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Mittwoch, 16. März 2011

Von Atomen, Wasserdampf und Strom: Wie funktioniert ein AKW?

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Atomkraftwerke und Kohlekraftwerke haben grundsätzlich etwas gemeinsam: Sie erzeugen Energie, um damit Wasser so weit zu erhitzen, dass es dampft. (Foto: picture alliance / dpa)

Atomkraftwerke und Kohlekraftwerke haben grundsätzlich etwas gemeinsam: Sie erzeugen Energie, um damit Wasser so weit zu erhitzen, dass es dampft.

Atomkraftwerke und Kohlekraftwerke haben grundsätzlich etwas gemeinsam: Sie erzeugen Energie, um damit Wasser so weit zu erhitzen, dass es dampft.

Im Kohlekraftwerk geschieht das durch die Verbrennung von Kohle, ...

... im AKW durch die Spaltung von Atomkernen.

Das Kernstück eines jeden Atomkraftwerks ist der Reaktor. Er ist ein riesiges, mit Wasser gefülltes Becken, ...

... in dem sich mehrere hundert Brennelemente befinden. Diese wiederum bestehen aus ...

... mehreren Dutzend Brennstäben.

Das sind Metallstäbe, die mit dem Kernbrennstoff gefüllt sind, also hauptsächlich mit Uran.

Das Uran - hier in Pelletform neben dem Ende eines Brennstabs - besteht natürlich aus Atomen. Diese werden ...

... im Reaktor gespalten. Dabei wird neben lebensgefährlicher Radioaktivität sehr viel Energie frei und es entwickelt sich eine starke Hitze.

Die wird genutzt, um das Wasser im Reaktorkessel zu Wasserdampf zu erhitzen.

Der Dampf treibt Turbinen an, und diese wiederum ...

... setzen einen Generator in Gang.

Im Generator beginnt dann der Strom zu fließen. Er gelangt über das Stromnetz ...

... zu den Konsumenten.

In den in Deutschland üblichen Leichtwasserreaktoren hat das Wasser im Reaktorkern noch eine andere wichtige Aufgabe.

Kernspaltung ist nämlich eine Kettenreaktion. Bei jeder Spaltung werden Neutronen frei, die weitere Kerne spalten können. Das funktioniert aber nur, wenn die Neutronen nicht zu schnell sind.

Deswegen dient das Wasser im Reaktorkern auch dazu, die Neutronen abzubremsen. Es ist ein so genannter Moderator.

Sollte der Leichtwasserreaktor bei einem Unfall überhitzen (wie jetzt in Fukushima, wie aber auch 1979 in Harrisburg), so verdampft das Wasser, die Neutronen werden zu schnell für weitere Kernspaltungen und die Kettenreaktion wird gestoppt.

Allerdings brauchen Leichtwasserreaktoren spezielles Uran, nämlich mehr Uran-235. Dafür gibt es Uran-Anreicherungsanlagen (im Bild Kentucky, USA).

Ein nicht wasser-, sondern grafitmoderierter Reaktor dagegen, wie er in Russland üblich ist, kann mit Natur-Uran betrieben werden.

Nachteil: Grafit - reiner Kohlenstoff - verdampft nicht bei Überhitzung. Er wirkt also weiterhin als Moderator, bremst weiterhin Neutronen ab und hält die Kettenreaktion bis zur Kernschmelze in Gang.

Außerdem kann es - wie sich in Tschernobyl gezeigt hat - zu Grafitbränden kommen. Der aufsteigende Rauch nimmt dann die radioaktiven Teilchen mit in die Luft und transportiert sie weiter.

Zurück zu den Neutronen: Eine Kettenreaktion ist für den normalen AKW-Betrieb notwendig, doch es dürfen nicht alle frei werdenden Neutronen eine neue Kernspaltung hervorrufen. Denn dabei würde ein Übermaß an Energie entstehen.

Um das zu verhindern, gibt es die zu Steuerelementen zusammengefassten Steuerstäbe im Reaktor. Sie bestehen aus einem Stoff, der Neutronen schluckt - aus Kadmium zum Beispiel.

Je weiter die Steuerstäbe in den Reaktorkern hineingefahren werden, umso mehr Neutronen fangen sie ab. In der Folge finden weniger Spaltungen statt und so wird weniger Energie frei. Die Energieproduktion lässt sich also bei Bedarf mithilfe der Steuerstäbe abschalten.

Übrigens muss das Wasser, das die Neutronen in Leichtwasserreaktoren bremst, beständig gekühlt werden. Deswegen gibt es zwei Wasserkreisläufe: einen inneren, der die Brennelemente kühlt, und einen äußeren, der den heißen Wasserdampf kühlt. Weil so viel Wasser zur Kühlung benötigt wird, ...

... stehen Atomkraftwerke meist an Flüssen oder am Meer.

Fällt die Kühlung aus, endet zwar - wie erwähnt - die Kettenreaktion. Doch die frisch entstandenen Spaltprodukte, zu denen auch Caesium und Jod gehören, zerfallen radioaktiv. Dabei entsteht die so genannte Nachzerfallswärme, die durch Steuerstäbe nicht zu beeinflussen ist.

Sie erhitzt die Brennstäbe weiter und es kann zur Kernschmelze kommen. Die Brennstäbe mit dem darin befindlichen Uran schmelzen und laufen am Boden des Reaktorbehälters zusammen. Schlimmstenfalls schmelzen sie durch den Boden hindurch und erreichen das Grundwasser.

Auch im normalen Betrieb ist ein Kernreaktor nicht unbegrenzt haltbar. Das Material des Reaktorbehälters wird durch die stetige Neutronenstrahlung spröde. Unter anderem aus diesem Grund wurde das AKW Stade - hier im Bild - 2003 vom Netz genommen. (asc)

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