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Über die Physik der Atomkraft

Gespräch mit dem Physiker Janosch Deeg (Teil 1)

VEB Atomkraftwerk Rheinsberg, Quelle: Bundesarchiv, Bild 183-E0506-0004-012 / CC-BY-SAFukushima, Tschnernobyl, die Angst vor dem Super-GAU und die Frage nach dem Atomausstieg – und immer wieder Fukushima. Jeder will angesichts des Desasters in Japan nun mitreden, doch nur wenige wissen wirklich, was es mit Atomkraft überhaupt auf sich hat.

Dies ist kein Vorwurf an eine vermeintlich ungebildete Gesellschaft, sondern an die Vertreter der Medienlandschaft, die entweder nicht gewillt oder nicht in der Lage sind, wirklich tiefgründig zu informieren. Ist es die Auffassung, dass die Leser besser nicht überfordert werden sollten? Oder sind gar die Medien überfordert bei der Aufgabe, die Physik der Radioaktivität und Atomkraft so zu erläutern, dass es auch ein studierter Geisteswissenschaftler noch verstehen würde, oder eben auch ein nichtstudierter Rentner? Stößt die Informationsgesellschaft an ihre Grenzen?

Es ist müßig sich darüber den Kopf zu zerbrechen. Nichtsdestotrotz wäre vielleicht in den vergangen Wochen eine „Sondersendung mit der Maus“ im Abendprogramm der ARD angebracht gewesen, die das Thema Radioaktivität und Atomkraft aufgreift und ebenso die physikalische Seite erläutert. Denn wie reagiert das mit dem Informationsauftrag ausgestattete öffentlich-rechtliche Programm? Es werden Politiker in Talkshows eingeladen, die – vielleicht mit Ausnahme von Kanzlerin Angela Merkel – , eher wenigber über Atomkraft und Strahlung wissen. Stattdessen wird von Interessengruppen Desinformation betrieben: Sowohl von der Atomlobby als auch von Atomkraftgegnern.

Florian Hauschild traf für le bohémien den Diplom-Physiker und Doktoranden Janosch Deeg. Gemeinsam sprachen die beiden über die Physik der Atomkraft.

le bohémien: Herr Deeg, wir würden uns gerne ein wenig über Kernkraft mit Ihnen unterhalten. Wir denken, dass es die Aufgabe der Medien sein sollte die Menschen besser aufzuklären. Stehen Sie für dieses Vorhaben zur Verfügung?

Deeg: Es scheint wohl die gängige Meinung zu sein, dass es ist nicht zwangsläufig die Aufgabe der Medien ist, die Menschen über alle möglichen Technologien und Errungenschaften unserer Zeit zu informieren. Wie Solarstrom hergestellt wird, wissen doch auch nicht wirklich viele, außer dass es mit der Sonne zu tun hat. Wieso müssen dann die Medien erklären was Atomstrom ist, es gibt doch Fachliteratur?

Ich persönlich finde aber genau diesen Zustand sehr schade. Ich bin der Meinung, dass Wissenschaft in den Medien viel zu selten verständlich erklärt wird. Und angesichts der Brisanz der Thematik „Atomkraft“, finde ich, dass es unbedingt notwendig ist, wissenschaftlich in die Tiefe zu gehen. Es ist mein Anliegen, wissenschaftliche Inhalte verständlich zu transportieren, und nicht nur von Kernschmelze, Brennstäben und Kühlsystemen zu berichten. Das Problem ist, dass eigentlich niemand versteht, was im Kern passiert, also jetzt im Kern der Sache (lacht).

Von einem Atomkraftwerk und seinem Aufbau haben wir in letzter Zeit viel gehört, Schaubilder gesehen und Animationen vorgeführt bekommen. Aber das Grundlegende, nämlich die Physik der Radioaktivität, der Strahlung und der Kernspaltung wird meist ausgespart oder nur unzureichend erläutert, und deswegen haben wir es wohl auch nicht wirklich verstanden. Zumindest hätte ich es nicht, besäße ich nicht das Wissen eines abgeschlossenen Physikstudiums.

le bohémien: Deshalb haben Sie sich also zum Interview mit uns entschlossen?

