Kernenergie: Chancen und Risiken

Von Hansruedi Völkle

Dieses Buch beschäftigt sich mit der Frage, ob beim Streit um die Kernenergie der rechtzeitige Ausstieg aus fossilen Brenn- und Treibstoffen verpasst werden könnte und ob angesichts des Klimawandels und der Energiekrise die Rolle der Kernenergie neu überdacht werden sollte.

Das Buch beginnt bei der Entdeckung der Kernspaltung und den Kernwaffenversuchen und diskutiert die Folgen der Reaktorkatastrophen von Tschernobyl und Fukushima. Anschließend erhält der Leser einen Überblick über die Herausforderungen, die sich bei der Nutzung der Kernenergie stellen. Weitere Kapitel behandeln die Wirkung von Strahlung und die damit verbundenen Risiken und stellt diese in den Kontext der Gefahren des täglichen Lebens. Im Anschluss steht die Frage im Fokus, wie die nukleare Sicherheit und der Notfallschutz verbessert werden können. Der Autor reflektiert, welche Herausforderungen eine nachhaltige und CO2-freie Energiewirtschaft bedeuten und welche Energiequellen, zumindest in einer Übergangsphase, eine Rolle spielen könnten. Der Autor diskutiert Vor- und Nachteile eines Kernkraftausstiegs angesichts des Klimawandels und im Rahmen einer Energiestrategie, bei der in Zukunft der Strom zum Hauptenergieträger wird.

Der Autor

Hansruedi Völkle studierte Physik, promovierte 1980 zum Thema Kernphysik und Strahlenschutz. 2001 wurde er an der Universität Fribourg zum Titularprofessor ernannt. Beim Schweizer Bundesamt für Gesundheit war er viele Jahre im Strahlenschutz und bei der Überwachung der Umweltradioaktivität tätig. An der Universität Fribourg leitete er das Studienprogramm in Umweltwissenschaften. Fast 20 Jahre diente er der Deutsch-Schweizerischen Kommission für die Sicherheit kerntechnischer Einrichtungen als Experte im Strahlenschutz.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Springer
• Erscheinungsdatum: 1. Juni 2020
• ISBN: 9783662593011

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© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020

H. VölkleKernenergiehttps://doi.org/10.1007/978-3-662-59301-1_1

1. Das Spiel mit dem Feuer

Hansruedi Völkle¹  

(1)

Physics Departement, University of Fribourg, Fribourg, Schweiz

Hansruedi Völkle

Email: [e-mail]

Die Entdeckung der Kernspaltung erschloss der Menschheit eine neue Energiequelle. Leider blieb es nicht bei der «friedlichen Nutzen», denn im August 1945 wurden die japanischen Städte Hiroshima und Nagasaki durch Atombomben zerstört.

Bis in die 90er-Jahre kam es in der Folge zu einem Wettrüsten der Großmächte. Während des kalten Krieges wurde das nukleare Waffenarsenal in Ost und West zu einer permanenten, gegenseitigen Bedrohung, zu einem labilen Gleichgewicht des Schreckens.

Mit der Genfer Konferenz «Atoms for Peace» von 1955 trat die Kernenergie als neuer Prozess der Energiegewinnung in den Vordergrund, zunächst begrüßt mit großer Euphorie, die dann später in vielen Ländern einer kritischen Einstellung oder gar einer Ablehnung Platz machte.

Kernspaltung, Radioaktivität und ionisierende Strahlung haben heute zahlreiche Anwendungen in Forschung, Medizin und Technik. Möchten wir wirklich darauf verzichten?

