein Ziel geschossen, wo es zu Verschmelzungsreaktionen kommen kann.
- In Kernwaffen (Wasserstoffbombe). Während Kernspaltungswaffen wie die Hiroshima-Bombe (»Little Boy«) eine Sprengkraft von bis zu 400 Kilotonnen TNT haben, entfalten Kernfusionswaffen mehrere Megatonnen TNT. Da man noch keine kontrollierte Reaktion hervorrufen kann, wird im Innern einer Wasserstoffbombe eine Atombombe platziert, um eine hohe Temperatur von 100 Millionen Kelvin zu erreichen, welche nötig ist, um die Kernfusion zu initiieren.
- Zur billigen Erzeugung von Neutronen mittels des Farnsworth-Hirsch-Fusors.
- Zur geplanten zivilen Energie- und Stromerzeugung durch Kernfusionsreaktoren. Am weitesten fortgeschritten ist hier das Projekt Joint European Torus (kurz JET), das für einige Sekunden ein Plasma aus Deuterium und Tritium am Brennen halten konnte, und dabei einige Megawatt produzierte. Ab 2016 soll voraussichtlich der internationale Versuchsreaktor ITER in Südfrankreich in Betrieb gehen. Experten erwarten jedoch nicht vor 2030 bis 2050 den Bau eines kommerziell verwendbaren Fusionskraftwerkes. Es gab auch immer wieder Versuche, Fusion ohne aufwändige Vorrichtungen zur Erzeugung eines geeigneten Plasmas zu erzeugen, z. B. mittels kalter Fusion oder Bläschen-Fusion.

Kalte Fusion und verwandte Verfahren

Kalte Fusionen und verwandte Verfahren haben gemein, dass bei ihnen der Energiebedarf, um eine Fusion anzuschieben, äußerst gering und somit auch das Verfahren relativ leicht durchzuführen ist. Ein US-amerikanischer Artikel zur Bläschen-Fusion titelte passend „Star in a Jar?“ – sinngemäß „Die Sonne im Wasserglas?“. Nach der gescheiterten ursprünglichen Kalten Fusion von 1989 richtet sich die Aufmerksamkeit derzeit auf die Bläschen-Fusion, bei der Deuterium mittels Ultraschall und unter Neutronenbeschuss in Schwingungen versetzt wird. Dabei entstehende Gasbläschen kollabieren (Kavitation) unter bestimmten Umständen äußerst energiereich unter Aussendung von Lichtblitzen (Sonolumineszenz) und bei sehr hohen Temperaturen von an der Bläschenoberfläche gemessen über 10.000 °C. Die Vermutung ist, dass innerhalb der Bläschen weitaus höhere Temperaturen und Drücke zustande kommen, die eine Kernfusion ermöglichen. Der Versuch zur Bläschen-Fusion soll bislang dreimalig mit Erfolg durchgeführt worden sein, 2002 und 2004 von Gruppen um den Entdecker Rusi P. Taleyarkhan und 2005 mit sogar deutlich vereinfachter Apparatur von einer Gruppe um Yiban Xu und Adam Butt. Trotzdem ist die Realisierbarkeit dieser Art von Fusion, sowie die kalte Fusion allgemein, selbst unter Wissenschaftlern nach wie vor höchst umstritten. Eine „lauwarme“ Kernfusion ist den Wissenschaftlern um Seth Putterman von der Universität von Kalifornien mit Lithiumtantalat, einem pyroelektrischem Kristall, gelungen. Das Verfahren tauge aber nicht zur Stromerzeugung, sondern ließe sich, etwas überarbeitet, recht simpel zur Produktion von hochenergetischen Neutronen nutzen, um Gepäckstücke an Flughäfen zu durchleuchten...

Reaktionen (Auswahl)


- D + T → 4He + n + 17,588 MeV (größter Wirkungsquerschnitt)
- D + D → 3He + n + 3,268 MeV
- D + D → T + p + 4,03 MeV
- 3He + D → 4He + p + 18,34 MeV Es wird aber niemals Tritium als Endprodukt entstehen. In der Sonne findet u.a. folgende so genannte Proton-Proton-Reaktion statt: # p + p → D + e^+ + \nu_e + 0,42 MeV (langsamste, und damit begrenzende Reaktion)
e^+ + e^- → 2\gamma (mit Energie E(2 \gamma) = 2 \cdot 511keV) # D + p → 3He + \gamma + 5,49 MeV # 3He + 3He → 4He + 2 p + \gamma + 12,86 MeV In obigen Formeln steht D für Deuterium (schwerer Wasserstoff ^2\rm H), T für Tritium (überschwerer Wasserstoff ^3\rm H), 3He und 4He für die Isotope des Heliums mit 1 bzw. 2 Neutronen, \gamma für Gammaquant, e^- für Elektron, e^+ für Positron, \nu_e für Elektron-Neutrino, n für Neutron und p für Proton. Die jeweils angegebenen Energien verteilen sich als Bewegungsenergie auf die Reaktionsprodukte. Zudem findet in der Sonne ein Kohlenstoff-katalysierter Fusionszyklus statt, der Bethe-Weizsäcker-Zyklus, der etwa 1,6% der Energie des Sonnenhaushalts ausmacht.

Weblinks


- [http://www.ipp.mpg.de/ Max-Planck-Institut für Plasmaphysik] in Garching und Greifswald (Informationen zu den verschiedenen Typen der Fusionsreaktoren(Stellarator und Tokamak, sowie deren konkrete Untersuchungen)
- [http://www.marcus-haas.de/Wissenschaft/technologie/kernfusion.html Kernfusion - eine Energiequelle der Zukunft?]; Marcus Haas

Siehe auch


- ASDEX Upgrade
- Lawson-Kriterium
- ITER
- Tokamak
- Z-Maschine
- Forschungsanlage in Greifswald, genannt Wendelstein 7-X Kategorie:Plasmaphysik Kategorie:Kernphysik Kategorie:Kernenergie Kategorie:Astrophysikalischer Prozess ja:原子核融合

Industrie

Die Industrie (lat. industria - Betriebsamkeit, Fleiß) ist mit der größte Wirtschaftszweig in Deutschland und anderen deutschsprachigen Gebieten. Hier erfolgt die gewerbliche Verarbeitung von Materialien, deren ursprüngliche Form zur Bedarfsdeckung ungeeignet ist, zu Produktions- oder Konsumgütern. Allerdings ist im Sprachgebrauch inzwischen die genaue Abgrenzung verschwommen. So spricht man, obwohl eigentlich zum Dienstleistungsgewerbe gehörig, vielfach auch von der Fremdenverkehrsindustrie. Industrie ist
- neben Handwerk, Handel, Dienstleistung und Landwirtschaft die wichtigste Beschäftigungsform und ein bedeutender Wirtschaftssektor in modernen Zivilisationen.
- eine Bezeichnung für eine differenzierte Produktionsform (siehe auch: Industriezweige) mit einem hohen Grad an Mechanisierung und Automatisierung im Gegensatz zur handwerklichen Produktion
- eine populäre Bezeichnung für jede Art beruflicher Beschäftigung, die nicht vom Staat getragen ist.

