Seit einigen Jahren werden für die Energieerzeugung zunehmend Kernkraftwerke durch erneuerbare Energien ersetzt. Denn neben dem Atommüll, der in Kernkraftwerken entsteht, werden die sogenannten Reaktorkatastrophen gefürchtet. Die Vergangenheit zeigt, dass diese immer wieder ein Argument gegen Atomenergie liefern.
Der Reaktor im Atomkraftwerk: Definition und Reaktortypen
In einem Atomkraftwerk werden atomare Prozesse zur Energieerzeugung genutzt. Der wichtigste atomare Prozess dabei ist die Kernspaltung. Aber auch mit Kernfusion kann Energie erzeugt werden.
Diese Prozesse finden in einem sogenannten Reaktor statt.
Ein Reaktor ist ein Raum, in dem physikalische, chemische und auch biologische Prozesse ablaufen. Dieser Raum ist bautechnisch abgegrenzt und durch besondere Sicherheitsmaßnahmen geschützt.
Oft werden auch die Begriffe Atomreaktor, Kernreaktor oder Fusionsreaktor genannt. Alle bezeichnen hierbei einen Reaktor eines Atomkraftwerkes. Der ablaufende Prozess entscheidet hier über die genaue Bezeichnung.
Reaktortypen
Es gibt verschiedene Reaktortypen. Die zwei grundlegenden Funktionsprinzipien sind der Kernreaktor und der Fusionsreaktor. Der Kernreaktor kann weiter untergliedert werden.
Kernreaktor: Hier werden schwere Kerne durch Neutronen destabilisiert. Die bei folgender Kernspaltung entstehende Abwärme wird zur Energiegewinnung genutzt.
Fusionsreaktor: In solch einem Reaktor werden Atomkerne fusioniert. Dabei entstehen Neutronen, deren Energie zur Stromerzeugung genutzt werden soll. (Prinzip noch nicht in der Praxis eingesetzt)
Folgend findest Du eine kurze Einführung in diese beiden Reaktortypen. Du erfährst, welche Prozesse bei der Spaltung und der Fusion von Atomkernen auftreten und wie daraus nutzbare Energie gewonnen werden kann.
Kernreaktor
Im Kernreaktor wird Energie durch die Spaltung von Atomkernen erzeugt. Doch wie lässt sich ein Atomkern überhaupt spalten?
Atomkerne sind so lange stabil, wie die Anziehungskraft die abstoßende Kraft der Teilchen überwiegt. Hierfür ist vor allem das Verhältnis von Protonen zu Neutronen wichtig.
Ein Atomkern ist aus einem Kern und einer Hülle aufgebaut. Der Atomkern wiederum besteht aus Protonen (positiv geladene Teilchen) und Neutronen (neutral geladen). In der Hülle des Atoms halten sich die Elektronen auf (negativ geladenen Teilchen).
Bei sehr schweren Kernen, z. B. Uranisotop 235U oder Plutonium 239Pu, ist die Stabilität zwar zunächst vorhanden, allerdings reicht ein zusätzliches Neutron bereits aus, damit der Kern instabil wird.
Ein Isotop ist eine Variante eines chemischen Elements, das dieselbe Ordnungszahl besitzt, aber eine andere Massenzahl.
Beispiel: Das Element Wasserstoff (H) besitzt die Isotope Protium 1H, Deuterium 2H und Tritium 3H.
Durch Aufnahme eines zusätzlichen Neutrons erhalten wir also 236U und 240Pu. Beide Kerne sind in dieser Form instabil und zudem hoch angeregt. Diese schweren, hoch angeregten Kerne regen sich anschließend nach sehr kurzer Zeit wieder ab. Dies geschieht durch Kernspaltung.
Bei der Kernspaltung teilt sich der Kern in zwei neue Kerne, die mit großer Geschwindigkeit auseinander fliegen. Daneben werden noch circa zwei bis drei Neutronen frei. Diese Neutronen können wiederum andere Isotope anregen (nukleare Kettenreaktion).
