Physik

Was ist Kernenergie?

Kernenergie, auch Atomenergie genannt, ist Energie, die aus dem Kern eines Atoms (meist Uran) gewonnen wird.

Diese Art von Energie ist sehr effizient, da beim Zerfall eines Atoms eine enorme Menge an Energie in Form von Wärme freigesetzt wird, die zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt wird.

Kernenergie wird in der Physik definiert als die Auflösung eines Atoms zur Freisetzung der potenziellen Energie, die die Atomteilchen mit dem Kern verbindet.

Dieser Prozess findet in Kernkraftwerken mit Kernreaktoren statt, die Energie aus dem Wasserdampf erzeugen, der entsteht, wenn die Wassertemperatur im Inneren der Reaktoren ansteigt.

Dank technologischer Durchbrüche und Fortschritte in Wissenschaft und Physik ist es heute möglich, von der Atomenergie zu profitieren, was vor einem Jahrhundert noch unvorstellbar schien.

Heute wird mehr als ein Drittel der auf dem europäischen Kontinent verbrauchten elektrischen Energie durch Kernkraftwerke bereitgestellt, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad und geringe Umweltauswirkungen auszeichnen.

Über die Stromerzeugung hinaus hat die Menschheit die Kernenergie für verschiedene Ziele genutzt, die von wissenschaftlichen bis zu militärischen Anwendungen reichen. Der größte Vorteil, den die Kernenergie der Welt gebracht hat, ist jedoch ihre Nutzung zur sicheren Erzeugung sauberer, gleichmäßiger Energie.

Beispiele für Kernenergie mit Bildern

Da die Kernenergie in der Welt um uns herum immer mehr an Bedeutung gewinnt, werden wir einige Beispiele für die Kernenergie besprechen.

Kernkraftwerke

Kernenergie

Wir haben festgestellt, dass Kernkraftwerke das beste Beispiel dafür sind, wie der Mensch die Kernenergie zu seinem Vorteil genutzt hat.

In diesen Anlagen wird die Kernspaltung von Kernen einiger spaltbarer Elemente durchgeführt, um Energie in Form von Wärme freizusetzen. Diese Wärme wird zur Erzeugung von Elektrizität genutzt, die anschließend in das Stromnetz eingespeist wird.

Der Hadronenbeschleuniger am CERN

Der Hadronenbeschleuniger am CERN ist eine der großen wissenschaftlichen Leistungen, die das Studium der Quantenmechanik und der modernen Physik ermöglicht haben.

In diesem Teilchenbeschleuniger werden Experimente mit Atomenergie sicher durchgeführt, und er ermöglicht auch vertrauenswürdige Erkenntnisse, die zahlreiche Durchbrüche in der Wissenschaft ermöglicht haben.

Kernenergie

Atomare Unterseeboote

Kernenergie

Atom-U-Boote sind U-Boote, die von einem Kernreaktor angetrieben werden.

Aufgrund der nahezu unbegrenzten Energiequelle kann ein solches U-Boot bis zu 25 Jahre lang ununterbrochen laufen und fahren. Dieser Wirkungsgrad wurde durch die Kernenergie ermöglicht, was zeigt, wie die Nutzung dieser Technologie zu bedeutenden Fortschritten für die Menschheit geführt hat.

Nuklearwaffen

Atombomben sind eine weitere Anwendung der Kernenergie.

Diese Bomben haben eine absolut tödliche Wirkung. In einer Atomwaffe findet eine Kernreaktion statt, die eine gewaltige Menge an zerstörerischer Energie freisetzt.

Kernenergie

Nuklearbatterien

Kernenergie

Nuklearbatterien sind Miniatur-Kernreaktoren, die kontinuierlich Kernenergie aufnehmen.

Kernbatterien können über einen längeren Zeitraum elektrische Energie erzeugen, in manchen Fällen bis zu 20 Jahre. Dieses Gerät wird in Anlagen wie Satelliten, wissenschaftlichen Stationen und abgelegenen Orten eingesetzt.

Wie wird Kernenergie erzeugt?

Atome sind kleine Bestandteile der Materie. Sie bestehen aus einem Kern, Neutronen, Protonen und Elektronen, die durch eine starke atomare Kraft zusammengehalten werden, die verhindert, dass sie sich voneinander trennen. Kernenergie wird in der Regel durch einen Prozess erzeugt, der als Kernspaltung bekannt ist.

Bei der Kernspaltung hingegen wird der Kern eines Atoms von seinen übrigen Bestandteilen getrennt, was zur Freisetzung der gesamten potenziellen Energie führt. Die gesamte erzeugte Wärmeenergie wird sofort zum Antrieb einer Turbine genutzt, die mit einem Generator verbunden ist, der beim Anfahren elektrische Energie erzeugt.

Wie funktioniert sie?

Die Kernenergie, die in Kernkraftwerken genutzt wird, funktioniert nach folgenden Prinzipien:

Freisetzung von Kernenergie: In einem Kernreaktor wird der Kern eines spaltbaren Atoms (in der Regel Uran) gespalten, um eine Kettenreaktion zu erzeugen, die Energie in Form von Wärme freisetzt.

Umwandlung von Wärme in kinetische Energie: Die bei diesem Prozess erzeugte Wärme wird genutzt, um im Reaktor Wasser in Dampf zu verwandeln. Dieser Dampf wird dann unter Druck in eine Turbine gepresst, die dadurch angetrieben wird, dass der Dampf sie durchströmt.