Wichtige Industriezweige

Industrielle Fertigung geschieht weltweit in verschiedenartigen Industriezweigen. Nach der International Standard Industrial Classification (ISIC) der UNO werden Industriebetriebe gleicher oder ähnlicher Produktionsrichtungen wie folgt nach Industriezweigen gegliedert:

Andere vorhandene Industriezweige


- Bergbauindustrie
- Elektroindustrie
- Glasindustrie
- Pharmazeutische Industrie
- Schwerindustrie
- Filmindustrie und Musikindustrie

Siehe auch


- Organisationen:
  - Industrie- und Handelskammer (IHK)
  - Bundesverband der Deutschen Industrie (BDI)
  - Bundesvereinigung der Deutschen Arbeitgeberverbände (BDA)
  - (Industrie-)Gewerkschaften
- Stichworte:
  - Industrialisierung
  - Wirtschaft
  - Altindustrie

Weblinks


- [http://www.destatis.de/themen/d/thm_prodgew.php Statistiken zur Industrie in Deutschland] ja:産業 simple:Industry Kategorie:Technik Kategorie:Wirtschaft Kategorie:Industrie

Sekundärenergie

Sekundärenergie ist die nach der Umwandlung der Primärenergieträger in sog. Nutzenergieträger verbleibene Energieform.

Energieträger


- Elektrischer Strom
- Heizöl, Benzin, Dieselöl, Briketts, Flüssiggas, Erdgas
- Fernwärme
- Prozessgase (Chemische Industrie)

Eigenschaften

Sekundärenergie zeichnet sich meist durch eine der folgenden Eigenschaften aus,
- gute Lagerfähigkeit (z. B. Koks, raffinierte Öle)
- gute Transportfähigkeit (z. B. Elektrische Energie)
- hohe Energiedichte (z. B. Koks)
- einfache/billige Herstellung (Briketts) Eine dieser Eigenschaften wird im Normalfall bevorzugt, abhängig von Ort und Verwendungszweck. Oft sind die Nebenprodukte der Herstellung von Sekundärenergie ebenso nutzbare Sekundärenergie (z. B. sind Gas bei der Benzinherstellung oder Wärme bei der Herstellung elektrischer Energie ein Nebenprodukt, das als Prozessgas oder Fernwärme weitergenutzt werden kann). Siehe auch: Primärenergie, Energie Kategorie:Energietechnik Kategorie:Energiewirtschaft

Elektrischer Strom

Elektrischer Strom ist in der Elektrotechnik und der Physik die Bezeichnung für eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern, zum Beispiel Elektronen oder Ionen, in einem Stoff oder im Vakuum. Ein Strom stellt sich ein, wenn sich frei bewegliche Ladungsträger in einem elektrischen Feld befinden. Umgangssprachlich wird elektrischer Strom auch kurz „Strom“ genannt, oft ist jedoch damit die Übertragung elektrischer Energie gemeint. Auch wird Stromstärke, also die pro Zeit fließende Ladung, umgangssprachlich als Strom bezeichnet. Das Fließen eines elektrischen Stromes kann man an verschiedenen Wirkungen feststellen. Hauptsächlich sind dies die Wärmewirkung, die magnetische Wirkung und die chemische Wirkung. Die großtechnische Bereitstellung von elektrischer Energie erfolgt im Kraftwerk, seine Verteilung zu den Verbrauchern im Stromnetz. Die ausreichende Versorgung mit elektrischer Energie ist eine Grundvoraussetzung für das erfolgreiche Funktionieren einer Volkswirtschaft.
- Formelzeichen Stromstärke: I - bei zeitabhängiger Stromstärke auch i oder i(t) (Stromstärke zur Zeit t)
- Einheit Stromstärke: Ampere
- Einheitenzeichen: A

Technische Stromarten: Gleichstrom, Wechselstrom und Drehstrom (Unterart des Wechselstrom)

Technische Stromarten:
- Gleichstrom (engl. DC = Direct Current)
- Wechselstrom (engl. AC = Alternating Current)
- Mischstrom / Periodischer Strom.
Ein Mischstrom liegt vor, wenn sich in einem Stromkreis gleichzeitig eine Gleich- und eine Wechselstromquelle auswirken können. Periodische Ströme sind damit eine Überlagerung von Gleich- und Wechselstrom.

Gleichstrom

Im einfachsten Fall fließt ein zeitlich konstanter Strom. Einen solchen Strom nennt man Gleichstrom (engl. direct current). Zu beachten ist die Technische Stromrichtung: Vereinbarungsgemäß wird eine Stromrichtung von Plus nach Minus angenommen. Diese Stromrichtung geht auch in alle physikalischen Gleichungen ein, die den Strom als solchen betreffen. Eine elektrische Spannungsdifferenz ist jedoch immer von Plus nach Minus positiv. Daher ist die technische Stromrichtung sinnvoll und wird üblicherweise verwendet, damit die Richtung von Strom und Spannung identisch ist. Die technische Stromrichtung ist nich zu verwechseln mit der Flussrichtung der Elektronen (negative Ladungträber), die entgegen der technischen Stromrichtung fließen. Physikalische Stromrichtung: Um den Mechanismus des Stromflusses zu verstehen und bestimmte elektrische Eigenschaften von Materialien herzuleiten, betrachtet man die wirkliche Bewegung der Ladungsträger. In Metallen bewegen sich in der Regel Elektronen, also negative Ladungsträger, die vom Minus-Pol zum Plus-Pol fließen, denn am Minus-Pol herrscht ein Überschuss an Elektronen, und/oder am Plus-Pol ein Mangel, der durch den elektrischen Strom ausgeglichen wird sobald der Stromkreis geschlossen wird. In elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten sind gegebenenfalls positive und negative Ladungsträger oder reduzierbare und oxidierbare Stoffe vorhanden, die sich zu den jeweiligen Polen hinbewegen. An den Polen werden sie reduziert bzw. oxidiert, nehmen also an einem Pol Elektronen auf und geben Elektronen an dem anderen Pol ab und überbrücken dadurch die Übertragung von Elektronen im Stromkreis. In einem Experiment mit einer wäßrigen Lösung zur Feststellung der Stromrichtung wurde die physikalisch falsche, technische Stromrichtung ermittelt, da nur die positiven Ladungsträger sichtbar waren, die sich allerdings auf den Minus-Pol zubewegen. Ein anderer Fall tritt bei p-dotierten Halbleitern auf: Hier verhalten sich fehlende Elektronen (so genannte Löcher oder Defektelektronen) wie positive Ladungsträger mit Masse. Als Gleichspannungsquelle kommen galvanische Zellen (Batterien), entsprechende Dynamos (zum Teil mit nachgeschalteter Gleichrichtung), Photovoltaische Zellen (Solaranlagen) oder Schaltnetzteile in Frage. In der Technik häufig anzutreffen ist auch eine Kombination von Transformator und Gleichrichter. Fällt bei gleichbleibender Stromrichtung die Spannung (und damit, sofern ein Verbraucher angeschlossen ist, die Stromstärke) periodisch stark ab, so spricht man von einer pulsierenden Gleichspannung. Gleichrichter liefern beim Umwandeln von Wechselspannung in Gleichspannung meist pulsierende Gleichspannung, sofern die Spannung nicht durch Kondensatoren oder andere Maßnahmen geglättet wird.

