Ein Atomkraftwerk ist in erster Linie ein Wärmekraftwerk. Hierfür kommt die Energie zum Einsatz, die bei der Spaltung von Atomkernen freigesetzt wird. Dabei entstehen enorme Wärmemengen. Diese Wärme wird verwendet, um Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen.
Mit diesem Dampf werden Turbinen angetrieben, die wiederum Strom erzeugen.
Wie funktioniert die Kernspaltung?
Was im Reaktorkern passiert
Im Herzstück des Kraftwerks, dem Reaktordruckbehälter, befinden sich Brennelemente. Diese enthalten Uran in Form von Pellets. Die im Uran enthaltenen Atomkerne werden mit Neutronen beschossen – Neutronen sind elektrisch neutrale Teilchen im Atomkern.
Diese Neutronen werden frei, weil die Brennelemente im Reaktordruckbehälter bereits eine kleine Menge an spontan zerfallenden Uran- oder Plutoniumkernen enthalten. Bei diesem natürlichen Zerfall treffen die entstehenden Neutronen auf andere Uran-235-Kerne und spalten diese. Hierdurch entstehen weitere Neutronen, die weitere Kerne spalten.
Steuerstäbe kontrollieren die Kettenreaktion
Diese Kettenreaktion wird durch Steuerstäbe kontrolliert. Diese Stäbe aus Bor, Cadmium oder Hafnium können Neutronen absorbieren und hierdurch die Reaktion bremsen. Werden die Steuerstäbe schrittweise entfernt, steigt die Anzahl der freien Neutronen im Reaktor.
Ab einem bestimmten Punkt reicht die Menge an Neutronen aus, um eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion in Gang zu setzen. Die entstehende Hitze wird dann durch das gezielte Ein- und Ausfahren der Steuerstäbe geregelt.
Wie wird Wärme zu elektrischer Energie?
Die bei der Kernspaltung entstehende Hitze erhitzt Wasser in einem geschlossenen Kreislauf. Dieser steht in keinem direkten Kontakt mit dem Reaktor, damit das Wasser nicht radioaktiv belastet wird. Der entstehende Dampf treibt eine Turbine an, die mit einem Generator verbunden ist. Dieser wandelt die mechanische Energie in elektrischen Strom um.
Anschließend wird der Dampf in einem Kondensator wieder zu Wasser abgekühlt und zurück in den Kreislauf geleitet. Auf diese Weise können Kernkraftwerke eine Leistung von bis zu 1000 Megawatt erzeugen. Dies entspricht der Leistung von zwei bis drei großen Kohlekraftwerken.
Der Aufbau eines Atomkraftwerks
Der Reaktordruckbehälter
Hier findet die Kernspaltung statt, umgeben von (üblicherweise) Wasser als Kühlmittel. Der Reaktordruckbehälter ist von dicken Stahl- und Betonwänden umgeben, um Strahlung abzuschirmen. Er befindet sich in der Regel in einer runden Kuppel. Diese ist der charakteristischste Teil des Erscheinungsbilds eines Atomkraftwerks.
Der Dampferzeuger
Der Dampferzeuger überträgt die Wärme des Reaktors auf einen separaten Wasserkreislauf, der die Turbine antreibt.
Turbine und Generator
Die Turbine wird durch diesen Dampf in Rotation versetzt, der Generator erzeugt daraus Strom.
Das Kühlsystem
Um eine optimale Kühlung zu gewährleisten, wird das Kühlmittel der geschlossenen Kreisläufe eines Atomkraftwerks mithilfe von Pumpen kontinuierlich in Bewegung gehalten.
Der Kühlturm
Dieser gibt überschüssige Wärme in der Form von Wasserdampf an die Umgebung ab. Er ist oft der markanteste Teil eines Atomkraftwerks. Da das verdampfende Wasser aus einem separaten Wasserkreislauf ohne Kontakt mit dem Reaktor besteht, gilt der abgegebene Dampf als ungefährlich.
Verursachen Atomkraftwerke wirklich Leukämie bei Kindern?
