Siehe Brennstoff

Unter Kernenergie versteht man umgangssprachlich die Energieerzeugung unter Verwendung der Kernspaltung.

Kerninventar bezeichnet die Inhaltsstoffe eines Reaktors . Darunter versteht man die Menge an Kernbrennstoff , Moderator , Absorbermaterial und Kühlmittel. Das Kerninventar eines durchschnittlichen Leistungsreaktors entspricht einigen Milliarden Curie an Radioaktivität .

KKW
Ein KKW benutzt Kernkräfte, das sind Bindungskräfte von Atomkernen , zur Strom- über Wärmeerzeugung. Als Kernbrennstoff dient zumeist Uran . Die Uranatome werden durch Beschuss mit Neutronen im Reaktor gespalten. Sie setzen dabei relativ viel Energie frei. Diese verwendet man zur Dampferzeugung . Bei der Kernspaltung werden Neutronen mit hoher Energie (schnelle Neutronen) freigesetzt. Durch den Moderator werden diese schnellen Neutronen abgebremst (thermalisiert) und bewirken neue Spaltungen, wenn sie auf einen ²³⁵U -Kern treffen und eingefangen werden. Wie bei einem konventionellen Wärmekraftwerk wird die im Dampf gespeicherte Wärmeenergie über eine Turbine in Bewegungsenergie umgesetzt. Die Turbine ist als Turbogenerator mit einem Generator gekoppelt, der elektrischen Strom produziert. Es gibt verschiedene Kriterien, nach denen Kernkraftwerke klassifiziert werden. Dazu zählen: Leistung, Bauart des Reaktors, Geschwindigkeit der spaltenden Neutronen, Betriebstemperatur, Kühlmedium, Moderator, Brennstoffgeometrie und Anwendungszweck.

Die Anzahl der Neutronen und Protonen im Atomkern zusammengenommen ergibt die Kernmassenzahl. Auch unterschiedliche Elemente können die gleiche Massenzahl besitzen, wenn die abweichende Anzahl an Protonen im Kern durch Neutronen ausgeglichen wird. Neutronen und Protonen sind etwa gleich schwer. Elemente mit der gleichen Kernmassenzahl werden Isobare genannt. Beispiele für Isobare sind ³H Tritium (ein Proton, zwei Neutronen) und ³He (Helium) (zwei Protonen, ein Neutron) oder ²³⁹U ( Uran ), ²³⁹Np (Neptunium), ²³⁹Pu ( Plutonium ).

Die Kernphysik erforscht die fundamentalen Kräfte, die in einem Atomkern wirken. Kernphysikalische Labors arbeiten mit Forschungsreaktoren, radioaktiven Quellen und Teilchenbeschleunigern im unteren Energiebereich. Typische Energie in der Kernphysik liegen zwischen 0,1 MeV und 100 MeV für die stattfindenden Reaktionen.

Wenn sich ein Atomkern verändert, spricht man von Kernreaktion. Die meisten Kernreaktionen verlaufen sehr schnell. Die Zeitskala beträgt 10^-12 bis 10^-15 Sekunden. Auch der Zerfall eines Atomkerns oder die Emission von radioaktiven Strahlen ist eine Kernreaktion.

Eine Kernschmelze tritt bei der Überhitzung der Brennstäbe eines Reaktors auf. Dies passiert beispielsweise bei Ausfall der Kühlung, wenn die Temperatur im Brennstoff auf mehr als 2.800 Grad Celsius ansteigt. Mehrmals kam es in Reaktoren bereits teilweise zu einer Kernschmelze. Die größte davon (außer Tschernobyl) ereignete sich in Three Mile Island. Der Ausfall eines Ventils wurde dort erst nach Tagen bemerkt. Die Kernschmelze ist die völlige oder teilweise Zerstörung der Integrität des Brennstoffs im Reaktor. Gefährlich ist hierbei die Formierung einer kritischen Anordnung durch das verflüssigte Kerninventar . Bei Tschernobyl schmolz ein Teil dieser hochradioaktiven Lava aus Brennstoff, Moderator und Strukturmaterial durch den unteren biologischen Schild des Reaktors. Sie kühlte erst in den Kellern des Kraftwerks langsam ab. Übrig blieb eine glasartige - nun erstarrte - Gussmasse, die an einen riesigen Elefantenfuß erinnert und deshalb danach benannt ist. Diesem „Elefantenfuß" von Tschernobyl darf sich kein Lebewesen nähern. Die emittierte Strahlung würde in Minuten zur Aufnahme einer tödlichen Dosis führen.