1.1 Die Entdeckung der Uran-Spaltung

Die Kernspaltung wurde am 17. Dezember 1938 durch die deutschen Wissenschaftler Otto Hahn (1879–1968) und Fritz Strassmann (1902–1980) entdeckt. In ihrem Labor am Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie in Berlin-Dahlem beschossen sie Uran mit Neutronen und stießen dabei unerwartet auf das Element Barium. Lise Meitner (1878–1968), eine österreichische Physikerin, fand zusammen mit ihrem Neffen Otto Frisch (1904–1979) die wissenschaftliche Erklärung. In einer Veröffentlichung in der Zeitschrift Nature [14] beschreibt sie, wie der Urankern durch die Neutronenanregung in zwei Teile zerfällt, denn beim Experiment von Hahn und Strassmann war Barium (¹⁴⁰Ba) eines der entstandenen Bruchstücke. Diese Reaktion setzt große Energiemengen frei und emittiert zusätzlich ein bis drei Neutronen, die dann weitere Urankerne zur Spaltung anregen. So entsteht eine sich selbst erhaltende, nukleare Kettenreaktion, die Energie erzeugt. Für diese durch thermische Neutronen¹ induzierte Kernspaltung eignen sich nur drei Isotope:

²³⁵U, das heute nur noch 0,72 % des Natur-Urans ausmacht; die restlichen 99,28 % bestehen aus dem Isotop ²³⁸U. Für Leichtwasserreaktoren muss ²³⁵U auf drei bis vier Prozent angereichert werden; für die Verwendung in Atombomben ist eine Anreicherung auf 80 % oder mehr erforderlich.

²³⁹Pu, das in der Natur nur in winzigen Mengen vorkommt und in Brutreaktoren aus ²³⁸U hergestellt werden muss.

²³³U, das in der Natur ebenfalls nicht vorkommt und nur im Brutreaktor erzeugt werden kann, in diesem Fall jedoch aus dem ²³²Th.

Die Kernspaltung mit thermischen Neutronen ist bei diesen drei Isotopen deshalb möglich, weil deren Neutronenzahl ungerade ist (Abb. 1.1). Das letzte Neutron ist nur schwach gebunden und vermindert die Stabilität des Kerns. Ein einfallendes Neutron regt diesen zum Schwingen an, was schließlich zum Zerplatzen in zwei Bruchstücke führt. Gewisse schwere Kerne können auch spontan spalten, mit allerdings geringerer Wahrscheinlichkeit.

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Abb. 1.1

Ausschnitt aus der Nuklidkarte: Schwarz eingefärbt oder umrandet sind die Ausgangsnuklide der drei natürlichen Zerfallsreihen ²³²Th, ²³⁸U und ²³⁵U. Angegeben sind die Halbwertszeiten der Nuklide und die Wirkungsquerschnitte (σf und σc) für den Einfang von thermischen Neutronen. Der Wirkungsquerschnitt wird in der Einheit Barn angegeben (1 b = 10−24 cm²). Dies entspricht etwa dem Querschnitt eines mittelschweren Atomkerns mit einem Durchmesser von 11 fm, also 1,1·10−14 m. Grau eingefärbt sind die mit thermischen Neutronen spaltbaren Nuklide ²³⁵U, ²³³U und ²³⁹Pu die in Bomben oder Reaktoren Verwendung finden. Sie haben alle eine ungerade Neutronenzahl und damit auch einen hohen Wirkungsquerschnitt für Spaltung durch thermische Neutronen (σf); deren Wirkungsquerschnitt für Neutronenaktivierung durch Neutroneneinfang (σc) ist dagegen eher klein [11]

Otto Hahn² wurde 1944 für seine Entdeckung mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet, jedoch ohne Liese Meitner und seinen Assistenten Fritz Strassmann. Frau Meitner wurde in der Nobelpreis-Präsentation lediglich durch Professor Arne F. Westgren (1889–1975) erwähnt.