Deeg: Ja und weil mir die Idee gefiel, dass dies kein politisches Interview sein soll, kein Pro und Contra. Ich will lediglich wissenschaftlich und zugleich verständlich erklären mit was wir es zu tun haben, wenn wir von Kernspaltung, Radioaktivität und Kernkraft sprechen. Im besten Falle kann damit erreicht werden, dass die Debatte sachlicher geführt wird und sich nicht der Ängste einer unterinformierten Bevölkerung bedient. Jeder kann dann selbst entscheiden, ob er für oder gegen Atomkraft ist, und dies bestenfalls auch wissenschaftlich untermauern. Ich hoffe, dass ich nicht an der Herausforderung, die Sachlage einfach und verständlich zu schildern, scheitern werde. Ein Versuch ist es wert.

le bohémien: Gut, fangen wir an. Wenn man von Atomkraft spricht, sollte man vielleicht erst noch einmal kurz erklären was genau ein Atom ist. Jeder sollte es in der Schule gelernt haben aber im Detail ist es wohl den wenigsten noch präsent.

Deeg: Nun gut, also alles ist ja bekanntlich aus Atomen aufgebaut, deswegen können Atome wohl von Grund auf nicht wirklich „böse“ sein. Zuerst dachte man, dass Atome die kleinsten Teilchen sind, die sich nicht weiter teilen lassen. Deshalb auch der Name, von dem griechischen „atomos“ – das Unzerschneidbare. Dann fanden schlaue Leute aber heraus, dass das Atom erstens aus Elektronen besteht, die um einen Atomkern herumschwirren, welcher wiederum aus Protonen und Neutronen besteht.

Doch auch diese Einteilung war noch nicht das Ende vom Lied, sondern man erkannte, dass wohl auch die Protonen und Neutronen aus wiederum kleineren Teilchen bestehen, den Quarks. Ein einzelner Quark wurde jedoch noch nie nachgewiesen, sondern immer nur Paare oder Tripel. Somit fehlt bis heute der finale Beweis, dass Quarks wirklich eigenständige Teilchen sind. Dies ist aber für die Atomkraft eher unerheblich.

Anhand von der Zusammensetzung eines Atoms, sprich der Anzahl seiner Elektronen bzw. Protonen, kann man eine Stoffeinteilung vornehmen. Ein Atom besitzt dieselbe Anzahl von Elektronen (einfach negativ geladen) und Protonen (einfach positiv geladen). Wenn man das Atom als Ganzes betrachtet, ist dieses also ungeladen, da sich die Elektronen und Protonen neutralisieren. Ist die Anzahl von Protonen und Elektronen nicht gleich nennt man es Ion.

Im Kern befinden sich wie oben erwähnt noch Neutronen, das sind ungeladene Teilchen mit derselben Masse wie Protonen. Bei vielen Elementen sind im Kern ungefähr so viele Neutronen wie Protonen. Haben zwei Atome die gleiche Anzahl an Elektronen und Protonen, aber verschieden viele Neutronen, dann nennt man sie Isotope des gleichen Stoffs.

Die letzte Bezeichnung die im Zusammenhang mit Atomkraft oft fällt ist das Nuklid. Nuklid verwendet man, um die verschieden Atome wirklich genau nach Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern zu definieren. Nuklid ist also die genauste Unterscheidung oder Bezeichnung für eine Atomsorte.

Das einfachste Atom, das Wasserstoffatom, besteht aus nur einem Elektron und der Kern besitzt nur ein Proton. Uran hingegen, das durch die Atomkraft fragliche Berühmtheit erlangte, ist etwas komplizierter aufgebaut. Es besitzt 92 Protonen sowie 92 Elektronen, aber die Neutronenanzahl variiert, deswegen gibt es verschiedene Urannuklide.

le bohemien: Bleiben wir mal beim Uran. Das kennen wir, wie sie sagen, ja nun alle aus den Nachrichten. Was ist denn so besonders an Uran?

