Entstehung/Erfindung/Vorgeschichte
Kernkraftwerke zählen, ebenso wie mit Öl, Kohle oder Gas befeuerte Kraftwerke, zu den Wärme- bzw. Dampfkraftwerken. Auch hier wird Wärme in elektrische Energie umgewandelt, nur wird die Wärme nicht durch Verbrennung erzeugt, sondern durch Kernspaltung.
Und das geschieht – vereinfacht dargestellt – so:
Durch die Spaltung der Atomkerne wird Bewegungsenergie freigesetzt. Die Teilchen flitzen also in wahnsinniger Geschwindigkeit herum. Da das Ganze aber im Kernbrennstoff geschieht, wird diese Bewegung sehr schnell abgebremst, Reibung entsteht und erzeugt unvorstellbare Hitze. Somit ist die Bewegungsenergie in Wärmeenergie verwandelt worden, die Wasser erhitzt, bis es verdampft. Dieser Dampf treibt seinerseits Turbinen an, die an einen Generator gekoppelt sind. Der erzeugt nun wie ein Fahrraddynamo den Strom. Bei einigen Reaktortypen wird nicht das Wasser direkt erhitzt, sondern durch Helium, CO2, Natrium oder eine Bleilegierung ein zweiter Kühlkreislauf, in dem sich Wasser befindet, erwärmt.
Funktionsprinzip / Technik
Nach ihrer Bauart werden folgende Reaktortypen unterschieden:
In Siedewasserreaktoren (SWR) wird „leichtes“ Wasser (H2O) durch die Kernreaktion zum Sieden gebracht. Rund 290 °C ist es dann heiß. Der daraus entstehende Wasserdampf wird auf die Turbinen geleitet, wobei das aus dem abgekühltem Dampf entstehende Kondenswasser zur erneuten Erwärmung wieder in den Kreislauf zurück gespeist wird. Weil der Dampf schwach radioaktiv sein kann, werden alle Leitungen, die Turbine selbst und der Kondensator von besonderen Schutzeinrichtungen überwacht.
Auch Druckwasserreaktoren (DWR) gehören zu den Leichtwasserreaktoren. Das „leichte“ Wasser bremst die Neutronen ab und nimmt die bei der Kernspaltung erzeugte Wärme auf und leitet sie weiter. Jedoch verhindert der hohe Druck von 150 bis 160 bar im Reaktordruckbehälter, dass das Wasser zum Sieden kommt. Stattdessen erhitzt mit seinen bis zu 320 °C einen zweiten Wasserkreislauf, in dem dann der zum Antrieb der Turbinen nötige Dampf erzeugt wird. In einem dritter Kreislauf wird der „verbrauchte“ Dampf kondensiert und dem zweiten Kreislauf wieder zugeführt. Diese Trennung verhindert, dass radioaktive Stoffe den Primärkreislauf verlassen.
Diese beiden Reaktortypen gehören zu den Leichtwasserreaktoren. Davon sind zur Zeit in Deutschland 17 in Betrieb (6 SWR und 11 DWR).
Schwerwasserreaktor (HWR) verwenden dagegen „schweres“ Wasser (D2O) als Kühlmittel und Moderator. Dieses schwere Wasser absorbiert Neutronen schlechter normales Wasser. Das ermöglicht als Brennstoff Natur-Uran.
Ein anderer Reaktortyp, der „Schnelle Brüter“ ermöglicht dadurch eine hohe Brennstoffausnutzung, dass er spaltbares Plutonium aus Natur-Uran erzeugt. Hier wird statt Wasser flüssiges Natrium zur Kühlung verwendet.
Beim Hochtemperaturreaktor (HTR) ist der Brennstoff in Graphitkugeln von Tennisballgröße eingeschlossen. Das Graphit dient hierbei als Moderator. Gekühlt wird mit Helium.
Der Hochleistungs-Druckröhren-Reaktor (RBMK), ein Reaktor sowjetischer Bauart, verwendet Graphit als Moderator und Wasser als Kühlmittel. Der Betrieb dieser Reaktoren gilt als sehr unsicher. Seit dem GAU von Tschernobyl wurden keine neuen Anlagen dieses Typs mehr errichtet. Jedoch sind noch etliche RBMK mit technischen Verbesserungen in der ehemaligen Sowjetunion in Betrieb.
Der häufigste Brennstoff für Kernkraftwerke ist Uran. Dieses Metall besteht hauptsächlich aus den zwei Isotopen U-235 und U-238. Dabei ist das erste durch thermische Neutronen spaltbar, das zweite aber nicht. Jedoch kann das U-235, das in natürlichem Uran nur zu 0,7 % enthalten ist, nur mit schwerem Wasser moderiert werden. Bei dem Uran, das in Leichtwasserreaktoren verwendet wird, wurde zuvor der Anteil des spaltbaren Uran-235 auf mindestens 3,5 % angereichert.
