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Atomkraft

Wie funktionieren Kernkraftwerke?

In den Medien ist in den letzten Jahren immer wieder von Kernkraftwerken berichtet worden. Dort streiten meist Politiker über den Bau oder die Stilllegung, „Restlaufzeiten“, den „Ausstieg aus der Kernenergie“, über „Forschungsreaktoren“ usw. Immer wieder Menschen demonstrieren um gegen den Transport von Atommüll (Castortransporte). Aber auch gegen die Einrichtung von Zwischenlagerstätten für abgebrannte Brennelement, die Wiederaufbereitungsanlagen und inzwischen auch gegen die Einrichtung von Endlagerstätten.

Der Betrieb von Atomkraftwerken ist generell fragwürdig, weil ein Teil des Inventars entweder hochreaktiv ist oder extrem giftig. Man kann sich leicht vorstellen, dass weder gegen eine Verstrahlung durch noch gegen eine Vergiftung durch Plutonium ein Kraut gewachsen ist (Tschernobyl, UdSSR bzw. Three Mile Island, USA).

Einleitung

In einem Kernkraftwerk oder Atomkraftwerk (Wie ist ein Atom aufgebaut?) finden sogenannte Kernreaktionen statt. Dabei wird eine große Menge Wärmeenergie frei, die zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden kann. Im Kernreaktor werden dazu bestimmte Isotope, meist Uran (U) und Plutonium (Pu), kontrolliert gespalten. Dabei kann die Bindungsenergie oder Kernenergie, welche die Atomkerne zusammenhält, über eine Wärmekraftmaschine zur Stromerzeugung verwertet werden.

Aspekte des Themas

Der Begriff Atomkraft oder Kernkraft führt bei vielen Menschen spontan zu Unbehagen. Die militärische Verwendung der Kernenergie im zweiten Weltkrieg und zur Abschreckung zwischen den Machtblöcken während des kalten Krieges hat bis dahin Zerstörung, Angst und Schrecken ausgelöst. So genannte Störfälle in Kernkraftwerken haben in der Vergangenheit zu Katastrophen für Mensch und Natur geführt. Die zivile Nutzung der Atomenergie zur Stromerzeugung bietet aber andererseits die Möglichkeit, große Energiemengen zu gewinnen. Die Kernenergie könnte in den nächsten Jahrzehnten vielleicht sogar die einzige Möglichkeit sein, den rasant wachsenden Energiebedarf der Weltbevölkerung zu decken. Keine Form der Energieerzeugung ist so kontrovers diskutiert worden wie die Nutzung der Kernenergie.

Physik

Der radioaktive Zerfall ist zunächst ein natürlicher Prozess. Schwere Atomkerne, z.B. von Uran (U) und Radium (Ra), sind von Natur aus instabil und wandeln sich spontan um. Dabei senden sie energiereiche, so genannte radioaktive Strahlung aus. Diesen Effekt nutzt man im Kernkraftwerk. Dort führt man künstlich und koordiniert Kernspaltungen – kontrollierte Zertrümmerungen von Atomkernen – durch. Es entstehen neue, kleinere Atomkerne, Radioaktivität und große Energiemengen.

Energie

Die Möglichkeiten der Energieumwandlung durch die Kernspaltung sind beeindruckend. Die Kraft, die Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhält, die so genannte starke Wechselwirkung, ist so außergewöhnlich groß, dass bei der Kernspaltung eine entsprechend große Energie frei wird. 1 Kilogramm Uran besitzt in seinen Atomkernen Bindungsenergien, die der Wärmeenergie von rund 2500 Tonnen Steinkohle entspricht. Das spaltbare Material, der „Brennstoff“ des Kernreaktors, hat also mit großem Abstand die höchste Energiedichte, der je von Menschen zur Energiegewinnung verwandten Stoffe.

Bau und Funktion

Die „normalen“ Siedewasserreaktoren und Druckwasserreaktoren arbeiten mit Uran als spaltbarem Material. Hochtemperaturreaktoren auf Thoriumbasis und so genannte „Schnelle Brüter“ auf Plutoniumbasis sind bei uns nicht zur Serienreife gelangt. Im Siede- und Druckwasserreaktor wird die Bindungsenergie der gespaltenen Atome in Wärmeenergie umgewandelt und von einem primären Kühlkreislauf aufgenommen. Über Wärmetauscher gelangt die Wärmeenergie in einen sekundären Kühlkreislauf, in dem letztlich Dampf erzeugt wird. Dieser treibt die Generatoren an. Dabei wird die Wärmeenergie zunächst in Bewegungsenergie und dann mittels der elektromagnetischen Induktion in elektrische Energie umgewandelt.

