| Impressum
I. Leben und Energie
II. Chemische Bindungsenergie
III. Äußere Anwendung chemischer Bindungsenergie
IV. Und nun die Kernenergie
Ohne Energie läuft nichts. Energie ist, so die gängige Definition, die Fähigkeit, im physikalischen Sinn Arbeit zu verrichten. Laufen soll es, vor allem die Wirtschaft - aber muß man dazu unbedingt auf Kernenergie zurückgreifen? Gegenfrage: Warum sollten wir uns nicht der Kernenergie bedienen? Was ist an ihr so anders als an anderen Energiequellen? Um diese Frage richtig einzuordnen, wollen wir zunächst recht grundsätzlich an die für den Menschen als lebende und kulturschaffende Wesen wichtigsten energetischen Abläufe erinnern.
Grundlage allen Lebens ist neben dem Vorhandensein von Wasser in flüssigem Zustand Energie. Alle Lebewesen nehmen als Nahrung besondere Energierohstoffe auf. Die für ihre Lebensäußerungen erforderliche Energie beziehen sie aus der chemischen oder molekularen Umwandlung solcher Stoffe. Diese werden dabei von einem Zustand, in dem sie mehr Energie enthalten (Stärke, Zucker) in einen energetisch geringerwertigen Zustand (z.B. Kot, CO2, Wasser) umgewandelt.
Hauptenergiespender für die bekannteren Tierarten und für den Menschen als biologisches Lebewesen sind Kohlehydrate, also Stoffe, die aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen zusammengesetzt sind. Im technischen Bereich verwenden wir aus den gleichen Bestandteilen, aber anders zusammengesetzte Kohlenwasserstoffe. Daneben werden andere, energetisch gehaltvolle Bindungen verwendet, auf die wir hier nicht eingehen.
Dieser Stoffwechsel ermöglicht es den Lebewesen, sich zu bewegen, Nahrung zu suchen, sich zu vermehren, kurz: zu leben. Dabei wird aus den eingenommenen Kohlehydraten und dem Luftsauerstoff O2 zumeist Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O). Ein normaler Mensch atmet auf diese Weise pro Tag (24 Stunden) etwa 1 Kilogramm CO2 aus.
Untergraben sich die Lebewesen allmählich ihre Existenzgrundlage, indem sie allen Sauerstoff umwandeln, oder erzeugen sie sich mit dem CO2 ein lebensunwirtliches Treibhaus? Offensichtlich nicht! Es ist ein Grundsatz der Natur, daß nichts verloren geht - auch keine Energie. Was geschieht, sind Stoffumwandlungen und ebenso Energieumwandlungen. Wenn wir Energie einsetzen, dann wandeln wir sie von einer Form in eine andere um. Die Abfälle, das Wasser und das CO2 werden nämlich wieder zu Kohlehydraten aufbereitet, "recycelt".
Dazu muß allerdings die Energie, die sie abgegeben haben, wieder in sie eingehen. Das "Recycling" dieser Energieabfallstoffe ermöglicht das riesige Kernkraftwerk am Himmel, die Sonne, in Verbindung mit den Pflanzen. Die Pflanzen leisten die Stoffumwandlung, die dazu erforderliche Energie liefert die Sonne in reichlichem Maße - und zwar in Form eines breiten Spektrums elektromagnetischer Strahlung. Stehen flüssiges Wasser, CO2 und Sonnenenergie auf der Erde reichlich zur Verfügung, wie z.B. im tropischen Urwald, gedeiht das Leben üppig. Sind Wasser, CO2 und Sonnenenergie nur spärlich vorhanden, wie in kalten oder trockenen Gebieten, dann wachsen die Pflanzen entsprechend dürftig.
