Möglicherweise kommen Dir die Begriffe Tschernobyl und Fukushima bekannt vor. Beides waren schwerwiegende Kernkraftunfälle in der Ukraine und in Japan. Aber hast Du Dich schon mal gefragt, wie genau es zu den Unfällen gekommen ist? Warum wird in den Medien oft für eine Abschaffung von Kernkraftwerken gesprochen? Im Folgenden findest Du Antworten auf die Fragen und alles Wichtige zum Thema Kernkraftwerke.
Kernkraftwerk Definition
Kernkraftwerke sind ein Thema, das oftmals in den Medien heiß diskutiert wird. Aber was ist die Aufgabe von Kernkraftwerken?
Mit einem Kernkraftwerk, oft auch Atomkraftwerk genannt, lässt sich elektrische Energie durch Kernspaltung gewinnen. Üblicherweise wird für die Kernspaltung radioaktives Uran-235 verwendet.
Kernkraftwerke sind ein im Jahr 1924 vom Physiker Enrico Fermi konstruierter Aufbau zur Produktion von Strom und Wärme. Sie sind einer der bedeutsamsten Erfindungen im Anwendungsbereich der Kernphysik.
Der entscheidende Unterschied zu fossilen Energieträgern (z.B. Kohle) ist, dass Kernkraftwerke keine klimaschädlichen Stoffe wie CO₂ in die Umwelt freisetzen. Die Verbrennung der Energieträger fällt weg, da die Wärmeenergie über die Kernspaltung erfolgt. Das macht die Nutzung besonders attraktiv.
Durch eine kontrollierte Kernspaltung, die im Kernkraftwerk erfolgt, kann ein Teil der Kernmasse des Urans in Energie umgewandelt werden.
Kernspaltung ist die Zerlegung eines schweren Atomkerns in zwei oder mehr leichtere Atomkerne unter Freisetzung von Energie.
Falls Du die Grundlagen von Kernenergie und Kernspaltung noch einmal auffrischen möchtest, schau Dir doch gerne eine Erklärung dazu an.
Die Funktion eines Kernkraftwerks wird prinzipiell in einen konventionellen und nuklearen Teil unterteilt.
Der nukleare Teil ist für die Wärmeenergie zuständig, die durch die Kernspaltung erzeugt wird. Der konventionelle Teil ist für den Bereich verantwortlich, der für die Umwandlung von Wärmeenergie zur elektrischen Energie zuständig ist.
Die Abläufe im Kernkraftwerk müssen jedoch unter strengen Sicherheitsmaßnahmen ablaufen, da sonst Menschenleben gefährdet werden können. Wie sieht aber ein Aufbau aus, der auch die Sicherheit gewährleisten kann?
Kernkraftwerk Aufbau
Es existieren verschiedene Arten von Kernkraftwerken und deswegen auch viele unterschiedliche Aufbauten. Sie sind aus technischer Perspektive hochkomplex, lassen sich aber zur Erklärung gut in einzelne Bauteile zerlegen.
Abb. 1 - Aufbau eines Kernkraftwerks
Wie in Abbildung 1 illustriert, besteht der Aufbau aus vielen Teilelementen, die essenziell für den Betrieb des Kernkraftwerks sind. Die wichtigste Komponente ist jedoch der Kernreaktor.
Kernkraftwerke: Kernreaktor
Der Kernreaktor wird oftmals als Herzstück des Kernkraftwerks bezeichnet. Dieser ist mit einem Schutzschild umgeben, damit die ausgesendete Strahlung nicht in die Umgebung gelangen und Menschen oder andere Lebewesen schaden kann.
Bestehend aus einem mit Wasser gefüllten Reaktordruckbehälter, in dessen Zentrum sich der Reaktorkern befindet, wird hier der eigentliche Kernspaltungsprozess durchgeführt. Im Reaktordruckbehälter befinden sich zudem die Brennelemente in Form von langen, dünnen Brennstäben, in denen sich das Uran befindet.
Außerhalb des Druckbehälters befindet sich ein Dampferzeuger, der das Wasser durch den Reaktordruckbehälter führt und sublimiert (verdampft).