Deeg: Es gibt Stoffe, oder sagen wir lieber Nuklide, wie das erwähnte Uran oder Plutonium, die sind radioaktiv. Das bedeutet, dass sie nicht stabil sind und irgendwann spontan aber zufällig in ein oder mehrere leichtere Elemente zerfallen, deren Zustände energetisch niedriger sind als der Ausgangszustand. Von diesen instabilen Nukliden gibt es sehr viele. Als grobe Faustregel kann man sagen, dass leichte Nuklide stabil sind, wenn sie gleich viele Neutronen wie Protonen im Kern haben. Dies gilt allerdings nicht für sehr leichte Elemente, die können trotzdem stabil sein, siehe Wasserstoff, was ja gar kein Neutron besitzt. Es gilt auch nicht für mittelschwere und schwere Elemente. Dort sorgt nur ein bestimmter ein Neutronenüberschuss für Stabilität.

Nun radioaktive Nuklide zerfallen also irgendwann zufällig. Manche schneller, manche langsamer, was mit der Halbwertszeit ausgedrückt wird. Die Halbwertszeit eines radioaktiven Nuklids ist die Zeit, nach der bei einer großen Anzahl durchschnittlich die Hälfte zerfallen ist, die andere Hälfte aber noch nicht. Sprich, hätte ein Nuklid eine Halbwertszeit von 50 Jahren und man hat 2000 Nuklide, dann wäre die Wahrscheinlichkeit am größten, dass nach 50 Jahren 1000 Nuklide schon zerfallen sind.

Das bedeutet aber, wenn man davon ausgeht – was Wissenschaftler tun – dass bei der Entstehung des Universums viele radioaktive Nuklide vorhanden waren, jetzt nur noch diejenigen in größeren Mengen vorhanden sind, welche eine hohe Halbwertszeit haben. Alle anderen sind ja schon zu großen Teilen zerfallen. Das heißt, hier auf der Erde findet man zwar natürliche radioaktive Nuklide, aber die zerfallen erstens langsam und zweitens meistens geschützt in der Erdkruste, so dass die Strahlung, die dabei entsteht, für den Menschen keine Bedrohung darstellt. Das Urannuklid 235U, welches in der Kernkraft Verwendung findet, hat zum Beispiel eine Halbwertszeit von ungefähr 700 Millionen Jahren. Deswegen ist es auch in der Natur noch in „größeren“ Mengen vorhanden und kann abgebaut und schließlich zur Energiegewinnung genutzt werden.

Darüber hinaus können radioaktive Elemente auch neu entstehen. Entweder durch Zerfall eines anderen radioaktiven Nuklids oder zum Beispiel in der Atmosphäre wo radioaktive Elemente aus nicht-radioaktiven durch Beschuss mit kosmischer Strahlung hervorgehen. Auf diese und weitere Entstehungen einzugehen, würde aber wohl den Rahmen sprengen.

le bohémien: Ok dann bleiben wir mal beim Zerfall. Was passiert denn nun eigentlich bei einem solchen Zerfall genau, wieso ist er so interessant?

Deeg: Nun wenn ein Atom – bleiben wir mal beim Uran – wenn also eines der Urannuklide zerfällt entsteht ein neues Nuklid, was ja aber nicht stabil sein muss und auch und diesem Fall nicht ist. Das heißt, das neu entstandene Nuklid zerfällt wieder irgendwann usw. Das ganze nennt man dann eine Zerfallskette, die endet erst dann wenn ein stabiles Nuklid entstanden ist. Wie schnell das geht, hängt immer von der Halbwertszeit des jeweiligen Nuklids ab. Bei jedem einzelnen Zerfall wird Energie frei, und zwar in Form von radioaktiver Strahlung. Diese radioaktive Strahlung ist es, die die Sache nun für den Menschen bzw. für viele biologische Materialien gefährlich werden lässt.

le bohémien: Könnten sie uns dann vielleicht mal aufklären was genau das für eine Strahlung ist?

Ja sicher, es gibt drei verschiedene Arten radioaktiver Strahlung:

1. Alphastrahlung: Bei dieser Form zerfällt das radioaktive Element in zwei leichtere Elemente, das eine ist ein Heliumkern der keine Elektronen besitzt, also positiv geladen ist. Dieser Heliumkern wird in die Umwelt abgegeben, und bildet sozusagen die Strahlung. Beim dazugehörenden so genannten Alphazerfall wird also wirkliche Materie ausgesendet. Das zurückbleibende Element ist leichter, da es ja Materie verloren hat.

