Alles rund um Kernenergie

Die Lagerung von Atommüll ist eine große Herausforderung, da er für lange Zeit radioaktiv und gefährlich bleibt. Es gibt verschiedene Methoden, um Atommüll zu lagern, je nach seiner Aktivität und seinem Zustand. Atommüll mit niedrigem und mittlerem Gehalt wird unter Verwendung natürlicher und künstlicher Barrieren gelagert. Er wird in speziellen Einrichtungen transportiert und konditioniert, zum Beispiel durch Verdichtung oder Verbrennung. Dann wird er in Betonbehälter eingefüllt und mit Mörtel immobilisiert. Diese Behälter werden in Lagerzellen gestellt, die mit Betonplatten verschlossen und wasserdicht gemacht werden. Die Zellen werden mit abwechselnden Schichten aus abfließenden und undurchlässigen Materialien ausgekleidet, um zu verhindern, dass Regenwasser oder Grundwasser mit dem Atommüll in Kontakt kommt.

Atommüll mit hohem Gehalt ist derjenige, der aus abgebrannten Brennelementen aus Kernkraftwerken besteht. Er hat eine sehr hohe Radioaktivität und Wärmeentwicklung und muss daher zunächst in Zwischenlagern gekühlt werden. Die Zwischenlager sind meist oberirdische Hallen oder Bunker, in denen die Brennelemente in speziellen Behältern aufbewahrt werden. Die Zwischenlagerung soll nur eine vorüber-gehende Lösung sein, bis ein Endlager gefunden wird. Ein Endlager ist eine Anlage, die Atommüll für eine sehr lange Zeit sicher aufnehmen soll. Die Suche nach einem geeigneten Endlagerstandort ist noch nicht abgeschlossen. Die Anforderungen sind sehr hoch, da das Endlager geologisch stabil, wasserdicht, erdbebensicher und fern von menschlichen Aktivitäten sein muss. Das Endlager soll auch so gestaltet sein, dass ein Rückbau oder eine Rückholung des Atommülls möglich ist.

Die Dauer, bis Atommüll harmlos wird, hängt von der Art und Menge der radioaktiven Isotope ab, die er enthält. Die Radioaktivität nimmt mit der Zeit ab, je nach der Halbwertszeit der Isotope. Die Halbwertszeit ist die Zeit, die benötigt wird, damit die Hälfte der Atomkerne eines Isotops zerfällt. Atommüll mit niedrigem und mittlerem Gehalt hat meist eine kurze Halbwertszeit von bis zu einigen hundert Jahren. Das bedeutet, dass er nach einigen Jahrhunderten bis Jahrtausenden seine Radioaktivität weitgehend verliert. Atommüll mit hohem Gehalt hat dagegen eine sehr lange Halbwerts-zeit von bis zu mehreren Millionen Jahren. Das bedeutet, dass er über sehr lange Zeit-räume hinweg radioaktiv und gefährlich bleibt. Zum Beispiel hat Plutonium-239 eine Halbwertszeit von 24.000 Jahren. Um solchen Atommüll harmlos zu machen, müsste man ihn entweder sehr sicher lagern oder versuchen, ihn zu verändern. Eine Möglichkeit, Atommüll zu verändern, ist die Transmutation. Das ist ein Verfahren, bei dem die radioaktiven Isotope durch Beschuss mit Neutronen oder anderen Teilchen in andere Isotope umge-wandelt werden, die eine kürzere Halbwertszeit oder eine geringere Radioaktivität haben. Die Transmutation ist jedoch noch nicht technisch ausgereift und erfordert viel Energie und spezielle Anlagen.

Isotop: Atome eines Elements, die eine gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen haben, sich jedoch in der Anzahl von Neutronen unterscheiden.

1	Brennelemente 2	Reaktordruckbehälter 3	Stahlbetonabschirmung 4	Steuerstäbe 5	Turbine 6	Generator 7	Kondensator 8	Leitung zum Stromnetz 9	Kühlturm 10	abgekühlter Dampf 11	Dampfwolken 12	Frischluft 13	Kühlwasser

Es gibt verschiedene Arten von Kernkraftwerken. Sie basieren alle auf dem Prinzip der Kernspaltung, unterscheiden sich aber in ihrer Bauform, der Art der Kühlung und teilweise auch der Art des Brennstoffs. Die häufigste Bauform sind sogenannte Druckwasserreaktoren mit drei Wasserkreisläufen, deswegen wollen wir uns ihren Aufbau näher anschauen.

