Kernkraftwerke:

An dieser Station lernst Du den Aufbau und die Funktionsweise von Kernkraftwerken (im Volksmund auch oft nicht ganz korrekt als Atomkraftwerke bezeichnet) kennen. Du erfährst, welche Vorteile sie haben - aber auch, welche Risiken in dieser Technologie stecken. Wenn Du diese Station durchgearbeitet hast, wirst Du in der aktuellen politischen Diskussion über den Ausstieg aus der Kernenergie besser mitreden können.

		Wo kommt die Energie her?
		Wie ist der Reaktor aufgebaut?
		Nutzen & Risiken der Kernenergie
		Weiterführende Links

Grundlage jedes Kernkraftwerkes ("KKW") ist die Kernspaltung.
     

Dabei wird der Kern eines schweren Isotops - meistens Uran-235 - durch den Einfang eines Neutrons instabil und zerfällt in kleinere Kerne unter Freisetzung von weiteren Neutronen und viel Energie. Es wird somit nicht die natürliche Radioaktivität (also der von sich aus ablaufende Zerfall radioaktiver Stoffe) ausgenutzt, weil die hierbei freigesetzte Leistung bei den großen Halbwertszeiten viel zu gering wäre.
     

Vielmehr spaltet man geeignete Atomkerne künstlich durch den Beschuss mit langsamen Neutronen. Bei dieser Spaltung entstehen wieder neue Neutronen, es kommt so zur Kettenreaktion, welche unkontrolliert zur verheerenden Kernexplosion führt (siehe auch Station "Kernwaffen").
     

Kernreaktoren sind nun nichts anderes als Anlagen, in denen durch kontrollierte Kernspaltung Wärme erzeugt wird. Diese wird dann üblicherweise in denselben Verfahren wie im Kohlekraftwerk in Wasserdampf und schließlich in elektrischen Strom umgewandelt. Die gesamte Anlage bezeichnet man als KKW.

		Hast Du es verstanden?
		Was ist der einzige (wenn auch wesentliche!) Unterschied zwischen einem Kern- und einem Kohlekraftwerk?

Wie aus der Abbildung "Prinzip eines Kernreaktors" zu erkennen ist, bestehen Reaktoren im Wesentlichen aus 5 Komponenten:

1. Ausreichende Masse an spaltbarem Material ("Brennstoff")      2. Stoff zum Abbremsen der entstehenden schnellen Neutronen ("Moderator")      3. Steuerstäbe zum Einfang von Neutronen      4. Kühlmittel zur Wärmeableitung      5. Abschirmung
Abbildung: Prinzip eines Kernreaktors > Bildquelle: Basiswissen zum Thema Kernenergie, Herausgeber Informationskreis KernEnergie, Berlin 2002

Damit ein Kernkraftwerk Strom erzeugen kann, muss zunächst die Kettenreaktion in Gang gesetzt werden. Dazu ist eine Menge Brennstoff (meistens das spaltbare Uran-Isotop U-235) erforderlich, welche über der kritischen Masse (etwa 50kg bei U-235) liegt. Das Uran befindet sich dabei in Tabletten aus Urandioxid in etwa 4m langen und nur 1cm dicken Brennstäben aus Zirkaloy, einer Zirkonium-Legierung.

Da die Neutronen aus der Kernspaltung sehr schnell sind, müssen sie durch geeignete Stoffe abgebremst werden, damit sie weitere Kernspaltungen auslösen können. Diese Stoffe werden als Moderatoren bezeichnet. In der BRD wird ausschließlich Wasser als Moderator eingesetzt. Beim Unglücksreaktor in Tschernobyl hat man Graphit (also reinen Kohlenstoff) verwendet, welches während des Unfalls in Brand geriet.

		Hast Du es verstanden?
		Warum benötigt der Reaktor ein Bremsmittel ("Moderator") für die Neutronen?

Damit die Kettenreaktion nicht unkontrolliert abläuft (und sich der Reaktor dabei in eine Atombombe verwandelt - der sogenannte GAU = größter anzunehmender Unfall!), wird die Zahl der Neutronen durch die Regelstäbe begrenzt. Dabei gilt es, den Reaktor so dicht wie möglich in der Nähe des "kritischen Punktes" zu halten. Das bedeutet, dass durch den Einfang überschüssiger Neutronen mit geeigneten Neutronenabsorbern (z.B. Bor oder Cadmium) nur genau so viele Neutronen im Reaktor belassen werden, dass die Kettenreaktion nicht abbricht. Um die Neutronenzahl zu regeln, werden die Steuerstäbe aus Neutronenabsorbierendem Material mehr oder weniger weit zwischen die Brennstäbe gefahren.

