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Kernkraft & Kernkraftwerke - Referat
Kernkraftwerke
Kernkraftwerke sind Wärmekraftwerke, die Kernenergie in el. Energie umwandeln. Sie bestehen aus mehreren Blöcken, jeweils mit einem Kernreaktor, die unabhängig voneinander Strom erzeugen. Weltweit sind 437 Kernreaktoren mit einer Gesamtnettoleistung von 374,5 Gigawatt am Netz. Das ist ein Anteil von ca. 11% des weltweit erzeugten Gesamtstromes. Dabei fallen jährlich rund 12.000 Tonnen radioaktiver Abfall an.
Die Umwandlung in elektrische Energie geschieht indirekt. Die entstandene Wärme, die bei der Kernspaltung im Kernreaktor entsteht, erwärmt einen sogenannten Wärmeträger(z.B.: Wasser). Direkt im Reaktor oder indirekt in einem Dampferzeuger entsteht Wasserdampf. Der unter Druck stehende Wasserdampf wird einer meist mehrstufigen Dampfturbine zugeführt. Nachdem die Turbine den Dampf expandiert und teilweise kondensiert hat, wird der restliche Dampf in einem Kondensator niedergeschlagen. Der Kondensator entspricht dabei einem Wärmeaustauscher, der mit einem Fluss oder einem Kühlturm verbunden ist. Nach der Kondensation wird das wieder flüssige Wasser durch Pumpen auf den Dampfdruck im Kernreaktor oder Dampferzeuger gebracht und in mehreren Schritten wird es so vorgewärmt, dass das Wasser Sättigungstemperatur(max. Wärme im Aggregatzustand) gebracht wird. Das Wasser gelangt danach in den Kernreaktor und der Kreislauf beginnt erneut.
Kernfission:
Wie wir alle wissen, bestehen Atome aus Kern und Hülle. Im Kern befinden sich die positiv geladenen Protonen und die neutralen Neutronen, in der Hülle die negativ geladenen Elektronen. Die Kernteilchen werden auch Nukleonen genannt. Beide haben beinahe die gleiche Masse und werden durch die so genannte Kernkraft zusammen gehalten, die auch starke Kraft genannt wird. Im Gegensatz etwa zur elektromagnetischen Kraft wirkt die Kernkraft nur anziehend und nur auf sehr kurze Distanz. Dazu komme ich aber gleich noch
Die Zahl der Protonen bestimmt, um welches Element es sich handelt. Hat ein und dasselbe Element Atomkerne mit unterschiedlichen Zahlen an Neutronen, dann nennt man sie Isotope dieses Elementes. Allgemein bezeichnet man Atome, die durch Protonenzahl und Neutronenzahl festgelegt sind, Nuklide. Da die 118 bisher nachgewiesenen Elemente viele Isotpe haben, existieren insgesamt etwa 3850 verschiedene Nuklide. Davon sind etwa 257 stabil, alle anderen zerfallen spontan, d.h. sie sind radioaktiv. Man nennt sie deshalb auch Radionuklide. Die Nuklide sind allesamt auf der Nuklidkarte, wie wir sie auch hier haben, vermerkt.
Kernkräfte:
Die positiv geladenen Protonen stoßen sich im Atomkern auf Grund ihrer gleichen elektrischen Ladung gegenseitig ab. Solange diese Abstoßung, die Coulombkraft, durch die stärkeren, anziehenden Kernkräfte kompensiert wird, bleiben die Kerne stabil. Hierbei helfen auch die Kernkräfte der elektrisch neutralen Neutronen mit. Je höher die Zahl der Protonen und damit je schwerer die Elemente werden, desto mehr Neutronen bis hin zu einem deutlichen Überschuss werden benötigt, um die Coulombkräfte zu kompensieren, die wegen der sehr kleinen Abstände zwischen den Protonen sehr groß werden können. Bei hohen Protonenzahlen wie beim Uran ist man am Limit der Balance zwischen Coulombabstoßung und bindenden Kernkräften. Die Kerne beginnen instabil und damit radioaktiv zu werden.