Das Wasser im Sekundärkreislauf wird durch die Heizschleife erhitzt, beginnt zu sieden und verdampft. Es steht auch hier unter erhöhtem Druck. Der ist zwar nicht ganz so hoch wie im Primärkreislauf, aber er beträgt immer noch etwa 70 bar. Deswegen verdampft das Wasser auch nicht bei 100 °C, sondern erst bei knapp 300 °C. Der Wasserdampf wird dann durch Rohre aus der Kuppel hinaus in ein weiteres Gebäude geleitet. Dort gelangt er zu den Turbinen – zuerst zu einer Hochdruckturbine und dann, nachdem er schon etwas abgekühlt ist, zu einer Niederdruckturbine. Die Turbinen treiben durch ihre Drehung einen Generator an, der dann Strom erzeugt. Der wird dann durch einen Transformator umgespannt, und gelangt so in unser Stromnetz. Der heiße Dampf gelangt dann in ein weiteres Behältnis, den sogenannten Kondensator, der mit dem dritten Kreislauf verbunden ist.

Niederdruckturbinen im Kernkraftwerk Leibstadt

• www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik-abitur stromrechner.com/atomkraftwerk-vor-und-nachteile • www.sofatutor.com/physik/videos/kernkraftwerk • www.de.statista.com/statistik/daten/studie/152153/ umfrage/anzahl-der-sich-in-betrieb-befindenden-atomkraftwerke-weltweit/ • https://de.wikipedia.org/wiki/Kernkraftwerk • www.youtube.com/watch?v=85kfYUMXH_M • www.planet-wissen.de/technik/energie/atomenergie

Die Geschichte der Kernkraftwerke geht vor allem auf die Entdeckung und Erforschung der Radioaktivität (1896) und der Kernspaltung (1938) zurück, die die theoretischen und technischen Grundlagen für diese Form der Energieerzeugung lieferten. Viele hervorragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wie Lise Meitner, Irène Joliot-Curie und Arthur Compton forschten in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts zu diesem Thema. Das für die heutige Nutzung der Atomenergie entscheidende Experiment erfolgte im Jahr 1938 unter der Federführung von Otto Hahn und Fritz Straßmann in Berlin, bei dem man die Kernspaltung von Uran durch die Bestrahlung mit Neutronen entdeckte. Der erste funktionstüchtige Reaktor wurde am 2.12.1942 von Enrico Fermi und seinem Team im Rahmen des Manhattan Projects, also der Entwicklung der Atombombe während des 2. Weltkriegs, in Chicago 28 Minuten lang in Betrieb genommen. Das erste zivile Kernkraftwerk der Welt wurde 1954 im russischen Obninsk erfolgreich in Betrieb genommen, bald darauf folgten Kernkraftwerke auf der ganzen Welt. Das Kernkraftwerk Kahl in Unterfranken war das erste kommerzielle Kernkraftwerk in Deutschland und ging 1961 in Betrieb.

Lise Meitner und Otto Hahn  im Labor, 1913

Der Reaktor ist das Herz des Kraftwerks, in dem die Kernspaltung abläuft. Er befindet sich unter einer Betonkuppel mit sehr dicken Wänden, die verhindern, dass Strahlung aus dem Reaktor nach außen dringt. Umgekehrt wird der Reaktor von äußeren Einwirkungen abgeschirmt. Die Kuppel ist aber nicht die einzige Schutzhülle. Unter der Kuppel befindet sich ein weiterer Behälter, eine große Hohlkugel aus zentimeterdickem Baustahl, der extrem hohen Drücken standhalten kann. Darin wiederum befindet sich der Reaktordruckbehälter, also der eigentliche Reaktor des Kraftwerks. Er enthält die Brennstäbe aus Uran und ist komplett mit Wasser gefüllt. Das Wasser erfüllt mehrere Aufgaben: Es bremst zum einen die Neutronen ab, die bei den Zerfallsprozessen entstehen. Das ist wichtig, weil die Kernspaltung am besten mit langsamen Neutronen funktioniert. Außerdem kühlt es die Brennstäbe und nimmt die durch die Spaltung erzeugte Energie auf und wird dadurch über 300 °C heiß. Es bleibt dabei flüssig, weil es unter enorm hohem Druck steht, der bis über 150 bar steigen kann.