Sicherheit

Die Sicherheit von Atomkraftwerken gehört zu den meist diskutierten Themen der letzten Jahrzehnte. In Risikoanalysen wird berechnet, mit welcher Wahrscheinlichkeit bestimmte Reaktorunfälle passieren können, bis hin zum „größten anzunehmenden Unfall“ (GAU), der totalen Havarie mit Kernschmelze und Freisetzung der gesamten radioaktiven Inventars. Die größte Unwägbarkeit besteht darin, dass man selbst bei einer Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmtes Ereignis beispielsweise nur einmal in 1000 Jahren auftritt, nicht vorhersagen kann, wann genau in diesem Zeitraum dies sein wird.
Die deutschen Kernkraftwerke gelten im weltweiten Vergleich als verhältnismäßig sicher. Keine anderen Bauwerke in Deutschland sind mit ihren meterdicken Betonwänden so massiv und sicher konstruiert. Da aber freigesetzte Radioaktivität nicht vor Grenzen Halt macht, sind die Sicherheitsstandards in weniger entwickelten Ländern ein großes Problem, wie der Reaktorunfall von Tschernobyl gezeigt hat. Seit den Terroranschlägen mit absichtlich zum Absturz gebrachten Passagierflugzeugen am 11. September 2001 in New York und Washington steht aber selbst die Sicherheit dieser gut geschützten Kernreaktoren in Frage. Dem Aufprall eines Großflugzeuges wären selbst meterdicke Betonwände wohl kaum gewachsen.

Umwelt

Atomkraftwerke setzen keine schädlichen Treibhausgase frei, insbesondere kein Kohlendioxid (CO2). Daher ist die Umweltbilanz unter diesem Aspekt viel günstiger als die von Kraftwerken, in denen fossile Energieträger (Kohle, Öl, Gas) verbrannt werden. Andererseits setzen Atomkraftwerke ständig geringe Mengen an Radioaktivität frei, deren Auswirkungen auf die Umwelt bis heute umstritten sind. Zudem ist die nach wie vor ungelöste Frage der Endlagerung des stark radioaktiven Atommülls gesellschaftlich stark umstritten.

Probleme

Im Grunde ist die Kernenergie, deren Anteil an der Deckung des Weltenergiebedarfs gegenwärtig bei rund fünf Prozent liegt, eine der besten Möglichkeiten, Energie zu gewinnen. Jedoch ist diese Form der Energiegewinnung mit großen Gefahren für den Menschen und seine Umwelt verbunden.

Nicht nur die Nutzung der Atomenergie für kriegerische Zwecke – man denke an die Atombombenabwürfe auf Hiroshima und Nagasaki – bringt verheerende Folgen mit sich. Auch die friedliche Nutzung der Kernenergie ist mit unkontrollierbaren Risiken verbunden, wie die Reaktorkatastrophe von Tschernobyl im Jahr 1986 gezeigt hat. Es starben nicht nur mehrere Tausend Menschen unmittelbar nach der Reaktorkatastrophe, sondern viele
auch an den durch Krebserkrankungen verursachten Spätfolgen. Darüber hinaus ist in der Region um Tschernobyl die Anzahl von Missgeburten deutlich höher als in anderen Regionen. Die radioaktive Wolke erreichte damals auch Europa. Zwar waren die Folgen nicht direkt sichtbar, dennoch ließen sich vielerorts erhöhte Radioaktivitätswerte feststellen. Um solche Unfälle zu vermeiden, haben mehrere Staaten, in denen die Kernenergie zur Stromerzeugung genutzt wird, den Ausstieg aus der Kernenergie beschlossen. Auf Grund der grenzüberschreitenden Gefahren sind viele Länder auch gegen die Atomkraftwerke in ihren Nachbarstaaten. Allgemein ist festzustellen, dass die Nutzung der Kernenergie trotz strengster Sicherheitsvorkehrungen immer ein großes Risiko in sich birgt.