Selbst bei einwandfreiem Betrieb können minimale Mengen radioaktiver Stoffe wie Tritium oder Edelgase aus Atomkraftwerken entweichen. Dies kann etwa durch Diffusion in Materialien oder bei Wartungsarbeiten geschehen. Zudem sind kontrollierte Abgaben von sehr geringen Mengen über Abluft und Abwasser gesetzlich erlaubt, sofern sie weit unter den Grenzwerten bleiben. Diese werden streng überwacht und dokumentiert.
Die KiKK-Studie (Kinderkrebs in der Umgebung von Kernkraftwerken) aus Deutschland fand statistische Hinweise auf ein leicht erhöhtes Leukämierisiko bei unter fünfjährigen Kindern, die in der Nähe von Atomkraftwerken leben. Die genauen Ursachen sind jedoch unklar, da die gemessenen Strahlendosen meist weit unter den geltenden Grenzwerten liegen.
Warum ist radioaktive Strahlung so schädlich?
Radioaktive Strahlung enthält genügend Energie, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu entfernen. Dadurch können wichtige Strukturen in lebenden Zellen, wie die DNA, direkt beschädigt werden.
Solche Schäden führen entweder zum Tod von Zellen oder zu fehlerhaften Zellreparaturen, die wiederum Mutationen verursachen können. Im schlimmsten Fall können diese Mutationen Krebs auslösen oder Erbkrankheiten verursachen. Menschen können diese Strahlung weder sehen noch spüren – und die Schäden werden oft erst Jahre später sichtbar.
Wie kann es zu einem Super-GAU kommen?
Die wichtigste Sicherheitsfunktion eines Atomkraftwerks ist die Kühlung. Reicht diese nicht mehr aus, schmilzt der Brennstoff (Kernschmelze). Hierdurch kommt es zu Wasserstoff- oder Dampfexplosionen, die den Reaktor beschädigen und gefährliche radioaktive Stoffe freisetzen.
Besonders gefährlich können die Konsequenzen sein, wenn dabei auch die Schutzhülle versagt. Dies geschah unter anderem in Tschernobyl und Fukushima. Die Abkürzung GAU steht übrigens für „Größter anzunehmender Unfall“.
Atomkraftwerke sind bis heute umstritten
Atomkraftwerke erzeugen Strom mit sehr geringen CO₂-Emissionen und sind wetterunabhängig. Sie liefern kontinuierlich Energie und benötigen nur geringe Mengen an Brennstoff. Ein Atomkraftwerk kommt vollständig ohne fossile Energien aus. Allerdings ist auch Uran eine begrenzte Ressource.
Ferner fallen durch Atomkraftwerke radioaktive Abfälle an, die über Jahrtausende sicher gelagert werden müssen. Störfälle wie in Tschernobyl oder Fukushima bergen außerdem erhebliche Risiken.
Werden Atomkraftwerke eine Renaissance erleben?
Weltweit sind aktuell über 400 Reaktoren in Betrieb, weitere sind im Bau. Besonders in Asien und Osteuropa wird die Kernenergie als Brückentechnologie für die Energiewende diskutiert. Neue Reaktortypen wie Small Modular Reactors (SMR) könnten die Technologie sicherer und flexibler machen. Doch die Entsorgung des Atommülls, die hohen Risiken radioaktiver Strahlung und die hohen Baukosten bleiben Herausforderungen.
Wie funktionieren moderne Small Modular Reactors (SMR)?
Small Modular Reactors (SMRs) sind deutlich kleiner als herkömmliche Atomkraftwerke und bestehen aus vorgefertigten, standardisierten Modulen. Diese werden in Fabriken produziert und vor Ort montiert. Ihr Aufbau umfasst meist einen kompakten Reaktorkern, der in einem robusten Sicherheitsbehälter eingeschlossen ist, sowie integrierte Systeme zur Wärmeabfuhr. Diese arbeiten oft mit passiven Kühlmechanismen, die keine Pumpen benötigen.
Viele SMRs nutzen Druck- oder Siedewasserreaktoren in Miniaturform, einige experimentelle Modelle setzen auf alternative Kühlmittel wie flüssiges Metall oder Flüssigsalz. Allerdings sind etliche SMR-Konzepte bisher nicht voll einsatzbereit. Dazu bleiben ihre langfristige Wirtschaftlichkeit sowie die Entsorgung des Atommülls Herausforderungen.
Wann wurde das erste Atomkraftwerk gebaut?
