Kernkraft - so funktioniert's

In einem Kernkraftwerk wird durch die Spaltung von Atomkernen Energie erzeugt. Mithilfe dieses Prozesses, den man als Kernspaltung beziehungsweise Kernfission bezeichnet, wird Wasser erwärmt, sodass Wasserdampf entsteht. Der Wasserdampf wird zum Antrieb einer Turbine genutzt, welche wiederum einen Generator antreibt, der den Strom erzeugt.

Die Kernspaltung erfolgt im Reaktor. Während des Prozesses werden Uran-Atomkerne mithilfe von Neutronen gespalten, welche mit den Atomen kollidieren. Bei der Spaltung eines Atomkerns werden neue Neutronen freigesetzt, die andere Atomkerne spalten können. Auf diese Weise wird eine Kettenreaktion in Gang gesetzt. Als Brennstoff in Kernkraftwerken wird in der Regel ein spezielles Isotop des chemischen Elements Uran verwendet, das Uran-235. Der Kernspaltungsprozess wird durch den Einsatz von verschiedenen Steuerstäben gesteuert, welche die freigesetzten Neutronen absorbieren, wodurch die Reaktionsrate der Kettenreaktion verringert oder vollständig unterbrochen werden kann.

Es gibt viele verschiedene Arten von Kernreaktoren, am gebräuchlichsten sind jedoch der Druckwasser- und der Siedewasserreaktor.

Druckwasserreaktor

 

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Der Reaktor arbeitet mit Wasser und Uran. Durch die Spaltung der Uranatome wird das Wasser auf bis zu 325 °C erwärmt. Die Regulierung des hohen Drucks im Reaktorinneren erfolgt durch einen Druckbehälter, der verhindert, dass das Wasser zu sieden beginnt.

Das erwärmte Wasser aus dem Reaktor wird zum Dampferzeuger, einem großen Wärmetauscher, geleitet. Da hier ein niedrigerer Druck herrscht, bildet sich Wasserdampf, der an die Turbine weitergeleitet wird. Der Wasserdampfdruck bewirkt eine Rotation der Turbinenblätter. Die Turbine treibt einen Generator an, der Strom erzeugt. Der Wasserdampf wird zu einem Kondensator geleitet, der aus vielen kleinen Rohrleitungen besteht. Durch diese Rohrleitungen wird Meerwasser gepumpt. Wenn der Wasserdampf auf die kalten Rohrleitungen trifft, kondensiert er und wird wieder zu Wasser. Das Meerwasser wird daraufhin wieder ins Meer zurückgepumpt. Es ist nun durchschnittlich 10 °C wärmer als vor dem Eintritt in den Kondensator.

Das Wasser im Dampferzeuger hingegen wird wieder in den Reaktor zurückgepumpt, um dort erneut erwärmt zu werden. Das Reaktorwasser zirkuliert also in einem geschlossenen Kreislauf. Das bedeutet, dass weder das Wasser aus dem Dampferzeuger noch das Kühlwasser aus dem Meer mit dem Wasser im Reaktor in Berührung kommt.


Siedewasserreaktor

 

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Mehrfachbarrieren und Sicherheitssysteme

Während des Kernspaltungsprozesses bildet sich im Reaktor ionisierende Strahlung. Um die Strahlung und die radioaktiven Stoffe daran zu hindern, auf die umgebende Umwelt einzuwirken, existieren mehrere, unabhängig voneinander funktionierende Barrieren und Sicherheitssysteme.

Der Brennstoff selbst dient als Barriere, da sich die keramischen Uranpellets kaum an der Luft zersetzen und schwer wasserlöslich sind (vergleichbar mit einem Ziegelstein im Wasser). Zudem bindet er die radioaktiven Stoffe. Die Pellets schmelzen erst bei 2800 °C.

Die Uranpellets sind in rohrförmigen Kapseln aus Zirkalloy eingeschlossen, einer Metalllegierung mit guten Eigenschaften für die Verwendung in Reaktoren. Die Rohrleitungen sind vollkommen gasdicht.

Als dritte Barriere dient der Reaktordruckbehälter mit dem dazugehörenden Rohrleitungssystem. Der Reaktordruckbehälter besteht aus 15 bis 20 Zentimeter dickem Stahl und wiegt zirka 400 Tonnen.

Der Reaktor ist von einer Sicherheitsummantelung aus meterdickem Beton umschlossen, die zudem noch mit einer gasdichten Stahldichthaut versehen ist.

Die fünfte Barriere ist das Reaktorgebäude selbst, das starken Kräften standhalten kann, die von außen und innen auf das Gebäude einwirken.

Zusätzlich zu diesen Barrieren existieren mehrere Sicherheitssysteme, die den Reaktorkern kühlen und verhindern, dass radioaktive Stoffe entweichen.

Sicherheitsbarrieren

 

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Sicherheitsfilter als zusätzliche Schutzmaßnahme

Auch bei einem Ausfall sämtlicher Sicherheitssysteme darf keine Radioaktivität nach außen dringen. Aus diesem Grund kommen spezielle Filter zum Einsatz, die mindestens 99,9 Prozent der radioaktiven Stoffe aufnehmen.

Sollte der Druck im Reaktorsicherheitsbehälter zu hoch werden, können Gase und Dämpfe abgelassen und zum Filter geleitet werden. Die Hauptaufgabe des Filters besteht darin, die Emission von radioaktiven Partikeln und radioaktivem Jod zu minimieren.

Anschließend werden der Wasserdampf und die Gase in einem Filterbecken, dem so genannten Gaswäscher, gereinigt. Die radioaktiven Partikel verbleiben im Wasser des Gaswäschers, während die gereinigten Gase einen Steinfilter passieren und abgelassen werden können.