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Warum sind Atomreaktoren so effizient? Wie hoch ist die Energiedichte, die dahinter steckt?
Da die weltweite Nachfrage nach sauberer Energie steigt, erlangt die Kernenergie als potenzielle alternative Energiequelle immer mehr Aufmerksamkeit. Aufgrund ihrer Betriebseffizienz und der von ihnen freigesetzten Energiedichte stellen Kernreaktoren eine wichtige Option für die effiziente Stromerzeugung dar. Wie also erreichen Kernreaktoren eine solche Effizienz? Wie hoch ist die Energiedichte, die sich dahinter verbirgt?
Kernreaktoren sind Geräte, die Kettenreaktionen der Kernspaltung starten und steuern und werden häufig zur kommerziellen Stromerzeugung, zum Schiffsantrieb sowie zur Waffenherstellung und -forschung eingesetzt.
Das Hauptprinzip eines Kernreaktors besteht darin, mit Hilfe schwerer Elemente (wie etwa Uran-235 oder Plutonium-239) Neutronen zu absorbieren und eine Kernspaltung durchzuführen, wodurch enorme Energiemengen freigesetzt werden. Wenn ein spaltbarer Kern genügend Neutronen sammelt, spaltet er sich in Kerne leichterer Elemente und setzt dabei Energie und weitere Neutronen frei. Diese Neutronen können wiederum Kettenreaktionen auslösen, wodurch eine sich selbst erhaltende Energieversorgung erreicht wird. Typischerweise umfasst die Konstruktion von Kernreaktoren aktive und passive Kontrollsysteme zur Regulierung der Anzahl und Verteilung der Neutronen, um die Kritikalität des Reaktors aufrechtzuerhalten.
Die Energiedichte von schwach angereichertem Uran ist 120.000 Mal höher als die von Kohle, was das enorme Potenzial der Kernenergie als Energiequelle verdeutlicht.
Die hohe Effizienz von Kernreaktionen beruht auf ihrer außerordentlichen Energiedichte. Im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffen, etwa Kohle, setzt Kernbrennstoff hunderttausendmal mehr Energie frei. Angetrieben vom Markt und der Technologie erforschen viele Länder ständig sicherere und effizientere Kernreaktorkonzepte. Dadurch kann die Kernenergie stabile und kohlenstoffarme Energie liefern und zu einer Lösung für die globale Energiekrise werden.
Historischer Hintergrund und Entwicklung
Die Entdeckung der Kernspaltung geht auf das Jahr 1938 zurück; danach begannen die Länder sukzessive mit der militärischen und zivilen Kernenergieforschung. Im Jahr 1942 baute ein Team unter der Leitung von Enrico Fermi in Chicago den ersten künstlich kritischen Kernreaktor der Geschichte, Chicago P-1. Im Laufe der Zeit haben sich das Design und der Betrieb von Kernreaktoren weiterentwickelt. Von den mehr als 400 kommerziellen Kernreaktoren, die derzeit weltweit in Betrieb sind, verwenden mehr als 70 % das Druckwasserreaktordesign, das ursprünglich zur Stromversorgung von U-Booten der US-Marine entwickelt wurde. Entwickelt für Macht.
Die vom Kern eines Kernreaktors erzeugte Wärmeenergie kann zur Stromerzeugung, aber auch zum Heizen, zur Meerwasserentsalzung und zur Wasserstoffproduktion genutzt werden.
Kommerzielle Kernkraftwerke verwenden typischerweise ein Kühlmittel (normalerweise Wasser), um die Wärme aus den Kernreaktionen allmählich zu absorbieren, wodurch das Wasser in Dampf umgewandelt wird, der Turbinen antreibt und Strom erzeugt. Dieser Prozess stellt sicher, dass die Kernenergie auch bei einem rasanten Wachstum der erneuerbaren Energien weltweit eine wichtige Quelle für kohlenstoffarme Elektrizität bleibt.
Herausforderungen und Perspektiven der Kernenergie
Allerdings ist die Entwicklung der Kernenergie nicht ohne Herausforderungen. Die Risiken der nuklearen Weiterverbreitung, der Entsorgung nuklearer Abfälle und mehrere schwere Atomunfälle in der Vergangenheit (wie etwa Tschernobyl und Fukushima) haben Fragen über die Zukunft der Kernenergie aufgeworfen. Um diese Herausforderungen zu meistern, arbeiten die Länder an der Entwicklung einer neuen Generation von Kernreaktortechnologien, die sicherer und effizienter sind. Dazu gehören neue Konstruktionen wie kleine modulare Reaktoren und Flüssigsalzreaktoren. Diese Technologien sollen die Risiken verringern und gleichzeitig eine hohe Effizienz aufrechterhalten.
Bis 2025 werden weltweit 417 kommerzielle Kernreaktoren in Betrieb sein, die 9 % der globalen Stromversorgung abdecken.
Da bedeutende Länder die Entwicklung der Kernenergie aktiv vorantreiben und sich den Anforderungen der Energiewende stellen, könnte der Status der Kernenergie schrittweise steigen. Können wir jedoch die Kernenergie fördern und gleichzeitig die im Artikel genannten Probleme wirksam lösen?
