Grundlagenwissen für Schüler

Atom
Ein Atom ist der kleinste Teil eines Elements, das auf chemischem Wege nicht weiter teilbar ist. Atome sind unglaublich klein, unendlich viel kleiner als ein Millimeter. Wäre ein Millimeter so hoch wie das Empire State Building, so wäre ein Atom im Verhältnis dazu so dick wie ein Blatt Papier.
Ein Atom besteht aus dem Atomkern, der positiv geladen ist, und einer Elektronenhülle, die negativ geladen ist.  Der Kern wiederum ist winzig im Verhältnis zum ganzen Atom. Wäre ein Atom so gross wie eine Kathedrale, so hätte der Atomkern darin die Grösse eines Kirschkerns! Und doch hätte dieser Kirschkern fast das gesamte Gewicht des Atoms.
Der Atomkern enthält Neutronen ohne elektrische Ladung sowie Protonen mit einer positiven Ladung. In der Atomhülle sind negativ geladene Elektronen, die den Kern umkreisen. Es sind ebenso viele, wie der Kern Protonen enthält. Daher ist das Atom normalerweise nach aussen elektrisch neutral.

Neutron
Ein Neutron ist ein Elementarteilchen ohne elektrische Elementarladung. Es bildet gemeinsam mit den Protonen den Atomkern. Es hat fast dieselbe Masse wie ein Proton. Alle Kerne, mit Ausnahme des  gewöhnlichen Wasserstoffs, enthalten Neutronen. Bei allen Elementen kann die Anzahl der Neutronen schwanken (Isotope).

Proton
Ein Proton ist ein Elementarteilchen mit einer positiven elektrischen Elementarladung. Zusammen mit den Neutronen bilden Protonen den Atomkern. Ein Proton besitzt die ca. zweitausendfache Masse eines Elektrons. Die Zahl der Protonen im Atomkern bestimmt das chemische Element, dem dieses Atom zugeordnet ist.

Elektron
Der kleinste Teil eines Atoms. Das Elektron ist etwa hunderttausend Mal kleiner als ein Atom und ist negativ elektrisch geladen. Die Elektronen schwirren um den Atomkern in Bahnen oder Wolken. Manche können ihr Atom verlassen und auf ein anderes übergehen. In Metallen können sie sich auch ungebunden (frei) zwischen den Atomen bewegen.

Ion
Ein elektrisch geladenes Atom oder Molekül. Bei der Ionisierung nimmt es ein oder mehrere Elektronen  auf oder gibt sie ab. Dadurch wird das Atom entweder positiv oder negativ ionisiert. Nimmt das Atom Elektronen auf, so bekommt es eine negative Ladung, da nun mehr negative Elektronen als positive Protonen im Kern vorhanden sind. Gibt es Elektronen ab, so wird das Atom positiv ionisiert.

Elektrische Ladung
Es gibt zwei Arten elektrischer Ladung. Negative Ladung entsteht durch einen Überschuss an Elektronen, positive durch einen Mangel daran. Das Elektron ist der Träger einer elektrischen  Elementarladung.

Elektrischer Strom
Elektrischer Strom entsteht durch die Anhäufung oder Bewegung elektrisch geladener Teilchen, vor allem von Elektronen oder Ionen. Alle elektrischen Erscheinungen üben auf andere, gleichfalls elektrisch geladene Körper, Kraftwirkungen aus.

Elektrischer Widerstand
Ladungsträger (Elektronen oder Ionen) können sich nicht in jedem Leiter gleich gut bewegen, denn ein Leiter bietet mehr oder weniger grossen Widerstand. Ursachen dafür sind z.B. Störungen im exakten Aufbau des Kristallgitters in den Metallen und die unregelmässigen Wärmeschwingungen der Atome. Wie gut oder schlecht ein Leiter funktioniert, also seinen Widerstand, misst man in Ohm.  

Spannung
Die elektrische Spannung entspricht dem  "Druck" in der Stromleitung. Die Spannung misst man in Volt. Der Wechselstrom in unseren Wohnungen hat eine Spannung von 230 Volt.

Stromstärke
Wie stark ein elektrischer Strom ist, misst man in Ampere (A). Ein Strom fliesst mit 1 A  durch einen Stromkreis, wenn der Widerstand  1 Ohm und die Spannung 1 Volt betragen.