Generell entscheidend ist nur das Wechselspiel zwischen der Coulombabstoßung der Protonen und den attraktiven starken Kernkräften zwischen allen Teilchen insgesamt im Kern: Wegen der langen Reichweite der Coulombkraft können alle Protonen miteinander wechselwirken. Die Abstoßungskraft wächst dadurch quadratisch mit der Zahl Z der Protonen. Die Anziehungskraft der starken Wechselwirkung wirkt wegen ihrer kurzen Reichweite aber nur mit den nächsten Nachbarn und wächst deshalb nur linear mit der Zahl A der Nukleonen. Abhängig vom Verhältnis Z/A wird der Kern deshalb instabil.
(Dieses Verhältnis schlägt sich auch in den Bindungsenergien nieder, die in der Kernphysik eine wichtige Rolle spielen. Je höher die Bindungsenergie, desto schwieriger ist es, ein Teilchen aus dem Kern herauszureißen. Das heißt: Je höher die Bindungsenergie, desto stabiler ist der Kern. Kerne wie die von Wasserstoff, Deuterium, Tritium usw. haben beispielsweise eine sehr geringe Bindungsenergie. Das heißt, diese Kerne werden günstiger (also stabiler), wenn sie Fusionen eingehen. Wir betrachten aber die Kernfissionen, also Spaltungen, die bei schweren Kernen auftreten. In der Grafik erkennt man, dass auch bei schweren Kernen die Bindungsenergie absinkt. Das Maximum der Bindungsenergie liegt ungefähr bei Eisen, um genauer zu sein bei Nickel 62. Ab da sinkt die Bindungsenergie der Kernteilchen also wieder ab. Rechts vom Maximum werden die Kerne also stabiler, wenn sie sich in Tochterkerne aufsplitten, weil dann pro Kernteilchen die Energie besser verteilt ist. )
Wenn nun eine Spaltung erfolgt, wird dann der Unterschied in der Bindungsenergie frei. Und diese Energie ist so gewaltig, dass man sogar Massenänderungen messen kann. (nach Einsteins Formel E=mc2). Wenn man 1 Mol Spaltmaterial hat, liegt der Massenunterschied z.B. messbar im Milligramm-Bereich.
• Für die Nutzung der Kernenergie ist das Uran-Isotop 235 entscheidend. Es enthält 235 Nukleonen, davon 92 Protonen und 143 Neutronen. In der Natur kommt es nur mit einem Anteil von 0,7 Prozent vor. Den Hauptteil stellt das Isotop U-238 mit 146 Neutronen mit 99 Prozent. Daneben gibt es in sehr geringem Anteil Uran-234. Das U-235 im Natururan muss für die Reaktion jedoch auf etwa 3% angereichert werden. (spezielle Urananreicherungsanlagen)
Die besondere Bedeutung von U-235 besteht darin, dass es sich in zwei leichtere Atomkerne (Spaltprodukte) teilt, sobald ihm ein weiteres Neutron hinzugefügt wird. Zuerst bildet sich ein Zwischenkern, das Isotop U-236, das instabil ist und sich innerhalb von rund 10 Sekunden in 2 mittelschwere Kerne spaltet. Diese beiden entstandenen Kerne sind jeweils positiv geladen und stoßen einander nach dem Coulombgesetz ab. Dabei werden sie beschleunigt, wodurch Bewegungsenergie in Form von Wärme frei wird. Diese Energie macht etwa 80-90 Prozent der Energie aus, die bei der Kernspaltung freigesetzt wird. Die restlichen 20-10 Prozent stecken in der Radioaktivität der mittelschweren Kerne. Bei der Spaltung entstehen nicht immer die gleichen Elemente, sondern verschiedene. Zumeist sind die Spaltprodukte aber Strontium, Krypton oder Yttrium auf der einen Seite und Xenon, Cäsium oder Barium auf der anderen Seite. Insgesamt sind aber etwa 200 Spaltprodukte bekannt.