2. Betastrahlung: Diese Strahlung besteht aus geladenen Teilchen, entweder Elektronen oder Positronen. Beide Teilchen sind fast masselos, also behält das Element beim so genannten Betazerfall seine ursprüngliche Masse bei. Positronen habe ich bisher noch nicht erwähnt. Vielleicht hole ich das kurz nach. Positronen sind das Gegenstück zu Elektronen und nicht zu verwechseln mit Protonen. Positronen sind wie gesagt fast masselose Teilchen und positiv geladen und entstehen in diesem Fall, wenn sich im Kern ein positives Proton in ein neutrales Neutron umwandelt. Die überschüssige positive Ladung wird dann in Form eines Positrons abgegeben.

3. Gammastrahlung: Die Gammastrahlung ist eine ungeladene massefreie Strahlung. Sie ist hochenergetisch und elektromagnetisch. Gammastrahlung ist eine Begleiterscheinung von Alpha- oder Betazerfall, kann aber auch durch andere physikalische Phänomene zustande kommen. Die Abgabe von Gammastrahlung ist eine Form von Energieverlust bei dem das zerfallene Atom, welches sich direkt nach dem Zerfall in einem angeregten Zustand befindet, in einen Zustand niedrigerer Energie übergeht. Man kann sich das ganze bildlich vorstellen: Das Atom schwingt oder rotiert stark nach dem es zerfallen ist und nach Abgabe von Gammastrahlung, also Energie, wird diese Bewegung langsamer.

le bohémien: Das waren jetzt also alle Strahlungen die bei einem Zerfall eines radioaktiven Elements freigesetzt werden?

Deeg: Ja, das waren zumindest diejenigen die bei einem natürlichen radioaktiven Zerfall auftreten. Es gibt noch weitere, wie z.B. die Neutronenstrahlung, die bei einer induzierten Kernspaltung auftreten, auf die wir aber nicht auch noch eingehen sollten.

le bohemien: Und wieso ist die Strahlung jetzt gefährlich, bzw. was kann sie verursachen?

Deeg: OK, fangen wir bei der Alphastrahlung an. Entsteht bei einem radioaktiven Zerfall Alphastrahlung, ist das erstmal für den Menschen nicht weiter bedenklich. In die Luft kommt ein Alphateilchen nur ungefähr 10 Zentimeter, aufgrund der Wechselwirkung mit den Luftmolekülen. Dringt es dennoch in die Haut ein, zerstört es nur die obersten Hautschichten, die sowieso schon abgestorben sind oder am absterben sind. Problematisch wird es erst, wenn solche Strahlung direkt im Körper entsteht, zum Beispiel wenn durch Nahrung radioaktives Material aufgenommen wurde und in einem Organ angelagert wird. Dann können Alphastrahlen funktionierende Zellen zerstören und erheblichen Schaden anrichten.

Im Falle der Betastrahlung ist die Reichweite stark abhängig von der Energie, die die Teilchen besitzen. Die Energie wiederum ist abhängig von dem Element welches zerfällt. Die Reichweite kann in der Luft mehrere Meter erreichen, wird aber schon von einem dicken Glas abgeschirmt. Trotzdem schädigt Betastrahlung nur die obersten Hautschichten, kann aber bei hohen Dosen Hautkrebs verursachen. Auch hier ist wieder das Hauptproblem die Aufnahme von radioaktivem Material und der Verstrahlung von innen, z.B. durch radioaktives Jod, welches sich in der Schilddrüse ablagert und dort Krebs verursachen kann.

Die hochenergetische Gammastrahlung ist die am schwersten abzuschirmende Strahlung. Durch dicke Bleischichten zum Beispiel, kann man aber auch diese Form der Strahlung relativ gut abschirmen. Gammastrahlen können in den Körper eindringen und chemische Bindungen aufbrechen. Dies kann zur Veränderung des genetischen Materials führen, was wiederum bei der Teilung der Zellen zu Mutationen und schließlich zu Krebsgeschwüren führen kann.

le bohémien: Treten die genannten Strahlungen denn immer im gleichen Maße auf? Sprich: Zerfällt Uran immer mit dem selben Strahlungs-Cocktail? Hat jedes Element eine verschiedene Mischung der Strahlungsintensitäten?