Frequenz
Die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit, meist pro Sekunde. Die Masseinheit dafür ist Hertz (Hz). Es entspricht einer Schwingung pro Sekunde. Auch der Wechselstrom schwingt mit 50 Hz und wechselt dabei jedes Mal seine Richtung.

Elektrische Leistung
Die elektrische Leistung bezeichnet die in einer bestimmten Zeit erbrachte elektrische Arbeit (Energie). Leistung ist also gleich Energie pro Zeiteinheit. Elektrische Leistung misst man in Watt.

Elektrische Energie / Arbeit
Elektrische Energie oder elektrische Arbeit ist eine Form von Energie, die mittels Elektrizität geleistet wird. So werden also Kühlschrank, Fernseher, Computer und alle elektrischen Geräte, die wir benutzen, mit elektrischer Energie betrieben. Die Masseinheit für elektrische Energie ist die Wattsekunde  (Ws). 1 Wattsekunde entspricht 1 Joule ( J). Im Bereich der elektrischen Energietechnik ist die Angabe Kilowattstunde (kWh) üblich.

Chemisches Element
Chemisches Element ist die Bezeichnung für alle Atomarten mit gleich vielen Protonen im Atomkern. Es gibt 92 natürliche chemische Elemente. Dazu kommen etwa 20 künstlich erzeugte. Einige Elemente (Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Chlor) sind bei normalen Temperaturen gasförmig.

Isotop
Die Anzahl der Neutronen im Kern eines chemischen Elements kann im Gegensatz zur Zahl der Protonen kann schwanken. So ein Atom nennt man ein Isotop eines chemischen Elements. Alle natürlichen Elemente haben solche Isotopen mit unterschiedlicher Neutronenzahl. Isotope eines Elements sind teils stabil, teils radioaktiv.
Uran-234, Uran-235  und Uran-238 sind Isotope des Chemischen Elements Uran. Sie haben alle 92 Protonen, aber 142, resp. 143 und 146 Neutronen. Wo immer man Natururan auf der Erde gewinnt, besteht dieses aus einem Gemisch der 3 Isotopen: U-238 (99,3 %), U-235 (0,7 %) und U-234 (Spuren).
Dank der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften von Isotopen ein- und desselben Elements lassen sie sich voneinander trennen.

Radioaktivität
Die Radioaktivität wurde 1896 von Henry Bequerel beim Uran entdeckt. Sie ist die Eigenschaft bestimmter Stoffe, sich umzuwandeln und dabei eine charakteristische Strahlung auszusenden. Diese sogenannten Radionuklide gibt es in der Natur, sie können aber auch durch Kernumwandlungen im Kernreaktor oder Beschleunigern entstehen. Heute sind über 2750 Radionuklide bekannt.

Halbwertszeit
In dieser Zeit wandelt sich von einer vorgegebenen Menge von Atomen die Hälfte der Atomkerne um; sie zerfallen. Es gibt Halbwertszeiten von mehreren Milliarden Jahren ( z.B. Uran-238 mit 4.5 Mia. Jahren) bis zu Millionstel Sekunden  (z.B. Pollonium-212). Jedes Radionuklid hat eine charakteristische Halbwertszeit wie auch beim Zerfall abgegebene Strahlung und Energie. So zerfällt Radium-226 unter Aussendung von Alphastrahlen, während Iod-131 Betastrahlen emittiert.

Dampf
Im täglichen Sprachgebrauch versteht man unter Dampf eine grosse Menge winziger Wassertröpfchen in der Luft, z.B. Nebel, Wolken oder eben die "Nebelwolke", die im Kernkraftwerk aus dem Kühlturm steigt. Diese Nebelwolke ist etwa 40 Grad C warm und ist nicht Dampf im physikalischen Sinne. Denn das ist ein gasförmiger Stoff (Flüssigkeitsanteil liegt im Promillebereich) in der Nähe des flüssigen Zustands, z.B. Wasserdampf, der bei 100 Grad C entsteht. Mit richtigem Wasserdampf werden im Kernkraftwerk die Turbinen angetrieben.