Außer den beiden Spaltprodukten entstehen aber auch noch 2-3 Neutronen, die beim Kernkraftwerk dazu genutzt werden, eine Kettenreaktion zu erzeugen, also weitere U-235 Kerne zu spalten und wieder Neutronen zu bekommen. Um eine Kettenreaktion aber gewährleisten zu können, dass die Kettenreaktion stattfindet und erhalten bleibt, müssen die entstehenden Neutronen abgebremst werden (von 100000 km/s), weil sie sonst zu schnell wären. Das funktioniert mit Hilfe eines Moderators. Dabei wird fast ausschließlich Wasser verwendet, weil die beiden Wasserstoff-Atome im Wasser nur aus Protonen bestehen und somit annähernd dieselbe Masse wie die freien Neutronen haben.
Bei einer Atombombe läuft diese Reaktion unkontrolliert ab. Es entstehen also bei jeder einzelnen Reaktion mehr Neutronen, als „verbraucht werden“. In einem Kernkraftwerk wird diese Kettenreaktion aber kontrolliert.
Das funktioniert über einen sogenannten „Absorber“ in Form von Steuerstäben bzw. –elementen. Diese bestehen meist aus einem Material, das Neutronen gut absorbieren kann, wie Cadmium oder Borverbindungen. Bei Druckwasserreaktoren können die Steuerstäbe von oben in die Brennelemente (per Motor) eingefahren werden, bei Siedewasserreaktoren gibt es keine einzelnen Steuerstäbe. Da sind mehrere Röhrchen zu einem größeren Steuerelement zusammengefasst. Hier werden die Steuerelemente aber von unten zwischen die Brennelemente gefahren.
Reaktortypen:
• LWR (Leicht Wasser Reaktor) : Normales Wasser als Kühlmittel und Moderator
I. SWR (Siedewasserreaktor)
II. DWR (Druckwasserreaktor)
• Schwerwasserreaktoren(CANDU): Schwerwasser (Deuteriumoxid) als Kühlstoff und Moderator
• Natrium/Kalium gekühlte Brutreaktoren(SNR): produzieren in Brutraum mehr neues spaltbares Material, als verbraucht wird, ohne Moderator (in Japan und Russland)
• Hochtemperaturreaktoren(AGR): höhere Temperaturen durch Gas als Kühlmittel und Grafit als Moderator (keramisch statt metallisch)
• Druckröhren-Siedewasserreaktoren(RMBK): Brennelemente in einzelnen druckfesten Röhren, mit leichtem oder schwerem Wasser gekühlt und Grafit bzw. auch schwerem Wasser moderiert (Grafit als Katalysator + Wasser -> H2 und O2 -> Knallgas!)
Funktionsweise und Aufbau:
Die wichtigsten Anlagen/Gebäude eines Atomkraftwerkblockes:
• Maschinenhaus (Dampfturbinen & Generator zur Stromerzeugung)
• Reaktorgebäude (aus 1 Meter dickem, verstärkten Beton, im Inneren findet die Kernreaktion statt, die dazu dient das Kühlwasser zu erwärmen)
• Kühlturm (bis zu 200m hoch, kühlt erhitztes Kühlwasser wieder herunter
Funktionsweise am Beispiel eines Druckwasserreaktors:
• Kernreaktion/Wärmeproduktion findet im Reaktordruckbehälter statt (Höhe ca. 12 m, Wanddicke ~ 25cm), im Inneren: Brennelemente (in einem Druckwasserreaktor: oft mehr als 150 solcher Brennelemente installiert), ein einziges Brennelement besteht wiederum aus mehreren Brennstäben (5m lang, 23cm Durchmesser), in den Brennstäben befindet sich der eigentliche Kernbrennstoff: kleine Pellets aus angereichertem Uran/Plutonium, die die Kernspaltungs-Kettenreaktion ermöglichen (bestehen aus 5% Uran 235, 95% Uran 238)
• Um die Kernspaltung kontrolliert ablaufen zu lassen, gibt es außerdem sogenannte Steuerstäbe oberhalb der Brennstäbe. Diese Steuerstäbe können über einen Motor nach oben und nach unten bewegt werden
• Bei der Kettenreaktion wird Energie in Form von Wärme freigesetzt, dabei ist Wasser nötig, um einerseits die Kettenreaktion in Gang zu halten, andererseits aber auch um die entstehende Wärme aufzunehmen
• Das Wasser wird im Behälter auf über 300° C aufgeheizt, es siedet aber nicht, weil der Druck konstant auf etwa 160 bar gehalten wird
• Das erhitzte Wasser wird schließlich durch eine Pumpe zu den Wärmetauschern geleitet, die in der Regel als Rohrbündelwärmer ausgelegt sind. Dabei fließt das heiße Wasser durch jedes einzelne Rohr durch und erhitzt sie. Die Rohre bestehen dabei aus Metall und sind somit auch sehr wärmeleitfähig.