Die kinetische Energie der Bruchstücke wird bei Stößen mit dem umgebenden Material in Form von Wärme abgegeben. Diese Wärme wird nun zur Energieerzeugung (z. B., Strom) verwendet.
Es gibt verschiedene Formen von Kernreaktoren. Dazu zählen zum Beispiel Leichtwasserreaktoren, Schwerwasserreaktoren, Graphit-Reaktoren und einige weitere Formen. Sie unterscheiden sich in der Wahl des Kühlmittels, das die Brennstäbe umgibt oder durch den Einsatz verschiedener Moderatoren.
Der Moderator in einem Reaktor dient dazu, die freien Neutronen, die bei der Kernspaltung entstehen, abzubremsen.
Einige der Reaktorformen sind sicherer als andere. In Tschernobyl zum Beispiel wurde die Wahl der Reaktorform letztendlich zum Verhängnis.
Fusionsreaktoren
Ein zweiter Ansatz, um mit Atomen nutzbare Energie zu erzeugen, ist die Kernfusion. Um zwei Kerne zu fusionieren, werden Wasserstoffisotope auf sehr hohe Temperaturen erhitzt (ca. 100–150 Mio. Kelvin).
Dabei trennen sich Atomkern und Elektronen voneinander. Treffen zwei Atomkerne aufeinander, werden sehr energiereiche Neutronen erzeugt. Die Neutronen geben ihre Energie in Form von Wärme ab. Diese Wärme soll zur Stromerzeugung genutzt werden.
"Soll" deswegen, weil diese Reaktorform so noch nicht existiert. Es wird zwar bereits seit den 60er-Jahren an diesem Thema geforscht, allerdings konnte es aufgrund technischer Hürden noch nicht für die Anwendung umgesetzt werden.
Mehr zum Themenbereich Reaktoren, Atomkraft und Energieerzeugung, findest du im Artikel über Atomkraftwerke.
Reaktorkatastrophen: Folgen, Definition und Auswirkungen
Du kennst nun die wichtigsten technischen Aspekte hinter Kernkraftwerken. Hier erfährst Du mehr über Reaktorkatastrophen. Was sind diese überhaupt und welche Folgen können sie nach sich ziehen?
Reaktorkatastrophen Definition
Den Begriff Reaktorkatastrophe hast Du vielleicht schon einmal gehört. Vermutlich können Deine Eltern sogar aus eigenen Erfahrungen davon berichten, denn in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts traten diese häufiger auf.
Eine Reaktorkatastrophe ist ein schweres Unglück, das durch enorme Schäden an einem Reaktor ausgelöst wird.
Das heißt also: Wenn an einem der oben vorgestellten Reaktortypen ein so großes Problem auftritt, dass es weitreichende Folgen haben wird, wird dieses Ereignis als Reaktorkatastrophe bezeichnet.
Kernschmelze Ursache
Eine mögliche Ursache für Reaktorkatastrophen ist die Kernschmelze, z. B. bei Ausfall der Kühlsysteme.
Bei der Kernschmelze erhitzen sich die Brennstäbe im Reaktor unkontrolliert immer weiter und schmelzen schließlich. Eine Ursache dafür ist z. B. eine erhöhte Anzahl freier Neutronen, die Kettenreaktion weiter anfachen. Dieses Szenario wird normalerweise durch einige Sicherheitssysteme vermieden.
Fallen alle Sicherheitssysteme im Reaktor aus, die eine solche Kernschmelze verhindern sollen, erhitzen sich die Brennstäbe auf enorme Temperaturen.
Ein Brennstab ist ein Rohr, das mit dem Brennstoff gefüllt ist. Er enthält unter anderem das benötigte Uran oder Plutonium für die Kernreaktion.
Greifen weiterhin keine Sicherheitssysteme, so läuft schließlich die Schmelze am Boden des Reaktors zusammen. Wird durch die Kernschmelze nun das Reaktorgefäß beschädigt, kann das radioaktive Material unkontrolliert austreten. Dies hat schwere Auswirkungen, vor allem auf die direkte Umgebung, aber teils auch weitreichendere Folgen.