Druck
Eine Kraft, die auf eine bestimmte Flächeneinheit wirkt, heisst Druck. Jede Flüssigkeit und jedes Gas übt auf die Wände des Behälters einen bestimmten Druck aus. Als Luftdruck bezeichnen wir den Druck, den die Luftsäule über jedem Punkt der Erde ausübt.
Druck misst man in bar. Der Druck auf der Erdoberfläche beträgt etwa ein bar. Herrscht ein Druck von einem bar, fängt Wasser bei 100 Grad Celsius an zu verdampfen (kochen).

Siedepunkt
Verändert sich der Druck, so verändert sich auch der Siedepunkt. Je höher der Druck, desto höher steigt der Siedepunkt. In einem Siedewasserreaktor, wie ihn das Kernkraftwerk Leibstadt benutzt, herrscht im Reaktordruckgefäss etwa 72 bar Druck. Dies führt dazu, dass Wasser erst bei 286 Grad Celsius verdampft. 

Energie
Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu leisten. Energie kann in verschiedenen Formen auftreten: zum Beispiel Wärmeenergie, Bewegungsenergie, elektrische Energie oder chemische Energie. Energie kann nicht gewonnen oder vernichtet werden, sondern man kann sie nur umwandeln.
In einem Kernkraftwerk wird Bindungsenergie, die den Atomkern zusammenhält, bei der Kernspaltung in Form von Wärmeenergie, freigesetzt, dann mit Hilfe von Turbinen in Bewegungsenergie verwandelt, die darauf einen Generator antreibt, der elektrischen Strom erzeugt. Diese Umwandlung von einer Energieform in eine andere ist immer mit einem Verlust an Energie verbunden, im KKL hauptsächlich in der Form von Wärme. Aus 100 Prozent thermischer Energie kann keine Maschine 100 Prozent Bewegungsenergie erzeugen. 

Festkörper
Wenn Atome oder Moleküle eines Körpers fest in ein Kristallgitter eingebaut sind, spricht man von einem Festkörper. Festkörper haben eine feste äussere Gestalt und einen definierten Rauminhalt.

Flüssigkeit
In einer Flüssigkeit sind die Atome oder Moleküle weniger fest als beim Festkörper aneinander gebunden. Flüssigkeiten haben keine feste äussere Form.

Generator
Ein Generator ist eine Maschine, die Strom erzeugt. Im Kraftwerk ist er an die Turbinengruppe gekoppelt, übernimmt deren Bewegungsenergie und wandelt sie in Strom um. Der Generator hat zwei Teile: Rotor und Stator. Der Rotor ist der innere und sich drehende Teil, der durch die Bewegungsenergie der Turbinen zum Rotieren gebracht wird. Er besteht aus Magneten. Der äussere Teil ist der stehende Teil, der Stator, und besteht im Prinzip aus einer riesigen Drahtspule. Die im Innern dieser Spule schnell rotierenden Magneten erzeugen (induzieren) nun in den Wicklungen der Drahtspule einen elektrischen Strom. Da durch die verschiedenen Magnetpole, die an den Drahtwicklungen vorbei drehen, die Elektronen einmal an- und dann wieder abgestossen werden, entsteht Wechselstrom.

Warum ist das so? Fliesst Strom durch einen Draht, umgibt ihn ein magnetisches Feld. Um Strom zu erzeugen, müssen hingegen Draht oder Magnet  in Bewegung sein – aufeinander zu oder voneinander fort. So werden die Elektronen im Draht in Bewegung versetzt und ein Strom entsteht. Will man diesen Strom auch für die Verrichtung von Arbeit nutzen, braucht man einen geschlossenen Stromkreis, das heisst der Pluspol und der Minuspol des Leiters müssen miteinander verbunden sein. Wickelt man nun den Draht eines geschlossenen Stromkreises in Kreise, also wie auf eine Spule, und bewegt dann durch diese Schleife ruckartig einen Stabmagneten, so drückt das unsichtbare Magnetfeld die Elektronen in der Drahtspule vorwärts: Strom ist entstanden.

Auch ein Fahrrad hat einen Generator: der Dynamo, der den Strom für die Fahrradlampe erzeugt. Auch dieser Dynamo ist ein Wechselstromgenerator. Im Inneren befindet sich ein Magnet, der sich über einer Drahtspule dreht. Die Aufgabe der Turbinen übernehmen bei deinem Fahrrad die Pedale. Die Energie, die im Kernkraftwerk durch die Spaltung von Uran-235 gewonnen wird, erzeugst du bei deinem Fahrrad mit deiner Muskelkraft. Du und dein Fahrrad seid letztlich nichts anderes als ein kleines Kraftwerk.

Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad einer Maschine beschreibt das Verhältnis zwischen Energieaufwand und -ertrag, oder auch Input und Output. Keine Maschine erreicht einen Wirkungsgrad von 100 Prozent – eine Glühbirne z.B. erreicht einen Wirkungsgrad von 5 %, ein Ottomotor von 20-25 %, eine Solarzelle von rund 12 %, ein modernes Gas-Kombikraftwerk von bis zu 80%.

Wiederaufbereitung
So bezeichnet man das Recycling in der Kernenergie; aus abgebranntem Kernbrennstoff werden nicht verbrauchtes Uran-235, Plutonium und andere wertvolle Stoffe zurück gewonnen. Mit diesem Material kann wiederum Kernbrennstoff erzeugt werden. Der hochradioaktive Abfall wird dabei stark reduziert.

Uran
Uran ist ein Metall und das Ausgangsmaterial für den Brennstoff in einem Kernkraftwerk. Es ist das schwerste natürliche Element und trägt gemäss der Anzahl Protonen im Kern die Ordnungszahl 92 im Periodensystem. Ausser Uran findet man kein chemisches Element in der Natur, das sich für die Kernspaltung eignet. Uran kommt in der Erdkruste rund 100 Mal häufiger vor als Silber und lässt sich wie andere Metalle oder auch Kohle oderirdisch und im Untertagebau gewinnen.
In der Natur vorkommendes Uran ist immer und überall eine anteilsmässig genau gleiche Mischung aus drei Isotopen des Elements Uran:
99,2  % Uran-238 (Alphastrahler, Halbwertszeit 4,5 Milliarden Jahre); 0,711% Uran-235 (Alphastrahler, Halbwertszeit  713 Millionen Jahre); 0,005% Uran-234 (Alphastrahler, Halbwertszeit  245 Tausend Jahre, ist ein Zerfallsprodukt von Uran 238).

Ionisierende Strahlung
Wenn bei einer Kernspaltung radioaktive Elemente entstehen, so strahlen diese ionisierend. Trifft solch ionisierende Strahlung auf Materie, so kann sie Elektronen von deren Atomen oder Molekülen ablösen, wodurch diese elektrisch geladen werden.
Als ionisierend werden alle Strahlen bezeichnet, die bei Kernreaktionen entstehen, oder die von radioaktiven Stoffen ausgehen: Alpha-, Beta- und Gammastrahlen, Neutronen, Protonen und andere Teilchen.
Wichtig: Radioaktive Elemente senden ionisierende – nicht radioaktive! – Strahlen aus. Ein Stoff ist radioaktiv, seine Strahlung ionisierend.

Radioaktivität
Als Radioaktivität bezeichnet man die Eigenschaft bestimmter Atomsorten oder Radionuklide, Energie in Form von ionisierender Strahlung abzugeben und sich dabei in andere, oft ebenfalls radioaktive Nuklide umzuwandeln.

Kernspaltung
Kernspaltung bezeichnet die Teilung eines Atomkerns in zwei, seltener in drei etwa gleich grosse Teile. Bei einer Kernspaltung entstehen  zwei bis drei Spaltprodukte sowie zwei bis drei Neutronen und Energie wird freigesetzt. Bei sehr schweren Atomen kann es zu einer spontanen Spaltung kommen: das Atom teilt sich ohne Einwirkung von Aussen in neue Atome. Dies passiert in unserer Umgebung ständig. Die so entstehende natürliche Radioaktivität können wir überall auf der Welt messen.
In einem Kernreaktor wird diese Kernspaltung  durch den Einfang eines zusätzlichen Neutrons angeregt. Damit kann man die Kettenreaktion steuern. Es ergeben sich die gleichen Spaltprodukte und genau dieselbe Strahlung wie in der Natur auch. Da die Kernspaltung aber in einem Kernreaktor stattfindet, spricht man von künstlicher Radioaktivität. Sie unterscheidet sich nicht von der natürlichen.