• Dann wird Wasser in den Wärmetauscher geleitet, das auf Grund der hohen Temperatur zu sieden beginnt. Der entstehende Wasserdampf wird über ein Rohrsystem weiter ins Maschinenhaus geleitet, wo sich die Turbinen befinden.
• Der Dampf treibt zuerst eine Hochdruckturbine an, im Normalfall folgen darauf 2 Niederdruckturbinen, die allesamt mit einem Generator verbunden sind, der durch die Drehbewegungen Wechselstrom erzeugt
• Der Wasserdampf wird dann über einen Kondensator wieder kondensiert, also in flüssigen Zustand gebracht und wieder in den Dampferzeuger geleitet
• Das dafür benötigte Kühlwasser stammt entweder aus einem anliegenden Fluss, oder wird über einen Kühlturm heruntergekühlt
• Alle Wasserkreisläufe sind stets voneinander getrennt, das Wasser im Primärkreislauf verlässt das Reaktorgebäude nicht, dieses Wasser ist radioaktiv, weil es mit den Brennstäben in direktem Kontakt steht.
• Der Sekundärkreislauf treibt die Turbinen an und ist nicht radioaktiv
• Der Kühlkreislauf führt kaltes Wasser zu und ist für die Kondensation des Wassers im Sekundärkreislauf verantwortlich
Funktionsweise und Aufbau
Schema eines Kraftwerks mit Siedewasserreaktor
Ein Siedewasserreaktor ist, wie wir bereits vorher gehört haben ein Leichtwasser-Kernreaktor. Wie der Name schon sagt kommt Wasser als Moderator und auch als Kühlmittel zum Einsatz. Nach dem Druckwasserreaktor ist der Siedewasserreaktor der zweithäufigste Typ weltweit.
Funktionsablauf:
Das vorgewärmte Speisewasser wird in den Reaktordruckbehälter gepumpt, der durch den Sicherheitsbehälter vom restlichen Aufbau isoliert ist. In dem Druckbehälter befinden sich auch hier wieder die Brennelemente. Der Reaktordruckbehälter ist zu ungefähr zwei Dritteln mit Wasser gefüllt. Durch die bei der Kernspaltung entstehende Wärme verdampfen Teile des Wassers im Reaktordruckbehälter. Dieser Heißdampf treibt dann die Turbinen an. Ein Generator wandelt die von den Turbinen gelieferte Energie in elektrischen Strom um. Der entspannte Wasserdampf wird durch Kühlwasser im Kondensator verflüssigt und wieder dem Kreislauf zugeführt. Die im Reaktor erzeugte Dampfmenge beträgt bei einem Siedewasserreaktor typischerweise etwa 7000 Tonnen pro Stunde.
Die Reaktorleistung kann über Umwälzpumpen (dienen der Druckverteilung) innerhalb des Reaktordruckbehälters im Bereich zwischen etwa 60 und 100 % geregelt werden. Die Regelung der Kernspaltung findet mittels Steuerstäben, meist aus Borcarbid oder Cadmium statt. Der Wirkungsgrad eines Siedewasserreaktors ist unwesentlich größer als der des Druckwasserreaktors (≈ 33 %); der Nettowirkungsgrad eines SWRs liegt bei ca. 35 %. In der Praxis spielen die Unterschiede im Wirkungsgrad jedoch nur eine untergeordnete Rolle.
Kernreaktor
Im zentralen Teil des Kernreaktors befindet sich der Reaktorkern, der aus Brennelementen besteht, in denen Energie durch kontrollierte Kernspaltung und radioaktiven Zerfall freigesetzt und in thermische Energie (Wärme) umgewandelt wird. Mit der erzeugten Energie wird ein Kühlmittel erhitzt, das durch den Reaktor gepumpt wird und dadurch die Energie abtransportiert.
