Kernkraftwerk

Kernkraftwerke gewinnen die zur Stromerzeugung notwendige Prozesswärme nicht durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe oder durch Sonnenenergie, sondern durch Kernspaltung.

Allgemeine Funktionsweise

Die beim Zerfall radioaktiver Stoffe entstehende Hitze wird dazu genutzt, um überhitzten Dampf (also gasförmiges Wasser) zu erzeugen, der dazu genutzt wird eine oder mehrere Turbinen anzutreiben. An die Turbine gekoppelt ist ein Generator, der den Strom erzeugt.

Reaktortechnik

Weltweit vorherrschend ist der Leichtwasserreaktor (LWR, als Druckwasser- oder Siedewasser-Reaktor realisiert), weitere Reaktortypen sind der Schnelle Brüter, der Hochtemperatur- und der Druckröhrenreaktor (Reaktortyp inTschernobyl). Die Kernspaltung läuft imKernreaktor ab, der aus Sicherheitsgründen i.d.R. von einem Sicherheitsbehälter (Containment) und einer Stahlbetonkuppel umgeben ist. Der LWR verwendet als Kühlmittel und Moderator (Neutronenbremse) normales Wasser, das beim Druckwasserreaktor unter so hohem Druck steht, dass es trotz Aufheizung auf ca. 325 Grad C im Primärkühlkreis nicht verdampft. Die bei der Kernspaltungfreigesetzte Wärme wird von einem Primärkühlsystem aufgenommen und über Wärmetauscher an einen Sekundärkreislauf abgegeben, in dem Wasserdampf Turbinen zur Stromerzeugung antreibt.

Umweltbelastungen während des Betriebs

Nichtradioaktive Umweltbelastung: Kernkraftwerke mit ihrer hohen elektrischen Leistung (Standard 1.200 MWe, elektrisch abgegebene Leistung) und ihrem schlechten thermischen Wirkungsgrad von 35 Prozent belasten Umwelt und insbesondere Flüsse durch große Mengen an Abwärme. Ein Wirkungsgrad von 35 Prozent bedeutet, dass zur Erzeugung von 1200 MWe ca. 3500MW thermische Leistung innerhalb des Reaktors zur Verfügung gestellt werden müssen und die Differenz als Wärme abgeführt werden muss. Dies geschieht meist in einem Nasskühlturm. Eine ortsnahe Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist wegen der hohen Gefahren im Falle eines Störfalls (Radioaktivität könnte z.B. über die KWK schneller in Wohngebiete übertragen werden) und der damit verbundenen hohen Anforderungen an die Sicherheitstechnik nicht sinnvoll.

Radioaktive Umweltbelastung: Auch im störungsfreien Normalbetrieb gibt ein Kernkraftwerk ständig radioaktive Substanzen an Luft und Wasser ab, die sich in derUmwelt anreichern und über mehr als 100.000 Jahre weiter strahlen und zu schwer abschätzbaren Schäden führen kann. Innerhalb des Kraftwerks werden große Mengen radioaktiver Substanzen erzeugt. Durch die Kernspaltung entstehen etwa 200 radioaktive Substanzen (künstliche Radionuklide), die in der Natur nicht vorkommen. Durch kleinste Risse in den Brennstabhüllen (Brennelement) gelangen so vor allem die radioaktiven Edelgase Xenon und Krypton, die leicht flüchtigen Stoffe Iod und Cäsium sowie Strontium in den Primärkreislauf.

Die höchsten radioaktiven Emissionen entstehen im störungsfreien Betrieb nicht beim Kernkraftwerksbetrieb, sondern bei der Brennstoffver- und Entsorgung(Brennstoffkreislauf). Die abgebrannten Brennelemente enthalten radioaktive Substanzen: 1% Plutonium und über 3% Spaltprodukte (Kernspaltung,Wiederaufarbeitung, Atommüll). Zusätzlich fallen jährlich ca. 1.300 Fässer schwach- und 100 Fässer mittelaktiver Atommüll an. Nach einer Betriebszeit von 15-30 Jahren stehen zudem Abriss und Entsorgung des Kernkraftwerkes an (s.u.).

Durch vom Kernreaktor ausgehende Neutronenstrahlung werden weitere radioaktive Substanzen erzeugt (Tritium, Argon-41), die sich im Kühlmittel, in den Verunreinigungen des Kühlmittels (Korrosion) und in anderen Anlagenteilen finden. Entweichende Substanzen werden durch aufwendige Filter zum großen Teil zurückgehalten, der Rest gelangt über Abwasser und Abluft (Schornstein oder unkontrolliert) in die Umwelt.