Wechselstrom

Neben dem Gleichstrom gibt es auch noch den Wechselstrom (engl. alternating current). Wechselstrom zeichnet sich dadurch aus, dass die Stromrichtung periodisch wechselt (beim Haushaltsstrom in Europa beispielsweise 100 mal pro Sekunde). Die Frequenz (oft auch als Netzfrequenz bezeichnet) des Stromes gibt an, wie oft pro Sekunde der Strom in dieselbe Richtung fließt, dementsprechend hat der europäische Haushaltsstrom bei 230 Volt Nennspannung (eine Phase gegen Nullleiter, eine Phase gegen eine andere Phase 400V) eine Frequenz von 50 Hz. In den USA sind das bei 117 Volt Nennspannung dagegen 60 Hz. Ein Wechselstrom wechselt seine Richtung in jeder Periode zweimal. In Summe über eine Periode gleicht sich der Wechselstrom üblicherweise aus. Um trotzdem Aussagen über die Stromstärke treffen zu können, wird eine effektive Stromstärke für Wechselströme definiert; diese Größe gibt einen Gleichstrom an, mit dem ein dem Betrag nach gleich großer Ladungstransport wie mit dem Wechselstrom erfolgen würde. Für einen sinusförmigen Wechselstrom ergibt sich die effektive Stromstärke als Wurzel des mittleren Quadrates der Stromamplitude. I=\frac Ist ein Gleichstrom einem Wechselstrom überlagert, so spricht man auch von Mischstrom.

Drehstrom bzw. Dreiphasenwechselstrom

Zur Energieübertragung wird heutzutage meistens Drehstrom bzw. Dreiphasenwechselstrom verwendet. Beim Drehstrom fließt der Strom in drei Leitern, die Ströme sind jeweils zueinander um eine drittel Periode phasenverschoben, so dass die Summe aller drei Ströme zu jedem beliebigen Zeitpunkt bei gleicher Last auf jeder Phase sich auf Null ausgleicht. Zusätzlich ist, je nach Schaltung, noch ein Neutralleiter vorhanden (Sternschaltung), der Restströme aufnimmt, die durch unterschiedliche Lasten der Ströme in den drei Phasen entstehen. In einem Hauhalt wird üblicherweise (Ausnahme Drehstromsteckdosen) nur eine Phase und der Nulleiter (Neutralleiter) verwendet. Daher gleichen sich die Ströme auf den 3 Phasen üblicherweise nicht aus. Ein Drehstromnetz ist eine elegante Möglichkeit der Wechselspannungsübertragung: Im in Deutschland üblichen 400-V-Drehstromnetz mit jeweils 400 V Wechselspannung zwischen den drei sogenannten Außenleitern herrscht zwischen jedem der Außenleiter und dem Neutralleiter eine Wechselspannung von 230 V. Während man für die Übertragung von drei unabhängigen Wechselspannungen insgesamt sechs Leiter („Drähte“) bräuchte, kommt man in einem Drehstromnetz mit nur vier Leitern aus, wobei der vierte Neutralleiter noch dünner ausgeführt werden kann, da sich bei der angestrebten gleichen, „symmetrischen“ Belastung in den 3 Wechselstromkreisen die Ströme im Neutralleiter sogar völlig aufheben – Einzelheiten siehe Dreiphasenwechselstrom. Aufgrund der unterschiedlichen Last in einem Haushalt sind die Phasen und die Nullleiter mit identischer Stärke versehen. Eine andere Möglichkeit ist das Anschließen eines 400-V-Wechselstrom-Verbrauchers an zwei Außenleitern, denn die Differenz zweier (phasenverschobener) sinusförmiger Spannungen ist wieder eine sinusförmige Spannung (400V). Gleichstrom und Wechselstrom dürfen nicht mit Gleichspannung bzw. Wechselspannung verwechselt werden. Allerdings führt im geschlossenen linearen Stromkreis eine Gleichspannung zu Gleichstrom und eine Wechselspannung zu Wechselstrom.

Physikalischer Mechanismus: Entstehung des Stromflusses

Am Beispiel einer elektrischen Batterie lässt sich das Prinzip des Stromflusses veranschaulichen. Elektrochemische Prozesse in der Batterie bewirken eine Ladungstrennung; die Elektronen werden auf einer Seite gesammelt (Minuspol), auf der anderen Seite herrscht Elektronenarmut (Pluspol). Hierdurch entsteht eine Potentialdifferenz, eine elektrische Spannung. Ladungsträger, die einer Spannungsdifferenz ausgesetzt sind, erfahren durch selbige eine Beschleunigung. Wenn man die beiden Pole der Batterie durch einen elektrischen Leiter mit einem gegebenen elektrischen Widerstand verbindet, bewegen sich die Elektronen vom Minuspol zum Pluspol: Ein elektrischer Strom fließt (technisch von Plus nach Minus). Die Trennung der Ladungen erforderte (chemische) Energie, die wieder frei wird, wenn der Strom fließt. In einem solchen Stromkreis bestimmen die aufgebaute Spannung, abgekürzt U, und die Größe des elektrischen Widerstandes, R, die Stromstärke I. Der Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und Widerstand kann durch das Ohmsche Gesetz ausgedrückt werden: :I=\frac \qquad [I]=\frac=A

Technische Nutzung des elektrischen Stroms

Elektrischer Strom ist heute eine der meist verwendeten Möglichkeiten des Energietransports. So wird heute die gesamte Beleuchtung, die meisten Haushaltsgeräte und die gesamte Elektronik und Rechnertechnik mit elektrischer Energie betrieben. Autos mit elektrischem Antrieb werden als umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen benzinbetriebenen Gefährten propagiert. Auch medizinische Geräte vom Röntgenapparat über den Kernspintomographen bis hin zum Zahnarztbohrer werden mit elektrischer Energie betrieben. Elektrische Energie wird zumeist zentral in Elektrizitätswerken erzeugt und über das Stromnetz an die Haushalte verteilt. Aus ökologischen Gründen wird aber auch zunehmend dezentrale elektrische Energiewandlung, z. B. mittels Photovoltaikanlagen auf privaten Dächern, gefördert. Wichtige Einrichtungen (z. B. Krankenhäuser) sind mit Notstromaggregaten ausgestattet, damit auch bei einem Stromausfall elektrische Energie zur Verfügung steht. Ist eine permanente Verbindung mit dem Stromnetz nicht möglich, z.B. bei Autos oder mobilen Geräten, so muss die elektrische Energie entweder zwischengespeichert oder direkt im Gerät erzeugt werden (z. B. mittels kleiner Solarzellen für Taschenrechner, oder mittels Brennstoffzellen). Eine direkte Speicherung der elektrischen Energie ist nur durch Wandlung in eine andere Energieform möglich, z. B. mittels Batterien oder Akkumulatoren, in einer anderen Größenordnung z. B. bei Pumpspeicherkraftwerken. Ausnahme bilden die Kondensatoren, die aber nur relativ kleine Energiemengen aufnehmen können. Der umgangssprachliche Ausdruck "Strom verbrauchen" ist technisch gesehen nicht richtig, da der Strom, der in ein Gerät hineinfließt, auch wieder hinausfließt. In der Tat ist es beim üblichen Haushaltsstrom sogar so, dass die Elektronen nur im Leiter ein kleines Stück hin- und her "wackeln", ohne dass tatsächlich eine nennenswerte Anzahl von Elektronen aus der Leitung ins Gerät fließt. Was tatsächlich "fließt", ist elektrische Energie. Diese wird ebenfalls nicht verbraucht, wie sich das umgangssprachlich eingebürgert hat, sondern wird umgewandelt, z.B. in mechanische Energie (Motor), Wärmeenergie (Haartrockner) und chemische Energie (z.B. beim Aufladen von Handy-Akkus). Die dabei verrichtete Arbeit (das Produkt aus Spannung, Stromstärke und Zeit) wird durch einen sog. Stromzähler ermittelt. Deswegen wird der "Stromverbrauch" auch in der Energieeinheit Kilowattstunde, und nicht in der Stromeinheit Ampere gezählt. Neben der Energieversorgung spielt der elektrische Strom auch für die technische Kommunikation eine wesentliche Rolle. So basiert das Telefonnetz zumindest am Teilnehmeranschluss bis heute auf elektrischer Signalübertragung. Dies gilt auch für moderne Datenübertragungstechniken wie DSL. Allerdings wird das eigentliche Telefonnetz heutzutage immer mehr auf Glasfaser umgestellt. Ebenfalls auf elektrischen Signalen basiert das Kabelfernsehen. Die Kommunikation mittels elektromagnetischer Wellen basiert zwar nicht direkt auf elektrischem Strom, aber das Aussenden und Empfangen der Wellen ist prinzipiell nur über elektrische Anlagen möglich.