Da radioaktive Strahlung sehr gesundheitsschädlich ist der Kernreaktor mit einem Schutzschild umgeben. Der biologische Schutzschild absorbiert die Strahlung. Die äußere Hülle um den Reaktor und die radioaktiven Nebenkreisläufe bilden den Sicherheitsbehälter (Containment), der bei Störfällen verhindert, dass radioaktives Material in die Umwelt gelangt. Der Sicherheitsbehälter wird bei einem Bruch des Primärkreises automatisch hermetisch abgeschlossen (sog. Durchdringungsabschluss) und ist so ausgelegt, dass er dem dabei sich aufbauenden Druck standhält. Zusätzlich sind viele Reaktorgebäude mit einer Kuppel aus Beton oder Stahl ausgestattet, um den Reaktor vor Einwirkungen von außen zu schützen.
Dampfturbine
Die Dampfturbine wandelt die thermische Energie in Rotationsenergie um. An die Turbinenwelle ist die Welle des Generators gekuppelt. Die Turbine hat einen Hochdruckteil und mehrere (zwei bis drei)Niederdruckstufen. Aufgrund der hohen Dampffeuchte nach dem Hochdruckteil wird der Dampf vor Eintritt in den Niederdruckteil mittels Frischdampfüberhitzung und Hochgeschwindigkeitsabscheidung getrocknet. Am Ende der letzten Schaufelreihe des Niederdruckteils hat der Dampf etwa eine Feuchtigkeit von 15 %.
Wenn der Generator durch eine Störung die erzeugte elektrische Energie nicht abgeben kann, nimmt er entsprechend wenig mechanische Energie auf. Als Reaktion auf diesen Lastabfall würde sich die Drehzahl der Turbine erhöhen, dadurch würden zu starke Zentrifugalkräfte entstehen und die Turbine würde beschädigt werden. Um diesen Ablauf zu vermeiden, sind kurz vor dem Turbineneintritt Ventile in der Frischdampfleitung montiert. Wenn diese Schnellschlussventile betätigt werden, leiten sie den Dampf unter Umgehung der Turbine direkt in den Kondensator. Parallel dazu wird der Reaktor heruntergefahren, da der Kondensator die volle Reaktorleistung nur begrenzte Zeit aufnehmen kann.
Im Falle eines Druckwasserreaktors ist die Dampfturbine hermetisch vom nuklearen System getrennt. Um eine Leckage im Dampferzeuger und damit den Übertritt von radioaktivem Wasser frühzeitig zu erkennen, ist am Dampfaustritt des Dampferzeugers ein Aktivitätsmessgerät angebracht. Bei Siedewasserreaktoren ist dagegen auch die Dampfturbine mit radioaktivem Wasser beaufschlagt und deshalb Teil des Kontrollbereichs des Kernkraftwerks.
Generator
Der Generator wandelt die durch die Turbine bereitgestellte mechanische(kinetische) Energie in elektrische Energie. Es kommen niederpolige Drehstrom-Synchrongeneratoren mit hoher Bemessungsleistung zum Einsatz. Generatoren dieses Typs werden auch Turbogenerator genannt und bilden in Einheit mit der Dampfturbine einen Turbosatz.
Transformatoren
Zur Anpassung der Generatorausgangsspannung an die Netzspannung dienen Maschinentransformatoren. Außerdem kann dem Netz beim Starten
mit Hilfe dieser Transformatoren Energie entnommen werden. Während des Betriebs dienen Eigenbedarfstransformatoren zur Deckung des elektrischen Eigenbedarfs. Die Eigenbedarfstransformatoren nehmen die Leistung ebenfalls direkt vom Generator ab.