Von Kernkraftwerken gehen im störungsfreien Normalbetrieb allerdings erheblich geringere radioaktive Emissionen aus als von Wiederaufarbeitungsanlagen. Die Höhe der radioaktiven Emissionen in Becquerel sagt wenig über
Strahlenbelastungund Strahlenschäden von Mensch und Umwelt aus. Diese hängen ab von: Halbwertszeiten der radioaktiven Stoffe, Art und Energie der von ihnen ausgehenden ionisierenden Strahlung (Radioaktivität und Strahlung, Maßeinheiten), ihrer Ausbreitung in der Umwelt und ihrer Anreicherung in Boden, Pflanzen, Tieren und Menschen. Infolge dessen gelangen die radioaktiven Stoffe in die Nahrungsmittelkette.

Risiken

Kernkraftwerke zeichnen sich durch ein mit konventionellen Energieversorgungsarten und –technologien unvergleichlich höheres Gefährdungs- / Risikopotenzial aus. Unfälle oder Störfälle infolge von technischen Pannen, menschlichem Versagen, Erdbeben, Flugzeugabstürzen, Sabotage oder Kriegseinwirkung gehen mit hoher Wahrscheinlichkeit mit dem Austreten radioaktiverStrahlung einher, die mit dramatischen Schadwirkungen für den Menschen und dieUmwelt verbunden ist.

Strahlenbelastung

Angaben über die
Strahlenbelastung durch Kernkraftwerke beruhen auf Computersimulationen, die mit großen Fehlerquellen (z.B. hinsichtlich derAusbreitung radioaktiver Substanzen) behaftet sind. Die direkte Messung der
Strahlenbelastung ist nur für die äußere Gamma- und Betastrahlung (natürlicheStrahlung aus dem All und der Umwelt) möglich. Die besonders gefährlicheAlphastrahlung ist nur mit extremem Aufwand nachweisbar, sobald sie von Organismen aufgenommen wurde.
Die gesetzlich festgelegten Grenzwerte finden Sie auf der Webseite des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit in derStrahlenschutzverordnung . Der zulässige Höchstwert im Störfall beträgt 50mSv. Über das Jahr verteilt ist eine maximale
Strahlenbelastung von weniger als 0,3 mSv/Jahr (Milli-Sievert) effektive (tatsächliche) Strahlendosis in der Umgebung von Kernkraftwerken zulässig (vgl. Strahlenschutzverordnung § 47, Begrenzung der Ableitung radioaktiver Stoffe).

Arbeiter in Kernkraftwerken sind Strahlenbelastungen von etlichen mSv jährlich ausgesetzt. Damit Fachkräfte die zulässigen Grenzwerte von 50 mSv/Jahr nicht überschreiten, werden in stark strahlenden (heißen) Zonen nukleare ‚Tagelöhner‘ eingesetzt (Dosimeter). Bei US-Atomarbeitern wurde wiederholt eine Erhöhung des Risikos für Krebserkrankungen durch somatische Strahlenschäden festgestellt; in Ausnahmefällen kann es sogar zu akuten Strahlenschäden kommen (Strahlenkrankheit, Kontamination). Eine 1992 veröffentlichte Studie des britischen Amtes für Strahlenschutz zeigt auf, dass das Risiko für Beschäftigte in Atomanlagen, an Leukämie zu sterben, wesentlich größer ist, als bis dahin angenommen. Die Studie stellt bei einem Untersuchungszeitraum von 16 Jahren und einem Probenumfang von 95.000 Beschäftigten einen klaren Zusammenhang zwischen Leukämiefällen und der Strahlendosis her, die die Betroffenen im Laufe ihres Arbeitslebens erhalten haben.

In Deutschland wurden in den letzten Jahren in verschiedenen Studien auch Schäden an der Bevölkerung sichtbar. Für Kinder unter 5 Jahren im engeren Umkreis westdeutscher Kernkraftwerke besteht nach den Ergebnissen einer 1992 veröffentlichten Studie der Universität Mainz ein erhöhtes Risiko, an Leukämie zu erkranken. Am stärksten betroffen ist die Umgebung des Kernkraftwerkes Krümmel bzw. des Atomforschungszentrums Geesthacht; hier wurde eine um das 10-15fach erhöhte Leukämierate gefunden.

Unfälle und damit verbundene Folgen

Bei Kernkraftwerk-Unfällen können sich die Belastungen für die Umgebung erheblich erhöhen. Störunfälle werden international mit der von der IAEA (International Atomic Energy Agency) von eins bis sieben reichenden festgelegten INES-Skala beurteilt. Tritt bei einem Unfall eine große Menge Radioaktivität aus, so hat dies langandauernde und weit reichende Folgen für die Umwelt.