Kernkraftwerke: Steuerung
Damit die Kernspaltung kontrolliert ablaufen kann, werden Steuerelemente in Form von Regelstäben aus Bor oder Cadmium mit in den Druckbehälter eingebracht.
Diese regulieren die Zerfälle und passen die Anzahl der Neutronen an. Die Kernspaltung kann nämlich nur dann weiter fortgesetzt werden, wenn genügend reaktionsfähige Neutronen vorhanden sind.
Zudem müssen die Steuerelemente den Vorgang im Falle eines Notfalls stoppen. Das Material der Steuerelemente kann die austretenden Neutronen absorbieren und sorgt damit dafür, dass die Kernspaltung kontrolliert ablaufen kann.
Das Wasser, das eingefüllt wird, dient auch zur Kühlung des Reaktors sowie zum Transport der erzeugten Wärme in Form von Dampf zur Dampfturbine.
Kernkraftwerke: Dampfturbine
Der erzeugte Dampf, wird daraufhin in eine Dampfturbine geleitet, die aus einem Kessel und einer Turbine besteht. Durch die im Dampf enthaltene Wärmeenergie wird die Turbine angetrieben. Der Dampf breitet sich aus und strömt durch die Turbine.
Aufgrund der vom Dampf verursachten Drehung der Turbine wird die Wärmeenergie in Rotationsenergie umgewandelt.
Der austretende Dampf der Turbine wird daraufhin durch den Kondensator geführt und gekühlt. Dieser kondensiert den Dampf und pumpt das Wasser zur Wiederverwendung wieder zur Dampfturbine.
Kernkraftwerke: Generator
Der eigentliche Ort, an dem Strom im Kernkraftwerk erzeugt wird, ist der Generator. Die von der Dampfturbine ausgehende Rotationsenergie treibt den Generator an, der sich infolgedessen dreht und die Energie in elektrische Energie umwandelt.
Über einen Transformator gelangt der produzierte Strom letztlich in das Stromnetz, das den Strom zum Endverbraucher führt.
Nach erfolgreicher Produktion des Stroms muss das Wasser zurück zum Dampferzeuger geleitet werden. Der Dampf wird durch einem dritten Kreislauf durch einen Kondensator wieder kondensiert, sodass die überschüssige Energie in einen Kühlturm abgeführt werden kann.
Die vollständige Kühlung des Wassers erfolgt in einem Kühlturm, der mit einer Wasserquelle (z.B. einem Fluss) verknüpft ist. Das gekühlte Wasser kann dann wieder erhitzt, verdampfen und wiederverwendet werden.
Kernkraftwerk Funktion
Der Anordnung der Komponenten im Kernkraftwerk dient nicht nur zur Gewährleistung der Sicherheit. Einige Prozesse im Kernkraftwerk sind direkt miteinander über einen Kreislauf verbunden. Aber welcher Prozess gehört zu welchem Kreislauf?
Kreisläufe im Kernkraftwerk
Der Ablauf der einzelnen Teilprozesse im Kernkraftwerk werden in drei unterschiedliche Kreisläufe unterteilt. Dazu gehören der Primärkreislauf, Sekundärkreislauf und Kühlkreislauf.
Primärkreislauf
Der Primärkreislauf beschreibt zunächst die Prozesse, die sich im Kernreaktor und Dampferzeuger ablaufen. Dazu gehört die Aufheizung des Wassers, das sich im Kernreaktor befindet. Dort ist der Druck sehr hoch, sodass das Wasser nicht verdampfen kann. Die Wärme des aufgeheizten Wassers wird nach der Erwärmung zum Dampferzeuger transportiert, wo der Primärkreislauf auf den Sekundärkreislauf trifft.
Sekundärkreislauf
Die zum Dampferzeuger weitergeleitete Wärme verdampft das Wasser, das sich im Dampferzeuger befindet. Dieser Dampf wird daraufhin zur Turbine hin geströmt. Die im Dampf enthaltende Wärmeenergie wird in Rotationsenergie umgewandelt, die darauffolgend die Turbine zum Drehen anregt.
Umgewandelt wird die Rotationsenergie darauffolgend in elektrische Energie. Die restliche, nicht genutzte Wärme wird dabei vom Kondensator aufgenommen, wobei der Sekundärkreislauf hier auf den Kühlkreislauf trifft.
