Energie aus A tomen

Im Dezember 1938 mac hte der Ch emiker Otto Hahn in Berlin folgendes Experiment: er bestrahlte Uran m it Neutro nen. Hahn hatte sich die Frage gestellt, ob die Atom kerne des Urans in der Lage sind, Neutronen zu a bsorbieren. Das Ergebnis des Experiments war eine große Überraschun. Statt Ne utronen zu absorbieren, verwandelte sich das Uran in zwei leichtere Elemente. Die Kerne der Uranatome hatten sich gespalten.

Bei dieser Kernspaltung wird nicht nur eine große Menge Energie frei, son dern auch zwei oder drei weit ere Neutronen. Wen n genügen d Uran vorhanden ist, treffen diese Neut-ronen auf andere Urankerne, die wiederum Energie und Neutronen freisetzen und so fort. Eine Kettenreaktion läuft ab. Dies ist die Grundlage für die Freisetz ung von Energie in Atombom ben, aber auch für die Gewinnung von Atomkraft i n Kernreak toren zur Erzeugung von Elektrizität.

Ein solcher Reaktor best eht aus einem Druckbehälter (D b), der mit Wasser (W) gefüllt ist. In diesen Behälter werden Brennstäbe (B) eingeführt, die in einer Mischung e inige Pro-zent spaltbares Ura n enthalte n. Durch eine beson d ere „Neutronenquelle“ wird die Ketten-reaktion in Gang ge setzt. Da jedoch immer einig e freie Neutronen vorhanden sind, würde die Reaktion auch von selbst beginnen, wenn sich eine genügend große Masse von Uran im Reaktor b efindet. D ie Stäbe erhitzen sich auf mehrere hundert Grad und damit auch das Wasser.

Db = Druckbehälter;

W = Wa sser;

B = Brennstäbe;

S = Steuerstäbe;

P = Pu mpe;

Wt = Wärmetausch er;

G = Gerät zur Re gelung des Wasserdr ucks;

Da= Dampf

Wie aber kann man die Leistung eines Reaktors erhöhen oder vermindern? Wie läßt er sich abschalten? Die bei der Kernspaltung entstehenden Stoffe sind radioaktiv und daher gefährlich. Es muß also verhindert werden, dass die Kettenreaktion zu schnell abläuft, der Reaktor dadurch beschädigt wird und radioaktive Stoffe austreten. Deshalb befinden sich im Reaktor neben den Uranstäben auch Steuerstäbe (S). Diese bestehen aus Kadmium, einem Material, das Neutronen leicht absorbiert.

Wenn die Reaktion zu schnell abläuft, werden die Steuerstäbe automatisch etwas tiefer in den Reaktor hineingeschoben und dadurch die überschüssigen Neutronen abgefangen. Läuft die Reaktion dagegen zu langsam ab, dann zieht man die Stäbe ein Stück weiter he-raus, und mehr Neutronen erhalten freie Bahn.

Durch eine Pumpe (P) wird das erhitzte Wasser in einen Wärmetauscher (Wt) geleitet, in dem in einem zweiten Kreislauf ebenfalls Wasser zirkuliert. Dieses Wasser verdampft und wird verwendet, um Turbinen und Generatoren anzutreiben und Elektrizität zu erzeugen.

1. Ergänzen Sie bitte.

Otto Hahn... Uran mit.... Er wollte feststellen, ob die Atomkerne des Urans Neutro-nen... können. Durch die... verwandelte sich das Uran in zwei... Elemente. Durch die...

der Urankerne werden nicht nur..., sondern auch... frei. Diese Neutronen treffen auf andere

..., wodurch erneut Neutronen und Energie... werden. Es kommt zum Ablauf einer.

2. In diesem Text gibt es 7 Fehler. Wo?

Bei der Kernspaltung entstehen radioaktive, gefährliche Stoffe. Die Kettenreaktion darf nicht zu langsam ablaufen. Im Reaktor sind deshalb außer den Uranstäben auch Brenn-stäbe. Diese bestehen aus Materialien, die Neutronen leicht abstoßen. Läuft die Reaktion zu schnell ab, werden die Steuerstäbe von Hand aus dem Reaktor herausgezogen. Auf diese Weise werden die gespaltenen Neutronen beschleunigt. Wenn man dagegen die Steuerstäbe ein Stück weiter aus dem Reaktor herauszieht, läuft die Reaktion schneller ab, weil weniger Neutronen abgefangen werden.

