Atome sind die winzigen Einheiten, aus denen die gesamte Materie im Universum besteht. Die Energie eines Atoms ist in seinem Kern konzentriert. Sie ist die Kraft, die die Bestandteile des Kerns zusammenhält. Im Atomkern wird eine große Menge an Energie gespeichert. Damit sie z.B. in elektrische Energie umgewandelt werden kann, muss sie aus ihm freigesetzt werden. Dies geschieht im Prozess der Kernspaltung.
Von der Kernenergie zur Elektrizität
Ein Kernreaktor oder ein Kernkraftwerk ist der Ort, an dem Kernenergie erzeugt wird. In den einzelnen Komponenten dieses Systems werden Kernspaltungsprozesse durchgeführt. Als Brennstoff wird in der Regel das radioaktive Uranisotop 235U verwendet. In einem Kernreaktor wird der Zerfall von Urankernen erzwungen, wobei kleine Teilchen, die sogenannten Spaltprodukte, freigesetzt werden. In einem Kernreaktor stoßen diese mit anderen Uranisotopen zusammen und lösen so eine Kettenreaktion aus. Bei diesem Prozess wird in einem Kernreaktor viel Wärme erzeugt. Diese wird auf das Kühlmedium übertragen. Dabei handelt es sich in der Regel um Wasser, das sich unter dem Einfluss der empfangenen Wärme erwärmt. Das Ergebnis ist Dampf, der die Turbinen des Turbinengenerators antreibt. Auf diese Weise wird die Kernenergie in Elektrizität umgewandelt, was heute die wichtigste Anwendung der Kernenergie ist.
Die Nutzung der Kernenergie zur Erzeugung von Wasserstoff
Wasserstoff wird als der Kraftstoff der Zukunft bezeichnet. Es hat sich herausgestellt, dass die Energie, die bei der Spaltung der Kerne radioaktiver Elemente freigesetzt wird, erfolgreich zur Gewinnung dieses wertvollen Moleküls genutzt werden kann. Der überwiegende Teil davon wird durch Dampfreforming aus Erdgas hergestellt. Das Konzept der Nutzung der Kernenergie zur Wasserstofferzeugung setzt voraus, dass die in den Reaktoren erzeugte Wärme durch Dampfreforming auf die Umwandlung von Erdgas übertragen wird. Dabei können jedoch große Mengen an Kohlendioxid entstehen, die in die Atmosphäre abgegeben werden. Daher wird versucht, andere Verfahren wie die Elektrolyse zu perfektionieren.
Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser gewonnen. Bei dieser Methode werden nur geringe Mengen an H2 erzeugt. Es ist möglich, Elektrolyseure an Kernkraftwerke anzuschließen, um Wasserstoff auf eine kohlenstoffarme Weise zu erzeugen. Solche Lösungen befinden sich erst in der Testphase. Die dafür benötigte Wärme und Elektrizität könnte aus Kernkraft gewonnen werden. Einige Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser auf thermochemischem Wege.
Kernenergie als Antriebsquelle
Die Verwendung von Kernbrennstoffen ermöglicht es, im Vergleich zu konventionellen Energiequellen wesentlich mehr Energie zu gewinnen. Die Kernenergie wird bereits seit mehreren Jahrzehnten als Antriebsquelle z.B. für Schiffe und Raumfahrzeuge genutzt.
Bei Flugzeugen ist die Idee des nuklearen Antriebs noch nicht vollständig verwirklicht. Aufgrund der hohen Risiken, die mit der Nutzung der Kernenergie in Flugzeugen verbunden sind, gab es Hindernisse. Ähnlich verhält es sich mit Autos.
Die Idee eines Nuklearantriebs für Personenkraftwagen wird schon lange erwogen. Der Einbau eines Kernreaktors in das Fahrzeug als Antriebsquelle birgt jedoch ein großes Risiko. Ein solcher Reaktor wäre ein Neutronengenerator. Dabei handelt es sich um stark durchdringende Teilchen ionisierender Strahlung. Neutronen würden nicht nur die Insassen des Fahrzeugs, sondern auch die Menschen in der Umgebung gefährden. Aufgrund von Sicherheits- und anderen Konstruktionsproblemen ist der Nuklearantrieb in Personenkraftwagen derzeit äußerst schwierig zu realisieren.
1946 wurde mit dem Bau des ersten US-amerikanischen U-Boots mit Nuklearantrieb begonnen. Die Idee erwies sich als großer Erfolg. Ähnliche Lösungen wurden später auf dem sowjetischen Eisbrecher „Arktika“ verwendet. Heute nutzen zahlreiche zivile und militärische Schiffe die Kernenergie als Antriebsquelle.
Kernenergie in der Medizin
Die derzeitige Diagnostik und Therapie verschiedener Krankheiten mit Hilfe der Kernenergie lässt auf einen wirksameren Einsatz in der Zukunft hoffen. Es wird auch erforscht, wie es gegen die Auswirkungen verschiedener Krankheiten eingesetzt werden kann.
Ein Beispiel für die Anwendung der Kernenergie in der Medizin ist die Röntgendiagnostik, bei der die von einer Röntgenröhre erzeugte Strahlung aufgezeichnet wird, die durch die teilweise Absorption durch den Patienten abgeschwächt wird. Die verwendeten Röntgengeräte ermöglichen Aufnahmen z.B. des Brustkorbs oder des Schädels.
Die Kernenergie wird auch bei der Herstellung zahlreicher Arzneimittel, in der Balneologie (z.B. bei therapeutischen Bädern) und bei der Sterilisation von medizinischen und Laborgeräten eingesetzt.
Sonstige Verwendungsmöglichkeiten der Kernenergie
- Die Phänomene des radioaktiven Zerfalls wurden in großem Umfang zur Herstellung leistungsfähiger Strombatterien genutzt.
- In der Weltraumforschung wird die Kernenergie zum Antrieb von Raumsonden zur Erforschung des Sonnensystems genutzt.
- In der wissenschaftlichen Forschung ermöglicht es die Datierung von archäologischen und paläontologischen Ausgrabungen.
- Kernenergie wird bei der Wasserentsalzung eingesetzt. Diese Methode ist besonders wichtig in Ländern mit knappen Trinkwasserressourcen.
- Sie wird auch zum Aufspüren von Verschmutzungen in Flüssen oder Seen verwendet.