Kühlkreislauf
Der Kühlkreislauf ist, wie der Name schon sagt, für die Kühlung des Wassers im Sekundärkreislauf zuständig. Durch den Kondensator wird der nicht nutzbare Dampf aufgenommen und erwärmt. Daraufhin erfolgt die Weiterleitung in den Kühlturm und das abgekühlte Wasser wird in beispielsweise einen Fluss geströmt.
Die strikte Trennung des Primärkreislaufs im Reaktor und des Kühlkreislaufs ist hierbei essenziell, da sonst die Radioaktivität des verseuchten Wassers im Primärkreislaufs in die Umwelt gelangt.
Kernkraftwerk Energieumwandlung
Die Energieumwandlung im Kernkraftwerk durchläuft fünf Phasen. Diese können zur Verdeutlichung mit einem Flussdiagramm illustriert werden.
Abb. 2 - Energiediagramm eines Kernkraftwerks
Wie in Abbildung 2 illustriert, gibt es bei der Energieumwandlung auch hohe Anteile an Energieverlust während der Prozesse. Die nicht nutzbare Energie wird durch die Verlustleistung beschrieben.
Verlustleistung gibt Auskunft über die Diskrepanz zwischen der zugeführten Energie pro Zeit (Eingangsleistung) und der nutzbaren Energie pro Zeit (Nutzleistung) am Ende des vollständigen Ablaufs.
Führt man dem Kernkraftwerk also Energie zu, so kann diese nicht vollständig genutzt werden. Tatsächlich kann der Großteil der Energie im Kernkraftwerk nicht genutzt werden.
Wie viel Energie in einem System nicht genutzt werden kann, wird durch den Wirkungsgrad beschrieben. Aber wie wird der Wirkungsgrad eigentlich beschrieben?
Kernkraftwerk Wirkungsgrad
Tatsächlich kann ein Großteil der umgewandelten Energie nicht genutzt werden und ist unbrauchbar, was sich im Wirkungsgrad des Kernkraftwerks bemerkbar macht.
Der Wirkungsgrad η beschreibt das Verhältnis zwischen zugeführter Energie EZu und genutzter Energie ENutz also wie viel praktisch von der (umgewandelten) Energie verwendet werden kann. Mathematisch wird der Wirkungsgrad wie folgt ausgedrückt:
Der Wirkungsgrad von Kernkraftwerken ist typischerweise 35 %. Es werden also nur im Schnitt 35 % der zugeführten Energie im Kernkraftwerk zur Stromproduktion verwendet.
Auch wenn das prozentuale Verhältnis gering erscheint, so wird dennoch im Vergleich zu anderen Methoden der Energiegewinnung bei gleicher Menge mehr Strom produziert. Beispielsweise werden mit Photovoltaikanlagen ein Wirkungsgrad von durchschnittlich 20 % erreicht, also deutlich geringer als bei Kernkraftwerken.
Dies verdeutlicht abermals, wie effektiv ein Kernkraftwerk eigentlich ist. Um diese Effizient jedoch beizubehalten, werden Energien im Bereich von mehreren Megawatt bis Gigawatt verarbeitet. Der Umgang mit einer hochenergetischen Methodik birgt leider auch einige Risiken und Gefahren.
Kernkraftwerk Katastrophen
Wenn Du an Kernkraftwerke denkst, fällt Dir wahrscheinlich mit als erstes einer der Katastrophen ein, welche durch Kernkraftunfälle verursacht wurden. Tatsächlich richteten Kernkraftunfälle nicht nur im kontaminierten Gebiet Schaden an, sondern macht auch in der Umgebung über mehrere Ländergrenzen hinweg bemerkbar.
So waren bei der Nuklearkatastrophe von Tschernobyl 1986 ganz Europa betroffen, die zu der Zeit eine erhöhte Radioaktivität detektierten.
Kernkraftwerk Tschernobyl
Der wahrscheinlich bekannteste Kernkraftwerkunfall ist der 1986 geschehene Unfall im Gebiet Tschernobyl in der ukrainischen Stadt Prypjat. Aufgrund von hochgradigen Verstößen der Sicherheitsmaßnahmen und ungünstigen Baueigenschaften explodierte ein Kernreaktor im Kernkraftwerk und löste einen schwerwiegenden Brand aus.