Was bedeutet das?

einen Versuch durchführen

Energie wird freige-

setzt

Kadmium kann Neutronen absorbieren

Radioaktive Stoffe können aus dem Reaktor austreten, wenn die Ket-tenreaktion zu schnell ab-läuft.

versuchen

ein Experiment machen

einen Versuch abschließen

Energie entsteht.

Energie wird verbraucht.

Die Energie ist nicht mehr an das Uran gebunden

Kadmium ist in der Lage, Neutronen aufzunehmen.

Kadmium kann Neutronen vernichten.

Die Neutronen werden durch das Kadmium verwandelt.

Die Kettenreaktion erzeugt Radioaktivität im Reaktor.

Eine zu schnelle Kettenreaktion kann radioaktive Strahlung außerhalb des Reaktors verursachen.

Die Kettenreaktion ist Ursache für eine zu hohe radioaktive Strahlung aus dem Reaktorinneren heraus.

5. Du rch eine P umpe wird das erhitzte W asser in einen Wärmetauscher geleitet.

a) Das erwärmte Wasser wird durch eine Pumpe ausgetaus cht. b) In einem Wär metausche wird das Wasser er hitzt und z u ei-ner Pu mpe geleit et.

c) Mit Hilfe eine r Pumpe g elangt das heiße Wasser zu eine m Wärme tauscher

Ergänzen Sie bitte die Verben i m Passiv.

erwandeln – freisetzen – bestra hlen – spalten – gewinnen – erzeugen

Das Uran... mit Neutronen....

Das Uran... in zwei leichtere Elemente....

Die Kerne der Uranatome... durch die N eutronen....

Auf diese Weise... eine große Menge E ergie....

So... Atomkraft....

Durch di Freisetzung von Energie... Elektrizität...

Die Ker nfusion

Warum ist es warm, wen n die Sonne scheint? Der Gru nd dafür is t, dass die Sonne ei-nen Bren nstoff besitzt, der fünf Millionen mal me hr Energi e liefert als die gleic he Menge Kohle od er Öl. Die se Energiequelle ist der Wasserstoff. Der Wasserst off der So nne jedoch wird nicht verbrann zu Wasser, sondern verschmolzen zu Helium.

Im Inneren der Sonne sind die Temperature n so hoch, dass die Wasserstoffatome in positiv geladene At omkerne und negativ geladene Elektrone zerfallen Ein solches hocher-hitztes Ga s nennen wir „Plasm a“. Gewö hnlich ber hren sich die Wasserstoffkern e nicht. Da sie die gl iche Ladu ng haben, stoßen sie sich ab. och bei extrem hohen Temper aturen be-wegen si sich so s chnell, dass sie trotz der Abstoßungskr ft aufeinandertreffe n und ver-schmelze n. Ein kleiner Teil der Masse der beteiligten Kerne wird da bei entspre chend der Formel E nsteins E = mc² in E nergie umgewandelt. Die Folge ist der Ausstoß einer gewalti-gen Meng e von Energie. Diese n und ähnliche Proz esse bezei hnen wir als Kernfusion.

Alle unsere E ergieprob leme wären lösbar, wenn es g länge, diesen Proze ß durchzu-führen und unter K ntrolle zu bringen. Um aber die Wassers toffkerne zu „zünden“, benöti-gen wir e ine Anfan gstemperat ur von etw a 100 000 000 Grad. Das hoc erhitzte Plasma darf daher auf keinen F ll mit der Apparatu r in Berüh rung kommen, da diese dann mit einem Schlag ve rdampfen würde. Hier liegen die besonderen Schwierigkeiten bei all en Experi-menten mit höchste n Temperaturen.

B = Druckbehält r;

= Laserkanonen;

= M ttelpunkt;

K = Kü gelchen a us gefroren em Wasse rstoff;

Ma = Mantel des R eaktors mit Lithium als Kühlm ittel;

W = W ärmetausc er;

D = Dampf

In den USA, der UdSSR und in Japan, aber auch in den Labors der Max-Planck-Gesellschaft in München, wurden zu diesem Zweck Geräte entwickelt, die die hohe Ener-giekonzentration des Lasers zur Erhitzung ausnutzen.

Diese Geräte arbeiten nach folgendem Prinzip: In einen kugelförmigen, gasleeren Druckbehälter (B) münden eine Reihe leistungsstarker Laserkanonen (L), deren Strahlen sich im Mittelpunkt (M) kreuzen. Ein Kügelchen (K) aus gefrorenem schwerem Wasserstoff fällt in den Druckbehälter. Sobald es den Mittelpunkt erreicht hat, werden die Laser einge-schaltet. In Bruchteilen von Sekunden wird das Wasserstoffkugelchen zusammengepreßt und auf viele Millionen Grad Celsius erhitzt.