Die Energiebilanz der Kernspaltung

Die Spaltung eines einzigen ²³⁵U-Kerns liefert rund 200 MeV,³ das sind rund 32 pJ oder 9 · 10−18 kWh. Den größten Teil dieser Energie, nämlich 167 MeV, macht die kinetische Energie der Spaltfragmente aus. Die Spaltung von 1 kg ²³⁵U erzeugt 8,38 · 10¹⁰ kJ, das sind rund 24.000 MWh. Diese Energie ergibt sich aus der Massendifferenz zwischen dem Urankern und den beiden Spaltfragmenten, zuzüglich der Massen der absorbierten und der emittierten Neutronen, umgewandelt in Energie entsprechend der Einstein-Formel $$ E = mc^{2} $$ .

Die Kernbindungsenergie beträgt einige MeV, die chemische oder atomare Bindungsenergie zwischen den Atomen eines Moleküls jedoch nur einige eV; sie ist also rund eine Million Mal schwächer. Deshalb liefert ein Gramm Natururan, bestehend aus rund 99,28 % ²³⁸U und 0,72 % ²³⁵U, bei der Kernspaltung des darin enthaltenen Anteils an ²³⁵U rund 20.000-mal mehr Energie als die Verbrennung von einem Gramm Steinkohle.

Diese Entdeckung stimulierte optimistische Wissenschaftler auf beiden Seiten des Atlantiks. Es war die Zeit des Zweiten Weltkriegs und sie spekulierten über die Entwicklung einer neuartigen Waffe mit bis dahin unerreicht großer Sprengkraft, aber auch über die Möglichkeit der Energiegewinnung in Kernreaktoren. Kritischer eingestellte Forscher warnten vor solchen Anwendungen und sahen schon damals in dieser neuen Energie eine Büchse der Pandora, also eine Bedrohung der Menschheit, von der man besser die Finger lassen sollte.

Bereits 1942 konstruierte Enrico Fermi (1901–1954) zusammen mit Leó Szilárd (1998–1964) und weiteren Wissenschaftlern in Chicago den ersten Kernreaktor Chicago Pile-1 [5]. Im Gegensatz zur Atombombe, bei der die gesamte Energie innerhalb des Bruchteils einer Sekunde unkontrolliert freigesetzt wird, kann beim Reaktor die Kettenreaktion gesteuert und damit auch jederzeit gestoppt werden. Dies ermöglicht, die kontrolliert erzeugte Wärme via einen Dampfkreislauf zum Antrieb einer Turbine mit Generator und damit zur Stromproduktion zu nutzen. Wie bei jeder Wärmekraftmaschine entstehen, bedingt durch den Carnot-Wirkungsgrad ⁴, etwa zwei Drittel Abwärme, die technisch nicht genutzt werden kann, zu einem geringen Anteil allenfalls zur Erzeugung von Fernwärme.

Der Einstein-Roosevelt-Briefwechsel

Der berühmte Brief von Albert Einstein vom 2. August 1939 an den damaligen amerikanischen Präsidenten Franklin D. Roosevelt hat die Welt verändert. Sowohl er als auch sein Mitverfasser Leó Szilárd waren sich damals wohl kaum bewusst, was dieser Brief für Folgen haben würde.

Einige Sätze aus Einsteins Brief:

«Some recent work by E. Fermi and L. Szilárd … leads me to expect that the element uranium may be turned into a new and important source of energy …

I believe therefore that it is my duty to bring to your attention the following facts and recommendations … that it may become possible to set up a nuclear chain reaction in large mass of uranium, by which vast amounts of power und large quantities of new radium-like element would be generated.

… this new phenomenon would also lead to the construction of bombs, and it is conceivable … that extremely powerful bombs of a new type may thus be constructed. A single bomb of this type, carried by boat and exploded in a port, might very well destroy the whole port together with some of the surrounding territory.