Sicherheitsventile
Um den Druck im Reaktordruckbehälter bei einem Störfall nach oben zu begrenzen, sind zwei voneinander unabhängige Sicherheitsventile vorhanden. In Kernkraftwerken sind für die Erfüllung einer Sicherheitsfunktion stets mehr Einrichtungen vorhanden, als man zur Erfüllung des Schutzziels benötigt; dieses Prinzip heißt Redundanz. Arbeiten diese Einrichtungen (zur Erfüllung derselben Aufgabe) nach verschiedenen Prinzipien, spricht man von Diversität. Ein Kraftwerksreaktor hat redundante und diversitäre Sicherheitsventile.
Beim Druckwasserreaktor sind Sicherheitsventile und Abblaseventile im Primärkreis in der Nähe des Druckhalters angeordnet.[6] Die Druckbegrenzung soll ein Bersten von Rohrleitungen oder Reaktordruckbehälter verhindern. Die Ventile sind in ihrer Kapazität so ausgelegt, dass sie die zugeführten Volumenströme bei nur geringem Druckanstieg ableiten können.
Im Siedewasserreaktor wird der Dampf in die Kondensatkammer geleitet und dort kondensiert. Die Kammern sind über Wärmetauscher mit dem Zwischenkühlkreislauf verbunden. Werden Gas-Dampfgemische (ggf. nach Filterung) in die Umgebung außerhalb der Sicherheitsbehälter geblasen, spricht man von Venting (siehe auch Wallmann-Ventil).
Die Sicherheitsventile im DWR sind nicht absperrbar, um ihre sicherheitstechnische Funktion nicht zu gefährden. Den Sicherheitsventilen im Ansprechdruck vorgelagert existieren jedoch unabhängige Abblaseventile[7]zur Druckbegrenzung im RKL. Ein solches Ventil kann im Bedarfsfall mit einem vor- oder nachgelagertem weiteren Ventil abgesperrt werden und so einen Kühlmittelstörfall wegen Nichtschließens des Abblaseventils vermeiden. Das Nichtschließen eines Abblaseventils führte 1979 (zusammen mit dem erst später erfolgtem Schließen der Absperrarmatur) zu einem folgenschweren Unfall mit Kernschmelze im Kernkraftwerk Three Mile Island.
Speisewasserpumpen
Die Speisewasserpumpen haben die Aufgabe, das Wasser aus dem Speisewasserbehälter auf den Dampfdruck im Reaktor und im Dampferzeuger zu bringen und das Wasser mit ca. 2200 kg/s zu fördern. Die benötigte Leistung ist beispielsweise 20 MW pro Pumpe. Über das Speisewassersystem wird der Wasserstand im Dampferzeuger und Kernreaktor geregelt.
Notstromversorgung
Die Notstromversorgung eines Kernkraftwerks ist mehrfach redundant durch Dieselaggregate und Batteriepufferungen aufgebaut. Die Batteriepufferung stellt die unterbrechungsfreie Einkoppelung der Dieselaggregate in das Netz sicher. Wenn nötig, erlaubt die Notstromversorgung das sichere Herabfahren des Kernreaktors und dauerhafte Abfuhr der Nachzerfallswärme auch bei einem Ausfall des Stromnetzes. Weniger wichtige Hilfssysteme wie bspw. Begleitheizungen von Rohrleitungen werden dabei nicht versorgt.
Betrieb
Bei Kernkraftwerken ist die Investition in den Bau hoch; die Kosten im laufenden Betrieb sind dafür vergleichsweise niedrig. Deshalb ist es besonders wirtschaftlich, sie möglichst durchgehend mit Maximalleistung als Grundlastkraftwerke zu betreiben. Veränderungen im Lastprofil, die unter anderem der zunehmenden Nutzung regenerativer Energieträger sowie der Liberalisierung des Strommarktes zugeschrieben werden, haben dazu geführt, dass auch Kernkraftwerke im Lastfolgebetrieb eingesetzt werden. Im Jahr 2009 betraf das beispielsweise die Kraftwerke Neckarwestheim 1, Phillipsburg 1, Phillipsburg 2, Biblis A[8] Die Eignung von Kernkraftwerken für die Lastregelung ist unter anderem dadurch begrenzt, dass ein Lastwechsel bei einem Kernkraftwerk im Normalbetrieb nur in einem Bereich von 30 % bis 100 % der Nennleistung mit Geschwindigkeiten von etwa 2 bis 5 Prozent der Nennleistung pro Minute vorgenommen werden kann.[9] Die Primärregelung der Leistung übernimmt die Frequenzregelung des Generators.