Stromverbrauch Privathaushalte

Deutschland 2002 : 135,7 Terawattstunden Der Stromverbrauch aus den Netzen der allgemeinen Versorgung blieb im ersten Quartal 2004 mit 130 Milliarden Kilowattstunden konstant. Somit nutzt die Wirtschaft ca. 3/4 des erzeugten Stroms und die privaten Haushalte 1/4.

Stromverbrauch nach Haushaltsgeräten in %


- Haushaltsgeräte Kühlen 30 %
- Haushaltsgeräte Kochen, Bügeln, Wäschetrocknen 18 %
- Heizung 17 %
- Klimaanlagen 17 %
- PC, TV, Audio, Telefon 10 %
- Licht 8 %

Stromverbrauch pro Nutzungseinheit


- Wäschetrockner ca. 2 kWh pro Trocknung
- Geschirrspülmaschine ca. 1 kWh pro Füllung
- Kühlschrank alt: 65 Watt = 1,56 kWh pro Tag; 569,4 kWh pro Jahr
- Kühlschrank neu: 20 Watt = 0,48 kWh pro Tag; 175,2 kWh pro Jahr
- Geräte im "Stand by" alt: 10 Watt = 0,24 kWh pro Tag; 87,6 kWh pro Jahr
- Geräte im "Stand by" modern: 2 Watt = 0,048 kWh pro Tag; 17,52 kWh pro Jahr; (Anm.: Ungefährangaben, und sollten noch präzisiert werden) Manche örtlichen Stromversorgungsunternehmen verleihen Energieverbrauchsmessgeräte, mit denen jedes Haushaltsgerät einzeln gemessen werden kann (Momentane Leistung in Watt und Energieverbrauch in kWh in einem Zeitintervall) .

Stromstärketabelle


- Stromstärke I beim Zusammenziehen von Muskeln: 0,015 A = 15 mA
- Loslassgrenze (ab dieser Stromstärke ist der Mensch nicht mehr in der Lage, den Leiter loszulassen, da die Muskeln verkrampfen und nicht mehr von Willen gesteuert werden können): ca. 0,01 A = 10 mA
- Schmerzen und Verkrampfen der Atmung: ca. 0,02 A = 20 mA
- Tödlicher Stromstoß für Menschen: ca. 0,5 A = 500 mA (Diese Stromstärke wird aufgrund des Innenwiderstandes des menschlichen Körpers (ca. 1000 Ohm) erst ab bestimmten Spannungen erreicht, so dass gewöhnliche Batterien sowie elektrische Spannungen bis etwa 12 V in der Regel harmlos sind.) Die Einwirkungsdauer des Stromflusses ist entscheidend für die physiologischen Auswirkungen.
- Strom bei einer Taschenlampe: ca. 0,2 A = 200 mA
- Strom bei einem Ventilator: ca. 0,12 A = 120 mA
- Strom einer Zimmerbeleuchtung: ca. 0,2 A bis 1 A (200 mA bis 1000 mA)
- Strom zum Betrieb einer Elektrolokomotive: über 300 A
- Strom in einem Blitz: ca. 100.000 A Ein Fehlerstrom von ca. 300 mA (z.B. durch Isolationsfehler) kann bei Netzspannung von 230 V bereits als Zündquelle für leicht entzündliche Stoffe wirken.

Physikalische Zusammenhänge


- Die Stromstärke I (in Ampere) ist: : I = \frac Ladung Q (in Coulomb)
Zeit t (in Sekunden)
:I = \frac = \frac = \sqrt Spannung U (in Volt)
Widerstand R (in Ohm)
Elektrische Leistung P (in Watt)

Siehe auch


- Elektrizität
- Elektrostatik
- Elektrodynamik
- Stromerzeugung
- Ableitstrom
- Strom-Spannungs-Kennlinie
- Liste der größten Stromproduzenten

Weblinks


- [http://www.technikbase.de/index.php?&id=1_20_1_9&popup=uri POPUP-MiniTool für Strom Spannung Widerstand]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-ohm.htm Berechnung: Elektrischer Strom]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph10/materialseiten/m02_stromstaerke.htm Versuche und Aufgaben zur Stromstärke]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-ohmschesgesetz.htm Das ohmsche Gesetz]
- [http://www.elektronikinfo.de/strom/strom.htm Elektrischer Strom - CC-Info] Kategorie:Theoretische Elektrotechnik ja:電流 ko:전류

Kernfusionsreaktor

Als Kernfusionsreaktor bezeichnet man nukleare Reaktoren, die durch Verschmelzung (Fusion) von Atomkernen Wärme und damit wiederum Strom erzeugen. Bisher ist es noch nicht gelungen, Kernfusionsreaktoren zu bauen, die dauerhaft mehr elektrische Energie erbringen, als sie für die Fusion aufnehmen müssen. Gelänge es, einen solchen Reaktor zu bauen, könnte er aber mit vergleichsweise geringem Brennstoffverbrauch große Mengen an Strom liefern. An Kernfusionsreaktoren wird seit etwa 1960 intensiv geforscht. Die grundlegenden nuklearen Reaktionen und deren immenses Potenzial zur Energiefreisetzung sind durch die Entwicklung der Wasserstoffbombe bestens bekannt. Jedoch verläuft dort die Reaktion unkontrolliert. Die erste kontrollierte Kernfusion gelang 1970 mit Tokamak 3 in der Sowjetunion. Die meisten Experten schätzen – seit Jahrzehnten – dass die ersten kommerziellen Kernfusionsreaktoren erst ungefähr in fünfzig Jahren zu erwarten sind. Hauptproblem ist die Beherrschung der für die Kernfusion notwendigen hohen Drücke und Temperaturen. Der erste Versuchsreaktor, der mehr Energie erzeugen soll, als zum Aufbau des Fusionsplasmas benötigt wird, ist der ITER, dessen Planungsphase abgeschlossen ist. Die Europäische Union, die USA, Japan, die Volksrepublik China, Russland und Südkorea gaben am 28. Juni 2005 nach langen Verhandlungen den Startschuss für den Bau des so genannten ITER-Reaktors bekannt. Sie beschlossen, für insgesamt 9,6 Milliarden Euro einen Versuchsreaktor in Cadarache in Südfrankreich zu bauen. Er soll 20 Jahre lang betrieben werden. Cadarache

