Lösungen zu den Teste-dich-Aufgaben
a Lise Meitner und Otto Hahn stellten fest, dass beim Beschuss von Uran mit Neutronen Barium entsteht. Das konnte nurbedeuten, dass das Uranatom aufgespalten wurde, da Barium deutlich kleinere Atomkerne hat als Uran.
b Bei einer Kernspaltung wird ein großer Atomkern in zwei mittelgroße Atomkerne gespalten. Dabei wird Energie frei.
c Die positiv geladenen Protonen im Kern stoßen sich gegenseitig ab. Im Atomkern wirken jedoch starke Kräfte, die alle Teilchen trotzdem zusammenhalten. Bei der Kernspaltung
werden diese Kräfte überwunden und die abstoßenden Kräfte zwischen den Protonen freigesetzt.
d Da Uran 92 Protonen besitzt, muss der Spaltpartner von Caesium mit 55 Protonen Rubidium mit 37 Protonen sein.
a Damit eine Kettenreaktion entstehen kann, muss genug spaltbares Material vorhanden sein. Außerdem benötigt man Neutronen mit der richtigen Geschwindigkeit, um die Kettenreaktion zu starten und am Laufen zu halten.
b Natürliches Uran enthält zu wenig des spaltbaren Isotops Uran‑235. Es besteht hauptsächlich aus Uran‑238.
Zweitens lösen viele der freigesetzten Neutronen, keine eine neue Spaltung aus. Sie werden zum Beispiel vom nicht spaltbaren Uran‑238 aufgenommen oder verlassen das Material. Deshalb reicht die Zahl der Neutronen nicht aus, um die Reaktion aufrechtzuerhalten.
Drittens fehlt in der Natur meist ein geeigneter Stoff (Moderator), der die schnellen Neutronen abbremst. Langsame Neutronen spalten Uran‑235 viel leichter, deshalb ist ein Moderator wichtig, damit eine Kettenreaktion entstehen kann.
c Bei einer unkontrollierten Kettenreaktion nimmt die Anzahl der Kernspaltungen mit jeder Neutronengeneration zu. Alle frei werdenden Neutronen (meist zwei oder drei) spalten wieder Atomkerne.
Bei einer kontrollieren Kettenreaktion bleibt die Anzahl der Kernspaltungen in jeder Neutronengeneration gleich. Es wird dazu immer ein Teil der frei werdenden Neutronen eingefangen, sodass sie keine weiteren Atomkerne spalten können.
d Im Kernkraftwerk möchte man eine konstante Energiemenge erzeugen. Eine explosiv ansteigende Energiefreisetzung wie bei der unkontrollierten Kettenreaktion würde den Reaktor zerstören.
e Der erste Tischtennisball stellt das erste Neutron dar. Der Tischtennisball löst eine Falle aus und springt weiter. Der Start-Tischtennisball und der Tischtennisball aus der ersten Falle stehen für die Neutronen der ersten Neutronengeneration. Beide lösen jeweils wieder Mausefallen aus. Das Auslösen der Mausefallen steht für die Kernspaltung. Der Zustand, dass alle Mausefallen ausgelöst wurden, steht für den Zustand, dass keine spaltbaren Kerne mehr da sind.
a Die Urankerne in den Brennstäben sind das Spaltmaterial.
Die Anzahl der mithilfe eines Moderators auf die passende Geschwindigkeit gebrachten Neutronen bestimmt, wie viele Kernspaltungen stattfinden, also welche Energiemenge freigesetzt wird. Soll ein Kraftwerk mehr Energie produzieren, werden weniger der freien Neutronen abgefangen und es kommt zu einer größeren Zahl von Kernspaltungen.
b 
c Folgende Sicherheitsvorkehrungen gibt es:
– Mehrere Strahlungsbarrieren umschließen den Kernreaktor.
– Durch getrennte Wasserkreisläufe wird verhindert, dass radioaktives Material entweichen kann.
– Mithilfe von Steuerstäbe lässt sich die Kettenreaktion im Notfall sehr schnell unterbrechen.
a Die Radioaktivität im Innern eines Kernkraftwerks ist gefährlich und muss mit großem Aufwand sicher eingeschlossen sein. Eine Bestrahlung der Mitarbeiter sowie das Austreten von Strahlung muss auf jeden Fall verhindert werden.
Kernkraftwerke erzeugen außerdem eine große Menge radioaktiver Abfälle. Dieser Abfall muss sicher entsorgt werden, weil er über sehr lange Zeit noch radioaktiv ist.
b Vorteile: großer Energiegewinn aus wenig Brennmaterial, umweltfreundliche Abgasbilanz (keine Freisetzung von Kohlenstoffdioxid)
Nachteile: radioaktiver Abfall, Gefahr eines atomaren Unfalls, Aufwendige Sicherheitsvorkehrungen
c In Tschernobyl wurde der Super-GAU durch menschliches Versagen ausgelöst. Bei einem Sicherheitstest wurde einen Stromausfall simuliert. Dadurch entstand eine große
Wärmemenge, die die Brennstäbe verformte und somit eine Abschaltung unmöglich machten.
In Fukushima sorgte ein Tsunami für den Ausfall der Stromversorgung. Dadurch versagten die Kühlsysteme. Der Reaktor überhitzte.
In beiden Fällen kam es zur Kernschmelze.
a Wärmekraftwerk (Kohle, Öl, Gas), Kernkraftwerk, Windkraftwerk, Wasserkraftwerk, Solarkraftwerk
b Kernkraftwerk:
Wärmekraftwerk zum Beispiel Kohlekraftwerk:
Windkraftwerk:
Solarkraftwerk:
c Beim Vergleichen von Kraftwerken spielen technische, ökologische, ökonomische und gesellschaftliche Faktoren eine Rolle:
Technische Faktoren beschreiben, wie gut ein Kraftwerk funktioniert. Dazu gehören zum Beispiel der Wirkungsgrad oder die Verfügbarkeit von Brennstoffen oder Energiequellen.
Ökologische Faktoren betreffen die Auswirkungen auf die Umwelt. Dazu zählen der Ausstoß von Schadstoffen wie CO₂, die Belastung von Luft, Wasser und Boden sowie Eingriffe in die Natur, zum Beispiel durch den Bau von Anlagen oder den Abbau von Rohstoffen.
Ökonomische Faktoren beziehen sich auf die Kosten. Dazu gehören die Baukosten, die Betriebskosten und die Kosten für den Brennstoff.
Gesellschaftliche Faktoren betreffen die Auswirkungen auf die Menschen. Dazu zählen die Akzeptanz in der Bevölkerung oder mögliche Gefahren (z. B. bei Kernkraftwerken).