Kernkraft ein Blick hinter die Kulissen dieser Art der Stromerzeugung VORANSICHT

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1 33. Kernkraft 1 von 16 Kernkraft ein Blick hinter die Kulissen dieser Art der Stromerzeugung Jost Baum, Wuppertal Das Kernkraftwerk Grohnde im Weserbergland / Niedersachsen Das Thema Kernkraft wird in unserer Gesellschaft sehr kontrovers diskutiert. Mit diesem Beitrag verdeutlichen Sie Ihren Schülern einige damit verbundene Aspekte. Die Schüler wiederholen ihr Wissen zum Aufbau eines Stoffes und widmen sich dem Thema Kernspaltung. Sie lernen den Aufbau eines Kernkraftwerks kennen, erfahren, wie in Kernkraftwerken Strom erzeugt wird, und erstellen ein Plakat zu den Unfällen in Kernkraftwerken und deren Folgen. picture alliance / Bildagentur-online/Klein Der Beitrag im Überblick Klasse: 9/10 (G8) Dauer: Ihr Plus: 3 4 Stunden ü Technisch interessant ü Gesellschaftspolitisch aktuell ü Grundlagenwissen ü Geeignet für das Unterrichten im Rahmen eines Fächerverbundes Inhalt: Aufbau des Atoms aus Protonen, Neutronen und Elektronen Beispiel: Helium-Atom Massenzahl Funktionsweise der Kernspaltung Aufbau eines Kernkraftwerks Erneuerbare Energien Unfälle in Kernkraftwerken

2 2 von Kernkraft Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Lehrplanbezug Kernphysik wird in Klasse 9/10 unterrichtet. Beispielsweise indet man im Lehrplan von Bayern 1 folgende Stichpunkte: Physik als Grundlage moderner Technik: In der Atomphysik [bzw. Kernphysik] erhalten die Jugendlichen einen ersten Einblick in den Aufbau der Materie, die Radioaktivität und die Möglichkeiten der Energiegewinnung durch Kernspaltung bzw. -fusion. Die Schüler erkennen dabei die Notwendigkeit, sich fundiertes und aktuelles Wissen anzueignen, um bei gesellschaftlich relevanten Themen einen eigenen Standpunkt zu inden und in Diskussionen vertreten zu können. Unterrichtsziele: Die Schüler kennen Modellvorstellungen vom Aufbau der Materie und können sie zur Erklärung von Naturphänomenen heranziehen. Sie können das Prinzip der Energieerhaltung in der Atom- und Kernphysik anwenden. Sie kennen die Strahlungsarten radioaktiver Stoffe, eine Nachweismethode und ihre jeweilige Wirkung auf Lebewesen. Sie kennen die Grundlagen der Kern- bzw. Energietechnologie und können sich bei der Diskussion darüber ihrem Alter entsprechend kompetent beteiligen. Wissenswertes über die Kernenergie So entsteht durch die Spaltung von Uran Wärme Im Kernkraftwerk wird ausgenutzt, dass sich Uran 235 spalten lässt und dabei Wärme frei wird (die Zahl 235 ist die Massenzahl: Anzahl der Protonen und Neutronen). Die Wärme wird in Strom umgewandelt. Ein Kernkraftwerk ist also ein Wärmekraftwerk. Die Spaltung wird durch einen Beschuss mit Neutronen ausgelöst. Dabei entstehen Barium, Krypton und freie Neutronen. Diese Neutronen spalten dann weitere Urankerne (Kettenreaktion). Wie hält man die Kettenreaktion unter Kontrolle? Die Atombombe beruht ebenfalls auf dem Prinzip der Kernspaltung. Die Kettenreaktion läuft dort aber unkontrolliert ab (Explosion, starke Hitzeentwicklung, Freisetzung von Radioaktivität). Beim Kernkraftwerk halten Steuerstäbe aus Cadmium die Kettenreaktion in Schach. Cadmium fängt Neutronen ein. Die Steuerstäbe beinden sich zwischen den Brennstäben (Rohre mit spaltbarem Uran 235). Je tiefer man die Steuerstäbe zwischen die Brennstäbe schiebt, desto weniger Kettenreaktionen inden statt. So steuert man die Kettenreaktion. 1