Für und Wider

Machbarkeit und Kosten

Das Kernproblem ist der Einschluss des heißen Wasserstoffplasmas bei einer Dichte und einer Temperatur (100 Mio. Kelvin), bei der die Kernfusion stattfinden kann. Es ist noch nicht klar, inwiefern die Kernfusion mit herkömmlichen Energiequellen konkurrieren könnte, da man zwar mit nur geringen Kosten für den Brennstoff rechnen müsse, der Bau des eigentlichen Reaktors jedoch einen erheblichen finanziellen Kraftakt bedeutet. Aktuelle Berechnungen (2005) gehen von einem Kostenaufwand von rund 4,8 Mrd. EUR aus, um einen funktionstüchtigen Kernfusionsreaktor zu etablieren. Die Betriebskosten hochgerechnet auf 30 Jahre würden nochmals den gleichen Betrag in Anspruch nehmen. Kalkulationen ergeben etwa das 1-2fache des heutigen Strompreises. Andererseits ist davon auszugehen, dass bei einer weitergehenden Verknappung der fossilen Energieträger der Preis dieser Brennstoffe weiter steigen wird. Es ist als nicht sicher anzusehen, dass regenerative Methoden der Stromerzeugung wie z. B. die Solar-, Wind- oder Wasserenergie so ausgebaut werden, dass mit ihnen alleine dauerhaft der gesamte Welt-Energiebedarf gedeckt werden wird. Somit ist es möglich, dass die Kernfusion, wenn sie (in vielleicht 50 Jahren) operativ einsatzfähig ist, nicht teurer als herkömmliche Stromerzeugungsmethoden sein wird. Bislang stehen jedoch noch bedeutende technische Probleme zwischen den theoretischen Kenntnissen und einem laufenden Prototypen. Es ist nicht endgültig geklärt, ob ein Fusionsreaktor kommerziell nutzbare Energie liefern kann. Mit ITER soll gezeigt werden, dass die Vergrößerung des Reaktors das erhoffte bessere Verhältnis von aufgewendeter zu gewonnener Energie liefert. Der Nachfolger von ITER, DEMO, soll um das Jahr 2040 schließlich kommerziell nutzbare Energiegewinnung demonstrieren. Ein weiterer Nachteil ist, dass Fusionskraftwerke sich nicht leicht in die bestehenden Stromnetze einfügen lassen, da sie aus physikalischen Gründen Groß-Kraftwerke im GW-Bereich sein müssen.

Verfügbarkeit des Brennstoffs

Die ersten Fusionsreaktoren sollen die Deuterium-Tritium-Reaktion (D+T) nutzen: : D \ + \ T \ \rightarrow \ ^4He \ + \ n Diese Reaktoren sollen das Tritium aus Lithium erbrüten. Da Lithium seltener vorkommt als Deuterium, stellt es den begrenzenden Brennstoff dar. Die technisch nutzbare Lithium-Vorkommen sollten ausreichen, um den Energiebedarf der Menschheit einige tausend Jahre sicherzustellen. Erst mit der Deuterium-Helium-3 (D \ + \ ^3He) oder der Deuterium-Deuterium-Reaktion (D+D), die allerdings wesentlich schwieriger zu realisieren sind, wäre eine Energieversorgung darüber hinaus gegeben. Der Brennstoff ist also
- ausreichend für mindestens einige tausend Jahre vorhanden,
- leicht zu gewinnen und preiswert, und
- weltweit verteilt (sodass keine politischen Abhängigkeiten auftreten).

Umweltverträglichkeit und Sicherheit

Fusionskraftwerke haben
- keine Abgase, insbesondere keine Treibhausabgase wie CO2;
- keine Kernreaktion, die außer Kontrolle laufen kann, da die Zündbedingungen aufwändig aufrechterhalten werden müssen und das Brennstoffinventar im Reaktor klein ist (<500g Superschwerer Wasserstoff);
- weniger radioaktive Abfallprodukte mit geringerer Halbwertzeit im Vergleich zur Kernspaltung;
- keine Verwendung von Kernwaffenmaterialien, daher keine Verbreitungsgefahr von Kernwaffen. Im Vergleich zur Kernspaltung wird vergleichsweise wenig radioaktives Material erzeugt. Es entsteht aufgrund der Aktivierung der Reaktorwände durch die bei der Fusionsreaktion freigesetzten Neutronen. Durch Wahl geeigneter Baumaterialen können die entstehenden Isotope, und somit deren Halbwertzeiten, kontrolliert werden. Es gilt als sicher, dass die Halbwertszeiten der entstehenden Isotope generell nur Hunderte, nicht aber Zehntausende von Jahren betragen. Daher entfällt eine Endlagerung zum größten Teil. Kritiker weisen auf die in weiter Zukunft liegende Verfügbarkeit hin und geben zu bedenken, dass Fragen der Sicherheit und Umweltverträglichkeit erst bei einem weiter entwickelten Konzept beantwortbar seien. Das im Reaktor erbrütete Tritium ist radioaktiv (Betastrahlung), so daß nach Inbetriebnahme der Reaktor nur noch mit dementsprechender Schutzausrüstung zugänglich ist. Alle Reparaturen und Wartungsarbeiten am Reaktor müssen daher gegebenenfalls auch ferngesteuert ausgeführt werden. Das Brutmaterial Lithium ist höchst reaktionsfreudig. Mit Fusionskraftwerken wäre es möglich, die anderen, problematischen Elektrizitätswerkstypen zu beseitigen: Verbrennungskraftwerke (CO2 (Treibhausgas), Schwefel- und Uranemissionen), Wasserkraftwerke (Störung von Ökosystemen), Windkraftwerke (Störung des Landschaftsbildes, Schallemissionen), Kernspaltungskraftwerke (Atommüll), Biogaskraftwerke verbrauchen eventuell Lebensraum.

Reaktortypen

Ein Fusionsreaktor muss zwei Zwecke erfüllen: # Einschluss des Plasmas derart, dass eine dauerhafte Reaktion aufrechterhalten wird; # Abfuhr von Energie zur technischen Nutzung. Es werden mehrere Möglichkeiten verfolgt, den Einschluss zu bewerkstelligen: Magnetfeldeinschluss: In Tokamaks und Stellaratoren schließt ein torusförmiges verdrilltes Magnetfeld das Plasma ein. Tokamaks erzeugen die Verdrillung durch Induzieren eines elektrischen Stroms in das Plasma, Stellaratoren haben dazu spezielle, komplizierte Formen der Magnetfeldspulen. Durch den Einsatz eines Divertor kann das Plasma gereinigt werden. Inertieller oder Trägheitseinschluss: Hierbei wird der Brennstoff in Form kleiner Kügelchen (Pellets) durch Laserpulse oder Schwerionenstrahlen in kurzer Zeit zur Zündung gebracht. Die Reaktion läuft so lange ab, wie der Brennstoff durch seine Masseträgheit zusammenhält. Da beim Trägheitseinschluß brisante Technologien eingesetzt werden, kommt eine internationale Beteilung mit einem zwangsläufigen Wissenstransfer nicht in Frage. Die Hochleistungslaser wurden im Rahmen des SDI-Projektes entwickelt, während das Implosionsverfahren zur Optimierung von Kernwaffen Verwendung findet. Farnsworth-Hirsch-Fusor: Farnsworth-Hirsch-Fusor-Reaktoren verzichten weitgehend auf einen Einschluss, erzeugen aber in einem dünnen Gas durch elektrische Entladung ausreichend viele schnelle Ionen. Diese werden in Richtung auf die innere, hohle, kugelförmige Elektrode beschleunigt, so dass es im Inneren dieser Elektrode dann zu Stößen und Fusionsreaktionen kommt. Die begrenzte thermische Belastung auf dieser inneren Elektrode verhindert aber zugleich den Betrieb bei hohen Stromdichten. Damit ist der Fusor eine gute regelbare Neutronenquelle im Labormaßstab, aber keine Energiequelle.