Gefahren können an jeder Stelle des Brennstoffkreislaufes auftreten. Dies gilt nicht nur – wie oft irrtümlich angenommen – für die Urananreicherung und die Brennelemente-Herstellung, für die Kernkraftwerke und die Wiederaufbereitungsanlagen, für die Atomtransporte und die Atommülllagerung, sondern bereits für den Uranabbau und die radioaktiven Abraumhalden.
So werden zum Beispiel die Zerfallsprodukte des radioaktiven Radon-Gases – ein Zerfallsprodukt des in den Uranabfällen enthaltenen Radiums -, für das erhöhte Auftreten von Lungenkrebs bei Bergleuten und Anwohnern solcher Halden verantwortlich gemacht.

Strahlenschutz

Radioaktive Strahlung kann bereits bei relativ geringen Dosen schwere Schäden hervorrufen, auch wenn die Folgen einer Langzeiteinwirkung sehr geringer Dosen noch umstritten sind. Allgemein gilt:

Strahlenschutz
Strahlendosis 0,25-0,5 Sv:Schädigung des Ungeborenen, Veränderungen des Blutbildes
Strahlendosis 1 Sv:Erste Anzeichen der Strahlenkrankheit mit Haarausfall, Übelkeit, Erbrechen
Strahlendosis 2 Sv:Schwere Strahlenkrankheit, Schädigung der Haut
Strahlendosis 3 Sv:Äußere Blutungen, Schädigung des Blutes
Strahlendosis 4 Sv:Schwere Infektionen, Todesrate 50 Prozent
Strahlendosis 5 Sv:
(Sv = Sievert)
Todesrate über 90 Prozent

Reichweite der Strahlungsarten

Die Reichweite und die Methoden zur Abschirmung der verschiedenen Arten radioaktiver Strahlung unterscheiden sich stark. Dies hängt einerseits von der Größe und Ladung der emittierten Teilchen und andererseits von der Teilchenenergie selbst ab.
α-Strahlung reicht in der Luft nur wenige Zentimeter weit und kann bereits durch ein Blatt Papier vollständig abgeschirmt werden.
β—Strahlung reicht an der Luft bis zu mehreren Metern weit und kann erst durch eine 3 Millimeter dicke Blei- oder eine 5 Millimeter dicke Aluminiumschicht vollständig abgeschirmt werden.
Die Reichweite der γ-Strahlung ist im Vakuum nahezu unbegrenzt. Anders als bei Partikelstrahlung folgt die Absorption von Röntgen und γ-Strahlung einem Lambert-Beer’schen Gesetz. Ihre Reichweite in Materie hängt von der Photonenenergie und der Ordnungszahl des resonierenden Atoms ab, sie nimmt aber über die Schichtdicke des Absorbers exponentiell ab. Ihre Energie kann pro 5 Millimeter Bleischicht um eine Zehnerpotenz verringert werden. Vollständig abschirmen kann man sie allerdings nicht.

Kernumwandlung

Um eine ungefähre Vorstellung von der Stärke der Kernkräfte und der Größe der gespeicherten Energie zu bekomme, vergegenwärtige man sich am besten die freigesetzte Energie bei der Explosion einer Atombombe. Hier bilden nur wenige Kilogramm Uran oder Plutonium eine überkritische Masse, die zur Detonation gebracht wird. Plutonium kann durch Neutroneneinfang in Antimon und Technetium zerfallen, dabei werden je umgesetztem Plutoniumkern noch drei Neutronen freigesetzt. Die freigesetzten Neutronen regen jeweils ein weiteres Plutoniumatom zum Zerfall an, sodass im zweiten Schritt insgesamt zwei Antimonatome, zwei Technetiumatome, aber schon sechs Neutronen bilanziert werden müssen. Es entsteht also eine sich Lawinenartig vergrößernde Anzahl freier Neutronen, die im Fall einer kritischen Masse eine Detonation auslöst.
Von der Kernspaltung gänzlich verschieden ist die Kernfusion, der Prozess, aus dem die z. B. Sonne ihre Energie bezieht. Dabei vereinigen sich zwei bei extremen Drucken und sehr hohen Temperaturen aufeinanderprallende Wasserstoffkerne zu einem Heliumkern. Bei der Fusion von einem Kilogramm Helium aus Wasserstoffkernen wird rund zehnmal so viel Energie frei, wie bei der vollständigen Spaltung aller Atome in einem Kilogramm Uran. Bei der eigentlichen Fusionsreaktion wird die Bindungsenergie der Nukleonen im neuen Atomkern frei, die extremen Umgebungsbedingungen sind erforderlich, um die Abstoßung der Atomkerne zu überwinden.