Alpha-Strahlung / Alphazerfall
Beim Zerfall eines radioaktiven Elements (radioaktive Umwandlung) werden Alphateilchen abgegeben. Ein Alphateilchen besteht aus 2 Protonen und 2 Neutronen. Es ist also genau gleich aufgebaut wie der Kern des Heliumatoms, allerdings ohne die Elektronen in der Hülle. Das Alphateilchen ist somit positiv geladen und wirkt auf seine Umgebung ionisierend. Vor Alphastrahlung kann man sich schon mit einem Blatt Papier schützen; das Teilchen kann das Blatt nicht durchdringen. Als Strahlung legt es sich oberflächlich auf, etwa so wie Staub. Inhaliert man aber ein Alphateilchen, z.B. in der Form von Radongas, so kann es im Körper ionisierend wirken, was nicht gesund ist.

Beta-Strahlung
Betastrahlung entsteht ebenfalls bei einer radioaktiven Umwandlung. Hierbei handelt es sich um negativ geladene Elektronen aus der Hülle des Atoms. Diese Strahlung kann nur Bruchteile eines Millimeters in die Haut eindringen, dort ionisierend wirken und Strahlenschäden verursachen. Um sich zu schützen braucht es ein Schutzschild von 1-2 Zentimetern Wandstärke.

Gamma-Strahlung
Gammastrahlung wird vom Atomkern ausgestrahlt und ist hochenergetische, kurzwellige, elektromagnetische Strahlung – reine Energie in Form von Gammaquanten und nicht Elementarteilchen wie bei Alpha- und Betastrahlung. Der Schutz gegen diese Form der ionisierenden Strahlung ist aufwändiger als bei Alpha- oder Betastrahlung. Hier braucht es Material mit einer hohen Dichte (wie zum Beispiel Blei), um sich zu schützen.

Kernreaktor
Der Kernreaktor ist der Teil eines Kernkraftwerks, in dem die kontrollierte Kettenreaktion stattfindet. Er besteht aus Reaktordruckgefäss, Brennelementen (darin befindet sich der Kernbrennstoff), den Steuerstäben, Moderator (z.B. Wasser oder Graphit) und Abschirmung. Der Kernreaktor unterscheidet das Kernkraftwerks von anderen thermischen Kraftwerken. Während ein Kohlekraftwerk Kohle verbrennt, um thermische Energie zu erzeugen und ein Gaskraftwerk Gas, wird in einem Kernreaktor das Isotop Uran-235 gespalten, um thermische Energie zu erzeugen.

Moderator
Der Moderator ist ein Material, das die bei der Kernspaltung freigesetzten schnellen Neutronen "abbremst". Werden diese Neutronen nicht moderiert, können sie keine weiteren Kernspaltungen, resp. keine Kettenreaktion auslösen. Im Kernkraftwerk Leibstadt ist Wasser gleichzeitig Moderator und Kühlmittel. Die durch Kernspaltung erzeugte Wärmeenergie wird vom Wasser aufgenommen und als Wasserdampf an die Turbinen weitergeleitet. Ist kein Wasser vorhanden, gibt es im Reaktorkern auch keinen Moderator mehr. So endet mit dem Abführen der Wärmeenergie auch die Kernspaltung. Dies macht Siedewasserreaktoren berechen- und kontrollierbar.

Turbine
Eine Dampfturbine funktioniert genau gleich wie ein Windrad: der im Reaktor erzeugte Wasserdampf strömt wie ein starker Wind auf die Turbinenschaufeln und versetzt sie in Drehung. Diese Bewegung kann über eine Welle wiederum ganz verschiedene Dinge antreiben. Im Kraftwerk ist das ein Generator.

Turbogenerator
Als Turbogenerator bezeichnet man eine Gruppe aus mindestens einer Dampfturbine und einem Generator, die sich gemeinsam um eine Achse drehen und so in thermischen Kraftwerken Strom erzeugen.

Kondensator
Der Kondensator kühlt Wasserdampf ab und kondensiert ihn so wieder zu Wasser. Er funktioniert wie etwa eine kalte Fensterscheibe, an der sich Dampf als Wassertropfen niederschlägt. Dabei findet ein Wärmeaustausch statt. Der Dampf nimmt Kälte vom Kondensator auf, während der Kondensator die Wärme des Dampfes aufnimmt. Damit der Kondensator trotzdem kalt bleibt, muss das Wasser, das seinem Innern fliesst, auch abgekühlt werden. Dazu wird es in den  Kühlturm geleitet und danach erneut in den Kondensator gepumpt. Dies nennt man Kühlkreislauf.