Kalte Kernfusion

Einige Forscher haben behauptet, Kernfusion im Reagenzglas an Katalysatoren bei tiefen Temperaturen beobachtet zu haben. Diese kontroversen Experimente gelten heute als pseudowissenschaftlich. Die damals gemessenen Wärmefreisetzungen werden von Wissenschaftlern zumeist mit unerwarteten chemischen Reaktionen erklärt. Der Begriff "Kalte Fusion" geht auf einen Vorschlag von Andrei Sacharow von 1948 zurück, die (funktionierende, aber ineffiziente) Myonen-katalysierte Kernfusion: Ein Myon verdrängt das Elektron eines Tritiumatoms. Auf Grund der hohen Masse des Myons ist sein Orbital um den Tritiumkern wesentlich kleiner als das des Elektrons. Durch das kleinere Orbital können die beiden positiv geladenen Atomkerne näher aneinander gebracht werden. Dieser reduzierte Atom-Abstand kann durch den Tunneleffekt überwunden werden. Dem myonischen Tritiumatom lagert sich ein Deuteriumatom an. Deuterium- und Tritiumatom kommen sich dabei nahe genug, um zu fusionieren. In 99.4% der Fälle wird das Myon wieder freigesetzt und kann so weitere Kernreaktionen katalysieren. Mit einer Lebensdauer von 2.2 Mikrosekunden (= 10^s = 0,000 001s) überlebt ein Myon mehr als 100 Reaktionen, dabei werden etwa 2 GeV an Energie frei. Leider gibt es keinen effizienten Weg, um Myonen (Ruhemasse m_0 = 106 MeV) herzustellen. Für die Produktion in Teilchenbeschleunigern muss pro Myon etwa eine Energie von 3 GeV aufgewendet werden.

Kernfusion im Labormaßstab

Im Jahr 2002 machte ein Team rund um den Forscher Rusi Taleyarkhan mit einem spektakulären Fusionsexperiment[http://www.sciencemag.org/feature/data/hottopics/bubble/index.shtml] auf sich aufmerksam. Demzufolge wurden im Rahmen der Sonolumineszenz die Produktion von Neutronen beobachtet. Dabei handelt es sich um Gasblasen in Flüssigkeiten, die durch Ultraschall angeregt werden und beim Kollabieren kurzzeitig sehr hohe Drücke und Temperaturen erreichen. Dabei kommt es zur Licht-Aussendung und der zitierten Arbeit zufolge auch zur Kernfusion (Bläschen-Fusion, auch Sonofusion genannt). Hauptkritikpunkt an den Arbeiten war, dass auch Neutronen verwendet wurden, um die Gasblasen ursprünglich zu erzeugen. Das Messgerät könne diese Anregungsneutronen nicht sicher genug von den Fusionsneutronen unterscheiden. 2004 wiederholte Taleyarkhan seine Experimente mit einer verbesserten Messausrüstung, um seine Kritiker zu überzeugen. Die Ergebnisse wurden in der Märzausgabe 2004 von Physical Review E [http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=PLEEE8000069000003036109000001&idtype=cvips&gifs=Yes] veröffentlicht. Es handelt sich hier zwar, falls die Experimente sich bestätigen, ebenfalls um Kernfusion in kleinen Anlagen, aber nicht um wortwörtlich „kalte“ Kernfusion, da kurzzeitig extrem hohe Temperaturen und Drücke erreicht werden. Unklar ist auch hier die Energiebilanz, also das Verhältnis aus zugeführter Schallenergie zu erzeugter Fusionsenergie. Die BBC-Wissenschaftssendung Horizon hat sich dieses Themas angenommen [http://www.bbc.co.uk/sn/tvradio/programmes/horizon/experiment_prog_summary.shtml] und das Experiment von einem unabhängigen Expertenteam unter der Leitung von Seth Putterman gemäß den Anleitungen in Taleyarkhans Aufsatz wiederholt, um eine Bestätigung der Ergebnisse zu finden. Taleyarkhan selbst nahm daran nicht teil. Die Versuchsanordnung enthielt genauere Messgeräte zum Nachweis von Neutronen als die originale Versuchsanordnung. Das Ergebnis war negativ. Im Einzelvergleich der Daten im Nanosekundenbereich fand Putterman kein einziges Neutron, das zeitgleich mit einem Lichtblitz aufgetreten war (als Beweis für eine stattgefundene Kernfusion). Taleyarkhan wies die Ergebnisse zurück, da er die Baugleichheit der Versuchsanordnung anzweifelte. Möglicherweise werden weitere Labors weltweit sich an Wiederholungen des Experiments machen, um die Ergebnisse Taleyarkhans zu reproduzieren oder aber einen Gegenbeweis seiner These zu liefern.

Heizen des Plasmas

Während einer laufenden Kernfusion können die gebildeten Heliumkerne die Energie zur Aufrechterhaltung der für die Fusionsreaktion notwendigen Temperatur liefern. Um die Fusion in Gang zu bringen, muss das Wasserstoffplasma allerdings auf etwa 100 Millionen Grad aufgeheizt werden. Zu diesem Zweck sind verschiedene Konzepte entworfen worden.

Elektrisches Heizen

Das Plasma ist ein elektrischer Leiter und kann mittels eines induzierten elektrischen Stroms erwärmt werden. Allerdings steigt die Leitfähigkeit des Plasmas mit steigender Temperatur, so dass der dem Strom entgegengesetzte Widerstand ab etwa 20-30 Millionen Grad nicht mehr ausreicht, das Plasma stärker zu erwärmen.

Neutralteilchen-Einschuss

Das Einschießen von neutralen Atomen in das Plasma ist eine weitere Methode. Die kinetische Energie der Atome (die im Plasma sofort ionisiert werden) dient zum Aufheizen des Plasmas.

Magnetische Kompression

Ein Gas kann durch schnelles ("adiabatisches") Zusammenpressen erwärmt werden. Dasselbe kann mit einem Plasma durchgeführt werden und ein Magnetfeld ist geeignet, das Plasma zusammenzupressen. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Methode ist, dass das Plasma gleichzeitig dichter wird und somit eine höhere Reaktionsrate erhält. Nachteilig ist, dass das komprimierte Plasma unter Umständen nur noch einen kleinen Teil des Volumens des Reaktionsgefäßes einnimmt.

Elektromagnetische Wellen

Mikrowellen können die Ionen und Elektronen im Plasma auf ihren Resonanzfrequenzen anregen, und somit Energie in das Plasma übertragen.