3 33. Kernkraft 3 von 16 Kernkraftwerke bringen Probleme und Gefahren mit sich Keine Technik ist hundertprozentig sicher. Das gilt auch für Kernkraftwerke. Sowohl beim Bau als auch beim Betrieb sind menschliche Fehler nicht ausgeschlossen. Weitere Risikofaktoren stellen unter anderem Naturkatastrophen dar. Das bestehende Risiko führen in erschreckender Weise folgende Katastrophen vor Augen: 1. Harrisburg (1979): Im Kernkraftwerk Three Mile Island bei Harrisburg (USA) kommt es zu einem sehr schweren Unfall, bei dem radioaktive Gase frei werden. Vgl Tschernobyl (1986): Explosion mit nachfolgender hoher Strahlenbelastung (viele Menschen starben oder erlitten Strahlenschäden). Vgl Nuklearkatastrophe von Fukushima (2011): Schwere Unfallserie, die eine hohe radioaktive Belastung und noch nicht abzuschätzende Schäden für Mensch und Umwelt zur Folge hat. Vgl. Ein weiteres Problem der Nutzung der Kernenergie ist die sichere Endlagerung der radioaktiven Abfälle. In Deutschland existiert noch kein geeignetes Endlager. Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz F 1, F 2 Inhaltsbezogene Kompetenzen Die Schüler wiederholen ihr Wissen zum Aufbau von Stoffen aus Atomen (M 1), E 2 K 7 erfahren, wie die Kernspaltung funktioniert und wie ein Kernkraftwerk aufgebaut ist (M 2 M 5), diskutieren über Unfälle in Kernkraftwerken und darüber, wie diese vermieden werden können (M 6). Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, inden Sie auf der beiliegenden CD-ROM 47. I I, II Mediathek Allg. physikalische Kompetenz Anforderungsbereich Artikel über den Beschluss des Deutschen Bundestages zum Atomausstieg, den Sie als Einstieg in die Unterrichtseinheit verwenden können. Setzen Sie im Sinn einer didaktischen Reduktion davon nur den Vorspann und die ersten zwei Abschnitte ein. An den Standorten Philippsburg und Neckarwestheim sind Besichtigungen möglich.

4 4 von Kernkraft Hinweise zur Gestaltung des Unterrichts Am 30. Juni 2011 hat der Deutsche Bundestag den vollständigen Ausstieg aus der Kernenergie und damit eine deutliche Wende in der Energiepolitik beschlossen. Bis 2022 sollen stufenweise alle deutschen Atomkraftwerke abgeschaltet werden. Der Beschluss erfolgte parteiübergreifend. Ihre Lernenden sollen Medienberichte und Debatten zur Kernenergie verstehen können. Dazu müssen sie, zumindest in vereinfachtem Maß, über die Technik der Kernenergie und die Katastrophen von Fukushima und Tschernobyl Bescheid wissen. Mit diesem Beitrag legen Sie den Grundstein dazu. Ziehen Sie den Bundestagsbeschluss als Einstieg in die Unterrichtseinheit heran. Informieren Sie Ihre Jugendlichen über den Beschluss (Lehrervortrag). Oder lassen Sie Ihre Lernenden vor der Klasse einen Artikel dazu vorlesen (siehe Mediathek). Fragen Sie die Jugendlichen nach dem aktuellen Anlass des Ausstiegs. Sprechen Sie über die Katastrophe von Fukushima. Wecken Sie so das Interesse Ihrer Schüler am Thema Kernenergie. Erklären Sie, dass die kleinsten Teilchen der Stoffe bei der Kernenergie eine wesentliche Rolle spielen. Leiten Sie so zum Wiederholungsblatt M 1 über. Mithilfe der Materialien M 2 M 3 und M 5 sowie der Abbildung 1 (Folie M 4) bringen Sie Ihrer Klasse die technische Seite der Kernenergie näher, während Sie anhand von M 6 die Reaktorkatastrophen beleuchten. Ermöglichen Sie am Ende der Unterrichtseinheit einen Ausblick auf die Zukunft der Energiegewinnung, indem Sie Ihren Lernenden regenerative Energiequellen wie Wasserkraft, Windenergie und Solarenergie vorstellen. Verwenden Sie die Abbildungen 2 4 (M 4) als Anlass für ein Unterrichtsgespräch darüber. Ablauf der Unterrichtseinheit Im Material M 1 geht es um den Aufbau eines Atoms aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Die Jugendlichen füllen einen Lückentext aus und beschriften eine Abbildung des Heliumatoms. Dieses Wissen ist zum Verständnis der Kernspaltung wichtig. Mit Material M 2 verstehen die Lernenden die Kernspaltung. Sie lesen sich dazu einen kurzen Text durch, unterstreichen wichtige Informationen und beantworten Fragen. Die Stromgewinnung im Kernkraftwerk erarbeiten sich die Lernenden mit Material M 3 anhand einer Graik, die den Ablauf der Kernspaltung illustriert, und anhand eines Informationstextes. Stellen Sie ihnen anschließend im Unterrichtsgespräch den Bau eines Kernkraftwerks vor. Verwenden Sie dazu von der Folie M 4 die Abbildung 1 (Illustration vom Aufbau eines Kernkraftwerks). In Material M 6 beschäftigen sich Ihre Lernenden mit Reaktorkatastrophen. Zum Unfall im Kraftwerk Tschernobyl informieren sie sich anhand eines Textes. Zur Katastrophe in Fukushima recherchieren sie im Internet und erstellen Plakate für eine Ausstellung. Mithilfe der Abbildungen 2 4 (Windkraft, Wasserkraft, Solarenergie) auf der Folie M 4 stellen Sie Ihren Lernenden regenerative Energiequellen vor, die in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Die schwere Katastrophe von Tschernobyl zeigt, dass ein hohes Risiko besteht. picture-alliance / dpa

