Deutschland und seine Atomkraft–Teil 1: Die Grundlagen

Nach dem Erdbeben in Japan und den Ereignissen rund um das KKW Fokushima 1, redet man in Deutschland über nichts anderes, als über den Ausstieg aus der Kernenergie. Leider ist es auch jenes Thema, bei dem das Unwissen, welches die Menschen dabei immer wieder demonstrieren, eine geradezu tödliche Dosis erreicht hat. Deshalb will ich einmal ganz von vorne Anfangen. Nämlich bei den Grundlagen.


Was ist ein Kernkraftwerk?
Ein KKW ist ein Wärmekraft, in welchem man elektrische Energie durch kontrollierte Kernspaltung gewinnt.

Wie funktioniert ein Kernkraftwerk?
Im Kernreaktor entsteht durch Kernspaltung Wärme. Mit dieser Wärme wird Wasser aufgeheizt. Dadurch entsteht Wasserdampf. Dieser Wasserdampf wird nun unter Druck gesetzt und in eine Dampfturbine geleitet. Die Turbine wird angetrieben und ähnlich bei einem Fahrraddynamo entsteht elektrische Energie.

Die wichtigsten Komponenten eines KKW sind die folgenden:

Kernreaktor: Er ist das Herz des Kraftwerks. In seinem zentralen Teil, dem Reaktorkern, wird durch kontrollierte Kernspaltung Wärme erzeugt. Die Wärme erhitzt ein Kühlmittel, i.d.R. Wasser, das durch den Reaktor gepumpt wird, und dabei die Energie (in Form von Wärme) aus dem Reaktor abtransportiert. Da bei diesem Vorgang radioaktive Strahlung entsteht, ist der Reaktorkern mit einem Schutzschild umgeben, welcher die Strahlung absorbiert. Zusätzlich sind heute viele Reaktoren mit einem Kuppel aus Beton ausgestattet, die sie vor äußeren Einflüssen schützen soll.
Es gibt verschiedene Arten von Reaktoren, die sich nach dem verwendeten Kernbrennstoff, dem Kühlkreislauf und den Moderatoren unterscheiden.


Dampfturbine: Der heiße Wasserdampf wird in die Dampfturbine geleitet. Dort versetzt er die Schaufelräder der Turbine in Rotation. Die Turbine ist mit einem Generator verbunden. Die Dampfturbine ist in einem “Maschinenhaus” untergebracht, welches meistens baulich vom Reaktorgebäude getrennt ist. Es ist so konzipiert, daß im Falle einer Zerstörung der Turbine im laufenden Betrieb möglichst keine Trümmerteile in Richtung des Reaktors fliegen.


Generator: Der Generator wandelt die Bewegungsenergie der Turbine in elektrische um. In KKWs kommen für gewöhnlich sog. Turbogeneratoren zum Einsatz. Sie bilden zusammen mit der Turbine einen Turbosatz.


Hauptkühlmittelpumpe und Zwangsumwälzpumpe: Die Hauptkühlmittelpumpe hat im Falle von Druckwasserreaktoren  (s. Schema oben) die Aufgabe das Kühlmittel zwischen Reaktor und Dampferzeuger umzuwälzen. In westlichen KKWs wird der Kernreaktor mit vier solcher Pumpen bespeist, die baulich getrennt im Reaktorgebäude untergebracht sind. Es gibt daneben noch Notfalleinspeisungen, damit die Kühlung des Reaktorkerns auch weiterhin gewährleistet ist, solle die Hauptkühlmittelpumpe ausfallen.

Speisewasserpumpen: Mit Hilfe dieser Pumpen wird der Wasserstand im Dampferzeuger und im Kernreaktor geregelt. Auch hierfür extra Pumpen für den Notfall.

Notstromversorgung: Sie wird durch Dieselgeneratoren, die batteriegepuffert sind, sichergestellt. Sie dient unter anderem dem sicheren Herabfahren des Kernreaktors. Der größte der Leistung wird dabei für die Speise- und Notspeisepumpen verwendet, damit die Wärme, die weiterhin im Reaktor entsteht abführen zu können. Weniger wichtige Hilfssysteme werden dabei nicht versorgt.

Welche Aufgabe haben KKWs derzeit in der Gesamtstromproduktion?
Der Bau eines KKW ist vergleichsweise teuer. So betrugen die Baukosten für das KKW Krümmel damals umgerechnet rund 1,8 Mrd. Euro. Auch Baukosten von 4-5 Mrd. Euro sind heute keine Seltenheit. Die Kosten für den laufenden Betrieb sind jedoch vergleichsweise gering. Deshalb werden sie heute als Grundlastkraftwerke betrieben. Durch den Ausbau der regenerativen Energien, und der damit einhergehenden Flexibilisierung des Stromnetzes sind KKWs heute stärker als noch vor 10 oder 20 Jahren an der Lastregelung beteiligt. Dies hat seinen Grund vor allem darin, daß der Betreiber regenerativer Energien unter Umständen sogar einen Verlust machen kann. Dies liegt einfach in der Natur der Sache. Wind weht nicht permanent; Sonne scheint nicht permanent. Allerdings kann die Leistung eines KKWs nicht auf mehr als 50 % abgesenkt werden. Eine stärkere Reduktion der Leistung kann zu einer Überhitzung des Reaktors führen.

Welche Brennstoffe werden verwendet?
Als Kernbrennstoff wird in den meisten heute betriebenen KKWs angereichertes Uran eingesetzt. Nach 3 Jahren wird ein Brennelement ausgetauscht. Der Gehalt an dem für die Reaktion wichtigen Uran-Isotop ²³⁵U ist danach zu weit abgesunken. Darüber hinaus ist ein Teil des nicht spaltbaren Urans in den Brennelementen in Plutonium umgewandelt worden.

Wie effizient ist ein KKW?
Betrachtet man einmal den Wirkungsgrad, also das Verhältnis von zugeführter und gewonnener Leistung, so liegt der Wirkungsgrad eines KKWs, im Bezug auf den Energiegehalt eines Brennelementes, bei etwa 30-40 %.