Selbstheizung der Reaktion

20% der freigesetzten Energie ist kinetische Energie der erzeugten Helium-Atomkerne. Durch Stöße wird diese Energie auf die im Plasma befindlichen Deuterium- und Tritium-Atome übertragen, wodurch sich die Temperatur des Plasmas erhöht.

Brennmaterial

Deuterium-Tritium-Reaktoren

Die einfachste erreichbare Kernfusion ist die zwischen Deuterium und Tritium. Daher wird sie auch zuerst eingesetzt werden. \ ^3T \ + \ ^2D \ \rightarrow \ ^4He \ + \ n \ + \ 17,6 \; MeV \ \ (1) Diese Reaktion besitzt allerdings folgende Nachteile: # Das erforderliche Tritium ist radioaktiv. # Bei der Reaktion entstehen viele Neutronen, die das Reaktormaterial radioaktiv aktivieren. # Es ist schwierig, genau so viel Tritium zu erzeugen, wie verbraucht wird. Die Erbrütung von Tritium findet meistens im Blanket des betreffenden Fusionsreaktors statt. Insbesondere der Neutronenfluss, der den eines typischen Kernspaltungsreaktors um den Faktor 100 übertrifft, stellt ein Problem dar. Zum einen altern die Materialien, aus denen der Reaktor besteht, dadurch verstärkt. Zum anderen können durch Kernreaktionen zwischen den Neutronen und Wandatomen radioaktive Isotope gebildet werden. Bei der Wahl der verwendeten Materialien muss dies berücksichtigt werden, um möglichst wenig radioaktives Material zu erzeugen, und die Lebensdauern der erzeugten Isotope kurz zu halten. Die Neutronen sind die Teilchen, deren Energie letztlich zur Stromerzeugung verwendet wird, da sie als neutrale Teilchen das einschließende Magnetfeld verlassen und ihre Energie an einen Kühlkreislauf abgeben können. Weiterhin soll mit ihrer Hilfe das in der Natur nicht vorkommende Tritium aus Lithium erbrütet werden: (7.6% Vorkommen) \ ^6Li \ + \ n \ \rightarrow \ ^4He \ + \ ^3H \ + \ 4,78 \; MeV \ \ (2) (92.4% Vorkommen) \ ^7Li \ + \ n \ \rightarrow \ ^4He \ + \ ^3H \ + \ n' \ - \ 2,47 \; MeV \ \ (3) Der Wirkungsquerschnitt für die exotherme Reaktion mit 6Li ist für Fusionsneutronen (kinetische Energie etwa 14 MeV) geringer als für die Reaktion mit 7Li, bei der auch wieder ein Neutron abgegeben wird. Allerdings haben diese sekundären Neutronen geringere Energie, weil die Reaktion endotherm verläuft und auch Energie an die anderen Reaktionsprodukte abgegeben wird. Dadurch ist für die sekundären Neutronen der Wirkungsquerschnitt für eine weitere Reaktion mit 7Li viel geringer, der für 6Li aber höher. Da bei jeder Fusionsreaktion ein Neutron freigesetzt wird, muss man im Durchschnitt durch jedes Neutron ein Tritiumatom erzeugen, um den Tritiumbedarf decken zu können. Wegen der Erfahrung mit Brutreaktoren rechnet man damit, dass man aufgrund von Neutronenverlusten noch die folgende zusätzliche Kernreaktion benötigt: \ ^9Be \ + \ n \ \rightarrow \ 2 ^4He \ + \ 2 n \ - \; 1,57 MeV \ \ (4) Dies ist eine Neutronenmultiplikationsreaktion. Hinweis: Unter der ausschließlichen Verwendung der Reaktionen gemäß der Gleichungen (1), (2), (4) bekommt man die Plasmaheizung quasi "geschenkt".

Deuterium-Deuterium-Reaktoren

Bei der D-D-Reaktion ist kein Erbrüten des Brennstoffs nötig. Zwei Reaktionen sind möglich: \ D \ + \ D \ \rightarrow \ p \ + \ T \ + \ 4,04 \; MeV \ D \ + \ D \ \rightarrow \ n \ + \ ^3He \ + \ 3,37 \; MeV Folgereaktionen: p \ + \ T \ \rightarrow \ ^4He \ + \ \gamma D \ + \ T \ \rightarrow \ n \ + \ ^4He D \ + \ ^3He \ \rightarrow \ p \ + \ ^4He T \ + \ T \ \rightarrow \ 2 n \ + \ ^4He

Schwerere Materialien

Es ist vorgeschlagen worden, Materialien wie Lithium, Beryllium oder Bor zu fusionieren. Derartige Reaktionen würden wenige Neutronen freisetzen, und die Energie in geladenen Teilchen abgeben, also leicht zu nutzen sein. Trotz dieser attraktiven Eigenschaften wird der Einsatz solcher Materialien aufgrund einer im Vergleich zur D-T-Reaktion 5-fach höheren Reaktionstemperatur nicht erwartet.

Kernfusionexperimente

Tokamaks

Tokamak
- JET - Culham, England
- ITER - Cadarache, im Süden Frankreichs
- ASDEX Upgrade am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching bei München

Stellaratoren

Stellarator
- Wendelstein 7-AS - Garching bei München
- Wendelstein 7-X - Greifswald

Trägheitseinschluss (Laserfusion)


- NIF
- inertial electrostatic confinement

Siehe auch


- Deuterium
- Tritium

Literatur

[http://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/publikationen/pdf/berichte.pdf Einführung in die Kernfusion, IPP-Berichte] (PDF, 9 MB)

Weblinks


- http://www.iter.org - ITER
- http://fire.pppl.gov - FIRE
- http://fusedweb.pppl.gov/FAQ/fusion-faq.html - FUSION FAQ
- http://www.efda.org - European Fusion Development Agreement
- http://fusedweb.pppl.gov/Glossary/glossary.html - Plasma/Fusion Glossary
- http://www.ipp.mpg.de - Max-Planck-Institut für Plasmaphysik Kategorie:Kernenergie Kategorie:Plasmaphysik th:ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน

1950er

Ereignisse


- Wiederaufbau nach dem Zweiten Weltkrieg
- Nachkriegszeit, Kalter Krieg
- Koreakrieg
- Dauerkrisenherd Naher Osten
- Indochinakrieg
- Ungarnaufstand
- Entkolonialisierung
- Sueskrise
- Kongokrise
- Kubanische Revolution
- Entstalinisierung
- Sputnik-Schock
- Wunder von Bern
- Besetzung Tibets durch chinesische Truppen

Dokumentationen, Zeitgesch. Filme, Literatur


- ARD- Doku-Serie "Unsere 50er Jahre" Eigenheimzulage und Pendlerpauschale - ist das das einzige Erbe der Wirtschaftswunderzeit? Mit der Doku-Serie "Unsere 50er Jahre" präsentiert die ARD das Leben links und rechts der Zonengrenze als spannende Phase zwischen Kreativität und Armut. Dazu eine [http://www.spiegel.de/kultur/gesellschaft/0,1518,druck-386295,00.html Rezension von Henryk M. Broder in SPIEGEL ONLINE] - 22. November 2005.