5 33. Kernkraft 5 von 16 Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Fo = Folie LEK = Lernerfolgskontrolle Wh = Wiederholungsblatt M 1 Wh Der Aufbau eines Atoms frische dein Wissen auf! V: 5 min D: 25 min r Stifte M 2 Ab Was ist eigentlich die Kernspaltung? V: 5 min D: 30 min r Periodensystem der Elemente M 3 Ab, LV Bestimmt kein Zaubertrick! Stromgewinnung im Kernkraftwerk V: 5 min D: 15 min r Streichhölzer r Brett r Knetmasse M 4 Fo Strom wie lässt er sich erzeugen? V: 5 min D: 30 min r OHP M 5 Ab So funktioniert ein Kernkraftwerk! Zur Farbfolie V: 5 min D: 45 min r Die Farbfolie (M 4), auf den OHP legen, wenn der Text gelesen wird M 6 Plakat Unfälle in Kernkraftwerken und ihre Folgen V: 5 min D: 20 min r Plakatpapier (1 pro Gruppe) r Plakatstifte Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien inden Sie ab Seite 12. Minimalplan Das Wiederholungsblatt (M 1) geben Sie Ihren Schülern als Hausaufgabe. Sie beschränken sich auf die Materialien M 2 M 5, wobei Sie mit der Folie (M 4) einen Alltagsbezug (erneuerbare Energien) schaffen. Den Aufbau eines Kernkraftwerks (M 5) brauchen Sie nicht unbedingt zu besprechen, das lesen Ihre Schüler als Hausaufgabe. Die Erstellung des Plakates (M 6) lassen Sie weg.

6 6 von Kernkraft M 1 Der Aufbau eines Atoms frische dein Wissen auf! Energie lässt sich auf unterschiedliche Arten erzeugen. Eine Möglichkeit ist die Nutzung der Kernenergie in einem Kernkraftwerk. Dabei werden die Kerne der Atome gespalten. Hier lernst du zunächst einmal etwas über die Atome selbst und ihren Aufbau. Das Kernkraftwerk Grohnde im Weserbergland / Niedersachsen picture alliance / Bildagentur-online/ Klein Aufgabe 1 Setze die Begriffe aus dem Kasten in den Lückentext ein. Grundbausteine Kern Körper kreisen Gase Alle Gegenstände, die Luft und andere sind aus Atomen zusammengesetzt. Atome sind also die sowie dein eigener Stoffe. Sie bestehen wiederum aus noch kleineren Teilchen. Diese heißen Protonen, Neutronen und Elektronen. Die Protonen und Neutronen beinden sich im diesen Kern die Elektronen. Aufgabe 2 a) Beschrifte die Abbildung von dem Atom des Gases Helium. Verwende folgende Begriffe: Elektron, Atom, Proton, Neutron b) Wie geht der Satz weiter? Kreuze die richtige Antwort an. Atome bestehen aus Elektronen, Protonen und q Gasen. q Neutronen. q Molekülen. aller. Um Helium Graik: W. Zettlmeier Lies dir den Lückentext nochmals durch.