Einige bekannt gewordene prominente Unfälle

  • 2011: Fukushima, Japan.
    INES Gefährdungsstufe 6 (aktueller Status März 2011 noch unklar, nach Ansicht von Greenpeace-Experten INES 7).
  • 1986 -Tschernobyl, UdSSR
    INES Gefährdungsstufe 7
    Weitreichende Gesundheits- und Umweltbelastung. Kernschmelze mit nachfolgender Freisetzung einer hohen Strahlungsmenge durch die Explosion des Reaktorkerns.
  • 1979 Harrisburg, Three Mile Island
    INES Gefährdungsstufe 5
    Kernschmelze, deren Austritt gerade noch verhindert werden konnte.
  • 1957 Kyshtym, UdSSR
    INES Gefährdungsstufe 6
    Freisetzung von signifikanten Mengen radioaktiven Materials in die Umwelt, verursacht durch eine Explosion eines hochaktiven Abklingbehälters.
  • 1957 Windscale Pile, Großbritannien
    INES Gefährdungsstufe 5
    Freisetzung radioaktiven Materials in die Umwelt, verursacht durch einen Brand im Reaktorkern.

Die Kernkrafttechnologie wird von Rückversicherern als unversicherbares Risiko eingestuft, da die Kosten nach einem Unfall nicht abschätzbar sind. Der Super-GAUin Tschernobyl (hervorgerufen durch einen Reaktor) verursachte Schäden in Höhe von ca. 200 Milliarden Euro. Als Vergleich: Die Rückversicherung der deutschen Kernkraftwerksbetreiber haftet bei einem Unfall bis zu einer Summe bis zu 2,5 Milliarden Euro.

Stichworte: Störfallabläufe und Auswirkung: Kernschmelzen, GAU, Super-Gau,Schneller Brüter.

Entsorgung

Die Entsorgung von Atommüll stellt den Menschen vor unlösbare Probleme, da dieser bis zu 100.000 Jahre weiter strahlt. Nicht nur die Entsorgung ausgebrannter Brennelemente bereitet Schwierigkeiten, sondern auch die Demontage eines außer Betrieb genommenen Kraftwerks, da die Bauteile nach Betriebsende weiter strahlen und nur unter hohen Sicherheitsmaßnahmen zerlegt werden können. Die Demontage eines Kraftwerks dauert oft mehrere Jahre und bedeutet eine erhöhte Belastung für die Umgebung.
Siehe auch Atommüll

Entwicklung

Anzahl der Kernkraftwerke weltweit

Im März 2011 sind weltweit 443 Kernkraftwerke mit einer Leistung von 377.750 MW in Betrieb und 158 Neubauten geplant. Deutschlandweit sind 17 Kraftwerke in Betrieb und vorerst keine Neubauten geplant. (Zahlen vgl.: World Nuclear Association)

Infolge der Reaktorunfälle in Harrisburg (1979) und Tschernobyl (1986) war die Expansion der nuklearen Energie deutlich zurückgegangen. 1992 waren weltweit 414 Reaktoren mit insgesamt 323 GW in Betrieb; 1989 waren es noch 421.

Ausblick

Mit Realisierung der Pläne der DESERTEC Foundation für die EU-MENA-Staaten (Europe Middle East North Africa) wird innerhalb des nächsten Jahrzehnts Ersatz für die überholte und unverhältnismäßig risikobehaftete Kernkrafttechnologie geschaffen. Die Sonne ist als preiswerter und permanent vorhandener Energieträger ein guter Ersatz. Die Kombination aus Wasserspeicherkraftwerken, Windenergieanlagen und solarthermischen Großanlagen im 250MW-Bereich aufwärts und ein intelligentes Energiemanagement („Smart Grid“) bilden eine solide und sichere Grundlage der zukünftigen Energieversorgung und stellen die bisher von Kernkraftwerken gebildete Grundlast dauerhaft bereit (vgl.: Artikel aus den DLR-Nachrichten und FAQ der DESERTEC Foundation zu diesem Thema). Weitere Vorteile der Technologien sind die vergleichsweise einfachere Entsorgung und die Möglichkeit, Hybridkraftwerke zu bauen, die als Unterstützung zur Dampferzeugung noch eine konventionelle Gasturbine erhalten.

Stand 03 2011, überarbeitet von Jan Niemeyer

Autor: KATALYSE Institut

Posted in Energie, G - M, K, Radioaktivität, Substanzen & Werkstoffe.