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Kernkraftwerken

Primärenergieträger

Das Uran, welches in Schweizer Kraftwerken verwendet wird, stammt zum grössten Teil aus den USA. Es wird per Schiff nach Europa, z.T. bis nach Basel transportiert und dort auf speziell dafür ausgerüstete Bahnwagen verladen. So gelangen die Brennstäbe zu den Kernkraftwerken.

Damit die Brennstäbe eingesetzt werden können, muss das Uran angereichert werden, d.h. der Gehalt von U-235 gegenüber dem U-238 muss von 0,7 % auf ca. 3 - 5 % erhöht werden.

Funktionsweise

Ich beschreibe hier nur den Druckwasserreaktor:

Wird ein U-235-Kern von Neutronen mit einer bestimmten Energie getroffen, so dringt das Neutron in den Urankern ein und spaltet ihn. Dabei entstehen im Normalfall zwei Tochterkerne und zwei bis drei Neutronen.

  • Die Tochterkerne haben einen grossen Neutronenüberschuss und zerfallen deshalb meist schnell unter Aussendung von beta-Strahlen.
  • Die Neutronen haben eine sehr hohe Energie. Diese ist zu hoch, um andere Urankerne zur Spaltung anregen zu können. Deshalb müssen die Neutronen abgebremst werden. Dies geschieht je nach Reaktortyp mit normalem oder schwerem Wasser. Stoffe, die Neutronen abbremsen ohne zu viele davon zu absorbieren, nennt man Moderatoren.
Durch die Verwendung von angereicherten Brennstäben wird dafür gesorgt, dass im Schnitt nur jeweils eines der freigesetzten Neutronen einen weiteren U-235-Kern spaltet. Andernfalls würde eine Kettenreaktion einsetzen, wie bei einer Atombombe.

Die Energie der Neutronen wird zu einem Teil beim Abbremsen ans Wasser abgegeben, das sich dabei stark erhitzt. Damit das Wasser nicht verdampft, wird es mit Pumpen im Primärkreislauf herumgeführt. In diesem Kreislauf herrscht häufig ein Druck von über 150 bar, damit das Wasser erst bei über 320 °C siedet.

In einem Wärmetauscher wird die Wärme an den Sekundärkreislauf abgegeben. Das Wasser in diesem Kreislauf verdampft und wird übere eine Gasturbine geführt. Diese lässt einen Generator rotieren, der dabei eine Wechselspannung erzeugt. Hinter der Turbine muss der Wasserdampf kondensiert werden. Das geschieht entweder mit Flusswasser oder durch Kühlwasser aus einem Kühlturm.

Es gibt also beim Druckwasserreaktor drei Wasserkreisläufe:

  • Der erste kommt mit dem Brennstoff in Berührung, ist also radioaktiv und darf unter keinen Umständen in die Umwelt gelangen. D.h. er muss geschlossen sein.
  • Der zweite kühlt den ersten Kreislauf und treibt die Turbine an. Auch dieser Kreislauf ist geschlossen.
  • Der dritte Kreislauf ist offen.
Verwendungsmöglichkeiten

Kernkraftwerke liefern (nur) Bandenergie. Sie lassen sich zwar sehr schnell abschalten, brauchen aber zum Anfahren wieder etwa 48 Stunden.

Hinweis: Wenn eine Notabschaltung passiert, muss unbedingt weiter gekühlt werden, weil die radioaktiven Tochterkerne weiter zerfallen und dabei viel Wärme freisetzen.

Kernkraftwerke können im Prinzip überall auf der Welt eingesetzt werden, wo das technische Knowhow (und das Geld zu ihrer Errichtung) vorhanden ist. Allerdings sollten Kernkraftwerke nur in politisch einigermassen stabilen Gegenden errichtet werden.

Der Brennstoff Uran reicht - wenn man nur die heute schon verwendeten Minen betrachtet - noch für mindestens 50 Jahre. Da Uran überall auf der Welt natürlicherweise vorkommt ist es eher eine Frage der Ökonomie als der Ressourcenverknappung, wie lange noch Uran abgebaut wird.

Ökologische Aspekte
Solange das Kernkraftwerk rund läuft, wird keine Strahlungsdosis an die Umgebung abgegeben, die ökologische Konsequenzen hat - behaupten jedenfalls die Betreiber. Tatsächlich ist die Radioaktivität in der näheren Umgebung nur geringfügig höher als die natürliche Strahlung. Allerdings wurde bei einer Feldstudie an Insekten in der Nähe von Kernkraftwerken ein höherer Anteil an verkrüppelten Individuen (z.B. verkürzte Flügel -> Fluguntauglichkeit) gefunden, als in Gegenden fernab von KKW's.

Wenn es aber zu einem grossen Störfall kommt - der allerdings in Westeuropa wirklich sehr unwahrscheinlich ist -, dann kann ein riesiges Gebiet radioaktiv verseucht werden. Die Folgen sind

  • Tote in unmittelbarer Umgebung des KKW's
  • Strahlenkrankheiten in weiterer Umgebung
  • Nichtbewohnbarkeit und Nichtbebaubarkeit des Landes für viele Jahrzehnte
Da sich der Uranabbau finanziell alleine nicht lohnt, wird das Uran meist nur in Minen gewonnen, wo andere Metalle abgebaut werden. Häufig liegen dann neben diesen Abbauorten riesige relativ stark strahlende Schutthalden. Für die Anwohner bedeutet das eine weit überdurchschnittliche Strahlenbelastung, die in einigen amerikanischen Indianerreservaten schon zu deutlich erhöhter Kindersterblichkeit und Strahlenkrankheiten geführt hat.

Das Hauptproblem in der Schweiz besteht aber in der radioktiven Hinterlassenschaft. Die Menge ist zwar relativ gering (einige "Einfamilienhäuser" pro KKW), doch müssen diese Abfälle für sehr lange Zeit (aus menschlicher Sicht eine unvorstellbar lange Zeit) sicher (?) gelagert werden können. Dies soll in Stollen geschehen, die einige hundert Meter unter der Erde liegen.

Vor- und Nachteile

Vorteile

  • Bei der Produktion entsteht kein Kohlendioxid (CO2)
  • Die Produktionskosten sind tief
  • Die Produktion ist sehr stabil mit grosser Leistung
  • Sehr geringer Ressourcenverbrauch - wenn auch ein Verbrauch - d.h. hohe Energiedichte
Nachteile
  • Verheerender Schaden bei einem GAU (dessen Eintretenswahrscheinlichkeit allerdings sehr gering ist)
  • Radioaktive Hinterlassenschaft für Jahrzehntausende
  • Nicht erneuerbare Energieform
Andersweitige Nutzungsmöglichkeiten des Primärenergieträgers

Angereichertes Uran und das in einigen Reaktortypen entstehende Plutonium kann militärisch genutzt werden.

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(C) die jeweiligen Autoren last change: 17. Mai 2013