Der erste funktionsfähige Kernreaktor, Chicago Pile-1 (CP-1), wurde 1942 unter der Leitung von Enrico Fermi an der University of Chicago in Betrieb genommen. Dieser Reaktor war zwar noch kein Kraftwerk, bedeutete jedoch einen entscheidenden Meilenstein. Die erste Stromerzeugung durch Kernenergie gelang schließlich 1951 im Experimental Breeder Reactor I (EBR-I) in Idaho, USA.
Das erste Atomkraftwerk der Welt, das Strom in ein öffentliches Netz einspeiste, war das Kernkraftwerk Obninsk in der damaligen Sowjetunion. Es nahm am 27. Juni 1954 den Betrieb auf und hatte eine elektrische Leistung von rund 5 Megawatt. Obninsk diente vor allem der Erforschung der zivilen Nutzung der Kernenergie und markierte den Beginn der kommerziellen Stromerzeugung durch Atomkraft.
In den folgenden Jahren wurden weltweit zahlreiche weitere Atomkraftwerke errichtet, darunter das erste deutsche Kernkraftwerk in Kahl am Main, das 1960 in Betrieb genommen wurde. Die Technologie verbreitete sich besonders in den 1960er- und 1970er-Jahren mit hoher Geschwindigkeit, da viele Länder auf Kernenergie setzten, um ihre wachsende Stromnachfrage zu decken.
Wer ist der Erfinder des Atomkraftwerks?
Die Entwicklung des Atomkraftwerks basiert auf den wissenschaftlichen Grundlagen mehrerer Pioniere der Kernphysik. Von besonderer Bedeutung waren die Entdeckungen von Otto Hahn, Fritz Straßmann und Lise Meitner, die 1938 die Kernspaltung des Urans nachwiesen.
Diese Entdeckung bildete die Grundlage für die spätere Nutzung der Kernenergie. Während des Zweiten Weltkriegs wurde die Technologie im Rahmen des Manhattan-Projekts in den USA vor allem zur Entwicklung von Atomwaffen weiterentwickelt. Nach Kriegsende konzentrierte man sich auf die zivile Nutzung der Kernenergie.
Definitionen und Begriffserklärungen
Kernspaltung
Bei diesem Prozess wird ein Atomkern durch Neutronenbeschuss in zwei kleinere Kerne gespalten, wobei Energie freigesetzt wird.
Kontrollierte Kettenreaktion
Eine sich selbst erhaltende Spaltungsreaktion, die durch Steuerstäbe reguliert wird, um eine gleichmäßige Energieabgabe zu gewährleisten.
Reaktordruckbehälter
Ein stark abgeschirmter Behälter, in dem die Kernspaltung stattfindet. Dieser hält auch die freigesetzte Strahlung auf.
Kernspaltung
Bei der Kernspaltung werden Uran- oder Plutoniumkerne durch Beschuss mit Neutronen gespalten. Dabei entsteht Energie, die als Wärme genutzt wird.
Häufig gestellte Fragen
Wie entsteht Strom in einem Atomkraftwerk?
Die bei der Kernspaltung entstehende Wärme erhitzt Wasser zu Dampf. Dieser treibt Turbinen an, die wiederum Generatoren antreiben und so Strom erzeugen.
Warum wird ausgerechnet Uran als Brennstoff verwendet?
Uran-235 ist besonders gut spaltbar und setzt bei der Spaltung viel Energie frei. Es kommt natürlich vor und lässt sich technisch gut verarbeiten.
Wie lange hält der Brennstoff eines Atomkraftwerks?
Da der Urananteil mit der Zeit abnimmt, müssen die Brennelemente etwa alle 12 bis 24 Monate ausgetauscht werden.
Was geschieht mit Atommüll?
Bis eine dauerhafte Lösung gefunden ist, wird Atommüll in speziellen Behältern gelagert. Die Suche nach geeigneten Endlagern ist international eine große Herausforderung.
Können Atomkraftwerke das Klima retten?
Atomkraftwerke erzeugen im Betrieb kaum CO₂. Allerdings sind Bau, Abbau und Entsorgung mit CO₂-Emissionen verbunden. Sie können eine Übergangslösung sein, doch viele Experten sehen in ihnen keine alleinige Lösung für den Klimaschutz.