I understand that Germany has actually stopped the sale of uranium from the Czechoslovakian mines which she has taken over. That she should have taken such early action might perhaps be understood on the ground that the son of the German Under-Secretary of State, von Weizsäcker, is attached to the Kaiser-Wilhelm-Institut in Berlin where some of the American work on uranium is now being repeated.» [6]

In einem Punkt jedoch irrte sich Einstein, denn die Bomben wurden bei Einsatz in Hiroshima und Nagasaki vom 6. und 9. August 1945 sehr wohl aus einem Flugzeug abgeworfen:

«However, such bombs might very well prove to be too heavy for transportation by air.» [6]

Roosevelt antwortete am 19. Oktober 1939:

«I found this data of such import that I have convened a Board consisting of the head of the Bureau of Standards and a chosen representative of the Army and Navy to thoroughly investigate the possibilities of your suggestions regard the element of uranium.» [6]

1.2 Entwicklung, Bau und Test von Kernwaffen

Der menschlichen Neugierde sind keine Grenzen gesetzt. Der Fortschritt von Wissenschaft und Technik lässt sich nicht aufhalten, und damit auch nicht die Suche nach Anwendungen dieser neuen Entdeckung. Die Erfahrung zeigt, dass die Euphorie bei der Entdeckung einer neuen Technologie kritische Stimmen, die vor möglichen negativen Folgen warnen, rasch zum Schweigen bringt. So starteten denn die USA das Manhattan Projekt⁵ zur Entwicklung der Atombombe [16]. Auslöser war der berühmte Brief von Albert Einstein (1879–1955) und Leó Szilárd vom August 1939 an den amerikanischen Präsidenten Franklin D. Roosevelt (1882–1945). Das Projekt stand unter der wissenschaftlichen Leitung von J. R. Oppenheimer (1904–1967), während die militärischen Führung bei General L. R. Groves (1896–1970) lag. Dieses unter höchster Geheimhaltung durchgeführt Forschungsprogramm führte zur Entwicklung der ersten Atombombe, die am 16.7.1945 in der Wüste Nevada erfolgreich getestet wurde.

Die Physiker, die hinter dem Vorschlag von Einsteins Brief standen, befürchteten, dass das Nazi-Regime bereits ein solches Forschungsprogramm gestartet hätte. Es war nämlich bekannt, dass Deutschland die Uranminen in der damaligen Tschechoslowakei besetzt hatte und große Mengen Schwerwasser aus Norwegen beschaffte. Sie kamen deshalb zur Überzeugung, dass die USA als erste Nation über eine einsatzfähige Atombombe verfügen sollte. Erst nach dem zweiten Weltkrieg wurde bekannt, dass das deutsche Vorhaben unter Werner Heisenberg ⁶ (1901–1976) noch nicht soweit fortgeschritten war.

Am amerikanischen Kernwaffenprogramm waren zahlreiche Wissenschaftler beteiligt, darunter 21 Nobelpreisträger. Viele waren in den 30er-Jahren aus Europa in die USA ausgewandert. Zur Geheimhaltung arbeiteten die bekanntesten von ihnen unter einem Pseudonym, der italienische Physiker Enrico Fermi als Henry Farmer oder der Däne Nils Bohr (1885–1962) als Nicholas Baker.

Nachdem die erste Bombe am 16. Juli 1945 bei Alamogordo in New Mexico mit Erfolg erprobt werden konnte, beschloss der neue amerikanische Präsident Harry S. Truman (1884–1972) mit dieser neuen Waffe die japanische Kapitulation zu erzwingen. Die USA bombardierten am 6. beziehungsweise 9. August 1945 die Städte Hiroshima und Nagasaki (Abb. 1.2). Zwischen 90.000 und 166.000 Tote in Hiroshima und 60.000 bis 80.000 in Nagasaki waren die Folgen dieser Bombardierung.

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Abb. 1.2

²³⁵Uran-Bombe nach dem Prinzip des «Gun Type» und ²³⁹Pu-Bombe nach dem «Implosion Type»

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Abb. 1.3

Kernwaffenversuche 1945 und 2017: ↑ atmosphärisch, ↓ unterirdisch. (Nach [2, 4])

War die Bombadierung in Japan nötig?