Die bei der Kernfusion freiwerdende Wärmeenergie wird von einem Kühlmittel im Mantel (Ma) des Reaktors aufgenommen. Dieses strömt durch einen Wärmetauscher (W). Dampf (D) wird erzeugt, der Turbinen und Generatoren in Bewegung setzt. Der von der Max-Planck-Gesellschaft in München entwickelte Laser erreicht für die Dauer einer Mil-liardstel Sekunde eine Leistung von 1 000 000 Megawatt, das ist die fünfzehnfache Leistung aller Kraftwerke der Bundesrepublik zusammen. Aber erst eine Laserleistung, die noch mehrere hundertmal größer ist, wird in Zukunft die Kernfusion ermöglichen.

Steht das im Text?

Der Wasserstoff der Sonne wird zu Helium verbrannt.

Wegen der hohen Temperaturen zerfallen die Wasserstoff-atome im Inneren der Sonne.

Wasserstoffkerne bezeichnet man als Plasma.

Die Wasserstoffkerne treffen normalerweise nicht aufeinan-der, weil sie unterschiedlich geladen sind.

Eine schnelle Bewegung der Wasserstoffkerne bei sehr ho-hen Temperaturen ermöglicht eine Verschmelzung der Kerne.

Bei der Kernverschmelzung wird Energie in Masse umge-wandelt.

Wenn es möglich wäre, die Wasserstoffkerne zu „zünden”, ließen sich alle Energieprobleme lösen.

Durch das schnelle Verdampfen des Plasmas entstehen Probleme bei Versuchen mit höchsten Temperaturen.

Schreiben Sie bitte die Sätze zu Ende.

In verschiedenen Ländern wurden Geräte entwickelt, mit denen...

Diese Geräte bestehen aus...

Leistungsstarke Laserkanonen...

Die Strahlen der Laserkanonen...

Ein Wasserstoffkügelchen...

Die Laser werden eingeschaltet,...

Das Wasserstoffkügelchen...

Das Kühlmittel im Mantel des Reaktors...

Ein Wärmetauscher...

Turbinen und Generatoren...

7. Wärme aus kaltem Wasser

Öl wird in Zukunft zu kostbar sein, um Wohnungen damit zu heizen. Doch welche Al-ternativen haben wir? Eine interessante Möglichkeit bietet die sogenannte Wärmepumpe. Sie ermöglicht die Entnahme von Wärme aus „kaltem" Wasser, zum Beispiel aus dem Was-ser eines Flusses. Ihr Prinzip beruht auf folgender physikalischen Gesetzmäßigkeit: Wenn man einer Flüssigkeit Wärme zuführt, steigt ihre Temperatur bis zum Siedepunkt. Dann be-ginnt sie zu verdampfen. Auch während der Verdampfung nimmt sie Wärmeenergie auf, doch ihre Temperatur bleibt dabei konstant. Erst wenn die gesamte Flüssigkeit verdampft ist, erhöht sich die Temperatur weiter. Dies zeigt das Diagramm.

Wenn man umgekehrt dem Dampf Wärmeenergie entzieht, sinkt seine Temperatur bis zum Kondensationspunkt. Dieser liegt bei der gleichen Temperatur wie der Siedepunkt. Dann beginnt der Dampf zu kondensieren. Dabei gibt er Wärmeenergie an die kältere Um-gebung ab, doch seine Temperatur bleibt noch konstant. Erst wenn der gesamte Dampf kon-densiert ist, sinkt die Temperatur bei Wärmeabgabe weiter.

Nehmen wir an, ein Arbeitsmittel hat bei einem Druck von 3,5 bar eine Siedetempera-tur von 2 °C. Es ist gerade verdampft; die Temperatur des Dampfes beträgt also noch immer 2 °C. Nun erhöhen wir den Druck auf 15,5 bar. Bei einer Erhöhung des Drucks steigt nicht nur die Temperatur, sondern auch der Siede-bzw. der Kondensationspunkt. Diese betragen jetzt 60 °C. Ist die Umgebung kühler als 60 °C, beginnt das Arbeitsmittel zu kondensieren. Bei einer konstanten Temperatur von 60 °C gibt es die Kondensationswärme ab. Die Umge-bung wird geheizt.