Die meisten bekannten Pflanzen zerlegen unter Einwirkung von Sonnenlichtquanten (Photonen) Wasser und Kohlendioxid und verbinden die freiwerdenden Atome neu zu Kohlehydraten. Aus ihnen bauen die Pflanzen im wesentlichen ihren Körper auf, der dann zum Teil wieder Tieren als Nahrung dient. Ein erwachsener Baum (z.B. eine 115jährige Buche) hat durchschnittlich 200000 Blätter mit 1200 m2 Oberfläche, 1014 Chloroplasten, die zusammen 180g Chlorophyll enthalten. Ein solcher Baum nimmt täglich 9400 Liter CO2 aus der Luft und stellt daraus und aus dem aufgenommenen Wasser 12 kg Kohlehydrate her. Nebenbei geben die Pflanzen, wenn sie wachsen, O2 - also Sauerstoff - ab, den wir wieder einatmen können.
Betrachten wir einen Bestandteil des Kreislaufs, das Atom des Gases Wasserstoff - das kleinste und leichteste Atom, das wir kennen. Es besteht nach der gängigen Vorstellung aus einem positiven Ladungsträger - einem Proton - als Kern, den eine negative Ladung - ein Elektron - umkreist. Daneben gibt es etwa 90 weitere stabile Elemente. Sie unterscheiden sich durch die Anzahl der Protonen im Kern und die entsprechende Anzahl an Elektronen, welche den Kern in bestimmten Abständen umkreisen. Zur Stabilisierung der Kerne enthalten schwerere Kerne auch noch ladungsneutrale Neutronen.
Chemische Verbindungen kommen über die Elektronen auf der äußersten Schale (mit dem größten Abstand vom Kern) zustande. Das soll ein alltägliches Beispiel verdeutlichen: Das Salz auf unserem Eßtisch ist chemisch gesehen Natriumchlorid (NaCl). Das Alkalielement Natrium hat auf seiner äußersten Elektronenschale nur ein einsames Elektron. Nur noch ein einziges fehlt auf der äußeren Schale des Halogens Chlor. Beide Elemente verbinden sich zu Kochsalz, indem das vereinzelte Elektron des Natriums die Elektronenschale des Chloratoms sozusagen vervollständigt.
Die chemische Bindungsenergie ist die Energiedifferenz zwischen dem ungebundenen und gebundenen Zustand des jeweiligen Stoffs - einfach gesagt: die Energie, die aufgewandt werden muß, um den Stoff in alle seine atomaren Bestandteile zu zerlegen. Reagieren Stoffe mit niedriger Bindungsenergie so, daß daraus Stoffe mit hoher Bindungsenergie entstehen, dann wird die Differenz freigesetzt und tritt meistens als Wärmebewegung seiner Teile, im Fall von Kohlenstoff und Sauerstoff z.B. als Wärme des Verbrennungsabgases CO2 in Erscheinung. Diese Wärme wird dann vielleicht auf eine Herdplatte übertragen und läßt einen Bratapfel garen.
Der Mensch lebt wie alle Tiere von solchen Stoffwechseln in seinem Organismus. Dabei werden jeweils wohldosiert geringe Mengen von Stoffen gewechselt, ohne daß wir bewußt darauf Einfluß nehmen. Der Mensch begann sich vom Tier dadurch zu unterscheiden, daß er sich nicht nur auf den Stoffwechsel im Inneren seines Organismus beschränkte. Er begann die Stoffe in seiner Umgebung zu ändern, er nähte Kleider, schnitzte Werkzeuge, legte Felder an und bemerkte, daß seine organische Energiequelle für diese Verrichtungen zu knapp wurde. Er begann seine Lebensaktivität zu erweitern, indem er den Stoffwechsel anderer Lebewesen für eigene Zwecke nutzt. Er begann - was Tiere nicht können - den energetischen Stoffwechsel unabhängig von biologischen Organen in eigenen, selbst hergestellten Vorrichtungen zu handhaben: die Beherrschung des Feuers.
Im wesentlichen handelt es sich beim Feuer um eine wenig kontrollierte Form dessen, was beim "natürlichen" Stoffwechsel langsam und wohldosiert in kleinen Mengen abläuft. Wie bei einer Kettenreaktion werden bei einem Feuer feste molekulare Bindungen in großer Zahl hergestellt. Die dabei freigesetzte Energie nutzt der Mensch für seine Zwecke. Die Entwicklung der Technik bestand zunächst darin, die molekularen Kettenreaktionen besser zu steuern - das reichte vom Nachlegen von Brennholz bis zur geregelten Einspritzung des Brennstoffgemischs in den Verbrennungsmotor.