< der zerstörte Reaktor von Tschernobyl. Bildquelle: www.ilexikon.com.

Wenn von den bei jeder Spaltung freigesetzten 2 bis 3 Neutronen genau 1 wieder einen weiteren Kern spaltet, so läuft die Kettenreaktion ideal ab, man spricht vom kritischen Reaktor. Steigt aber die Zahl der Neutronen von Reaktion zu Reaktion an, so wird der Reaktor überkritisch und die Regelstäbe werden weiter in den Kern eingefahren, um stärker zu absorbieren. Werden dagegen zu viele Neutronen absorbiert, stoppt die Kettenreaktion und der Reaktor geht aus. Aus Sicherheitsgründen hängen dabei die Regelstäbe über den Brennstäben, so dass sie im Notfall einfach schnell in den Kern fallen und den Reaktor stoppen können.

Die bei der Spaltung freigesetzte Energie wird durch ein geeignetes Kühlmittel (meistens Wasser) vom Reaktorkern abgeführt und über Wärmetauscher (Sicherheit!) an das eigentliche Wärmekraftwerk zur Stromerzeugung abgegeben.

Damit weder radioaktive Strahlung noch entstehende gefährliche Spaltprodukte in die Umgebung entweichen können, sind moderne Kernkraftwerke mit zahlreichen Abschirmungen und Sicherheitsmaßnahmen ausgestattet. Dazu gehört in erster Linie ein massiver Mantel aus 2m dickem Stahlbeton.

Da alles im Reaktorkern im Betrieb durch die extrem hohe Strahlung nach und nach selber radioaktiv wird, muss unter allen Umständen verhindert werden, dass Stoffe - Kühlmittel, Moderatoren, Regelstäbe usw. - austreten können. Das stellt eine der wesentlichen Probleme im langfristigen Betrieb eines KKW dar.

		Hast Du es verstanden?
		Kann ein Mini-KKW mit 10g Uran-235 gebaut werden, um z.B. ein Blockhaus in Kanada zu heizen und mit Strom zu versorgen (tatsächlich könnte man rein von der Energiebilanz her damit theoretisch sogar eine kleine Stadt 1 Jahr lang betreiben...)?

Kernenergie ist praktisch Emissionsfrei, es entstehen weder Treibhausgase noch wird Feinstaub erzeugt. Bis auf die unvermeidbare Erwärmung von Kühlwasser wird die Umwelt nicht beeinträchtigt. Kernenergie ist für Jahrhunderte verfügbar und in den Betriebskosten preiswert.

Die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern kann nur über KKWs reduziert werden, da es schlichtweg an sinnvollen Alternativen im benötigten Gigawatt-Bereich mangelt.

Warum dann die ganze Diskussion um den Ausstieg aus der Kernenergie?

Zum einen produzieren KKW enorme Mengen an radioaktiven Abfällen. Ob es sich um stark strahlende abgebrannte Brennstäbe oder um schwach aktives Material aus dem Sekundärkreislauf handelt - alles muss langfristig sicher gelagert werden. Dazu kommt das gewisse Restrisiko jeder technischen Anlage, zu dem auch der Faktor Mensch beiträgt. Die Katastrophe von Tschernobyl wurde wahrscheinlich durch illegale Experimente am Reaktor ausgelöst und durch menschliches Versagen in Verbindung mit mangelhafter Technik verschlimmert. Wenn also etwas passiert, dann sind die Folgen dramatisch.

Letztendlich stehen dem enormen ökonomischen und ökologischen Nutzen der Kernenergie auch ernstzunehmende Risiken und die ungeklärte Frage der langfristigen Lagerung des strahlenden Abfalls gegenüber.

< Abbildung: Modernes KKW am Beispiel eines Druckwasserreaktors vom Typ Brokdorf
Bildquelle: Basiswissen zum Thema Kernenergie, Herausgeber Informationskreis KernEnergie, Berlin 2002.

Quellen:
   Basiswissen zum Thema Kernenergie, Herausgeber Informationskreis KernEnergie, Berlin 2002
   http://www.wikipedia.de

    http://www.reyl.de/tschernobyl
    http://www.tschernobyl-folgen.de
    http://www.hamburger-bildungsserver.de/index.phtml?site=klima
    http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/index3.htm