7 33. Kernkraft 7 von 16 M 2 Was ist eigentlich die Kernspaltung? Die Energie gewinnt man im Kernkraftwerk mithilfe der Kernspaltung. Hier erfährst du, was die Kernspaltung ist. Aufgaben 1. a) Lies dir den Text durch. Unterstreiche wichtige Begriffe bzw. Informationen. Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen. Die Massenzahl eines Stoffes gibt die Gesamtzahl dieser Teilchen an und sagt etwas über das Atomgewicht aus. Die meisten Kerne sind stabil. Instabil ist beispielsweise der Kern einer bestimmten Form des Urans. Diese Uranform hat die Massenzahl 235. b) Beschreibe, was die Massenzahl angibt. c) Welche weitere Information kann man der Massenzahl entnehmen? Die Bezeichnung Massenzahl verrät es dir. d) Welcher in Kernkraftwerken verwendete Stoff hat einen instabilen Atomkern? Welche Massenzahl hat dieser Stoff? Wie viele Protonen und wie viele Neutronen hat er? 2. Setze mithilfe der Abbildung die Begriffe aus dem Kasten in den Lückentext ein. Kernspaltung Urans Krypton Lebewesen Neutron Radioaktivität So läuft die Kernspaltung ab. Fülle die Lücken des Lückentextes! Der Kern des 235 ist instabil. Ein kann ihn spalten. Bei dieser entstehen Barium und das Gas. Außerdem werden mehrere Neutronen, Wärme und Radioaktivität frei. ist für den Menschen und alle anderen gefährlich. Sie kann schwere körperliche Schäden und Krebs verursachen.

8 8 von Kernkraft M 3 Bestimmt kein Zaubertrick! Stromgewinnung im Kernkraftwerk Bei der Kernspaltung wird viel Wärmeenergie frei. Doch warum ist das so und wie wird die Wärme in Strom verwandelt? Geht dieser Frage zu zweit nach. Aufgaben 1. Bei der Kernspaltung von Uran 235 durch ein Neutron wird Wärme frei. Die Kernspaltung läuft als Kettenreaktion ab. a) Betrachte die Graik zum Ablauf der Kernspaltung und beschrifte sie. Verwende die Begriffe: Neutron, verlorene Neutronen, Ba 144, Kr 89, U 235, Spaltprodukte Verlorene meint hier, dass diese Neutronen keine weitere Kettenreaktion auslösen. b) Erkläre mithilfe der oben stehenden Abbildung in deinem Heft, was eine Kettenreaktion ist. Betrachte zur Vereinfachung folgenden Fall: Jedes Mal, wenn Uran 235 gespalten wird, entstehen drei Neutronen. c) Erkläre in deinem Heft, warum bei der Kernspaltung sehr viel Wärmeenergie frei wird. 2. a) Lies dir den Text genau durch. Unterstreiche wichtige Informationen. Die bei der Kernspaltung entstandene Wärme wird dazu genutzt, Wasser stark zu erhitzen. Das geschieht im sog. Arbeitskreislauf. Das Wasser im Arbeitskreislauf verdampft. Der Dampf versetzt eine Turbine in eine Drehbewegung. Die Turbine treibt einen Generator an. Dieser erzeugt den Strom. b) Nenne zwei Maschinen, die zur Umwandlung von Wärme in Strom nötig sind.