Kulturgeschichte

Persönlichkeiten

ja:1950年代 ko:1950년대 simple:1950s

Energieträger

Mit dem Ausdruck Energieträger werden im engeren Sinn Rohstoffe bzw. Stoffe bezeichnet, die in chemischer oder nuklearer Form Energie speichern und daher für die Energiegewinnung oder den Energietransport nutzbar gemacht werden, bzw. werden können. Im erweiterten (politischen) Sprachgebrach werden als Energieträger auch Energiequellen bezeichnet (z.B. Geothermie, Solarenergie, Wasserkraft, etc.), die zwar zur Energiegewinnung geeignet sind, aber keinen Energieträger im engeren Sinn darstellen.

Unterscheidung zwischen primären und sekundären Energieträgern

Die direkt zur Energiegewinnung geeigneten - weil in verwertbarer Form in der Natur vorhandenen - primären Energieträger unterscheidet man in fossile, regenerative und nukleare Energieträger. Als sekundärer Energieträger bezeichnet man Stoffe, die sich zwar zu Energietransport und zur Energiespeicherung eignen, in der Natur aber nicht in verwertbarer ("aufgeladener") Form vorkommen (z.B. Wasserstoff).

Primäre Energieträger

Fossile Energieträger

Die fossilen Energieträger sind aus Biomasse entstandene Stoffe, die - durch Sedimentschichten von der Atmosphäre abgeschlossen - nicht verrotten konnten und so ihre chemische Energie erhielten. Fossile Energieträger sind Kohle, Erdgas, Erdöl und Methanhydrat. Allen fossilen Energieträgern ist gemeinsam, dass sie nur in begrenztem Maß vorhanden sind und ihre Verwendung mit CO2-Emissionen verbunden ist (siehe Treibhauseffekt, Klimawandel, Klimaschutz).

Biomasse

Biomasse zählt zu den nachwachsenden Rohstoffen, d.h. sie steht nicht unbegrenzt zur Verfügung (wie etwa Windenergie), kann jedoch innerhalb kurzer Zeit auf natürliche Weise wieder entstehen (im Gegensatz zu fossilen Energieträgern). Biomasse entsteht durch die Umwandlung von Energie aus der Sonnenstrahlung mit Hilfe von Pflanzen über den Prozess der Photosynthese in organische Materie. Biomasse stellt damit gespeicherte Sonnenenergie dar. Der Unterschied von Biomasse zu anderen Nutzungsarten der Sonnenenergie ist deren Unabhängigkeit von den Zeiten der Sonneneinstrahlung. Die Nutzung zur Energiegewinnung erfolgt unmittelbar (Verbrennung zum Heizen oder zur Stromgewinnung) oder mittelbar (nach Verarbeitung zu Biogas, Kraftstoffen, etc.). Biomasse setzt bei der Verwertung nur CO2 frei, das vorher zeitnah aus der Atmosphäre gebunden wurde, ist also CO2-neutral.

Nukleare Energieträger

Allen nuklearen Energieträgern (Uran, Plutonium, bestimmte Transurane, Deuterium, Tritium, bestimmte andere Radionuklide) ist gemeinsam, dass sie bei der Energiegewinnung keine CO2-Freisetzung verursachen, allerdings entsteht radioaktiver Abfall. Bei der Kernspaltung von Uran, Plutonium und bestimmten anderen Transuranen entstehen Energie und Neutronen, die ihrerseits wiederum weitere Spaltungen auslösen. Diese bei dieser Kettenreaktion frei werdende Energie wird in einem Kernreaktor kontrolliert genutzt. Unter Kernfusion versteht man die Verschmelzung leichter Atomkerne (i.d.R. Deuterium und Tritium) zu schwereren (Helium). Die Sonne und andere Sterne gewinnen ihre Energie durch Kernfusion. Der Zerfall von radioaktiven Stoffen kann als Energiequelle benutzt werden, dabei wird die entstehende Zerfallswärme in Radioisotopengeneratoren zur Stromgewinnnung auf thermoelektrischer Basis und zum Heizen genutzt. Die gewinnbaren Energiemengen sind gering, daher Radioisotopengeneratoren vornehmlich als Stromquelle und Heizung für Raumsonden im äußeren Sonnensystem eingesetzt, da dort Solarzellen keine ausreichende Leistung und keine Wärme liefern.

Sekundäre Energieträger

Wasserstoff

Methan <-> Synthesegas

Weblinks


- [http://www.umweltbundesamt.at/energietraeger.html Energieträgerinfo beim Umweltbundesamt] Kategorie:Geowissenschaft Kategorie:Erneuerbare Energie Kategorie:Energiewirtschaft

1899

Ereignisse


- 1. Januar: Ende der spanischen Herrschaft in Kuba
- 1. Januar: Queens und Staten Island werden Stadtteile von New York
- 3. Januar: Erste bekannte Verwendung des Wortes „automobile“ (dt: Automobil) in einem Editorial der New York Times
- 8. Januar: Der erfolgreichste Fußballverein Österreichs, der SK Rapid Wien, wird gegründet
- 17. Januar: Die USA ergreifen Besitz von Wake Island
- 21. Januar: Opel Motors wird gegründet
- 22. Januar: Die Führer von 6 Australischen Kolonien treffen sich in Melbourne um über einen Staatenbund zu diskutieren
- 2. Februar: Die Australische Gründerkonferenz: die in Melbourne abgehalten wird: ist damit einverstanden, dass Australiens Hauptstadt (Canberra) zwischen Sydney und Melbourne liegen sollte
- 4. Februar: Der Sportverein „Werder“ von 1899 e. V. wird gegründet. (Heute bekannt als SV Werder Bremen)
- 4. Februar: Beginn des Krieges zwischen den Philippinen und den USA
- 6. Februar: Im Krieg zwischen Spanien und den USA wird ein Friedensvertag geschlossen
- 14. Februar: „Wahlmaschinen“ werden für Bundeswahlen, durch den Kongress der Vereinigte Staaten, zugelassen
- 2. März: Der Mount-Rainier-Nationalpark wird in Washington gegründet
- 6. März: Die Firma Bayer lässt sich Aspirin als Markenzeichen eintragen
- 8. März: Der „Frankfurter Fußball-Club Victoria von 1899“ wird gegründet (heute unter dem Namen Eintracht Frankfurt bekannt)
- 20. März: Im Sing-Sing-Gefängnis wird Martha M. Place als erste Frau auf dem elektrischen Stuhl hingerichtet
- 27. März: Eröffnung der Schmalspureisenbahnlinie auf den Brocken (Brockenbahn)
- 12. Oktober: Beginn des Burenkrieges in Südafrika
- 29. November: Der katalanische Fußballklub FC Barcelona wird gegründet
- 14. Dezember: Die Emschergenossenschaft (Deutschlands erstes Wasserwirtschaftsunternehmen dieser Art) wird gegründet
- 25. Dezember: Erdbeben, Stärke 6,5 (?) in San Jacinto, Kalifornien, USA, 6 Tote
- Sigmund Freud veröffentlicht „Die Traumdeutung“ in einer Auflage von 1500 Stück
- Hubert Theophil Simar wird Erzbischof von Köln

Katastrophen


- ab 14. September: Verheerendes Hochwasser im Alpenvorland und an der Donau, zahlreiche Tote

Kultur


- 1. Januar: Uraufführung der Oper Eva von Josef Bohuslav Foerster am Nationaltheater Prag
- 17. Januar: Uraufführung der Oper Die Kriegsgefangene von Karl Goldmark an der Hofoper in Wien
- 29. Januar: Uraufführung der Oper Ihre Exzellenz von Richard Heuberger am