Reaktorkatastrophen Auswirkungen
Wenn durch die Kernschmelze die Reaktorwände nicht zerstört werden, besteht trotzdem ein großes Sicherheitsrisiko. Die Temperaturen im Inneren sorgen dafür, dass eine Explosionsgefahr besteht.
Wieso explodiert ein Reaktor bei der Kernschmelze?
Die Explosion wird durch den austretenden Wasserstoff verursacht. Zirkonium, das im Material der Brennstabhülle enthalten ist, reagiert bei sehr hohen Temperaturen mit Wasser. Wasser wird in der Regel als Kühlmittel im Reaktor eingesetzt. Der entstandene Wasserstoff reagiert nun mit dem Sauerstoff in der Luft. Dies führt zur Knallgasexplosion.
Die Knallgasprobe kennst Du vielleicht aus dem Chemieunterricht. Dort ploppt es kurz, aber im Reaktor findet dieselbe Reaktion mit sehr viel mehr Gas statt. Statt einem kleinen Plopp kommt es hier zur großen Explosion.
Tritt letztlich radioaktives Material aus dem Reaktor aus, ob aufgrund der Kernschmelze selbst oder durch eine Explosion, spricht man von einem Super-GAU. In diesem Fall besteht höchste Gefahr für Mensch und Natur.
Radioaktive Stoffe können schwere Schäden im menschlichen Gewebe anrichten. Doch auch für die Umwelt ist eine Freisetzung des hoch radioaktiven Materials katastrophal. Pflanzen, Lebensmittel und die Böden nehmen beispielsweise das radioaktive Material auf und werden unbrauchbar.
Liste von Unfällen in kerntechnischen Anlagen
In der Vergangenheit gab es immer wieder Reaktorkatastrophen. Einige schwerwiegende und einige, die durch Sicherheitssysteme noch aufgefangen werden konnten, bevor sie zum Super-GAU wurden.
Die wohl größten Unfälle in Atomkraftwerken waren
- Windscale (Großbritannien, 1957)
- Three Mile Island (USA, 1979)
- Tschenobyl (ehem. SU, 1986) und
- Fukushima (Japan, 2011).
Reaktorkatastrophe in Tschernobyl
Im April 1986 kam es in einem Atomkraftwerk in Tschernobyl (in der damaligen Sowjetunion, heute Ukraine) zur Kernschmelze.
Abbildung 2: Atomkraftwerk in Tschernobyl
Quelle: wikipedia.de
Doch wie konnte dieses Unglück überhaupt geschehen?
Vorfall
Das Team im Kernkraftwerk führte einen Testlauf einer Notsituation durch. Dafür wurden manuell viele Sicherheitssysteme abgeschalten. Während des Testlaufs traten Fehler auf, u. a. aufgrund der baulichen Konstruktion und der technischen Auslegung.
In Tschernobyl wurde ein Reaktor vom Typ RBMK-1000 eingesetzt. Bei diesem Typ wird die Kettenreaktion der Kernspaltung über Graphitstäbe reguliert. Das Graphit kann Neutronen einfangen. Dadurch lässt sich die Anzahl freier Neutronen für weitere Kernspaltungsprozesse kontrollieren.
Während des Testlaufs fiel allerdings die Leistung des Reaktors stark ab, daher wurden die Graphitstäbe zurückgenommen, um weniger Neutronen zu binden. Die Kettenreaktion lief also wieder an.
Bei der Kernspaltung entsteht Wärme. Und genau das war nun das Problem: Die Kühlsysteme konnten die Abwärme der nun wieder anlaufenden Kettenreaktion nicht ausreichend abtransportieren. Die Arbeiter versuchten noch, die Graphitstäbe wieder einzufahren, allerdings stieg die Leistung weiter an. Die Kettenreaktion war bereits außer Kontrolle.