R₁ = Rohr mit Arbeitsmittel; A = Arbeitsmittel;

W₁ = Wärmetauscher für niedrige Temperaturen;

K = Kompressor;

W2 = _{Temperaturen;}Wärmetauscher für höhere R₂ = Ruhr mit Heizungswasser; V = Entspannungsventil;

U = Umgebung

Nach diesem Prinzip arbeitet die Wärmepumpe, wie sie auf der Skizze dargestellt ist. In einem Rohr (R1) zirkuliert das Arbeitsmittel, üblicherweise Ammoniak (NH ₃;). Dieses Arbeitsmittel verdampft und kondensiert unter einem Druck von 3,5 bar bei ei-ner Temperatur von 2 °C; unter einem Druck von 15,5 bar dagegen bei einer Tempera-tur von 60 °C.

Der Kreislauf besteht aus vier Schritten:

1. Verdampfen.

Durch den Wärmetauscher links (W₁) strömt das „kalte“ Wasser eines Flusses, dem die Wärme entnommen wird. Es hat eine Temperatur von 10 °C. Das Arbeitsmittel (A) ver-dampft bei dieserTemperatur und nimmt dabei aus der „kalten“ Umgebung (U) Wärmeener-gie auf. Seine Temperatur bleibt jedoch konstant auf 2 °C.

2. Verdichten.

Das dampfförmige Arbeitsmittel wird durch einen Kompressor (K) verdichtet, bis der Druck von 3,5 bar auf 15,5 bar gestiegen ist. Der Dampf erhitzt sich auf 60 °C; sein Kondensationspunkt liegt jetzt ebenfalls bei 60 °C.

3. Verflüssigen.

Im zweiten Wärmetauscher rechts (W₂) umströmt der heiße Dampf ein Rohr (R₂), in dem Heizungswasser zirkuliert. Da dieses kühler ist als der Dampf, verflüssigt sich das Ar-beitsmittel und gibt Kondensationswärme ab. Das Heizungswasser erwärmt sich. Tempera-tur und Druck des Arbeitsmittels bleiben dabei konstant.

4. Entspannen.

Das flüssige Arbeitsmittel strömt durch ein Entspannungsventil (V). Der Druck fällt von 15,5 bar wieder auf 3,5 bar ab. Dieser Druckabfall hat zur Folge, dass das Arbeitsmittel eine Temperatur von 2 °C annimmt. Der Kreislauf kann von neuem beginnen.

Das Verhältnis von aufgenommener zu abgegebener Leistung ist bei einer Wärme-pumpe sehr günstig. Die elektrische Energie, die der Kompressor benötigt, ermöglicht die Abgabe der dreifachen Menge an Wärmeenergie für die Raumheizung.

1. Bringen Sie die Sätze bitte in die richtige Reihenfolge.

Das dampfförmige Arbeitsmittel wird durch einen Kompressor von 3,5 auf 15,5 bar verdichtet.

Seine Temperatur bleibt dabei konstant.

Dabei nimmt es aus der kalten Umgebung Wärmeenergie auf.

Da dieses kühler ist als der Dampf, sinkt die Temperatur des Dampfes geringfügig bis zum Siedepunkt von 60°C.

Das Arbeitsmittel verdampft bei einer Temperatur von nur 2°C.

Der Dampf erhitzt sich dadurch auf mehr als 60°C.

Im Wärmetauscher umströmt der Dampf ein Rohr, in dem Heizwasser zirkuliert.

Temperatur und Druck bleiben Dabei konstant.

Gleichzeitig steigt der Siedepunkt auf 60°C.

Dann verflüssigt sich das Arbeitsmittel und gibt die Kondensationswärme an die Umgebung ab.

Das Arbeitsmittel strömt durch ein Entspannungsventil.

Der Kreislauf kann neu beginnen.

Der Druck fällt von 15,5 auf 3,5 bar ab.

Dieser Druckabfall hat zur Folge, dass auch die Temperatur und der Siedepunkt wieder von 60 auf 2°C sinken.

2. Suchen Sie das Gegenteil zu den folgenden Wörtern aus dem Text.

Siedepunkt dampfförmig

Wärrne kühl

Flüssigkeit sich erhitzen

Entnahme Dampf

konstant verflüssigen

entziehen verdichten

Wärmeabgabe sich erwärmen

steigen Druckabfall

Schreiben Sie bitte die Sätze zu Ende.

Wenn man einer Flüssigkeit Wärme zuführt,...

Wenn die Flüssigkeit verdampft,...

Wenn die gesamte Flüssigkeit verdampft ist,...