Umwandlung von kinetischer Energie in elektrische Energie: Eine Welle verbindet die laufende Turbine mit einem elektrischen Generator (Elektromagnet), der auf die gleiche Weise wie in herkömmlichen Kraftwerken elektrische Energie erzeugen kann.

Entsorgung nuklearer Abfälle: Die nuklearen Abfälle werden in speziellen Behältern aufbewahrt, die von der Außenwelt isoliert sind, so dass die Radioaktivität der nuklearen Abfälle so lange wie nötig sicher gestoppt werden kann.

Typ

Die Kernenergie, wie wir sie kennen, existiert in zwei verschiedenen Formen.

Kernspaltung

Unter Kernspaltung versteht man die Gewinnung von Kernenergie durch Spaltung oder Zerbrechen des Kerns eines spaltbaren Atoms, wobei Strahlung freigesetzt wird, indem ein instabiles Atom mit einem Neutron beschossen wird. Daraufhin spaltet sich der Kern und sendet zwei Neutronen aus, die mit anderen Atomen zusammenstoßen und diese erneut spalten. Bei dieser Kettenreaktion wird eine enorme Menge an Energie freigesetzt.

Bei der Kernspaltung wird in Kernreaktoren Strom aus Kernenergie erzeugt.

Fusionsenergie

Fusionsenergie aus Kernspaltung ist der Prozess, bei dem die Kerne zweier leichter Atome unter hohen physikalischen Bedingungen miteinander verschmelzen. Er wird auch als thermonukleare Reaktion bezeichnet.

Bei der Kernfusion wird Energie erzeugt, was man beispielsweise an der Art und Weise sehen kann, wie die Sonne Energie erzeugt. Da die Kernfusion derzeit jedoch nicht künstlich hergestellt werden kann, kann sie auch keine saubere und umweltfreundliche elektrische Energie erzeugen.

Verwendungsmöglichkeiten

Aufgrund der Komplexität und der Kosten der Nutzung der Kernenergie sind ihre Anwendungsmöglichkeiten derzeit begrenzt; dennoch gibt es viele sehr wichtige Anwendungen der Atomenergie, die in Betracht gezogen werden sollten:

  • Kernkraftwerke, d. h. Anlagen, die in der Lage sind, die durch Kernspaltung in Kernreaktoren erzeugte Energie zur Stromerzeugung zu nutzen, werden zur Erzeugung von elektrischem Strom eingesetzt. Einige Kernkraftwerke erzeugen Wärme für ihre Anlagen, indem sie die durch Kernspaltung freigesetzte Wärmeenergie nutzen.
  • Es gibt eine Reihe militärischer Anwendungen, darunter der Antrieb oder die Bewegung von U-Booten, Schiffen, Fahrzeugen und Flugzeugen. Atombomben sind eine weitere militärische Anwendung der Kernenergie.
  • Sie wird zur Herstellung von Batterien mit langer Lebensdauer verwendet, die in Satelliten, Raumstationen, Raumsonden und anderen technischen Instrumenten zum Einsatz kommen, auf die nicht häufig zugegriffen wird.

Die Vorteile und Nachteile

Die Kernenergie hat einige Vorteile, die Sie kennen sollten, aber sie hat auch viele Einschränkungen in Form von Nachteilen.

Vorteile

  • Die Kernenergie ermöglicht die Stromerzeugung ohne fossile Brennstoffe. Kernkraftwerke sind hocheffizient, da sie fast die gesamte Energie, die bei jeder Kernspaltung freigesetzt wird, aufnehmen können.
  • Bei der Kernspaltung wird neben elektrischer Energie auch Wärmeenergie erzeugt.
  • Kernkraftwerke sind das ganze Jahr über in Betrieb und bieten eine kontinuierliche Stromquelle, die andere Energiequellen wie Wind, Gezeiten usw. nicht bieten können. Obwohl es sich nicht um erneuerbare Energien handelt, verbrauchen Kernkraftwerke nur wenig Uran, um das ganze Jahr über Strom zu erzeugen.

Nachteile

  • Die Anschaffungskosten für nuklearbetriebene Anlagen sind exorbitant hoch. Aufgrund des technologischen Fortschritts, der für die Nutzung der Kernenergie erforderlich ist, haben nicht alle Länder Zugang zu ihr.
  • Nukleare Katastrophen sind zwar unwahrscheinlich, können aber katastrophale Auswirkungen auf die Zivilisation und das Leben auf der Erde haben.
  • Einige der von Leistungsreaktoren erzeugten nuklearen Abfälle können mehr als ein Jahrhundert lang radioaktiv sein. Daher ist die ordnungsgemäße Handhabung und Trennung dieses Materials entscheidend für die Vermeidung von Umweltgefahren.

Mathematische Formel der Kernenergie

Die durch Kernspaltung erzeugte Kernenergie wird häufig anhand der berühmten Formel berechnet, die Albert Einstein aufgrund seiner physikalischen Forschungen veröffentlicht hat.

E = m * c*2

E = bei der Kernspaltung gewonnene Wärmeenergie (in J).

m = Masse, die bei der Kernspaltung verbraucht wird (in kg).

c = Konstante der Lichtgeschwindigkeit (3 * 103).

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