Die enormen Temperaturen im Reaktor sorgten nun dafür, dass sich Wasserstoff bildete. Es kam schließlich zur Explosion. Durch diese wurden die Reaktorgebäude zerstört und das radioaktive Material gelangte nach außen.
Folgen
Die gravierendsten Schäden zeigten sich in der direkten Umgebung des Reaktorblocks. Dort wurden im Umkreis von 30 km alle Anwohner*innen evakuiert. Später wurde der Radius nochmal erhöht. Dennoch litten viele Menschen in der ehemaligen Sowjetunion an gesundheitlichen Folgen der Katastrophe.
Doch nicht nur die Gesundheit, sondern auch die Wirtschaft und die Landnutzung hatten erhebliche Verluste zu vermelden. Das Gebiet rund um den Reaktor konnte nicht mehr für landwirtschaftliche Zwecke genutzt werden. Viele Quadratkilometer Land wurden sowohl als Wohnraum als auch als Agrarfläche unbrauchbar.
Eine Folge, die nicht nur die Sowjetunion traf: Das im Reaktor enthaltene Graphit fing nach der Explosion aufgrund der enormen Temperaturen zu brennen an. Mit dem Rauch, der dabei entstand, gelangten radioaktive Partikel weit nach oben. Diese Partikel konnten daher mit Winden über weite Flächen Europas Richtung Westen transportiert werden.
Die in der Luft enthaltenen Partikel wurden dann durch Regen aus der Luft "gewaschen" und regneten auf die Böden ab. Dadurch gelangte die Radioaktivität in viele Gebiete, die eigentlich sehr weit weg von der Unfallstelle lagen.
Viele Jahre nach der Nuklearkatastrophe in Tschernobyl kämpften weitreichende Gebiete Europas noch mit den Folgen der radioaktiven Niederschläge.
Auch in Deutschland beispielsweise gab es Auswirkungen auf die Natur. So konnten lange Zeit keine Pilze aus dem Wald gegessen werden, da diese die Giftstoffe aus dem Boden aufnahmen. Wildfleisch war teils stark belastet, da diese sich von den kontaminierten Pflanzen ernährten.
Heute noch kann eine erhöhte Belastung in Pilzen und Wild nachgewiesen werden. Wenn Du Dich vor einer überhöhten Belastung schützen willst, solltest Du nur geringe Mengen selbst gesammelter Pilze oder selbst erlegten Wildes zu Dir nehmen.
Erst einige Jahre später wurde das Kraftwerk stillgelegt. Bis dahin wurde in den übrigen Reaktorblöcken weiterhin Kernspaltung betrieben.
Reaktorkatastrophe in Fukushima
2011 ereignete sich eine dramatische Unfallserie im japanischen Kraftwerk Fukushima. Dort kam es aufgrund eines Erdbebens zu Kernschmelzen in drei Reaktorblöcken.
Abbildung 3: Fukushima, wenige Tage nach dem ErdbebenQuelle: wikipedia.de
Vorfall
Am 11. März erschütterte ein Erdbeben 160 km vor der japanischen Küste den Standort des Kernkraftwerks Fukushima. Durch das starke Beben wurde die Schnellabschaltung der Reaktorblöcke ausgelöst. Ein zusätzlicher Stromausfall ließ auch das Kühlsystem ausfallen, das noch für einige Minuten über Notstrom aufrechterhalten werden konnte.
Nicht mal eine Stunde später wurde das Kraftwerk von enormen Tsunamiwellen, die durch das Erdbeben ausgelöst wurden, getroffen. Die Wellen zerstörten einige Wasserpumpen, wodurch das Kühlsystem nicht mehr mit Meerwasser gefüllt werden konnte. Auch einige der Notstromgeneratoren wurden von den Wassermassen schwer getroffen und fielen aus.
Erdbeben sind in der Region kein Einzelfall. Beim Bau des Kraftwerks wurde dies einkalkuliert, allerdings wurden keine Beben dieser Stärke berücksichtigt. Auch die Auslegung der Schutzmauern auf der Meerseite war nicht für derartig hohe Tsunamiwellen gedacht.