9 33. Kernkraft 9 von 16 M 4 Strom wie lässt er sich erzeugen? Der Aufbau eines Kernkraftwerks Abb. 1 Windrad Wasserkraftwerk Solarzellen Hemera/Thinkstock Abb. 2 Abb. 3 Abb. 4 istock/thinkstock istock/thinkstock

10 10 von Kernkraft M 5 So funktioniert ein Kernkraftwerk! Zur Farbfolie Der Bau eines Kernkraftwerkes zu Abbildung 1 Der Aufbau eines Kernkraftwerkes wird mithilfe der Abbildung 1 verständlich. Wichtig sind vor allem die drei Kreisläufe, die Steuerung der Kettenreaktion mit Steuerstäben und die Funktion des Dampferzeugers (siehe unten). Aufgabe Suche die einzelnen Elemente des Kraftwerks auf der Folie! Die Stromerzeugung geschieht mithilfe von Turbinen und Generatoren. Ein Kernkraftwerk ist ein Wärmekraftwerk: Wasser wird erhitzt und es entsteht Dampf, der eine Turbine antreibt. Damit ist das Prinzip das gleiche wie bei der Stromerzeugung mit Kohle. Der Unterschied besteht darin, dass beim Kernkraftwerk die Wärme durch die Kernspaltung erzeugt wird. Dabei sind risikobehaftete radioaktive Stoffe mit im Spiel. Vereinfachte Beschreibung der Kraftwerksbestandteile und ihrer Funktion: 1. Der Reaktorkreislauf mit dem Reaktor Ort der Kernspaltung Im Kernkraftwerk sind der Reaktorkreislauf und der Arbeitskreislauf getrennt. Ein wesentlicher Teil des Reaktorkreislaufes (Primärkreislauf) ist der Reaktorblock. In ihm beinden sich die Brennelemente mit den Brennstäben. Die Brennstäbe sind Rohre, die das spaltbare Uran 235 enthalten. Im Reaktor indet die Kettenreaktion statt. Um die Kettenreaktion zu starten, werden die Brennstäbe mit Neutronen beschossen. Die bei der Spaltung frei werdenden Neutronen halten dann die Kettenreaktion in Gang. Damit diese Neutronen nicht zu schnell werden (sie können sonst das Uran 235 nicht spalten), liegen die Brennstäbe im Wasser. Die Stärke der Kettenreaktion regulieren Steuerstäbe zwischen den Brennstäben. Die Steuerstäbe sind aus Cadmium, das in der Lage ist, Neutronen einzufangen. Je tiefer sie zwischen die Brennstäbe geschoben werden, desto langsamer läuft die Kettenreaktion ab. Das Wasser im Reaktorkreislauf ist radioaktiv verseucht. Es darf nicht in die Umwelt gelangen. Daher existiert ein zweiter Kreislauf, in dem der Dampf erzeugt wird, der die Turbine antreibt. Dieser wird als Arbeitskreislauf (Sekundärkreislauf) bezeichnet. 2. Vom Dampf zum Strom Zusammenspiel von Reaktor- und Arbeitskreislauf Durch die Kernspaltung erwärmt sich das Wasser im Reaktorblock auf etwa 300 C. Von dort wird es innerhalb des Reaktorkreislaufes durch Röhren zum Dampferzeuger gepumpt. Im Dampferzeuger treffen Reaktorkreislauf und Arbeitskreislauf aufeinander. Dort gibt das Wasser des Reaktorkreislaufes Wärmeenergie an das Wasser im Arbeitskreislauf ab (Wärmetausch). Abgekühlt gelangt es in den Reaktor zurück. Das im Arbeitskreislauf erhitzte Wasser verdampft und der Dampf versetzt eine Turbine in eine Drehbewegung. Die Turbine treibt einen Generator an, der Strom erzeugt. 3. Was geschieht im Kühlkreislauf? Im Anschluss an die Turbine kondensiert der Wasserdampf an einem sog. Kondensator. Das nun wieder lüssige Wasser gelangt zurück in den Dampferzeuger. Der Kondensator ist Teil eines Kühlkreislaufs, zu dem auch Kühltürme gehören.