Die Frage, ob Japan auch ohne die Bombardierung von Hiroshima und Nagasaki kapituliert hätte, muss wohl Spekulation bleiben. Es wird vermutet, dass die sowjetische Kriegserklärung an Japan vom 8. August 1945, die das Land zu einen Zweifrontenkrieg zwang, beim japanischen Militär – oder zumindest beim japanischen Kaiser, dessen Rolle beim territorialen Expansionskrieg Japans noch immer unklar ist – zur Einsicht führte, dass die Situation Japans ausweglos geworden sei. Am 15. August verkündete Kaiser Hirohito (1901–1989) in einer reichsweit ausgestrahlten Radioansprache die bedingungslose Kapitulation des japanischen Kaiserreichs. Die entsprechende Erklärung wurde am 2. September 1945 auf dem Schlachtschiff USS Missouri von Vertretern der japanischen Regierung, im Beisein des alliierten Oberkommandierenden General Douglas MacArthur (1880–1964), unterzeichnet.

Bei Hiroshima wurde eine Uran-Bombe vom sogenannten Gun Type eingesetzt. Sie bestand aus hochangereichertem ²³⁵U. Für Kernwaffen sind etwa 80 % Anreicherung von ²³⁵U erforderlich, denn Natururan enthält nur 0,72 % ²³⁵U und besteht überwiegend aus dem Isotop ²³⁸U. In Nagasaki wurde eine Bombe vom Typ Implosion verwendet. Sie bestand aus ²³⁹Pu. Dieses Isotop kommt in der Natur praktisch nicht vor, muss also in Kernreaktor aus ²³⁸U durch Neutroneneinfang erbrütet werden durch die Reaktion ²³⁸U + n → ²³⁹U + β− → ²³⁹Np + β− → ²³⁹Pu.⁷

In den darauffolgenden Jahren folgte in einer Art Kernwaffen-Euphorie ein Wettrüsten der Großmächte USA, England, Sowjetunion, Frankreich und China sowie weiteren Ländern, bei dem Kernwaffentests im Ausmaß von mehreren Tausend Tonnen TNT-Äquivalent⁸ durchgeführt wurden, wovon etwa ein Viertel in der Atmosphäre; die übrigen Test wurden unterirdisch in 200 bis 800 m tiefen Bohrungen durchgeführt. Die Versuche in der Atmosphäre trugen am meisten zur Zunahme der Radioaktivität bei, während bei den unterirdischen Tests in der Regel weniger oder keine Radioaktivität freigesetzt wurde.

Die Politiker und die Militärs hatten Blut gerochen, die Atombombe genügte nicht mehr, man wollte eine noch stärkere Bombe: die Wasserstoffbombe. Bei der sogenannten Drei-Phasen-Bombe oder FFF⁹-Bombe wird nicht nur die bei der Kernspaltung an schweren Elementen frei werdende Energie ausgenutzt, sondern auch jene aus der Verschmelzung leichter Kerne. Die führenden Köpfe bei der Entwicklung der amerikanischen Wasserstoffbombe waren Edward Teller (1908–2003) und Stanislaw Ulam (1909–1984).¹⁰

Albert Einstein, Leó Szilárd und Werner Heisenberg

Der überzeugte Pazifist Albert Einstein machte sich später bis zu seinem Lebensende Gedanken über seinen folgenschweren Brief. Kurz vor seinem Tod soll er zu einem Freund gesagt haben:

«I made one great mistake in my life − when I signed the letter to President Roosevelt recommending that atomic bombs be made; but there was some justification − the danger that the Germans would make them.»