Otto Hahn

Der Frankfurter Chemiker Otto Hahn (1879-1968) machte bahnbrechende Forschungen auf dem Gebiet der Radioaktivität und der Kernspaltung. In Zusammenarbeit mit Lise Meitner entdeckte er ab 1907 eine Vielzahl radioaktiver Elemente und Isotope sowie deren Zerfallsreihen. 1938 entdeckte er als Erster die Kernspaltung von Uranatomen beim Beschuss mit langsamen Neutronen. Dafür erhielt er 1945 den Nobelpreis.

Lise Meitner

Die österreichisch-schwedische Physikerin Lise Meitner (1878-1968) beschäftigte sich wie Otto Hahn vorwiegend mit der Erforschung der Radioaktivität. Gemeinsam mit Otto Hahn entdeckte sie eine Vielzahl radioaktiver Elemente und Isotope sowie deren Zerfallsreihen. 1939 lieferte sie den theoretischen Hintergrund für die von Otto Hahn im Vorjahr entdeckte Kernspaltung.

Kernkraftwerke im Vergleich

Die Form der Energieumwandlung hat sich im Grunde seit der Nutzbarmachung des Feuers durch Hominiden nicht geändert. Immer noch wird irgendetwas Brennbares verbrannt, um anschließend die Wärmeenergie zu nutzen. Kraftwerke auf der Basis der Verbrennung fossiler Energieträger sind genau zu diesem Zweck aufgestellt. Auch ein Kernkraftwerk arbeitet nach demselben Prinzip: spaltbare Elemente werden verbrannt und die freigesetzte Wärme der Verbrennung wird über eine Kraft-Wärme-Kopplung genutzt. Die nuklearen Verbrennungsrückstände stellen ein ungelöstes Umweltproblem dar, genauso wie die in großen Mengen durch Verbrennung organischer Materialien freigesetzten Treibhausgase Kohlendioxid und Wasserdampf.

Abwärme, Schadstoffemission, Atommüll

Hinsichtlich der Abwärme unterscheiden sich Verbrennungskraftwerke und Kernkraftwerke kaum, denn die Kraft-Wärme-Kopplung zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie folgt den gleichen Prinzipien bis hin zum Einsatz baugleicher Turbinen und Generatoren.. Bei beiden geht ein großer Teil der Wärmeenergie als Abwärme in den Kühltürmen verloren. Der Wirkungsgrad in diesem Bereich ist dann wohl eher ein Fall für die Generatorentechnik. Hinsichtlich der Schadstoffemission sind die Verbrennungskraftwerke in den letzten Jahrzehnten enorm verbessert worden. Rauchgasentschwefelung und elektrische Staubfilter sind nach den Erfahrungen mit dem Waldsterben und dem „sauren Regen“ der 1980er-Jahre zum Standard geworden und erlauben auch das Feinstaubproblem in den Griff zu bekommen.. Ein Problem ist aber nach wie vor der hohe CO2-Ausstoß und die Wasserdampfemission aus den Kühlanlagen. So ist die Selbstverpflichtung Deutschlands zur Verringerung des Ausstoßes dieser Treibhausgase kaum zu realisieren.

Kernkraftwerke emittieren zwar keinen dieser Schadstoffe (CO2, H2O und SO2), doch dürften sie bestimmte Mengen radioaktiver Gase mit sehr kurzen Halbwertszeiten ausstoßen. Die Diskussion über die Langzeit-Wirkung von kleinen Mengen radioaktiver bzw. niedrigenergetischer ionisierender Strahlung hält weiter an.
Die Verbrennungsrückstände in Verbrennungskraftwerken können fast vollständig recycelt werden. Die Aschenschlacke beispielsweise in Kohlekraftwerken wird im Straßenbau verwendet, die Rauchgasentschwefelung bringt hochwertigen Gips hervor. Andererseits ist die Frage der Endlagerung der atomaren Abfälle und sonstiger Rückstände, z. B. aus dem Rückbau atomarer Anlagen völlig ungelöst. Ein Mißbrauchsproblem zeichnet sich auch beim Einsatz der Wiederaufbereitungstechnologie von abgebrannten Kernelementen ab.

