Kernspaltung: Uran – ein Material mit besonderen Eigenschaften

Die alten Griechen waren überzeugt, dass sich Atome (atomos = altgriechisch für unteilbar) nicht teilen lassen. Doch 1938 entdeckten deutsche Wissenschafter bei einem bahnbrechenden Experiment, dass sich Atome eben doch spalten lassen.

In der Folge fanden Physiker rund um die Welt noch etwas heraus: Bei der Spaltung der sehr schweren Atomkerne des Urans wird nicht nur sehr viel Energie frei, sondern der Spaltungsprozess kann auch so gesteuert werden, dass die auseinanderbrechenden Uranatome in einer Kettenreaktion immer weitere Uranatome spalten und so die Energiefreisetzung selbsterhaltend weitergeht, ohne dass Energie zugeführt werden muss.

Dieses Naturphänomen ist die Grundlage für die Nutzung der Kernenergie für die Stromproduktion in Kernkraftwerken bzw. Atomkraftwerken.

Uran ist vielerorts zu finden, in den Gesteinen, in den Ozeanen sowie in unserer Nahrung und im Trinkwasser. Es entstand vor Jahrmilliarden, als bei Sternexplosionen aus leichten Elementen immer schwerere entstanden. Uran hat es daher immer auf der Erde gegeben und es begleitet uns seit den frühesten Anfängen der Menschheitsgeschichte.

Dass es Uran gibt, hat 1789 als erster der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klapproth entdeckt. Er nannte das neue Element nach dem ebenfalls damals entdeckten Planeten Uranus. Bereits im 19. Jahrhundert wurde Uran in Minen abgebaut und für das Färben von Glaswaren und Geschirr verwendet. 1896 entdeckte dann der französische Physiker Henri Becquerel, dass Uran radioaktiv ist.

Uran ist in reiner Form ein silbern glänzendes, weiches Schwermetall. Innerhalb des Periodensystems der Elemente steht es an der Stelle 92. Sein Atomkern enthält demnach 92 positiv geladene Kernteilchen (Protonen). Umgeben ist der Kern von einer Hülle aus 92 negativ geladenen Elektronen. Uran ist das schwerste natürliche Element, das auf der Erde in grösseren Mengen vorkommt.

Wie andere Schwermetalle – beispielsweise Blei – ist Uran giftig, wenn es vom Körper in grösseren Mengen aufgenommen wird. Doch auch hier gilt: Auf die Dosis kommt es an. Geringe Mengen sind für die Gesundheit von Mensch und Umwelt unbedenklich. Seit Urzeiten nehmen Menschen und Tiere Uran über Nahrung und Trinkwasser auf.

Der Atomkern des Urans enthält neben den 92 Protonen noch eine variable Zahl von elektrisch neutralen Teilchen, den Neutronen. Neutronen sind wie die Protonen Bausteine der Materie, die zusammen die Atomkerne bilden.

Das Uran, so wie man es heute in der Natur findet, ist ein Gemisch dreier Uran-Atomkerne mit einer unterschiedlichen Zahl von Neutronen:

• Uran-234 (92 Protonen + 142 Neutronen = 234 Kernteilchen)
• Uran-235 (92 Protonen + 143 Neutronen = 235 Kernteilchen)
• Uran-238 (92 Protonen + 146 Neutronen = 238 Kernteilchen)

Diese drei Arten von Uran nennt man Isotope. Uran aus der Natur enthält nur Spuren von Uran-234. Das Isotop Uran-235 hat einen Anteil von rund 0,7%. Der grosse Rest besteht aus Uran-238 (rund 99,3%).

Die beiden letztgenannten Uranisotope unterscheiden sich dadurch, dass der Atomkern von Uran-235 drei Neutronen weniger enthält als der Atomkern von Uran-238. Das hat Folgen: Im Unterschied zum Uran-238 ist das Uran-235 leicht spaltbar.

Vor rund zwei Milliarden Jahren war die Zusammensetzung des Urans noch anders: Damals war der Anteil des leicht spaltbaren Urans-235 höher als heute. In der Region von Oklo in Gabun in Zentralafrika entstanden damals mehr als ein Dutzend natürliche Kernreaktoren, die während Jahrtausenden Energie abgaben. Sie funktionierten nach dem gleichen Prinzip wie die heutigen Kernkraftwerke (KKW) in der Schweiz.