Weil dieses Wasser direkten Kontakt zu den Brennstäben hat, ist es radioaktiv verunreinigt. Aus diesem Grund wird es nicht direkt dazu benutzt, die Turbinen anzutreiben, sondern erhitzt über eine Heizschleife das Wasser im Sekundärkreislauf. Die Wärme wird dabei über die Rohr-wände übertragen, das Wasser aus dem Primärkreislauf hat also keinen direkten Kontakt zum Wasser im Sekundärkreislauf. Dieses bleibt daher sauber. Die Steuerstäbe befinden sich direkt über den Brennstäben. Sie bestehen aus Materialien, die besonders gut Neutronen absorbieren können. Wenn die Steuerstäbe zwischen die Brennstäbe gefahren werden, verkleinert sich die Reaktionsrate, der Reaktor wird also heruntergefahren. Wenn sie vollständig zwischen die Brennstäbe gefahren sind, wird die Kettenreaktion komplett abgebrochen. Deswegen sind sie meistens auch an Elektromagneten befestigt, sodass sie bei einem Stromausfall automatisch zwischen die Brennstäbe fallen.

Im Jahr 2023 sind 437 Atomreaktoren in Betrieb. Die Anzahl der Atomreaktoren variiert je nach Land. Die USA haben mit 92 die meisten Atomreaktoren, gefolgt von Frankreich mit 56 und China mit 54. In Deutschland waren zuletzt drei Kernkraftwerke an das Stromnetz angeschlossen. Am 15.04.2023 wurden jedoch die letzten Kernkraftwerke in Deutschland abgeschaltet. China plant innerhalb der nächsten acht bis zehn Jahre 47 neue Atomreaktoren in Betrieb zu nehmen.

Die Stromerzeugung aus Kernenergie ist weltweit unterschiedlich verteilt. Im Jahr 2021 wurden weltweit insgesamt rund 2.653 Terawattstunden Strom aus Kernenergie erzeugt. Das entspricht etwa 10,15 Prozent der gesamten Stromerzeugung. Die Stromer-zeugung aus Kernenergie ist jedoch rückläufig, da einige Länder aus der Kernenergie aussteigen oder ihre Reaktoren stilllegen.  Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien wie Wind, Sonne und Wasser ist dagegen weiter gewachsen und hält einen Anteil von etwa 29 Prozent am Strommix.

• Geschichte der Kernkraftwerke ................................	04 • Kernkraftwerke weltweit ...........................................	06 • Aufbau eine Kernkraftwerkes ..................................	08 	• Reaktor und Primärkreislauf ............................	10 	• Stromerzeugung und Sekundärkreislauf ........	12 	• Kühlkreislauf .......................................................	14 • Vor- und Nachteile von Kernkraftwerken ................	16 • Atommüll Lagerung ...................................................	18 • Atommüll Halbwertszeit ...........................................	20 • Unglücksfälle ..............................................................	22 • Quellen .......................................................................	24

Der Brennstoff Uran hat eine sehr hohe Energiedichte, deswegen benötigt man nur sehr wenig davon.1 kg Natur-Uran liefert so viel Energie wie 1000 kg Kohle oder etwa 500 m3 Erdgas. Transport und Förderung haben also einen vergleichsweise geringen Einfluss. Wenn ein Kernkraftwerk erst einmal in Betrieb ist, setzt es kaum noch Treibhausgase frei. Es ist dann eine sehr klimafreundliche Art, Energie zu erzeugen. Kernkraftwerke haben, insbesondere im Vergleich zu Wind- und Solarenergie, einen sehr geringen Flächenverbrauch. Das heißt, es steht insgesamt mehr Fläche für Natur und Landwirtschaft zur Verfügung. Niedrige Betriebskosten. Kernkraftwerke sind billiger zu betreiben als Kohle- oder Gaskraftwerke. Die Kosten für Uran machen nur 20% der Kosten der erzeugten Energie aus. Statistisch gesehen zählen Kernkraftwerke zu den sichersten Energieerzeugern: Wenn man Todesfälle durch die Produktion auf die erzeugte Energiemenge bezieht, schneidet die Kernenergie neben Wind am besten ab.

