Ein Kernkraftwerk (KKW), auch Atomkraftwerk (AKW) oder Nuklearkraftwerk, ist ein Wärmekraftwerk bei dem durch kontrollierte Kernspaltung (Fission) elektrische Energie gewonnen wird.

Das Kernkraftwerk Tihange, dass sich im belgischen Huy befindet

Inhaltsverzeichnis

1 Aufbau
2 Funktionsweise
3 Sicherheitsmechanismen
4 Gefahren
- 4.1 Gesundheitsschäden
5 Quellen

Aufbau

Ein Atomkraftwerk besteht aus 3 verschiedenen Bereichen: dem Primärkreislauf (links), dem Sekundärkreislauf (mitte) und dem Kühlturm (rechts). Im Primärkreislauf befindet sich der Reaktor, seine Außenhülle besteht aus dickem Beton und Blei Schichten, damit keine Strahlung nach außen treten kann. Im Reaktor befinden sich die Brennelemente, die radioaktive Uran 235 Atomkerne beinhalten, die Steuerstäbe, die aus Cadmium oder Bor bestehen, und der Dampferzeuger (Wassertank), welcher das Wasser so stark erhitzt, dass es zu Wasserdampf wird. Im Sekundärkreislauf befindet sich die Turbine, der Generator und der Kondensator. Die Turbine wird vom Wasserdampf aus dem Primärkreislauf angetrieben und dadurch erzeugt der Generator Storm. Nachdem der Wasserdampf die Turbine angetrieben hat, verlässt er sie und wird im Kondensator durch z.B. Flusswasser oder Meerwasser abgekühlt und wird wieder zu Wasser.

Aufbau eines Kernkraftwerks mit Druckwasserreaktor

Funktionsweise

Der Kernreaktor

Im Reaktor wird durch kontrollierte Kernspaltung und radioaktiven Zerfall Kernenergie freigesetzt. Im Reaktor befinden sich die Brennelemente, als Brennstoff verwendet man meistens das chemische Element Uran. Das häufigste Uranisotop ist Uran-238 mit 92 Protonen und 146 Neutronen im Kern. In Kernkraftwerken verwendet man dagegen das Isotop Uran-235, das drei Neutronen weniger besitzt und leicht spaltbar ist. Im Leistungsbetrieb erhitzen sich die Brennelemente auf bis zu 2000 Grad.

Kernreaktor im Atominstitut Prater, Wien

Es werden bewusst große Urankerne mit Neutronen beschossen, die sich dann in kleinere Kerne und zwei bis drei einzelne Neutronen spalten. Die Bruchstücke fliegen mit hohen Geschwindigkeiten auseinander, sie sind aber zu schnell, deshalb prallen sie an anderen Urankernen ab. Die Neutronen können erst weitere Urankerne spalten, wenn sie verlangsamt werden, deshalb sind die Brennstäbe mit Wasser umgeben, weil durch Stöße mit den Wasserstoffatomen die Neutronen einen Teil ihrer Energie verlieren und so abgebremst werden. Cadmium- und borhaltige Kontrollstäbe werden zwischen die Stäbe mit Kernbrennstoff geschoben. Außerdem können die Steuerstäbe ein und ausgefahren werden. Diese Stäbe können freie Neutronen aufnehmen und dadurch lässt sich die Anzahl der spaltfähigen Neutronen und damit auch die Kettenreaktion im Reaktor steuern. Das umgebende Wasser ist mit neutronenabsorbierender Borsäure versetzt. Die Kontrolle der Kettenreaktion erfolgt also durch die Konzentrationsänderung der Borsäure und die Eintauchtiefe der Steuerstäbe, weil die Absorbersubstanzen darin die überschüssigen Neutronen aufnehmen, bleibt die Neutronenzahl konstant. Wenn man mit dem Kernkraftwerk aber Strom produzieren möchte, entfernt man diese Steuerstäbe. Das Ausbremsen hat aber noch einen weiteren Effekt, denn die bei den Zusammenstößen verlorene Energie wird in Wärme umgewandelt und dadurch heizt sich das umgebende Kühlwasser auf.

Reaktortypen

Die Kernkraftwerke in Deutschland sind Druckwasser- und Siedewasserreaktoren. In Siedewasserreaktoren befinden sich die Brennelemente in einem Druckbehälter, der zu zwei Dritteln mit Wasser gefüllt ist. Die Kettenreaktion erhitzt das Wasser auf mehr als 280 Grad Celsius, wobei ein Druck von rund siebzig Bar vorliegt. Wegen der hohen Temperatur verdampft ein Teil des Wassers im Reaktordruckbehälter, deshalb die Bezeichnung Siedewasserreaktor. Außerdem gibt es noch Siedewasser-Druckröhrenreaktore, Thorium-Hochtemperaturreaktore, Brutreaktore und Natururanreaktore.