Kerntechnik ist die Technik von Anlagen oder Maschinen, die mit radioaktiven Stoffen in großem Umfang umgehen. Kerntechnische Anlagen sind Kernkraftwerke , Wiederaufbereitungsanlagen , militärische Anlagen zur Erzeugung von Kernwaffen , Zwischenlager , Endlager und Anlagen auf dem Gebiet der Anreicherung und Brennstoffproduktion. Auch Forschungsreaktoren sind kerntechnische Anlagen . Der Gesetzgeber hat für solche Anlagen auf Grund ihres hohen Schadenspotenzials besondere Qualitätsmerkmale festgesetzt. Nur "nuclear grate" (kerntechnisch geeignetes, da besonders hochwertiges) Material und Anlagenteile dürfen in den entsprechenden Systemen installiert werden.

Kerntechnische Anlagen sind KKW , Wiederaufbereitungsanlagen , militärische Anlagen zur Erzeugung von Kernwaffen , Zwischenlager , Endlager und Anlagen auf dem Gebiet der Anreicherung und Brennstoffproduktion. Auch Forschungsreaktoren sind kerntechnische Anlagen. Ein Röntgengerät produziert eine vergleichsweise schwache Strahlung. Es wird daher nicht als kerntechnische Anlage bezeichnet.

Kernwaffen ist ein Sammelbegriff für Atombomben, Wasserstoffbomben, Neutronenbomben, Atomraketen, Nuklearsprengköpfe, thermonukleare Waffen und Ähnliches. Bei Kernwaffen nutzt man die im Kernbrennstoff gespeicherte physikalische Energie aus, um eine Explosion herbeizuführen. Bei der Zündung einer Kernwaffe werden enorme Mengen an prompter Strahlung und Energie freigesetzt. Abhängig von der Größe und der Bauart kann ein einziger Kernsprengkopf eine Millionenstadt in Schutt und Asche legen. Die Funktionsweise beruht auf der plötzlichen Formierung einer überkritischen Masse . In der Folge setzt eine Kettenreaktion mit hoher Neutronenvervielfachung und Wärmeproduktion ein. Die Energiefreisetzungen von wenigen Kilogramm Kernbrennstoff (zum Beispiel ²³³U , ²³⁵U oder ²³⁹Pu als Spaltstoffe , ⁶Li, ²H , ³H , ³He als Kernfusionsstoffe, ²³⁸U als Brutstoff) werden dabei durch das Äquivalent in Kilotonnen (1 kt = 1 000 Tonnen) oder Megatonnen (1 Mt = eine Million Tonnen) des Sprengstoffs TNT angegeben. Typische moderne thermonukleare Gefechtsköpfe haben eine vergleichsweise „geringe" Sprengkraft von einigen 100 Kilotonnen. Die Zielgenauigkeit ihrer Trägersysteme ist hoch, die Unsicherheit beträgt im Idealfall etwa zehn Meter. Die Atombombenabwürfe auf die japanischen Städte Hiroshima und Nagasaki durch die Vereinigten Staaten von Amerika waren bisher die einzigen Einsätze von klassischen Atombomben gegen Menschen. Dabei kamen mehrere hunderttausend Menschen - zumeist Zivilistinnen - qualvoll ums Leben.

Die Kernspaltung als kontinuierlicher Prozess verläuft in einer Kettenreaktion. Dabei spalten sich Atomkerne des Kernbrennstoffs unter Neutronenbeschuss . Sie setzten Energie und neue Neutronen frei. Diese können wieder andere Kerne des Brennstoffs spalten. Wenn die Erzeugung von Neutronen gerade ausreicht, um die Reaktion weiter zu erhalten, spricht man von der kritischen Masse . Im überkritischen Fall steigt die Anzahl der Neutronen und damit der Kernspaltungen pro Zeiteinheit an. Diese Form der Vervielfachung verläuft dann exponentiell.
Ein Beispiel veranschaulicht dies: Angenommen ein Neutron trifft auf einen Uran -Kern und spaltet diesen. Dann werden etwa zwei Neutronen freigesetzt. Spalten diese Neutronen nach einer Sekunde je wieder einen Urankern, so hat man danach bereits vier Neutronen und so weiter. In diesem Fall würde sich die Anzahl der Neutronen (und damit der freigesetzten Energie) pro Sekunde verdoppeln. Nach 20 Sekunden hätte man bereits über eine Million Neutronen. Alle zehn Sekunden vertausendfacht sich die Anzahl. Nach wenigen Minuten hätte man bereits mehr freigesetzte Neutronen, als es Atome im Universum gibt. Dieser starke dynamische Vorgang ermöglicht die Atombombe und ihre verheerenden Folgen.