Auch Leó Szilárd hatte nach dem ersten erfolgreichen Kernwaffentest der USA in der Wüste Nevada vom 6. April 1945 ähnliche Bedenken wie Einstein. Zusammen mit 70 weiteren Wissenschaftlern des Manhattan-Projektes verfasste er eine Petition, die allerdings nie an Präsident Harry S. Truman (1884–1972) weitergeleitet wurde. Vermutlich hat der kurz darauf (am 3.7.1945) zum Außenminister (Secretary of State) ernannte James F. Byrnes (1882–1972), der für eine harte Haltung gegenüber Japan bekannt war, dies verhindert. Diese Petition forderte, dass die USA zuerst eine Warnung an Japan abgeben sollten mit dem Inhalt, dass man eine neue, sehr gefährliche Waffe besäße und diese einsetzen würde, wenn Japan die Kapitulation verweigerte.

Erst nach dem Krieg zeigte sich, dass die Forschung in Deutschland − an der vor allem Werner Heisenberg (1901–1976) als Verantwortlicher beteiligt war − nicht so weit fortgeschritten war, wie man es damals in den USA befürchtet hatte. Nach den Aufzeichnungen zu einem Treffen zwischen Werner Heisenberg und Nils Bohr (1885–1962) in September 1941 in Kopenhagen ist zu vermuten, dass die Deutschen vorerst nur an einem Kernreaktor – also nicht an einer Bombe – arbeiteten. Dieser Reaktor, der Anfang 1945 in einem Felsenkeller in Haigerloch in Baden-Württemberg eingerichtet wurde, war vermutlich unterdimensioniert und wurde bis Kriegsende nie kritisch. Ob Heisenberg bewusst die Forschung Richtung Reaktor und nicht Richtung Bombe lenkte, um zu verhindern, dass Hitler die letztere im Krieg einsetzten könne, muss Spekulation bleiben. Weitere bekannte Physiker am Deutschen Uranprojekt waren u. a. Carl Friedrich von Weizsäcker, Manfred von Ardenne, Walther Bothe, Robert Döpel, Kurt Diebner und Paul Harteck.

Bei der Fusion von Wasserstoff, so wie sie in der Sonne und den Sternen abläuft, dominiert die sogenannte pp-Reaktion. Bei dieser werden vier Wasserstoffkerne (Protonen) über Deuterium (²H) als Zwischenstufe zu einem Helium-Kern (⁴He) fusioniert und rund 26 MeV freigesetzt. Bei der Bildung von Deuterium (²H) fusioniert ein Proton (p) mit einem Neutron (n), wodurch ein Positron (e+) und ein Neutrino (ν) entstehen. In der Wasserstoffbombe und im Fusionsreaktor wird jedoch Deuterium mit Tritium (³H) zu Helium fusioniert und ein schnelles Neutron erzeugt. Lithium dient hier als Katalysator. Tritium, das schwerste und zudem radioaktive Wasserstoffisotop, wird als Zwischenstufe zwar erzeugt, aber auch wieder verbraucht. Es entsteht ein Kreisprozess:

$$ \begin{aligned} ^{6} {\text{Li}} + {\text{n}}\,\rightarrow\,{^4}{\text{He}} + {^3}{\text{H}} + {4. 8\,\,\text{Mev}}\end{aligned} $$$$ \begin{aligned}^{2} {\text{H}} +\, ^{2}\!{\text{H}}\,\rightarrow\,{^3}{\text{He}} + {\text{n}}\end{aligned} $$$$ \begin{aligned} ^{3} {\text{H}} + \,^{2}\!{\text{H}}\,\rightarrow\,{^4}{\text{He}} + {\text{n}} + {17. 5\,\,\text{Mev}}\end{aligned} $$

Die stärkste russische Wasserstoffbombe mit dem Spitznamen Tsar (Zar) hatte eine Sprengkraft von 58 Mt TNT-Äquivalent. Dieser Test fand am 30.10.1961 auf der russische Insel Novaya Zemlya statt, die im Nordpolarmeer westlich der innereurasischen Grenze liegt. Würde diese Explosionsstärke mit konventionellem Sprengstoffs erzeugt, wäre zu dessen Transport ein so langer Eisenbahnzug nötig, dass er entlang des Äquators um die ganze Erde reichen