In einem anderen Schritt ging es darum, die freiwerdende Energie gezielter einzusetzen. Während beim offenen Feuer unter einem Kochtopf das meiste der freigesetzten Energie ungenutzt in die Umgebung entweicht, wird in modernen Feuerungsanlagen schon über die Hälfte der freigesetzten Molekularenergie dem Zweck, z.B. der Dampferzeugung zugeführt. Auf diese Art steigerte der Mensch im Laufe der technologischen Entwicklung die Effizienz seiner Energienutzung. Dazu entwickelte er auch bestimmte chemische Verfahren und Apparate (z.B. die Brennstoffzelle), die den Stoffwechselprozeß in ähnlicher Weise - nur eben komplexer - organisieren, als es im Organismus geschieht.
Um die knappe Energie effizienter zu nutzen, mußte der Mensch die hier grob skizzierten energetischen Abläufe immer genauer beeinflussen und dazu die Zusammensetzung der Atome immer genauer untersuchen. Dabei stieß er auf einen Widerspruch, der ihm zu denken gab: Wenn sich nur entgegengesetzte Ladungen anziehen, gleich gerichtete aber abstoßen - warum fallen dann die Elektronen nicht in die Protonen, und warum fliegen die Protonen im Kern nicht auseinander? Offensichtlich herrschen in der kleinen Welt des Kerns andere Kräfte als in unserer Umgebung! Die Bestandteile des Kerns (Nukleonen, Protonen und Neutronen) müssen von einer Kraft zusammengehalten werden, die größer ist als die elektrostatische Abstoßung der Protonen.
Was sind dies für Bindungskräfte, die man starke Wechselwirkung nennt? Ihr Wesen wird immer noch nicht so recht verstanden, aber man mißt ihre Wirkung recht genau. Daher weiß man, daß Kerne mit etwa 50 Nukleonen, wie z. B. Eisen, die stabilsten sind. Kleinere Kerne werden mit geringerer Kraft zusammengehalten als mittlere. Gleiches gilt für sehr schwere Kerne. Kerne mit mehr als 90 Protonen sind sogar so instabil, daß sie auf Dauer nicht zusammenhalten.
Nun gilt für die Bindungsenergie der Kerne ähnliches wie für die chemische Bindungsenergie. Die Kernbindungsenergie ist die Energie, die aufgewendet wird, um den Kern in seine Bestandteile zu zerlegen. Wenn man leichte Kerne zu schwereren verschmilzt (Kernfusion), wird Energie freigesetzt; das geschieht aber auch, wenn große Kerne in kleinere zerbrechen (Kernspaltung). Da es sich bei Kernbindungskräften um wesentlich stärkere Kräfte als diejenigen handelt, welche die Moleküle zusammenhalten, werden pro Kernreaktion auch wesentlich größere Energiemengen umgesetzt. Beim Zerfall eines Urankerns wird mehr als 50 Millionen mal so viel Energie frei wie bei der Bildung eines CO2-Moleküls aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Ein Gramm Uran 235 setzt bei seiner Spaltung so viel Energie frei wie die Verbrennung von 2,7 Tonnen Steinkohle. Ähnliches gilt für die Verschmelzung leichter Kerne.
In einem Kern mit der Masse 240 (das sind bei Plutonium etwa 94 Protonen und 146 Neutronen) werden die Teilchen mit einer Bindungsenergie von je 7,6 Mio. Elektronenvolt zusammengehalten. Bei einem Kern mit der Masse 120 (z.B. Zinn mit 50 Protonen) sind es je Teilchen 8,5 MeV. Wird nun Plutonium mitten durch in Zinn gespalten (wir nehmen das theoretisch an, denn in der Regel sind die Bruchstücke ungleich groß), werden pro Kernteilchen rund 0,9 MeV atomarer Bindungsenergie frei. Bei der Spaltung eines einzigen Plutoniumkerns sind das insgesamt 216 MeV (0,9 x 240). Von dieser Energie werden rund 85% als Wärme der Spaltprodukte und 15% durch besondere Anregungszustände der Bruchstücke abgegeben, die durch verschiedene Arten der Strahlung abgebaut und schließlich auch in Wärme umgewandelt werden.
