Aufbau und Arten von Kernkraftwerken
Kernkraftwerke sind außerordentlich komplexe und komplizierte Anlagen. Das Herzstück eines Kernkraftwerkes ist ein Kernreaktor, in dem eine gesteuerte Kernspaltung erfolgt. Weitere wichtige Bestandteile sind die Turbine, der Generator und ein Kühlkreislauf mit Kondensator und häufig mit einem Kühlturm, dem aufgrund seiner Größe auffälligsten Bauwerk innerhalb eines Kernkraftwerkes.
Nach ihrem Aufbau unterscheidet man zwei Arten von Kernkraftwerken.
Bei einem Kernkraftwerk mit Siedewasserreaktor (Bild 2) wird das im Kernreaktor erhitzte Wasser in Dampf umgewandelt und dieser direkt der Turbine zugeführt. Über den Kondensator gelangt das Wasser wieder zurück in den Kernreaktor. Bei einem Kernkraftwerk mit Druckwasserreaktor besteht innerhalb des Kernreaktors ein erster Kreislauf mit einem Dampferzeuger (Bild 3). In einem zweiten Kreislauf gelangt der Dampf zur Turbine. Ein Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, dass radioaktiv kontaminiertes Wasser sich nur innerhalb des abgeschirmten Reaktorbereiches befindet. Der Nachteil besteht im insgesamt komplizierteren Aufbau.
Unter den in Betrieb befindlichen deutschen Kernkraftwerken gibt es sowohl Anlagen mit Siedewasserreaktoren (z.B. Krümmel, Würgassen, Grundremmingen) als auch Anlagen mit Druckwasserreaktoren (z.B. Brokdorf, Mühlheim-Kärlich und Neckarwestheim).
Wirkungsweise eines Kernkraftwerkes
Die prinzipielle Wirkungsweise eines Kernkraftwerkes einschließlich
der Energieumwandlungen, die in ihm vor sich gehen, zeigt Bild 4. Das
Herzstück eines Kernkraftwerkes ist der Kernreaktor, in dem die gesteuerte
Kernspaltung vor sich geht. Voraussetzungen für eine gesteuerte
Kernspaltung sind:
- Es muss genügend spaltbares Material vorhanden sein. Die notwendige Mindestmasse wird als kritische Masse bezeichnet.
- Es müssen Neutronen mit der für die Kernspaltung notwendigen Geschwindigkeit existieren. Dazu müssen die bei der Kernspaltung selbst frei werdenden Neutronen abgebremst werden. Das geschieht durch Moderatoren.
- Die Anzahl der Neutronen, die Kernspaltung hervorrufen, muss reguliert werden. Das geschieht durch Regelstäbe (Steuerstäbe), die unterschiedlich tief in den Reaktor hineingefahren werden können und die aus Materialien bestehen, die Neutronen absorbieren.
Bild 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Kernreaktors. Die nachfolgenden
Zahlenangaben beziehen sich auf das Kernkraftwerk Krümmel.
Als Kernbrennstoff wird Uranoxid 
mit angereichertem Uran
(3,5 % Uran-235 und 96,5 % Uran-238) verwendet. In natürlichem Uran
sind nur 0,7 % Uran-235 enthalten. Dieser Kernbrennstoff wird in Tablettenform
hergestellt. Diese Tabletten, auch Pellets
genannt, haben einen Durchmesser von ca. 10 mm und sind 10-15 mm lang.
Sie werden in Brennstoffstäbe,
auch Brennstäbe genannt, gefüllt.
Das sind Stäbe von 11 mm Durchmesser und 4,17 m Länge. 72 solcher
dünner Brennstoffstäbe werden zu einem Brennelement zusammengefasst.
Bild 6 zeigt ein solches Brennelement
mit 72 Brennstoffstäben. Im Reaktor befinden sich 840 solcher Brennelemente,
damit also 60 480 Brennstoffstäbe mit einer Brennstoffmenge
von insgesamt 151 Tonnen.
Da sich beim Betrieb des Reaktors der Anteil des spaltbaren Materials
allmählich verringert, müssen die abgebrannten Brennelemente
von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden. Nutzbar ist ein Brennelement etwa
7 Jahre lang. Zwischen den Brennelementen befinden sich 205 Regelstäbe.
Sie enthalten Borcarbid und Hafnium und damit Stoffe, die Neutronen absorbieren.
Diese Regelstäbe werden mithilfe von Elektromotoren oder hydraulisch
von unten in den Reaktorkern hineingefahren.
Als Kühlmittel und zugleich als Moderator wird Wasser verwendet.
Die eigentliche Kernspaltung erfolgt in den Brennstoffstäben. Diese
befinden sich in dem Druckbehälter, der zu etwa zwei Dritteln mit
Wasser gefüllt ist (Bild 2). Das Wasser strömt von unten nach
oben durch den Reaktorkern und führt dabei die Wärme ab, die
durch Kernspaltung in den Brennstoffstäben frei wird.