Als die letzten verbleibenden Generatoren keinen Diesel zum weiteren Betrieb hatten, fiel auch das Notkühlsystem aus. Über die Straßen war das Kraftwerk für weitere Hilfe nicht erreichbar, da das Beben und der Tsunami auch dort erhebliche Schäden hinterließen.
In Folge all dieser Unglücke kam es in 3 von 6 Reaktorblöcken zur Kernschmelze. In den nächsten Tagen folgten Wasserstoffexplosionen (wie auch in Tschernobyl) in drei Reaktoren, wodurch radioaktiver Schutt freigesprengt wurde. In einem anderen Block wurde der Sicherheitsbehälter beschädigt und kontaminiertes Wasser konnte austreten.
Folgen
In den Tagen nach dem Beben, insbesondere 11. bis 16. März, gelangten ständig kontaminierter Dampf und auch kontaminiertes Wasser in die Umgebung.
Das größte Problem der Nuklearkatastrophe in Fukushima stellte das kontaminierte Wasser dar. Da die Reaktoren über Monate weiter gekühlt werden mussten, entstanden etliche Tonnen kontaminiertes Wasser. Dieses Wasser wurde langfristig über eine Dekontaminationsanlage, die auf dem Gelände errichtet wurde, gereinigt.
Auch bei dieser Nuklearkatastrophe mussten viele Anwohner*innen in umliegenden Gebieten evakuiert werden. Die Strahlenbelastung durch entweichende Gase und Dämpfe war zu hoch. Die Menschen trugen gesundheitliche Schäden durch die Radioaktivität davon.
Das Kraftwerk Fukushima wurde noch im selben Jahr stillgelegt.
Reaktorkatastrophen - Das Wichtigste
- Definition: Ein schweres Unglück, das durch Schäden an einem Reaktor ausgelöst wird.
- Es gibt zwei grundlegende Reaktortypen: Kernreaktor und Fusionsreaktor. Der Fusionsreaktor ist jedoch noch nicht zur Energiegewinnung im Einsatz.
- Kernreaktoren können mit verschiedenen Funktionsprinzipien arbeiten. Es gibt zum Beispiel Leichtwasser-Reaktoren, Schwerwasser-Reaktoren, Graphit-Reaktoren und einige weitere Formen.
- Kernreaktor: Durch die Aufnahme von Neutronen werden schwere Atome angeregt. Diese regen sich durch Kernspaltung ab, wodurch Energie frei wird.
- Fusionsreaktor: Zwei Atomkerne (H-Isotope) werden fusioniert. Dabei entstehen energiereiche Neutronen, die ihre Energie in Form von Wärme abgeben.
- Reaktorkatastrophen entstehen meist durch Kernschmelze. Diese tritt auf, wenn die Brennstäbe nicht mehr ausreichend gekühlt werden und sich unkontrolliert immer weiter erhitzen.
- Die größten Reaktorkatastrophen waren Tschernobyl, Windscale, Three Mile Island und Fukushima.
- Tschernobyl: 1986 kam es zur Kernschmelze und Wasserstoffexplosion in Folge einer misslungenen Simulation eines Notfalls. Ursache war der Reaktortyp RBMK-1000, der technisch gesehen große Sicherheitslücken aufwies.
- Fukushima: Ein Erdbeben und der darauffolgende Tsunami zerstörten die Strom- und Kühlwasserversorgung. Es kam zur Kernschmelze und Explosion in drei Reaktorblöcken.
- Schwere Auswirkungen hatten die Katastrophen vor allem auf Mitarbeiter*innen und die Bevölkerung vor Ort. Sie erlitten gesundheitliche Schäden.
- Durch Dämpfe oder Rauch kann radioaktive Strahlung weitreichend verteilt werden. So kann es auch in weit entfernten Gebieten zu radioaktiven Niederschlägen kommen.
- Kontaminiertes Kühlwasser kann durch Lecks austreten und das Grundwasser langfristig verseuchen.
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