Die Explosion setzte innerhalb einiger Tage nach dem Unfall eine riesige Menge an radioaktiver Strahlung aus und löste einen Super-GAU aus.
Ein Super-GAU, also ein Größter Anzunehmender Unfall, beschreibt den schwerwiegendsten Unfall, der in einem Kernkraftwerk geschehen kann.
Durch die radioaktive Strahlung wurde beinahe vollständig das Gebiet kontaminierte, sowie teilweise andere europäischen Staaten.
Abbildung 3: Verlassenes Gebäude Jahre nach dem Unfall
Der Unfall schockierte damals die ganze Welt. Auch Jahre nach der Katastrophe starben Arbeiter und Bewohner an den Folgen der radioaktiven Strahlung, welche Krebs oder andere Strahlenkrankheiten bei den Menschen verursachte.
Wenn Du mehr über biologische Strahlenwirkung erfahren möchtest, schau Dir gerne eine Erklärung dazu an!
Seit dem Unfall wurden die Sicherheitsvorkehrungen in Kernkraftwerken weltweit deutlich verschärft. Auch wurde vermehrt über eine Abschaltung aller Kernkraftwerke diskutiert. Bis heute sind die kontaminierten Bereiche Tschernobyls unbewohnbar und weiterhin verstrahlt, was sich in naher Zukunft wohl nicht ändern wird.
Kernkraftwerk Fukushima
Vor nicht allzu langer Zeit im Jahr 2011 ereignete sich ein Kernkraftwerkunfall aufgrund einer Naturkatastrophe in Fukushima, Japan. Dieser löste eine Reihe von katastrophalen Unfällen und Störungen aus.
Mit einem Erdbeben am 11.03.2011, der einen Tsunami auslöste und mehrere Tausend Menschen tötete, begann die Unfallserie. Der Tsunami beschädigte das an der Küste liegende Kernkraftwerk, das infolgedessen radioaktive Strahlung in die Umgebung emittierte und die umgebende Natur wie Wasser, Wälder und Luft kontaminierte.
Im Laufe des Tages explodierten zeitversetzt mehrere Reaktorgebäude und stießen immer mehr Radioaktivität aus. Das Ausmaß der Katastrophe in Fukushima wurde wie die Nuklearkatastrophe in Tschernobyl auf die höchste Katastrophenstufe (Stufe 7) bewertet.
Katastrophenstufen werden durch die internationale Bewertungsskala für nukleare und radiologische Ereignisse definiert. Die Bewertung basiert auf die Einstufung der Sicherheit von Vorfällen, vorwiegend von Atomunfällen. Die Skala beginnt bei 0 (keine Gefährdung der Sicherheit) und steigt bis zur Stufe 7 (katastrophaler Unfall).
Daraufhin kamen erneut Gespräche zur Abschaffung von Kernkraftwerken und damit zur Nutzung von Kernenergie auf, einige Länder wie Italien oder Litauen verzichteten zeitnah sogar vollständig auf ihre Kernkraftprogramme.
Kernkraftwerke Vor- und Nachteile
Nach genaueren Betrachtung der verursachten Nuklearkatastrophen stellst Du Dir möglicherweise die Frage, warum Kernkraftwerke trotz der gewaltigen Ausmaße weiterhin in Betrieb sind. Zwar bringen Kernkraftwerke Risiken mit sich, aber tatsächlich haben sie auch einige Vorteile. Die Frage, ob Kernkraftwerke das Risiko wert sind, wird bis heute noch stark diskutiert.
Vorteile und Möglichkeiten von Kernkraftwerken
Kernkraftwerke sind wie am Anfang bereits erwähnt kaum umweltschädigend. Die Prozesse im Kernkraftwerk laufen ohne Begünstigung des Treibhauseffekts ab.
Verglichen mit fossilen Energieträgern, erwirtschaften Kernkraftwerke mehr elektrische Energie und besitzen damit eine höhere Produktionsrate an Strom mit der gleichen Menge Brennstoff als die fossilen Energieträger.