Viele Kernkraftwerke weltweit haben eine Lizenz für die Nutzung eines Gemischs aus Uranoxid und Plutoniumoxid. Dieses Mischoxid (MOX) hat eine wesentlich höhere Energieausbeute als Uran. Doch ist die Verwendung des Plutoniums Pu-239 in höheren Anteilen äußerst umstritten: Zum einen ist dieses Plutonium „waffenfähig“, zum anderen erfordert der Betrieb eines Reaktors damit weit höhere Sicherheitsmaßnahmen.
Das Uran wird aus Erzen gewonnen. Vorkommen finden sich in vielen Ländern. Nach Reinigung von Fremdstoffen wird das Uranoxid in Form von Pellets in Hüllrohren aus einer Zirkonium-Zinn-Legierung gas- und druckdicht zu Brennstäben verschweißt, die dann zu Brennelementen gebündelt werden.
Moderne Kernkraftwerke sind auf eine Betriebsdauer von mindestens 40 Jahren ausgelegt. Während dieser Zeit werden sie regelmäßig nach dem aktuellen Stand der Wissenschaft auf ihre Sicherheit überprüft. Diese Prüfungen sind sehr umfangreich und dauern mehrere Wochen. Vom Ergebnis dieser Prüfungen ist die Genehmigung für einen weiteren Betrieb abhängig. Das garantiert allerdings nicht, dass nicht auch Störfälle auftreten könnten. Die verheerenden Folgen haben wir von gut zwanzig Jahren am Beispiel Tschernobyl gesehen.
aktuelle Anwendungsbeispiele
Das Kernkraftwerk Krümmel südöstlich von Hamburg an der Elbe verfügt über einen Siedewasserreaktor (SWR) und hat eine Nennleistung von 1316 MW. Erst kürzlich ist Krümmel durch einen Brand eines Transformators in die Schlagzeilen geraten. Bei dem Brand entwickelten sich so hohe Temperaturen, dass er erst zwei Tage später gelöscht werden konnte. Angeblich bestand keine keine Gefahr für den Nuklearbereich des Kraftwerks.
Das 1983 in Betrieb genommene Kraftwerk wird von der Kernkraftwerk Krümmel GmbH & Co OHG betrieben, deren Gesellschafter zu je 50% E.ON Kernkraft und Vattenfall Europe Nuclear Energy GmbH sind.
Pannen gibt es in Krümmel schon seit 1985: Da gerieten Teile der Brennelemente in den Kühlkreislauf und führen zu erhöhter Strahlenbelastung der Belegschaft. 1993 wurden Risse an den Rohren des Kühlwassersystems entdeckt. Fünf Jahre später lösten sich zwei Schrauben am Druckbehälter. Der Trafobrand im Juni 2007 setzt die Reihe der Pannen fort. Dennoch wird das Kernkraftwerk, das bisher rund 390 t Atommüll verursachte, voraussichtlich bis 2019 am Netz bleiben.
Das Kernkraftwerk Brunsbüttel in Schleswig-Holstein ist eines der fehleranfälligsten in Deutschland. Es wird von der Kernkraftwerk Brunsbüttel GmbH & Co. OHG betrieben, deren Gesellschafter ebenfalls Vattenfall Europe Nuclear Energy GmbH und E.ON Kernkraft sind. Es wurde in den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts erbaut und erzeugt heute eine Nettoleistung von 771 Megawatt mittels Siedewasserreaktor.
Nach einem ungeklärten Kurzschluss am 28. Juni 2007 musste das Kraftwerk von Netz genommen werden. Beim erneuten Anfahren zwei Tage später kam es zu einer weiteren Panne, als die Grenzwerte im Reaktorkühlsystem überschritten wurden – angeblich ein Bedienungsfehler des Personals. Dieses meldepflichtige Ereignis wurde zunächst vertuscht. Erst die am 18. Juli 2007 Liste der Mängel, die im Internet veröffentlicht wurde, bewirkte die Abschaltung des gesamten Kraftwerks.
Anmerkung: Das Kieler Sozialministerium, das für die Atomaufsicht verantwortlich ist, hielt die Vorgänge in Brunsbüttel und Krümmel entgegen der Meinung der Betreiber für meldepflichtig.