Starke Laständerungen werden jedoch möglichst vermieden, denn
• über Dampfparameter bewirkt können sie zu lokaler Überhitzung von Brennelementen mit Materialversprödung oder Rissbildung führen,
• durch Steuerstäbe bewirkt führen sie zum ungleichmäßigen Abbrand der Brennelemente, was verschiedene Reaktorkernparameter verändern würde.
Um damit einhergehende Risiken zu minimieren, müssten Wartungsintervalle verkürzt werden. Dies würde wiederum die Betriebskosten erhöhen.
2011 wurden 8 der bis dahin 17 deutschen Kernreaktoren stillgelegt. Die verbleibenden 9 Reaktoren sind allesamt Druckwasserreaktoren. Ob diese für den sogenannten Lastfolgebetrieb geeignet sind ist umstritten.[10]
Eine im Jahre 2009 vom Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung der Universität Stuttgart durchgeführte Untersuchung[11] ergab, dass die in Deutschland in Betrieb befindlichen Kernkraftwerke durchaus für den Lastfolgebetrieb geeignet sind und über einen Lastbereich von 9,6 Gigawatt mit einer Laständerungsgeschwindikgeit von 3,8 bis 5,2 %/min gefahren werden können. Aus der Langfassung dieser Untersuchung[12] kann man erkennen, dass die Kernkraftwerke damit in der Laständerungsgeschwindigkeit zwischen den besser geeigneten Gaskraftwerken und den weniger geeigneten Kohlekraftwerken liegen. Zum Ausgleich der stark schwankenden Stromerzeugung aus Windrädern werden inzwischen zahlreiche Kernkraftwerke im Lastfolgebetrieb gefahren, wie man aus den jährlich veröffentlichten Betriebsergebnissen[13] entnehmen kann. Damit wurde die Betriebsweise der Reaktoren in Deutschland jetzt teilweise so wie sie in Frankreich, mit ca. 70 % Strom aus Kernenergie, seit Jahrzehnten notwendig und üblich ist.
Im Jahr 2009 waren die deutschen Kernkraftwerke – Revisionsstillstände und technische Betriebsstörungen mitgerechnet – im Schnitt zu rund 73 % zeitverfügbar und zu rund 74 % arbeitsverfügbar.[13] Die tägliche Stromerzeugung schwankt, vor allem aufgrund von Revisionsstillständen (und aufgrund von Betriebsstörungen). Im Jahresverlauf 2009 wurden in Deutschland rund 53 % bis 89 % der installierten Nennleistung[14] zur Stromerzeugung genutzt.
Beispiele für reinen Grundlastbetrieb sind die KKW Biblis B, Neckarwestheim II, Grafenrheinfeld und Emsland, die 2009 außerhalb der Revisionen fast durchgehend unter Volllast betrieben wurden.[15] Beispiele für Betrieb nach Lastanforderung sind die KKW Brokdorf und Grohnde.[15]
Brennstoff
Als Kernbrennstoff wird in den meisten heute betriebenen Kernkraftwerken angereichertes Uran in Form seines Oxids eingesetzt. Jedes Brennelement bleibt üblicherweise drei Jahre im Reaktor; jährlich wird das älteste Drittel der Brennelemente ausgetauscht, weil der Gehalt an 235U zu weit gesunken und andererseits ein Gehalt an Spaltprodukten aufgebaut ist. Durch Neutroneneinfang ist außerdem ein Teil des nicht spaltbaren Uranisotops 238U in Plutonium umgewandelt worden, und zwar hauptsächlich in 239Pu, in geringerer Menge auch 240Pu.
Dieses Plutonium eignet sich als Kernbrennstoff. Durch seine Nutzung lässt sich die Energiemenge, die sich aus Natururan gewinnen lässt, erheblich steigern. Um Plutonium nutzen zu können, muss es aber wiederaufbereitet. Es gibt weltweit auch viele Kraftwerke, die mit MOX-Brennelementen betrieben werden. Mischoxid (MOX) ist ein Gemisch aus Uranoxid und Plutoniumoxid.
