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Kernkraftwerk

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

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Die Autor*innen
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Jakob Köbner
Kernkraftwerk
lernst du in der Sekundarstufe 3. Klasse - 4. Klasse

Kernkraftwerk Übung

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

    Tipps

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

    Was unterscheidet die Absorption und die Reflexion?

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

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

    Lösung

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

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

  • Beschreibe den Aufbau eines Kernkraftwerkes.

    Tipps

    Jedes Bauteil im Reaktor hat eine bestimmte Funktion.

    Das Wasser transportiert Wärme und kinetische Energie.

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

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

    Lösung

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

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

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

    Tipps

    Das Wasser überträgt die Wärme durch Konvektion.

    Die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen entspricht makroskopisch der Temperatur.

    Kinetische Energie der Teilchen entspricht der Wärmeenergie des Mediums.

    Lösung

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

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

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

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

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

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

    Tipps

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

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

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

    Lösung

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

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

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

  • Nenne die Vorteile eines Kernkraftwerkes.

    Tipps

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

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

    Lösung

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

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

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

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

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

  • Bewerte den Nutzen von Kernkraftwerken in der aktuellen Energielage.

    Tipps

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

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

    Lösung

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

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

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

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

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