Wie viel Kohle wird verbrannt, um das Energieäquivalent von 1 Gramm Uranspaltung zu erzeugen? Warum hat es so viel Energie?

Die Uranspaltung ist eine physikalische Reaktion, bei der der Massenverlust durch die Kernspaltung in Energie umgewandelt wird. Dabei handelt es sich streng um die Beschreibung der Masse-Energie-Gleichung von Einstein. Bei der Verbrennung von Kohle handelt es sich um eine chemische Reaktion, bei der es sich um eine heftige Oxidationsreaktion handelt, bei der sich die Substanz bei hoher Temperatur mit Sauerstoff verbindet und Licht und Wärme abgibt.

Daher sind diese beiden Energien weder dasselbe noch von derselben Größenordnung.

Die Masse-Energie-Gleichung ist eine von Einsteins großen Entdeckungen. Der einfache Ausdruck lautet: E=MC^2, wobei E die Energie in J (Joule), M die Masse in kg (Kilogramm) und C die Lichtgeschwindigkeit in m (Meter) mit einem Wert von 300.000.000 m/s (Sekunde) darstellt.

Während des Kernspaltungsprozesses von Uran-235 beträgt der Masseverlust etwa 0,09 %, was bedeutet, dass von jedem Gramm etwa 0,9 mg Masse in Energie umgewandelt werden. Wie viel Energie ist das? Berechnet nach der Masse-Energie-Gleichung: 0,001*0,0009*300000000^2=81000000000J. Das heißt, wenn das gesamte Gramm Uran-235 gespalten wird, beträgt die erzeugte Energie etwa 81 Milliarden Joule.

Kohle ist ein Mineral, das hauptsächlich aus Elementen wie Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor besteht. Die Summe aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff macht mehr als 95 % der organischen Substanz aus. Die Reinheit der Kohle ist an verschiedenen Orten unterschiedlich und auch die erzeugte Wärme ist unterschiedlich. Um die Verbrauchsbedingungen einheitlich berechnen und untersuchen zu können, rechnet das Land den Heizwert verschiedener Kohlesorten in Standardkohlestatistiken um und legt fest, dass der Heizwert von 1 kg Standardkohle 7000 kcal beträgt.

1 kcal entspricht ungefähr 4185,85 J, sodass 1 kg Kohle ungefähr 29300950 J Energie erzeugen kann und jede Tonne Standardkohle nach der Verbrennung 29300950000 J Wärme erzeugen kann. Daraus lässt sich schließen, dass die durch die vollständige Spaltung von 1 Gramm Uran-235 erzeugte Energie ungefähr der Energie entspricht, die durch die Verbrennung von 2,76 Tonnen Standardkohle erzeugt wird.

Wie wird der Spaltmassenverlust von Uran-235 ermittelt?

Die Reaktionsgleichung für die Spaltung von Uran-235 lautet: 235U+1n=137Ba+97Kr+2n.

Diese Gleichung zeigt, dass, wenn ein Uran-235-Atom ein Neutron mit niedriger Energie absorbiert, eine Kernspaltung stattfindet, bei der zwei Atome Barium-137 und Krypton-97 entstehen und zwei Neutronen freigesetzt werden. Diese beiden Neutronen werden dann jeweils von zwei Uran-235-Atomen absorbiert und es kommt zur Kernspaltung, wobei jedes Atom zwei Neutronen freisetzt, die von vier Uran-235-Atomen absorbiert werden. Diese schnelle Kettenreaktion setzt sich fort, wobei die Kernspaltung exponentiell zunimmt, und wird als „Kettenreaktion“ bezeichnet.

Die Gesamtzahl der auf beiden Seiten dieser Spaltungsreaktion erhaltenen Protonen und Neutronen ist gleich. Warum kommt es also zu einem Massenverlust und der Erzeugung enormer Energiemengen? Die Antwort auf diese Frage wurde bereits 1925 gegeben. Der britische Wissenschaftler Aston entdeckte dieses Phänomen des Massenverlusts bei einem Experiment zur Ablenkung eines Magnetfelds. Er verwendete ein Massenspektrometer, um die Masse des Heliumkerns genau zu messen, und stellte fest, dass die Gesamtmasse des Kerns nicht der Summe der Massen der Protonen und Neutronen entsprach, aus denen der Kern besteht. Es kam zu einem Masseverlust von 5,66*10^-26 Gramm.

Weitere Untersuchungen ergaben, dass diese Massenverluste auf die Bindungsenergie im Kern zurückzuführen sind, einer Substanz, die Protonen und Neutronen bindet. Man nennt dies „Bindungsenergie“ und diese Bindungsenergie macht einen bestimmten Massenanteil aus. Beim Zerfall des Atomkerns wird diese Bindungsenergie als Masseverlust freigesetzt.

Im Jahr 1938 entdeckten Wissenschaftler experimentell, dass Urankerne bei Beschuss mit Neutronen spaltbar sind. Addierte man jedoch die Massen der beiden Fragmente, war der Massenverlust geringer als die Summe der Masse des Urankerns vor der Spaltung und der Masse des als „Kanonenkugel“ wirkenden Neutrons. Der Massenverlust eines Uran-235-Kerns nach der Kernspaltung betrug 3,57*10^-25 Gramm. Dies liegt daran, dass während der Kernspaltung die Bindungsenergie in Form von Masse verloren ging.

