Kernkraftwerke wandeln Kernenergie in elektrische Energie um

Kernkraftwerke wandeln Kernenergie in elektrische Energie um
Kernspaltungen setzen Energie frei, die zur Erzeugung von Wasserdampf genutzt wird,
um damit über die Drehbewegung einer Turbine einen Generator anzutreiben
Von Prof. Dr. Mintken
Von den in Deutschland errichteten Kernkraftwerken sind aktuell noch 9 Kraftwerke für den
Betrieb zugelassen. Die Betriebserlaubnis für diese Kraftwerke erlischt nach § 7 Abs. 1 a des
Atomgesetzes in einer abgestuften zeitlichen Folge, die mit Ende 2015 beginnt und Ende
2022 abgeschlossen wird. In den an Deutschland unmittelbar angrenzenden Staaten sind
derzeit 72 Kernkraftwerke in Betrieb, davon 59 in Frankreich.
Jedes der 9 deutschen Kernkraftwerke ist für eine elektrische Bruttoleistung von rund 1400
Megawatt (MW) ausgelegt. Wegen der hohen Verfügbarkeit der Kernkraftwerke, die Werte
bis zu 95 % erreicht, stellen die 9 Kernkraftwerke zusammen eine elektrische Energie von
jährlich knapp 100 Terawattstunden (TWh) bereit, das sind gut 16 % des jährlichen Bedarfs
an elektrischer Energie in Deutschland. Kernkraftwerke übernehmen gemeinsam mit
Braunkohle-Dampfkraftwerken die Grundlast der Energieversorgung in Deutschland.
Kernspaltung setzt Energie frei, die kontrolliert genutzt wird
In Kernkraftwerken wird Kernenergie durch Kernspaltung über Zwischenstufen in elektrische
Energie umgewandelt. Als spaltbares Material wird Uran-235 benötigt, das zuvor in einem
komplizierten Verfahren mit den Isotopen 235 oder 233 angereichert werden muss. Das
angereicherte Material wird zu Brennstäben verarbeitet, die zu Brennelementen gebündelt
werden. Die Brennelemente bilden zusammen mit weiteren notwendigen Bestandteilen den
Reaktorkern, der sich zusammen mit Wasser im Reaktordruckbehälter befindet.
Im Reaktordruckbehälter erfolgt die Kernspaltung: Kernenergie wird dadurch in thermische
Energie umgewandelt. Die Kernspaltung von Atomkernen wird durch Aufnahme eines freien
Neutrons in einen Kern bewirkt, wodurch mehrere Spaltprodukte entstehen; Teile der
Bindungsenergie aus dem Atomkern und 2 oder 3 Neutronen aus einem gespaltenen
Atomkern von Uran-235 werden neben elektromagnetischer Strahlung freigesetzt. Bei jeder
Spaltung werden wieder Neutronen frei. Jedes Neutron kann wieder zu einer Spaltung führen,
so dass sich die Kernspaltung als Kettenreaktion fortsetzt. Das Wachstum der Kettenreaktion
wird durch variable Steuerstäbe begrenzt, die ihrerseits Neutronen aufnehmen. Bei der
Kernspaltung entsteht eine Temperatur von etwa 800 Grad Celsius, die frei werdende
Bindungsenergie führt zur Erwärmung der Umgebung. Von den in Deutschland betriebenen
Reaktoren wird die entstehende Wärme an das Wasser abgegeben, das sich im
Reaktordruckbehälter befindet und den Reaktorkern umgibt. Das Wasser dient zur Kühlung
und gleichzeitig zur Übertragung der nutzbaren Wärmeenergie; ferner reduziert das Wasser
die Bewegungsgeschwindigkeit der freien Neutronen, ein erwünschter Effekt, der insgesamt
die Kernspaltung begünstigt.
Es sind 2 Bauarten üblich: Druckwasserreaktoren und Siedewasserreaktoren. In
Druckwasserreaktoren steht das Wasser des Primärkreislaufs im Reaktordruckbehälter unter
einem Druck von etwa 160 bar. Dadurch wird der Siedepunkt des Wassers deutlich erhöht, so
dass zwar eine Temperatur von etwa 320 Grad Celsius des Wassers im Reaktordruckbehälter
erreicht wird, das Wasser jedoch nicht siedet. Die Wärme des Wassers aus dem
Primärkreislauf wird über Wärmetauscher an Wasser in einem Sekundärkreislauf abgegeben.
Mit der Wärme des Wassers im Sekundärkreislauf wird Dampf erzeugt, der nach Verdichtung
eine Dampfturbine antreibt. In Siedewasserreaktoren wird dagegen das Wasser im
Reaktordruckbehälter zugleich zur Dampferzeugung genutzt. Bei einem Betriebsdruck im
Reaktordruckbehälter von etwa 70 bar siedet das Wasser bei etwa 290 Grad Celsius. Der
Wasserdampf sammelt sich im oberen Teil des Reaktordruckbehälters und wird von dort an
eine Dampfturbine geleitet. Mit der Drehbewegung von der Dampfturbine wird der Generator
angetrieben, der eine 3-Phasen-Wechselspannung erzeugt. Der abströmende Wasserdampf
wird nach dem Verlassen der Turbine wieder mit Hilfe von Kühlwasser aus einem Fluss zu
Wasser kondensiert und dem Reaktordruckbehälter erneut zugeführt.
Kernkraftwerke sind sicher, aber das Risiko der Technologie ist hoch
Kernkraftwerke arbeiten im Normalbetrieb mit hoher Zuverlässigkeit. Angesichts der
spezifischen Gefahren kerntechnischer Anlagen sind konzeptionell und betriebstechnisch
umfangreiche Sicherheitsvorkehrungen gegen Abweichungen vom Normalfall getroffen
worden. Gleichwohl können nicht sämtliche Gefahren ausgeschlossen werden. Zwar ist die
Wahrscheinlichkeit für einen „katastrophalen Unfall“ extrem niedrig, jedoch wären die
Schäden beim Eintritt eines solchen Ereignisses unvorstellbar hoch. Eine weitere HauptGefahrenquelle wird durch den radioaktiven Abfall gebildet, der aufgrund des normalen
Betriebs entsteht und wegen der Strahlung bis zu mehreren Millionen Jahren sicher verwahrt
werden muss. Nach dem Atomgesetz wird wegen dieser Gefahren die für Errichtung und
Betrieb eines Kernkraftwerks in Deutschland erforderliche Genehmigung nicht erteilt,
bestehende Genehmigungen erlöschen nach einem im Atomgesetz vorgegebenen Zeitplan.
Literatur- und Quellenhinweise
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie: Energie in Deutschland. Berlin 2013
Gesetz über die friedliche Verwendung der Kernenergie und den Schutz gegen ihre Gefahren
(Atomgesetz)
Umweltbundesamt: Datenbank „Kraftwerke in Deutschland“ (Stand 2013-02-15)
www.profdrmintken.de
Autor:
Prof. Dr. Karl-Heinz Mintken VDI
Dipl.-Ing. Dipl.-Päd.
Freier Wissenschaftler
Cloppenburger Str. 458
26133 Oldenburg