Die beiden Blöcke des südhessischen Kernkraftwerks Biblis werden von der RWE betrieben. Block A wurde 1974 in Betrieb genommen und hat Bruttoleistung von 1225 Megawatt. Der fast gleichstarke Block B folgte 1976. Die beiden Blöcke werden mit Druckwasserreaktoren betrieben. 2009 bzw. 2010 sollen Block A und B abgeschaltet werden. Bis dahin hat das gesamte Kraftwerk rund 1200 t Atommüll produziert.
In einer Reihe von Pannen ist ein Störfall in den 80er Jahren an gefährlichsten: Dabei traten 100 Liter radioaktives Kühlwasser aus. 1991 forderte die Atomaufsicht 55 Nachbesserungen, die zum großen Teil heute noch nicht erfolgt sind. Acht Jahre später trat erneut radioaktives Wasser aus dem Kreislauf aus. Bis heute ist für Biblis keine Erdbebensicherheit gegeben.
Die Kernkraftwerke Isar 1 und Isar 2 in Niederbayern sind zwei völlig unterschiedliche Anlagen auf einem Areal. Während Isar 1, das 1977 an‘s Netz ging, mit einem Siedewassereaktor betrieben wird verfügt das rund 11 Jahre später in Betrieb genommene Isar 2 über einen Druckwasserreaktor. Zusammen erzeugen sie eine Nettoleistung von 2278 MW (ca. 3 % des gesamten Stroms in Deutschland) und haben 755 t Atommüll produziert.
Isar 1 wird voraussichtlich spätestens 2011 stillgelegt. Ein Kampfflugzeug, das 1988 beinahe auf den Reaktor gestürzt ist, löste seinerzeit Diskussionen über die Sicherheit von Atomkraftwerken in solchen Fällen aus. Eine Instabilität des Reaktors in 1991 konnte nie geklärt werden. 2001 prahlte ein Mitarbeiter des Kraftwerks damit, er wisse, wie man die TÜV-Gutachter hinters Licht führt. Der Eigentümer von Isar 1 E.ON entließ ihn. In den Jahren 2003 und 2006 musste die Leistung von Isar 1 reduziert werden, um die Wassertemperatur des Flusses nicht über die vorgeschriebene Höchsttemperatur von 25°C steigen zu lassen.
Isar 2 darf voraussichtlich bis 2023 betrieben werden. Zwischen 1998 und 2005 wurden 17 kleinere Pannen gemeldet. Jedoch ist keine Freisetzung von Radioaktivität bekannt geworden.
Nutzung/Erzeugung Zahlen
Auf dem gesamten Globus waren im Jahre 2006 210 Kernkraftwerke mit zusammen 435 Reaktorblöcken am Netz. In Europa erzeugen die Kernkraftwerke von 18 Ländern eine Gesamtleistung von 171.712 MW. Das entspricht brutto rund 2.660 Milliarden kWh. Dazu kommen in fünf Ländern 10 im Bau befindliche Reaktorblöcke mit insgesamt knapp 10.000 MW.
Das erste Kernkraftwerk der Welt wurde 1954 in Obninsk, Russland in Betrieb genommen. Der betriebsälteste Reaktorblock ist Dungeness in der Grafschaft Kent in England. Von 1965 bis 2006 produzierte er Atomenergie und belastete die Bevölkerung des Umlandes mit einer relativ hohen Strahlenbelastung von rund 0,56 mSv.
Vorteile / Nachteile
Der vermeintliche Vorteil von Kernkraftwerken liegt darin, dass man glaubt, durch Kernspaltung preiswerte Energie in der schier unendlichem Maße erzeugen zu können. Auch werden die natürlichen Ressourcen wie Erdöl, Gas oder Kohle nicht beansprucht. Auch die Tatsache, dass Atomkraftwerke im Gegensatz zu Kohlekraftwerken keinen Schadstoff aus Schornsteinen blasen, nährt den Aberglauben, die „friedliche Nutzung der Kernenergie“ sei eine für die Umwelt saubere Sache.
Doch schon, was aus den radioaktiven Abfallprodukten dieser Art von Energieerzeugung wird, ist niemand richtig klar. Besser gesagt: Die Vorstellungskraft reicht nicht aus, um zehntausende von Jahren in die Zukunft zu denken.
Man ist sich auch nicht ganz einig, ob der atomare Abfall 40.000 Jahre oder „nur“ 23.000 Jahre strahlt. Ernsthafte Konzepte für den Katastrophenfall gibt es jedoch nicht mal für die Gegenwart. Und wer sich an das Ausmaß der Katastrophe von Tschernobyl erinnert, weiß, dass es eine friedliche Nutzung von Kernenergie nicht geben kann.
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