Gelingt es, zwei Wasserstoffatome des schweren Wassers (Deuterium) miteinander zu verschmelzen, bekommt man entweder das Heliumisotop He-3 und ein Neutron plus 3,25 MeV Energie oder das Wasserstoffisotop Tritium und ein Proton plus 4 MeV Energie. Verschmilzt man Deuterium und Tritium, erhält man das Helium-4 und ein Neutron sowie 17,6 MeV an Energie.
Die Kernfusion ist schwieriger zu erreichen als die Spaltung schwerer Kerne, dafür stehen ihre "Brennstoffe" in wesentlich größeren Mengen zur Verfügung: Man hat errechnet, daß in einem Liter Meerwasser genug Deuterium enthalten ist, um damit die gleiche Energiemenge wie bei der Verbrennung von 7000 Tonnen Steinkohle freizusetzen. Daraus läßt sich erkennen, wie absurd es ist, von Energieknappheit zu reden. Knappheit ist aber eine wirtschaftliche Größe, sie geht in den Preis ein und rührt an mächtige menschliche Interessen. Doch noch stehen der friedlichen Nutzung der Kernfusion große technische Probleme im Weg.
Der große Vorteil hoher Energiedichte liegt auf der Hand. Nur einer sei erwähnt: Ein Gramm läßt sich leichter handhaben als drei Tonnen, und bei seiner Spaltung fallen auch nur etwa ein Gramm Abfall in Form von Spaltprodukten an. Bei der Kohleverbrennung sind das etwa 3 Tonnen CO2 und je nach Qualität der Kohle gut 100kg Asche, die auch mit allerlei unangenehmen Stoffen vermischt ist. Widerstände gegen die Kernfusion wurden bisher kaum laut, weil ihre wirtschaftliche Nutzung noch in weiter Ferne liegt. Die Kernkraftgegner bekämpfen bisher nur die wirtschaftlich genutzte Kernspaltung. Dabei stellt sich die Frage: Warum soll der Mensch diese verfügbare Energiequelle nicht nutzen? Dadurch, daß es ihm gelang, molekulare Bindungskräfte für sich und seine Ziele zu nutzen, hob er sich erst als Mensch vom Tier ab und übernahm die Verantwortung für die selbst geschaffene, menschliche Umwelt. Die Nutzung der Kernbindungskräfte gibt ihm größere Macht, seine bereits übernommene Verantwortung weiter auszubauen und nachdrücklicher wahrzunehmen.
Es ist nicht so klar, ob sich die Kritik an der Kernkraftnutzung gegen die besondere Art der Kernenergie richtet oder eigentlich mehr gegen die damit verbundene "Ermächtigung" des Menschen. Der Einwand, den man zu hören bekommt, richtet sich gegen ein angebliches Katastrophenpotential der Kernkraftwerke. Dem wollen wir uns im nächsten Beitrag zuwenden.
Teil1 Ehrlich streiten über Kernenergie
Teil2 Quellen der Energie
Teil3 Was geschieht eigentlich im Kernreaktor?
Teil4 Warum der "GAU" beherrschbar ist
Teil5 Wann ist Radioaktivität gefährlich?
Teil6 Das sogenannte Abfall-Problem
Teil7 Transmutation
Teil8 Der Öko-Reaktor
Teil9 Ist der Ausstieg aus der Kernenergie moralisch vertretbar?
Name: Dr. Helmut Böttiger Email:boettigerdrh@web.de Dieser Beitrag darf nur Mitzustimmung des Autors verändert werden.
2/2007