Radioaktiver Abfall in Form von Brennstäben macht zwar nur eine geringe Menge aus, ist aber hoch-radioaktiv und extrem heiß. Deswegen gibt es auch immer noch kein Endlager für diese Abfälle. Man weiß also nicht genau, was man mit diesem gefährlichen Müll machen soll. Auch beim Rückbau von Kernkraftwerken, also dem Abbauen eines alten Kraftwerks, gibt es viel radioaktiven Müll. Die Wände und andere Bauteile werden nämlich mit der Zeit selbst radioaktiv. Sie sind zwar nicht so hochradioaktiv oder heiß wie die Brennstäbe, dafür gibt es von dieser Form des Mülls viel mehr. Im Fall eines GAUs, also eines größten anzuneh-menden Unfalls, können die Schäden für Mensch und Umwelt sehr groß sein. Man kann die Sicherheit in Kernkraftwerken zwar immer weiter erhöhen, aber ganz auszuschließen sind solche Unfälle natürlich nicht. Grundsätzlich ähneln sich die Technologie für Kern-energie und Kernwaffen sehr. Deswegen führt sie auch immer wieder zu politischen Konflikten: Wer Kernkraftwerke baut, kann theoretisch auch Kernwaffen bauen.

Im Kondensator muss der heiße Wasserdampf abgekühlt werden, damit er als Wasser wieder zurück zur Heizschleife fließen kann. Dazu wird im Kühlkreislauf kaltes Wasser, zum Beispiel aus einem Fluss, durch viele Rohre durch den Kondensator geführt. Es nimmt durch die Rohrwände Wärme auf, erhitzt sich so und kühlt dabei den Wasserdampf ab. Das heiße Kühlwasser muss dann noch abgekühlt werden, bevor es in den Fluss zurückgeleitet werden kann. Dazu dienen die hohen Kühltürme, die neben Kernkraftwerken stehen. Dort verdunstet ein Teil des Kühlwassers und erzeugt so die großen, weißen Wolken, die man manchmal über den großen Türmen aufsteigen sieht.

Bei dem Reaktorunglück von Tschernobyl / Ukraine im Jahr 1986 kam es im Zuge einer „Übung“ zum Unglück. Es sollte nachgewiesen werden, dass das AKW auch bei einem vollständigen Stromausfall den Zeitraum bis zum Anlaufen der Notstromaggregate sicher überdauern kann. Das Experiment geriet infolge von menschlichem Versagen außer Kontrolle, Block 4 des AKW explodierte. Durch diese Explosion wurde das radioaktive Material weit in die Atmosphäre verfrachtet und auf diese Weise durch Wind auch über große Teile Europas verteilt. Über Block 4 des Kraftwerks von Tschernobyl wurde ein Betonkäfig errichtet („Sarkophag“), damit die Strahlung nicht mehr nach außen dringen kann. Laut IAEA (International Atomic Energy Agency) sind 50 Menschen direkt an der Strahlenkrankheit und weitere 4.000 an den Spätfolgen von Tschernobyl gestorben, die Zahl der zusätzlichen Krebserkrankungen durch die Strahlung wird mit rund 40.000 angegeben. <a href="https://www.youtube.com/watch?v=85kfYUMXH_M">Informationsvideo zum Unglücksfall Tschernobyl</a>

Im März 2011 ereignete sich in Fukushima / Japan die weltweit zweite atomare Katastrophe. Auslöser war ein schweres Erdbeben der Stärke 9,0 an der japanischen Pazifikküste, auf das unmittelbar ein verheerender Tsunami folgte. Dieser überschwemmte das Kernkraftwerk mit einer 14 Meter hohen Flutwelle. Die Stromleitungen wurden abgerissen, die Stromversor-gung fiel aus. Einige Zeit später schalteten sich dann die Kühlsysteme ab, was in 3 der insgesamt 6 Reaktoren zur Überhitzung der Brenn-elemente und letztlich zu Kernschmelzen führte. In den nächsten 3 Tagen kam es zu Explosionen in den Blöcken 1 bis 4, woraufhin zusätzlich in den Blöcken 3 und 4 mehrere Brände ausbrachen. Die in die Atmosphäre geschleuderten radioaktiven Stoffe verbreiteten sich durch Winde weit über Japan hinaus. Aufgrund der lokalen atomaren Verseuchung mussten etwa 160.000 Menschen in einem Radius von 40 Kilometern umgesiedelt werden. <a href="https://www.youtube.com/watch?v=_2E4WIjxN1k">Informationsvideo zum Unglücksfall Fukuschima</a> Die Unfälle von Fukushima und Tschernobyl waren so genannte Super-GAUs (GAU = größter anzunehmender Unfall) – bereits zwei innerhalb von 25 Jahren. Die Liste weniger schwerer Unfälle in AKW ist aber wesentlich länger.