Ein Teil des Wassers verdampft. Nach der Trennung von Wasser und Dampf
im oberen Teil des Druckbehälters wird der Dampf mit einer Temperatur
von etwa 280 °C und einem Druck von etwa 6,7 MPa direkt zur Turbine
geleitet. Das sind bis zu 7 200 t Dampf in jeder Stunde.
In der Turbine wird die Energie des Dampfes in mechanische Energie (Rotationsenergie)
umgewandelt. Die Turbine ist mit einem Generator gekoppelt. In ihm wird
die mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt.
Der Generator im Kernkraftwerk Krümmel liefert eine elektrische Leistung
von 1 316 MW bei einer Spannung von 27 kV und einer Frequenz von 50 Hz
(Netzfrequenz). Daraus ergibt sich eine Stromstärke von 48 700 A.
Bei einer solchen Stromstärke würden sich selbst sehr dicke
Leitungen stark erwärmen und große Energieverluste auftreten.
Deshalb wird durch Transformatoren Hochspannung von 220 kV oder von 380
kV erzeugt und diese Hochspannung in das Stromverbundnetz eingespeist.
Vorteile und Nachteile von Kernkraftwerken
Die Vorteile von Kernkraftwerken
bestehen vor allem darin, dass
- keine fossilen Brennstoffe wie Kohle oder Heizöl verbrannt werden müssen,
- der Schadstoffausstoß eines solchen Kraftwerkes im normalen Betrieb relativ gering ist,
- mit relativ kleinen Mengen Kernbrennstoff viel elektrische Energie gewonnen werden kann.
Die Nachteile von Kernkraftwerken liegen u. a. darin, dass
- durch menschliches Versagen oder durch technische Pannen radioaktive Stoffe freigesetzt werden können und dadurch im Extremfall ganze Gebiete strahlenverseucht und unbewohnbar werden können. Ein solcher Fall trat 1986 im ukrainischen Kernkraftwerk Tschernobyl auf, wo es durch menschliches Versagen zu einer Explosion in einem der Kernreaktoren kam und viele Tonnen radioaktives Material in die Atmosphäre gelangten. In der Folge wurde selbst im über 1 500 km entfernten Deutschland eine erhöhte Radioaktivität registriert. Einen solchen schwerwiegenden Unfall bezeichnet man als GAU (größter anzunehmender Unfall).
- mit den abgebrannten Brennelementen radioaktiver Abfall entsteht, der wegen der langen Halbwertszeiten und der Gefährlichkeit verschiedener Stoffe jahrzehntelang sicher gelagert werden muss. So entsteht z. B. in jedem Kernreaktor in den Brennelementen auch hochgiftiges Plutonium. In abgebrannten Brennelementen sind das etwa 1% des Abfalls. Genauere Informationen sind unter dem Stichwort "radioaktiver Abfall" zu finden.
Diese Nachteile von Kernkraftwerken und die mit ihrem Betrieb verbundenen
Gefahren haben zu einer intensiven Diskussion über die Nutzung von
Kernenergie geführt. In den letzten Jahren sind in Deutschland im
Unterschied zu einer Reihe anderer Länder keine neuen Kernkraftwerke
gebaut worden. Längerfristig soll ein Ausstieg aus der Kernenergie
erfolgen. Die Auffassungen über die Zweckmäßigkeit eines
solchen Schrittes sind unterschiedlich.
Kernkraftwerke in Deutschland und
weltweit
In Deutschland gab es im Jahr 2004 noch 18 Kernkraftwerke, die in Betrieb
waren und die ca. 1/3 des elektrischen Stromes lieferten, der in Deutschland
erzeugt wurde. Das Kernkraftwerk Stade wurde im November 2003 vom Netz
genommen.
Die Verteilung der Kernkraftwerke in Deutschland,
ihre Inbetriebnahme und ihre elektrische Leistung sind in Bild 7 dargestellt.
Das älteste noch in Betrieb befindliche Kernkraftwerk ist das in
Obrigheim, das seit 1969 Strom ins Netz abgibt.
Weltweit waren im Jahr 2000 etwa 430 Kernkraftwerke in Betrieb.
46 Kernkraftwerke sind im Bau oder stehen vor ihrer Wiederinbetriebnahme.
Die mit Abstand meisten Anlagen gibt es in den USA (108), gefolgt von
Frankreich (58), Japan (55), Russland (35), Großbritannien (29),
Kanada und Südkorea (je 20) sowie der Ukraine (19).
Weltweit wird etwa 17 % der Elektroenergie in Kernkraftwerken gewonnen,
wobei die Anteile in den einzelnen Ländern sehr unterschiedlich sind:
| Litauen: Frankreich: Belgien: Schweden: Deutschland: |
82 % 78 % 60 % 47 % 33 % |
Eine Reihe von Ländern verzichtet auf die Nutzung von Kernenergie.
Dazu gehören z.B. Italien, Österreich, Portugal und Dänemark.