Der Primärkreislauf

Das gesamte System steht unter hohem Druck, damit das Wasser flüssig bleibt, deshalb kann es viel wärme der Brennelemente durch Heizrohre an den Dampferzeuger leiten. Die Wärme wird so an das Wasser im Sekundärkreislauf abgegeben, das die Heizrohre umgibt.

Der Sekundärkreislauf

Das erhitzte Wasser wird zu Dampferzeugern außerhalb des Reaktors geleitet und gibt dort seine Wärme an einen weiteren Wasserkreislauf ab. Das Wasser im zweiten Kreislauf erhitzt sich und verdampft. Dieser Dampf treibt die Turbinen im konventionellen Teil des Kernkraftwerks an.

Die Dampfturbinen

Über lange Rohrleitungen wird der heiße Wasserdampf des sekundär Kreislaufs zur Turbine geführt. In den Dampfturbinen wird die im Dampf enthaltene Energie in Rotationsenergie umgewandelt, denn der heiße Dampf aus dem Reaktor treibt die Turbinen an und sie treibt den Generator, der die Bewegungsenergie in Strom umwandelt.

Sicherheitsmechanismen

Die Kühlung des Reaktorkerns

Das Kernkraftwerk Fukushima Daiichi

Durch den radioaktiven Zerfall der Spaltprodukte im Reaktorkern, wird Wärme erzeugt, die auch nach der Abschaltung eines Kraftwerks nur langsam abkühlt. Wenn diese Wärme aber nicht sicher aus dem Reaktorkern und dem Brennelementlagerbecken abgeführt wird, könnte das die Sicherheitseinrichtungen des Kraftwerks gefährden und auch zerstören. Deswegen befindet sich der Reaktorkern von einem Kernkraftwerk in einem "Druckbehälter" mit einem geschlossenen Kühlkreislauf hinter dicken Betonmauern. Dieser Schutzmechanismus hat aber nicht in Fukushima funktioniert, denn die durch das Erdbeben hervorgerufene Flutwelle verursachte am Kernkraftwerk, den Ausfall der Stromversorgung von vier der sechs Reaktorblöcke. Die Kühlung der Reaktoren wurde unterbrochen und deshalb kam es zu einer Kernfreilegung und daraufhin zu einer Kernschmelze.

Sicherer Einschluss des radioaktiven Materials

In Leichtwasserreaktoren gibt es sechs Barrieren, die die radioaktiven Stoffe zurückhalten:

Das Kristallgitter des Brennstoffes
Die gasdicht verschweißten Brennstabhüllen
Den Reaktordruckbehälter mit anschließenden Rohrleitungen
Den thermischen Schild
Den Sicherheitsbehälter
Die umschließende Stahlbetonhülle

Die Kontrolle der Reaktivität

Wenn man den Reaktor nicht abschalten kann, dann wird sichergestellt, dass es keine unkontrollierten Kettenreaktion gibt. Das passiert zum Beispiel durch Steuerstäbe, wie beim Siedewasserreaktor oder durch Borierung des Kühlmittels wie beim Druckwasserreaktor. Sie bewirken, dass bei der Erwärmung der spaltbaren Materialien, ihre Reaktivität automatisch sinkt. Beim Experiment am Turbinengenerator des Reaktorblocks 4 im Atomkraftwerk von Tschernobyl[1], lief der Reaktor nicht mehr stabil und deshalb wurden die Regelstäbe, aus dem Reaktorkern herausgezogen, um die Leistung zu stabilisieren. Die Techniker schlossen dann die Sicherheitsventile der Turbinen und verringerten damit die Wasserzufuhr im Reaktor. Dann aber innerhalb von Sekunden stieg die Reaktorleistung sehr schnell an, sie versuchten eine Notabschaltung, die aber nicht erfolgreich war. Um den Reaktor zu bremsen, hätten die Regelstäbe wieder ganz in den Reaktorkern eingefahren werden müssen. Der Druck, der sich im Reaktor durch das aufgeheizte und verdampfende Wasser aufgebaut hatte, war bereits zu hoch und durch die hohen Temperaturen hatten sich die Stäbe verbogen und passten nicht mehr in die vorgesehenen Einschublöcher. Deshalb kam es dann zu einer Explosion.

Gefahren

Reaktor explodiert oder schmilzt durch wie bei Chernobyl[2] , wegen unzureichender Kühlung
Terroristischer Anschlag z.B. ein gezielter Flugzeugabsturz um die den Kühlkreislauf lahm zu legen
Cyberangriffe wie 2009 im Iran (Stuxnet)
Innentäter

Gesundheitsschäden

Missbildungen, bei Ungeborenen oder Neugeborenen
Krebs
Herz-Kreislauf-Erkrankungen
Leukämie (Blutkrebs) bei Kindern, wenn sie in der Nähe eines Atomkraftwerkes leben