kBq
Ein Kilobecquerel entspricht 1.000 Becquerel (Bq).

Kernkraftwerk
Ein KKW benutzt Kernkräfte, das sind Bindungskräfte von Atomkernen , zur Strom- über Wärmeerzeugung. Als Kernbrennstoff dient zumeist Uran . Die Uranatome werden durch Beschuss mit Neutronen im Reaktor gespalten. Sie setzen dabei relativ viel Energie frei. Diese verwendet man zur Dampferzeugung . Bei der Kernspaltung werden Neutronen mit hoher Energie (schnelle Neutronen) freigesetzt. Durch den Moderator werden diese schnellen Neutronen abgebremst (thermalisiert) und bewirken neue Spaltungen, wenn sie auf einen ²³⁵U -Kern treffen und eingefangen werden. Wie bei einem konventionellen Wärmekraftwerk wird die im Dampf gespeicherte Wärmeenergie über eine Turbine in Bewegungsenergie umgesetzt. Die Turbine ist als Turbogenerator mit einem Generator gekoppelt, der elektrischen Strom produziert. Es gibt verschiedene Kriterien, nach denen Kernkraftwerke klassifiziert werden. Dazu zählen: Leistung, Bauart des Reaktors, Geschwindigkeit der spaltenden Neutronen, Betriebstemperatur, Kühlmedium, Moderator, Brennstoffgeometrie und Anwendungszweck.

Turbinen-Kondensator
Jede Wärmekraftmaschine arbeitet innerhalb eines Temperaturintervalls - zwischen einer hohen und einer tiefen Temperatur. Je weiter diese Temperaturen auseinander liegen, umso höher ist der Wirkungsgrad der Maschine. Bei einer Turbine wird die hohe Temperaturseite (heißes Ende) durch die Frischdampfzufuhr des Reaktors vorgegeben (etwa 300 Grad Celsius). Das kalte Ende ist beim Turbinenkondensator bei unter 50 Grad Celsius, hier wird der Dampf niedergeschlagen. Die Wärme fließt vom heißen Reservoir über die Turbine zum kälteren und verrichtet dabei mechanische Arbeit.
Jedes Wärmekraftwerk - nicht nur ein KKW - benötigt außer dem heizenden Kessel oder Reaktor auch ein kaltes Ende der Maschinerie (Wärmesenke). Im Betrieb fließt Wärme vom Reaktor über die Turbine zum kalten Ende. Der Kondensator ist dieses kalte Ende. Je größer der Temperaturunterschied zwischen heißem Reaktor und kaltem Kondensator ist, umso höher ist der Wirkungsgrad der Anlage. In der Realität ist der Kondensator ein stählernes Gehäuse. Er ist so groß wie ein mehrstöckiges Gebäude. Er ist unterhalb der Turbine in den Kühlmittelkreis eingebaut. Durch kaltes Wasser aus einem Fluss oder einem Kühlturm wird in einem Wärmetauscher der von der Turbine kommende Dampf, der dort seine Arbeit verrichtet hat, abgekühlt. Dadurch schlägt er sich nieder und wird wieder zu Wasser, das wieder zum Dampferzeuger oder Reaktor gepumpt wird. Anstelle des Kondensators kann auch ein Wärmetauscher für ein Fernheizsystem installiert werden, um die verbleibende Restwärme zu nutzen. Allerdings sinkt dann der Wirkungsgrad der Turbine, da der Dampf nicht mehr so stark abgekühlt werden kann wie im reinen Kondensationsbetrieb. Die vom Kondensator abgeführte Wärme ist für die Nutzung in der Regel verloren, da sie eine zu geringe Temperatur besitzt. Oft wird ein fließendes Gewässer um einige Grad aufgewärmt (Abwärme).