Lässt man all dies außer acht und fragt nur nach der Zeitdauer des Sicherheitsproblems radioaktive und zudem noch hochgiftige Schwermetalle wie 239Pu angemessen zu lagern, heißt die Antwort: aus menschlicher Sicht sehr lange. Das in Reaktoren anfallende 239Pu hat eine Halbwertszeit von rund 25 000 Jahren, das Ende der letzten Eiszeit liegt etwa solange zurück.

Noch länger bleibt uns ein Problem mit der Lagerung von 242Pu erhalten. Die Halbwertszeit dessen Zerfalls beträgt etwa 370000 Jahre. Die Kosten und Umweltbelastungen einer Lösung dieses Problems sind heute noch gar nicht genau abzuschätzen.

Alternative Energiekonzepte

Heute besitzen wir neben den konventionellen und nuklearen Kraftwerken zunehmend noch eine Reihe von Möglichkeiten, Elektrizität durch regenerative (erneuerbare) Energien zu erzeugen. Dies sind vor allem Wasser- und Windkraftwerke, die die Bewegungsenergie des fließenden Wassers oder des Windes direkt in Elektrizität umwandeln. Auch Sonnenenergie kann von Sonnenzellen direkt in elektrischen Strom verwandelt werden. Sonnenzellen sind großflächig eingesetzte Halbleiter-Fotoelemente. Das Licht setzt den Widerstand der Halbleiter stark herab, und es entsteht eine elektrische Spannung. Diese können wir dazu nutzen, durch Elektrolyse aus Wasser Wasserstoff herauszulösen. Wasserstoff gilt als einer der wichtigsten Energieträger von morgen.
Mittels des Verfahrens der Fotothermie können wir auch Wärmeenergie aus Sonnenlicht erzeugen. Dazu benötigt man Sonnenkollektoren, die das Sonnenlicht fast vollständig absorbieren und unter Verwendung einer Wärmepumpe Wasser erhitzen oder zum Betrieb eines Turbinen-Generators verdampfen. Um die Entwertung von Energie beim Umsatz zu verringern, müssen Geräte und Anlagen immer effizienter und wirkungsvoller konstruiert werden. Hierin liegt in den Industrieländern vielleicht das größte Potenzial zur Begrenzung des Energieumsatzes.

Pro und Kontra

Kaum ein Thema hat in den vergangenen 20 Jahren die politischen Diskussionen so sehr beherrscht wie das Thema Kernenergie. Beide „Seiten“ können gute Argumente für ihre Position vorbringen.

Pro Kernkraftwerk:

Kein Ausstoß von Treibhausgasen, Stickoxiden und Schwefelverbindungen. Keine Abhängigkeit von den internationalen Ölmärkten, dafür aber Abhängigkeit von Rohstoffmärkten für spaltbares Material, bei ebenfalls sich verringernden Ressourcen.
Preisgünstiger als die heimische Steinkohle, wenn man die Subventionen vernachlässigt. Sicherung der Energieversorgung auf Jahrhunderte (auch ein reines Marketingargument).

Kontra Kernkraftwerk:

Ständiger Ausstoß kleiner Mengen Radioaktivität (Wirkung einer Dauerexposition nicht abschätzbar). Sehr hohes Gefährdungspotenzial bei Havarien. Ein GAU (Three Mile Island, Harrisburg, USA) oder ein Super-GAU (Tschernobyl, Ukraine, GUS) können ganze Landstriche unbewohnbar machen und hunderttausende Menschenleben akut gefährden. Aufgezählt sind hier nur Havarien, die auf menschliches Versagen zurückzuführen sind. Höhere Gewalt, wie z.B. Erdbeben (14.06.2008, Fukushima, Japan) ist überhaupt nicht einschätzbar.

Ziel für terroristische Anschläge, ungeklärte Entsorgung des Atommülls. Diese Risikoformen sind gar nicht abzusichern. In der Bundesrepublik Deutschland werden AKW ohne eine Form von Rücksicherung entgegen den verfassungsrechtlichen Vorschriften betrieben.

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