Zum Uranabbau:
Der Grafik kann man entnehmen, dass nur 10 Länder weltweit 96% des weltweit abgebauten Urans fördern. Und wie das geschieht sehen wir auf der nächsten Folie: es gibt riesige Uranminen, die nicht nur (Ur-)Einwohner verdrängen, sondern auch ganze Landstriche verwüsten und eigentlich für immer unbewohnbar machen.
Die auf den Abraumhalden (=Hinterlassenschaften des Uranabbaus) noch vorhandenen Uran- und Schwermetallverbindungen das Trinkwasser belasten oder durch Staubverbreitung entfernte Gebiete kontaminieren. Um die Strahlung des Abraumes zu reduzieren, werden oftmals Dämme errichtet und der Abfall dahinter wird mit Wasser überflutet. Der Bruch eines solchen Dammes am Rio Puerco in New Mexico (USA) verursachte das Abströmen von rund 335.000 Tonnen radioaktiven Wassers mit etwa 1.000 Tonnen verseuchter Substanzen in den Rio Puerco, der als Wasserreservoir vor allem der Diné-, Hopi- und Pueblo-Indianer dient. Eine unmittelbar vorgenommene Messung ergab einen gegenüber dem Grenzwert um das 7000-fache erhöhten Messwert für Trinkwasser.
Ein weiteres Risiko ist auch ein gefährliche Zerfallsprodukt von Uran: Radon. Es sammelt sich nach dem Auflassen in belüfteten Räumen an und bewirkt ein erhöhtes Lungenkrebsrisiko.
Wenn das Uranerz in diesen Minen abgebaut oder aus der Asche von Kohlekraftwerken (auch eine Möglichkeit) gewonnen wurde, folgen mehrere Verarbeitungsstufen: zuerst wird das Uran auf physikalisch-chemischem Weg herausgelöst und zu Yellowcake, einem pulverförmigen Gemisch von Uranverbindungen, weiterverarbeitet. Dabei werden Uranoxide mithilfe von Säuren herausgelöst und übrig bleibt schließlich ein Pulver mit 80% Urananteil. Aus zwei Tonnen Erz, wird rund ein Kilogramm Yellowcake hergestellt.
Das Pulver wird anschließend auf chemischem Weg zu Uranhexafluorid umgewandelt und schließlich angereichert. (durch Gaszentrifugen, Zylinder rotiert -> U235 lagert sich an der Rotorachse ab, U238 an der Innenwand, können dann getrennt entnommen werden; gibt aber noch andere Methoden z.B. Diffusion)
Wirkungsgrad
Bezogen auf den Energiegehalt des in einem Brennstab umgesetzten 235U beträgt der Wirkungsgrad eines Kernkraftwerks etwa 35 %. Durch den Umstand, dass es sich bei einem Kernkraftwerk um ein Großkraftwerk handelt, ergeben sich zudem im Durchschnitt längere Leitungen zum Endverbraucher, womit die Summe der Übertragungsverluste steigt; in Deutschland gehen so durch Netzverluste rund 6 % der bereitgestellten Elektroenergie im Stromnetz verloren.
Der Prozess der Kernspaltung ist also grundsätzlich sehr effizient. So geht z. B. bei der Spaltung von einem Kilogramm U-235 etwa ein Gramm Masse verloren, die in Wärmeenergie verwandelt wird. Unter Anwendung der Beziehung E=mc2 ergibt das einen Wert von etwa 25 Millionen Kilowattstunden. Das entspricht einer Verbrennungsenergie von rund 2500 Tonnen Steinkohle. Die Energieausbeute pro kg Brennstoff ist damit etwa 2,5 Millionen Mal höher als bei der Verbrennung von Steinkohle.
Kohlendioxidbilanz
Bei der Kernspaltung selber gibt es keinerlei CO2-Emissionen. CO2-Emissionen entstehen jedoch sehr wohl beim Bau des Kraftwerks, bei Abriss und Entsorgung, sowie bei der Urangewinnung und -anreicherung.
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