Deeg: Es gibt Nuklide, die auf verschiedene Arten zerfallen können. Das bedeutet, dass dann auch die emittierte Strahlung verschieden sein kann, je nach Zerfallsart. Aber eine bestimmte Zerfallskette hat ihren charakteristischen Strahlencocktail und meist hat ein Nuklid nur einen bestimmten Zerfallsweg, deswegen ist dann die Energie und die Zusammensetzung der Strahlung immer genau die gleiche.

le bohémien: Bisher konnten wir, denke ich, ganz gut folgen. Wir haben uns erinnert was ein Atom ist, aus welchen Teilen dies besteht und dass die Anzahl der Teile darüber bestimmt, um welches Element es sich letztendlich handelt. Dann gibt es radioaktive Elemente wie Uran, welche unkontrolliert zerfallen in Zerfallsketten. Bei jedem einzelnen Zerfall wiederum wird Energie in Form verschiedener Arten von radioaktiver Strahlung frei. Kommen wir zu der Frage was das diese Radioaktivität mit Atomkraft zu tun hat…

…weiter mit Teil 2

Artikelbild: VEB Atomkraftwerk Rheinsberg, Quelle: Bundesarchiv, Bild 183-E0506-0004-012 / CC-BY-SA

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10 Kommentare zu "Über die Physik der Atomkraft"

  1. Kris sagt:

    Danke für diese sehr gute physikalische Zusammenfassung über Atomkraft! Gruß K.

  2. Jasper sagt:

    Schoener Blog, ich komme jetzt regelmaessig

  3. Schade das Thema hätte mich auch interessiert:

    Darüber hinaus können radioaktive Elemente auch neu entstehen. Entweder durch Zerfall eines anderen radioaktiven Nuklids oder zum Beispiel in der Atmosphäre wo radioaktive Elemente aus nicht-radioaktiven durch Beschuss mit kosmischer Strahlung hervorgehen. Auf diese und weitere Entstehungen einzugehen, würde aber wohl den Rahmen sprengen.

    Wird bei dem Fusionsprozess wie er in der Sonne stattfindet, diese kosmische Strahlung freigesetzt?
    Wenn Ja dann weiß man ja was auf und zukommt wen wir diesen Prozess auf der Erde auch umsetzt!

  4. Janosch Deeg sagt:

    @ Wolfgang: Ja, es wird auch in der Sonne kosmische Strahlung freigesetzt, hauptsächlich die sogenannten Sonnenwinde, welche aus Protonen, Elektronen und Alphateilchen bestehen. Durch den Sonnenwind verliert die Sonne pro Sekunde 1 Mio Tonnen an Masse. Diese Strahlung entseht aber nicht durch die Kernfusion die im Inneren der Sonne abläuft.
    Insgesamt besteht Sonnestrahlung in erster Linie aus elektromagnetischer Strahlung, dazu zählen auch die sichtbaren Lichtstrahlen die bei uns auf der Erde ankommen. Diese sind aber bei weitem nicht so hochenergetisch wie die ebenfalls elektromagnetische Gammastrahlung, die bei einem radioktiven Zerfall entstehen kann.
    Darüberhinaus ist die Sonne ist bei weitem nicht alleine verantwortlich für die gesamte kosmische Strahlung. Der Urpsrung dieser Strahlung sind verschieden Vorgänge in unserer Galaxie wie Supernovas, was aber wie gesagt Themen für sich wären.
    Im Allgemeinen entstehen bei Fusionsprozesse aber schon auch radioaktive Abfallprodukte, aber nicht in dem Ausmaß wie bei der Kernspaltung.
    Vielleicht hat das etwas weitergeholfen.

    • Ja hat es, ich habe mal an einem Pelletinjektor mitgebastelt, als Energieanlagenelektroniker, und da wurde bei den Kabelisolierungen und Kabelbindern sehr auf Strahlungsunempfindliche Materialien geachtet! ist aber schon über 20 Jahre her!

  5. Ronald sagt:

    schönes sachliches interview. weiter so.

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