Wenn man dem Dampf Wärmeenergie entzieht,..

Wenn der gesamte Dampf kondensiert ist,...

8. Dieselmotoren für Kleinwagen

Der Dieselmotor ist die Antriebsmaschine vor allem der Großfahrzeuge. Schiffe und Lokomotiven, Traktoren und Bagger, Lastwagen und Omnibusse fahren mit Selbstzünder-motoren; Personenwagen dagegen wurden bis vor kurzem fast ausschließlich durch Ben-zinmotoren angetrieben. Lange Zeit war die einzige Ausnahme der Mercedes, ein Wagen der Großklasse. Im September 1976 jedoch erschien ein Mini-Diesel auf dem Markt. Der VW Golf Diesel war eine Überraschung für alle Autokenner, denn Diesel in kleineren Per-sonenwagen galten bis dahin als „schwierig“, als langsam, schwer und laut. Doch der Golf Diesel läuft leicht wie die besten Benzinwagen. Freilich sind Autos mit Dieselmotoren teu-rer, aber:

– sie leben länger als Wagen mit Benzinantrieb, und ihre Pflege und Wartung ist ein-facher;

– Dieseltreibstoff läßt sich billiger und energiesparender herstellen als Benzin;

– die Auspuffgase des Diesel sind außerordentlich sauber, denn ihr Kohlenmonoxid-gehalt ist sehr gering;

– vor allem: Dieselmotoren sind sparsamer. Ihr Treibstoffverbrauch liegt je nach Fahrweise 10 bis 40 Prozent unter dem eines Benzinmotors gleicher Leistung.

Sparsamkeit und saubere Abgase ergeben sich aus dem Diesel-Brennverfahren. Die Luft wird in einem Verhältnis von 20: l bis 24: l verdichtet, wobei sie sich auf etwa 800 Grad erhitzt. Die im Vergleich zum Benzinmotor mehr als doppelt so hohe Verdichtung er-gibt einen höheren Wirkungsgrad, vor allem bei mittleren Drehzahlen. Der eingespritzte Dieseltreibstoff verbrennt bei großem Luftüberschuß. Der Luftüberschuß führt zu einer sehr guten und damit schadstoffarmen Verbrennung.

Mit dem Golf Diesel, daran besteht kein Zweifel, begann ein neuer Abschnitt in der Geschichte des Dieselmotors. Man muß sich fragen, warum nicht schon längst Kleindiesel entwickelt und eingesetzt wurden.

Steht das im Text?

Hauptsächlich Großfahrzeuge werden durch Dieselmotoren an-getrieben.

PKWs werden ausschließlich durch Benzinmotoren angetrieben.

JaNein

О

О

Dieselmotoren für kleinere Personenwagen hielt man lange Zeit für problematisch.

Autos mit Benzinmotoren sind billiger als Autos mit Dieselmoto-

ren.

Benzinmotoren sind leichter zu pflegen und zu warten als Die-selmotoren.

Dieselmotoren sind umweltfreundlicher als Benzinmotoren.

Der Treibstoffverbrauch eines Benzinmotors liegt über dem Ver-brauch eines Dieselmotors gleicher Leistung.

Der höhere Wirkungsgrad des Dieselmotors ist die Folge der im Vergleich zum Benzinmotor um 50 % höheren Verdichtung.

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О

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2. Ergänzen Sie bitte die Präpositionen.

Der Dieselmotor gilt als Antriebsmaschine besonders... Großfahrzeuge. Personenfahr-zeuge hingegen werden im allgemeinen... Benzinmotoren angetrieben. Daher war es eine Überraschung... alle Autokenner, als der VW Golf Diesel 1976... den Markt kam.

... dem Diesel-Brennverfahren entstehen weniger Schadstoffe, die Belastung... die Umwelt ist geringer. Die Verdichtung der Luft erfolgt... einem Verhältnis... 20: 1 bis 24: 1. Dabei wird die Luft... eine Temperatur... etwa 800 Grad erhitzt. Die Verdichtung ist...

Vergleich... Benzinmotor mehr als zweimal so hoch. Daraus ergibt sich ein höherer Wir-kungsgrad, insbesondere... mittleren Drehzahlen.

3. Sie haben ein Auto mit Dieselmotor, das Sie verkaufen wollen. Ihr/e Freund/in möchte ein Auto mit Benzinmotor kaufen. Versuchen Sie, ihn/sie von den Vorzügen des Dieselmotors zu überzeugen.

ЧАСТ Ь 3

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