Die Anzahl der Atome in 1 Mol beträgt etwa 6,02*10^23. Die Molmassen verschiedener Atome sind unterschiedlich. Die Molmasse von Uran-235 beträgt 235 Gramm, es gibt also 2,56*10^21 Atome pro Gramm Uran-235. Auf diese Weise können wir schlussfolgern, dass das Gewicht eines Uran-235-Atoms ungefähr 3,9*10-^22 Gramm beträgt und der Massenverlust jedes Atoms ungefähr 3,57*10^-25 Gramm beträgt. Eine einfache Berechnung zeigt, dass die Massenverlustrate ungefähr 0,00091538 beträgt, also etwa 0,09 %.

Ein Gramm Uran-235-Atome verliert etwa 0,0009 Gramm oder 0,9 Milligramm.

Eine perfekte Umwandlung von Masse in Energie ist durch Kernspaltung und Kernfusion nicht möglich.

Einstein entdeckte die große Masse-Energie-Gleichung, die besagt, dass Masse und Energie gleichwertig sind und ineinander umgewandelt werden können. Wenn Masse vollständig in Energie umgewandelt werden kann, kann selbst eine sehr kleine Masse enorme Energie freisetzen. Diese Theorie enthüllt die tieferen Gesetze der Natur. Es stellt sich heraus, dass die in der komplexen Natur enthaltenen Gesetze so einfach sind.

Dieses Gesetz ist der Schlüssel, der der Menschheit die Tür zur Energie-Schatzkammer öffnet. Wenn die Masse-Energie-Umwandlungsrate weiter verbessert werden kann, kann mehr Energie gewonnen werden. Obwohl die bei der Kernspaltung umgewandelte Masse weniger als ein Tausendstel beträgt, ist sie bereits sehr erstaunlich. Bei der vollständigen Spaltung von 1 Gramm Uran-235 entspricht die erzeugte Energie etwa 19,36 Tonnen TNT-Sprengstoff. Daher nutzten die Menschen dieses Prinzip, um die Atombombe und die Kernenergieerzeugung zu erfinden.

Allerdings ist weder durch Atomexplosionen noch durch zivile Atomreaktoren eine 100-prozentige Umwandlung der Kernspaltungsmasse in Energie möglich. Dies liegt daran, dass die Reinheit von Uran-235 nicht 100 % erreichen kann. Die Reinheit von Uran-235, das in allgemeinen Waffen verwendet wird, muss über 90 % liegen, während die Reinheit von Uran-235, das in der zivilen Kernenergieerzeugung verwendet wird, lediglich 5 % erreichen muss.

Während des Kernspaltungsprozesses ist es außerdem schwierig, eine vollständige Spaltung aller Uranatome zu erreichen, sodass die oben genannte Spaltenergie, die aus 1 Gramm Uran-235 gewonnen werden kann, nur ein theoretischer Wert ist. Die Hiroshima-Atombombe „Little Boy“ war mit etwa 45 kg Uran-235 mit 90%iger Reinheit geladen. Die Kraft der Explosion entsprach etwa 13.000 Tonnen TNT. Eine einfache Berechnung zeigt, dass sie nur der Masse-Energie-Umwandlungsenergie der vollständigen Spaltung von etwa 0,7 kg Uran-235 entspricht.

Dennoch ist die Kraft der Kernspaltung bereits groß genug. Die Masse-Energie-Umwandlungsrate der Kernfusion kann 0,7 % erreichen, was dem 6- bis 7-fachen der Kernspaltung entspricht. Es ist leistungsstärker und stellt die größte Methode zur Umwandlung von Masse in Energie dar, die die Menschheit bisher beherrscht. Allerdings kann sowohl bei der Kernfusion als auch bei der Kernspaltung nur ein sehr kleiner Teil der Masse in Energie umgewandelt werden. Wird es in Zukunft effizientere Methoden zur Umwandlung von Masse in Energie geben?

Bis zur Entwicklung von Energie aus der Umwandlung von Masse in Energie ist es noch ein weiter Weg

Theoretisch kann nur durch die Vernichtung von Antimaterie die Energie einer vollständigen Massenumwandlung gewonnen werden. Das heißt, wenn ein Teil Antimaterie und ein Teil Materie kollidieren, werden sie sofort vernichtet und explodieren in zwei Energieteile. Wie groß ist diese Energie? Berechnen wir einfach, wie viel Energie 1 Gramm Antimaterie aufnehmen kann:

0,001*2*300000000^2=1,8*10^14J, das sind 180 Billionen Joule, mehr als das 2.200-fache der Kernspaltung, mehr als das 300-fache der Kernfusion und mehr als das 6-Milliarden-fache der Kapazität der Kohleverbrennung.

Dies ist die maximale Endenergie, die durch die Umwandlung von Masse in Energie gewonnen werden kann. Allerdings ist Antimaterie extrem selten und sehr schwer zu erhalten. Daher ist es sehr schwierig, Antimaterieenergie zu gewinnen, und alle derzeitigen Versuche lohnen sich bei weitem nicht.

Zwischen der aktuellen maximalen Energieumwandlungsrate von 0,7 % bei der Kernfusion und der Masse-Energie-Umwandlungsrate von 100 % bei der Antimaterievernichtung besteht also immer noch eine riesige Lücke von 99,3 %. Welche anderen Möglichkeiten gibt es, um eine höhere Umwandlungsenergie für Masse in Energie zu erreichen? Ich hoffe, dass Sie der Nächste sind, der eine neue Energiequelle mit einer höheren Masse-Energie-Umwandlungsrate entdeckt. Ich freue mich darauf.

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