Uran ist radioaktiv wie viele andere Stoffe auch (siehe Randspalte rechts). 1938 erkannten die deutschen Chemiker Otto Hahn und Fritz Strassmann mit Hilfe der Physikerin Lise Meitner und deren Neffe Otto Frisch, dass das Uran-235 neben der Radioaktivität zusätzlich die ganz besondere Eigenschaft der leichten Spaltbarkeit hat. Es kann ohne grossen Energieaufwand in zwei oder mehr kleine Bruchstücke gespalten werden, wobei sehr viel Energie freigesetzt wird. Dieses bis anhin unbekannte Phänomen nannten Meitner und Frisch «Kernspaltung».

Man kann daher mit Uran eine «Energiemaschine» bauen, wie die Physiker früher sagten. Heute nennen wir solche Maschinen Kernkraftwerke oder auch Atomkraftwerke. Sie nutzen die besonderen Eigenschaften des Urans als Energiequelle für die Stromerzeugung.

Zwar sind grundsätzlich alle Atome spaltbar. Anders als beim Uran-235 (und einigen wenigen weiteren sehr schweren Atomkernen) ist bei den meisten anderen Atomkernen sehr viel Energie nötig, um sie zu spalten.

Uran wird fast ausschliesslich zur Energiegewinnung verwendet und dadurch keiner anderen Nutzung entzogen. Damit unterscheidet sich Uran wesentlich vom Erdöl, das ein wichtiger Rohstoff für die chemische und pharmazeutische Industrie ist.

Der Reaktor eines Atomkraftwerks (AKW) ist so gebaut, dass die Kernspaltung zwingend unter genau festgelegten Bedingungen abläuft.

Ein Atomkern von Uran-235 fängt ein langsames Neutron ein. Durch das zusätzliche Neutron gerät der Kern in Schwingungen, die so stark sind, dass er zerbricht. Mit dem Auseinanderbrechen entstehen zwei, manchmal auch drei neue Stoffe – die sogenannten Spaltprodukte – und Energie wird frei. Gleichzeitig werden zwei bis drei neue Neutronen freigesetzt. Diese können ihrerseits von weiteren Uran-235-Atomen eingefangen werden, die dann ebenfalls auseinanderbrechen. Voraussetzung ist allerdings, dass die Neutronen vorher stark abgebremst werden.

In einem Atomkraftwerk wird diese Kettenreaktion kontrolliert ausgelöst: Wenn der Reaktor mit konstanter Leistung läuft, löst nach jeder Spaltung genau ein Neutron wieder eine neue Spaltung aus. Die überzähligen Neutronen werden von sogenannten Steuerstäben sicher eingefangen.

In den Leichtwasserreaktoren der Schweizer Kernkraftwerke werden die Neutronen vom Kühlwasser im Reaktor abgebremst. Fehlt das Wasser im Reaktor, bleiben die Neutronen zu schnell. Die Kernspaltung und die Kettenreaktion stoppen, der Reaktor stellt ab. Dies ist ein ganz wichtiges Sicherheitsmerkmal unserer Atomkraftwerke.

Bei der Kernspaltung wird die in den Urankernen gespeicherte Kernenergie in Form von Wärme freigesetzt. Mit dieser Wärme wird Dampf erzeugt, der in Kernkraftwerken die Turbinen und Generatoren für die Stromproduktion antreibt.

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Anders als die fossilen Energieträger ist Uran ein Produkt kosmischer Vorgänge, die sich lange vor unserer Zeit abgespielt haben. Das Uran, das wir heute auf der Erde nutzen, war bereits in der kosmischen Staubwolke vorhanden, aus der unsere Sonne und die Planeten entstanden sind.

Dementsprechend ist Uran auf der Erde weit verbreitet und kommt in fast allen geologischen Formationen vor, wenn auch oft nur in kleinen Konzentrationen.

Die Energiedichte im Uran ist extrem hoch. Bei der Kernspaltung wird daher sehr viel mehr Energie gewonnen als bei jeder anderen Form der Energieumwandlung.

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