11 33. Kernkraft 11 von 16 M 6 Unfälle in Kernkraftwerken und ihre Folgen Beim Bau und Betrieb eines Kernkraftwerks sind menschliche Fehler und Naturkatastrophen nicht auszuschließen. Die schweren Katastrophen von Tschernobyl (links) und Fukushima (rechts) zeigen, dass ein hohes Risiko besteht. picture-alliance / dpa (links) und picture alliance / dpa, Fotograf: Air Photo Service / Ho (rechts) Aufgabe 1: Lies den Text genau durch und unterstreiche Wichtiges. Ursachen des Unfalls im Kernkraftwerk Tschernobyl waren menschliche Fehler und Sicherheitsverstöße. Mit den Steuerstäben konnte die Kettenreaktion nicht mehr kontrolliert werden, weshalb die Reaktortemperatur sprunghaft anstieg. Die anschließende Explosion setzte radioaktive Stoffe frei. Der Wind trug diese sogar bis nach Westeuropa. Sie setzten sich im Boden und im Grundwasser ab und gelangten teilweise in die Nahrungskette. Bei Tschernobyl starben viele Menschen wegen der Radioaktivität an Krebs oder erlitten körperliche Schäden. Aufgabe 2: Nenne die Ursachen des Unfalls im Kernkraftwerk Tschernobyl. Aufgabe 3: Beschreibe mögliche Folgen eines schweren Unfalls im Kernkraftwerk. Aufgabe 4 a) Lies den Text genau durch! 2011 ereignete sich in Fukushima (Japan) ein weiterer schwerer Unfall. Dort iel das Kühlsystem aufgrund eines Erdbebens und eines Tsunamis (Riesenwelle) aus. Radioaktivität trat aus. Viele Menschen wurden evakuiert und ein großes Gebiet bleibt unbewohnbar. Die Folgen sind noch nicht endgültig absehbar. b) Unterstreiche wichtige Informationen zu den Ursachen der Katastrophe blau. c) Was sind die unmittelbaren Folgen des Unfalls? Unterstreiche sie rot.

12 12 von Kernkraft Erläuterungen und Lösungen M 1 Der Aufbau eines Atoms frische dein Wissen auf! Gehen Sie in Verbindung mit Material M 1 unbedingt auf die räumlichen Dimensionen eines Atoms ein. Erklären Sie, dass Atome extrem klein sind. Verwenden Sie anschauliche Vergleiche. So beträgt der Durchmesser der Hülle eines Wasserstoffatoms einen Zehnmillionstel Millimeter (da der Bohr sche Radius a0 0,5 10 m ). Veranschaulichen Sie diese Zahl durch 10 den folgenden Vergleich: Erst 10 Millionen Atome des Gases Wasserstoff ergeben, reiht man sie aneinander, eine Strecke von 1 Millimeter. Machen Sie den Jugendlichen des Weiteren klar, dass im Atom zwischen Kern und Hülle viel Platz frei ist. Der Kern hat also nur eine sehr kleine Raumausdehnung. Hier bietet sich ein Vergleich mit einem riesigen Ozeandampfer an: Packt man sämtliche Atomkerne eines großen und schweren Ozeandampfers so dicht zusammen, dass alle Zwischenräume ausgefüllt sind, dann würde die Ausdehnung der zusammengepackten Materie nur der eines Stecknadelkopfes entsprechen. Der Stecknadelkopf hätte natürlich dennoch das Gewicht des Ozeandampfers! Vermitteln Sie Ihrer Klasse weiterhin, dass Atome nicht die kleinsten Bausteine der Materie sind. Heute kennen wir als kleinere Einheit die Quarks. Ein Up- und zwei Down-Quarks bilden das Neutron, zwei Up- und ein Down-Quark das Proton. Lösungen 1. Alle Gegenstände, die Luft und andere Gase sowie dein eigener Körper sind aus Atomen zusammengesetzt. Atome sind also die Grundbausteine aller Stoffe. Sie bestehen wiederum aus noch kleineren Teilchen. Diese heißen Protonen, Neutronen und Elektronen. Die Protonen und Neutronen beinden sich im Kern. Um diesen Kern kreisen die Elektronen. 2. a) Elektron Neutron Atom Proton b) Helium He Atome bestehen aus Elektronen, Protonen und q Gasen. q x Neutronen. q Molekülen. Graik: W. Zettlmeier