Nachteile und Risiken von Kernkraftwerken
Wie im Abschnitt Katastrophen schon angedeutet, bergen Kernkraftwerke besonders bei nachsichtiger Nutzung gewaltige Risiken auf.
Es können jederzeit aufgrund von technischen Schwierigkeiten, naturbedingten Störfällen oder menschlichem Versagen Komplikationen auftreten, dessen Umfang gravierend sein kann (siehe Tschernobyl und Fukushima).
Im schlimmsten Fall kann der Kernreaktor im Kernkraftwerk explodieren und riesige Mengen von radioaktiver Strahlung in die Umgebung emittieren. Die Folge wären eine hohe Strahlenbelastung, die Krankheiten wie Krebs auslösen kann.
Damit verknüpft besteht zudem die Gefahr einer Kernschmelze. Sollte es dazu kommen, dass die Kühlung ausfällt, so kann der Reaktorkern schmelzen und sich selbst zerstören. Die Folgen der Kernschmelzen können im schlimmsten Fall ebenso zu einer Explosion und einer infolgedessen erhöhten Emission von Radioaktivität resultieren.
Unabhängig von den Sicherheitsrisiken besteht auch ein Problem mit den Abfallprodukten. Die Halbwertszeit von einem radioaktiven Stoff, also die Zeit, in die der Stoff braucht seine Teilchenzahl auf die Hälfte zu reduzieren, ist in der Regel mehrere Jahrzehnte bis Jahrhunderte groß, was die Lagerung der Abfälle schwierig macht.
Falls Du Dein Wissen zur Halbwertszeit von radioaktiven Stoffen noch einmal auffrischen möchtest, kannst Du Dir gerne eine Erklärung dazu anschauen.
Zudem erweist sich der Rückbau eines Kernkraftwerks als schwierig, denn bevor die Konstruktion zurückgebaut werden kann, müssen alle Bauelemente dekontaminiert werden, was jedoch sehr zeitaufwendig ist.
Auch wenn der Ausstieg in Deutschland schon beschlossen ist, ist das Thema rund um Atomenergie und Kernkraftwerke ein weiterhin umstrittenes Thema.
Kernkraftwerke - Das Wichtigste
- Ein Kernkraftwerk dient zur Produktion von Strom und Wärme.
- Mit einem Kernkraftwerk, oft auch Atomkraftwerk genannt, lässt sich elektrische Energie durch Kernspaltung gewinnen. Üblicherweise wird für die Kernspaltung radioaktives Uran-235 verwendet.
- Die Funktion eines Kernkraftwerks wird prinzipiell in einen konventionellen und nuklearen Teil unterteilt
- Die drei Kreisläufe, die chronologisch durchgeführt werden, sind der Primärkreislauf, Sekundärkreislauf und der Kühlkreislauf.
- Verglichen mit fossilen Energieträgern, erwirtschaften Kernkraftwerke mehr elektrische Energie und besitzen damit eine höhere Produktionsrate an Strom mit der gleichen Menge Brennstoff als die fossilen Energieträger.
- Der Wirkungsgrad η beschreibt das Verhältnis zwischen zugeführter und genutzter Energie, also wie viel praktisch von der (umgewandelten) Energie verwendet werden kann.
- Verlustleistung gibt Auskunft über die Diskrepanz zwischen der zugeführten Energie pro Zeit (Eingangsleistung) und der nutzbaren Energie pro Zeit (Nutzleistung) am Ende des vollständigen Ablaufs.
- Es können jederzeit aufgrund von technischen Schwierigkeiten, naturbedingten Störfällen oder menschlichem Versagen Komplikationen auftreten, dessen Umfang gravierend sein kann (siehe Tschernobyl und Fukushima).
- Ein Super-GAU, also ein Größter Anzunehmender Unfall, beschreibt den schwerwiegendsten Unfall, der in einem Kernkraftwerk geschehen kann.
- Auch wenn der Ausstieg oftmals schon beschlossen ist, ist das Thema rund um Atomenergie und Kernkraftwerke ein weiterhin umstrittenes Thema.
Nachweise
- https://www.kkl.ch: Kernenergie (12.07.22)
- https://www.enbw.com: Energieerzeugung (12.07.22)
- Peter Ackermann et al. (2014). Fokus Physik S2. Cornelsen.
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