Kernkraftwerk

Einleitung

Abk.: KKW; auch: Atomkraftwerk (AKW);

Wärmekraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie. Wie bei anderen Wärmekraftwerken wird Dampf erzeugt, der durch eine Turbine strömt, die einen Generator antreibt. Im Atomkraftwerk wird die zur Dampfgewinnung benötigte Wärme nicht durch Verbrennen fossiler Energieträger (Kohle, Erdgas, Erdöl) erzeugt, sondern durch Kernspaltung (daher "Kernkraftwerk").

Kernreaktor

Die Kettenreaktion läuft im Reaktorkern ab, der sich im Reaktordruckbehälter befindet. Im Einzelfall spaltet ein aus einem Atomkern (Atom) freigesetztes Neutron einen Atomkern, der von ihm getroffen wird, in annähernd zwei gleich große Teile. Dabei werden weitere Neutronen frei, die wiederum Kerne spalten, so dass eine "Kettenreaktion" entsteht. Als "Brennstoff" wird das in der Natur im Verhältnis 99,3 : 0,7 Prozent vorkommende Gemisch der Uran-Isotope (Isotope) U 238 und U 235 eingesetzt. Spaltbar ist nur U 235, dessen Anteil zur Verwendung in Atomkraftwerken auf etwa 3 % erhöht (angereichert) wird.

Je nach verwendetem Brennstoff, Moderator und Kühlmittel unterscheidet man Druckwasser-, Siedewasser- und Hochtemperaturreaktoren.

Der Reaktorkern besteht aus mehreren zehntausend Brennstäben, etwa bleistiftdicke Metallrohre von über 4 m Länge, die den Brennstoff Urandioxid in Tablettenform gestapelt enthalten. Jeweils 200 bis 250 von ihnen werden zu "Brennelementen" gebündelt, die der Reaktordruckbehälter aufnimmt. In den Brennelementen werden nach einem bestimmten Raster Positionen für die so genannte Regel- und Steuerstäbe freigehalten. Diese werden von oben eingeschoben und sind mit einem Absorbermaterial (z.B. Kadmium) gefüllt, das vom Brennstoff freigesetzte Neutronen "schluckt". Zum Anfahren des Atomkraftwerks werden sie langsam nach oben aus den Brennelementen herausgezogen; die Kettenreaktion kommt dadurch in Gang. Auf umgekehrte Weise wird der Reaktor abgeschaltet.

Damit die Kettenreaktion kontrolliert abläuft, müssen die Neutronen abgebremst und jeweils zwei bis drei der bei einem Spaltprozess freigesetzten Neutronen absorbiert werden; nur jeweils ein übrig bleibendes Neutron nimmt an der Kettenreaktion teil. Entsprechend wird der Neutronenfluss mithilfe der Steuerstäbe geregelt. Das Bremsmaterial nennt man Moderator. Dafür eignet sich z.B. Grafit-Kohlenstoff, bei den üblichen Leichtwasserreaktoren dient das Kühlwasser als Moderator, das gleichzeitig die Hitze, die bei den Kernreaktionen in den Brennstäben entsteht, aus dem Reaktordruckbehälter heraustransportiert. "Leichtwasser" ist normales Wasser, das im so genannten Siedewasserreaktor in Dampf verwandelt wird, der durch die Turbine strömt.

Im Gegensatz dazu gibt es im Druckwasserreaktor zwei Wasserkreisläufe. Über den Primärkreislauf, in dem das Wasser unter hohem Druck steht und selbst bei über 300 °C nicht verdampft, wird die Reaktorwärme zunächst in einen Wärmetauscher geleitet. Dort verdampft sie das Wasser im Sekundärkreislauf, in den die Turbine einbezogen ist. In beiden Fällen wird der die Turbine verlassende Dampf kondensiert, um das Wasser entweder in den Reaktor oder (beim Druckwassern) in den Wärmetauscher zurückzuführen. Die dazu erforderliche Kühlenergie wird entweder einem Fluss oder in einem Kühlturm der Luft entzogen.

Da die weltweiten Uranvorräte begrenzt sind, setzt die Forschung auf so genannte Brutreaktoren, die mehr Uran erzeugen, als sie verbrauchen: Uran 238 nimmt im Reaktor Neutronen auf und wird dadurch in spaltbares Plutonium umgewandelt. Der so genannte Schnelle Brüter benutzt flüssiges Natrium als Kühlmittel.

Sicherheit

Der als kuppelförmiges Betonbauwerk weithin sichtbare Sicherheitsbehälter eines Atomkraftwerks ist die äußere Barriere, die den Reaktor bei Gewalteinwirkung von außen schützen und die Umwelt bei einem Unfall vor dem Austritt radioaktiver Strahlung (Radioaktivität) bewahren soll. Die Spaltprodukte bleiben im Normalfall in Brennelementen und Reaktordruckbehälter eingeschlossen. Undichtigkeiten in Rohrleitungen etwa, Defekte aller Art und Bedienungsfehler sowie atomare Sekundärreaktionen können zur Freisetzung radioaktiver Stoffe führen. Die Öffnungen des Nuklearteils eines Atomkraftwerks, durch die regelmäßig Gase und Flüssigkeiten in die Umgebung abgegeben werden oder in gewissen Situationen ins Freie gelangen können, werden deshalb ständig auf radioaktive Emissionen hin kontrolliert. Kernkraftwerke tragen nur wenig zum Treibhauseffekt bei, setzen keine Abgase frei, wärmen dafür aber Flussläufe mit ihrem Kühlwasser auf und setzen schon bei kleineren Defekten radioaktives Material und Strahlung frei. Größere Unfälle in einem AKW können daher globale Auswirkungen haben, wie das Beispiel des GAUs von Tschernobyl 1986 zeigte. Hierbei wurden lebensvernichtende Strahlen freigesetzt, die ganze Landstriche unbewohnbar machten. Ungelöst ist auch das Problem der Entsorgung der strahlenden Abfälle (Atommüll), die z.T. eine sehr hohe Halbwertszeit (bis zu 10 000 Jahren) besitzen. (Siehe auch Reaktorsicherheit.)

Geschichte

Erstmals praktisch verwertbare Energie kam 1951 aus einem US-Forschungsreaktor. Der erste deutsche Reaktor, ein Forschungsreaktor, entstand 1957 in Garching bei München. Im Jahr 2001 einigte sich die deutsche Bundesregierung mit Vertretern der Energiewirtschaft auf eine Regellaufzeit von 32 Jahren der Kraftwerke. Das bedeutet in die Praxis umgesetzt einen Ausstieg aus der Atomenergie bis zum Jahr 2021.