Kernkraftwerk
Was genau ist ein Kernkraftwerk, wie ist es aufgebaut und wie funktioniert es? Das erfährst du hier und im Video .
Inhaltsübersicht
Was ist ein Kernkraftwerk?
Ein Kernkraftwerk (KKW), auch Atomkraftwerk (AKW), ist eine technische Anlage zur Wärme- und Stromerzeugung. Die elektrische Energie wird dabei aus Kernenergie gewonnen.
In einem Kernreaktor wird durch das Spalten von Atomen Energie freigesetzt. Mit der Energie wird Wasser unter hohem Druck aufgeheizt, bis heißer Wasserdampf entsteht. Der Dampf treibt eine Dampfturbine an, welche wiederum einen Generator antreibt. Der Generator erzeugt dadurch elektrischen Strom .
Im Gegensatz zum Kohlekraftwerk findet also keine Verbrennung statt und somit entstehen auch keine Schadstoffe oder Treibhausgase. Es kommt im Kernkraftwerk zu einer Kernspaltung von Uran. Daher fallen radioaktive Abfälle an, die über mehrere Jahrzehnte hinweg sicher gelagert werden müssen.
Kernkraftwerk Aufbau
Der wichtigste Bestandteil eines Kernkraftwerks ist der Kernreaktor. Dort findet die Kernspaltung statt. Die dabei gewonnene Energie wird über die Dampfturbine und den Generator in Strom verwandelt. Der Kondensator und der Kühlturm vervollständigen den Aufbau.
Es gibt also mehrere wichtige Anlagen. Sie sind auf drei große Bereiche aufgeteilt: Reaktorgebäude, Maschinenhaus und Kühlturm.
- Im Reaktordruckbehälter aus Stahl befindet sich der Kernreaktor, in dem die Kernspaltung stattfindet. Er ist zu etwa zwei Drittel mit Wasser gefüllt.
- Der Reaktordruckbehälter besteht aus Brennelementen und Steuerelementen. Die Brennelemente sind mehrere Meter lang und bestehen wiederum aus dünnen Brennstäben. Dort befindet sich der radioaktive Kernbrennstoff. Mit den Steuerelementen kann die Kernspaltung reguliert werden.
- Der Dampferzeuger befindet sich außerhalb des Reaktors und führt Wasser durch den Reaktordruckbehälter. Hier entsteht dann erhitztes Wasser, so wie Wasserdampf.
- Der aufkommende Wasserdampf wird zu Hochdruck- und Niederdruckturbinen weitergeleitet. Der Dampf treibt die Turbinen an, das heißt, sie fangen an sich zu drehen.
- Der Generator wird von der Turbine angetrieben und erzeugt durch die Drehung elektrischen Strom. Der elektrische Strom wird über einen Transformator (kurz: Trafo) in das Stromnetz eingespeist.
- Der Kondensator kühlt und kondensiert den Wasserdampf nach der Dampfturbine wieder. Über einen Kühlturm wandelt er den Dampf wieder in gekühltes Wasser um, welches dann wieder erneut in Wasserdampf überführt werden kann. Somit ist der Kreislauf geschlossen.
Du kannst dabei zwischen zwei Reaktortypen unterscheiden: Dem Druckwasserreaktor und dem Siedewasserreaktor.
Beim Druckwasserreaktor entsteht der Wasserdampf indirekt in einem Dampferzeuger, beim Siedewasserreaktor direkt im Reaktor. Sie unterscheiden sich leicht im Aufbau.
Druckwasserreaktor
Der Druckwasserreaktor (DWR) ist ein Reaktortyp, der einen zusätzlichen Dampferzeuger besitzt. Das heißt, dort treffen die zwei Kühlwasserkreisläufe des Reaktordruckbehälters und des Dampferzeuger aufeinander. Der Druck des Wasser wird so gewählt, dass das Wasser im Reaktordruckbehälter nicht siedet. So verdampft Wasser erst im Dampferzeuger.
Der Dampf-Wasser-Kreislauf bleibt frei von radioaktiven Partikeln, die aus dem Kernreaktor stammen. Das kann bei Instandhaltungsarbeiten ein Vorteil sein.
Siedewasserreaktor
Der Siedewasserreaktor (SWR) ist ein Reaktortyp, der keinen zusätzlichen Dampferzeuger besitzt. Die Erwärmung des Wassers und die Dampferzeugung findet direkt im Reaktor statt. Das Wasser im Reaktordruckbehälter wird so weit erhitzt, dass Wasserdampf entsteht, der an die Turbinen weitergeleitet wird.
Anders als beim Druckwasserreaktor sind dadurch auch die Turbinen und andere Teile außerhalb des Reaktordruckbehälters radioaktiv belastet. Dafür ist allerdings der Aufbau weniger kompliziert.
Wie funktioniert ein Kernkraftwerk?
Ein Kernkraftwerk kannst du in zwei wesentliche Funktionsbereiche aufteilen: Einen nuklearen Teil und einen konventionellen Teil. Im nuklearen Teilbereich wird durch die Kernspaltung Wärmeenergie erzeugt. Im nachfolgenden konventionellen Teilbereich wird die Wärme in elektrischen Strom umgewandelt. Den konventionellen Teil findest du so ähnlich auch in Kohlekraftwerken.
Damit die Energieerzeugung funktioniert, müssen drei Kreisläufe stattfinden:
- Primärkreislauf: Hier wird der Reaktordruckbehälter ständig mit Kühlwasser versorgt. Dadurch kann die Wärme der Kernspaltung immer wieder vom Wasser aufgenommen werden.
- Sekundärkreislauf: Im Dampferzeuger treffen sich der Sekundärkreislauf und der Primärkreislauf. Hier wird der Dampf erzeugt und durchströmt die Turbinen. Dabei nicht mehr nutzbarer Dampf wird erneut in Kühlwasser umgewandelt und damit wieder für die Wärmeaufnahme nutzbar gemacht.
- Kühlkreislauf: Im Kondensator treffen sich der Kühlkreislauf und der Sekundärkreislauf. Das erwärmte Wasser wird hier mit Hilfe des Kondensators und des Kühlturms gekühlt.
Merke: Bei einem Kraftwerk mit Siedewasserreaktor entfällt der Primärkreislauf. Dort gibt es keinen zusätzlichen Dampferzeuger.
Wärmeerzeugung
Das Zentrum eines Kernkraftwerks ist der Kernreaktor. Er befindet sich in dem Reaktordruckbehälter. Dort gibt es die hitzebeständigen und neutronendurchlässigen Brennstäbe, die kleine Tabletten mit Uran (auch Pellets genannt) beinhalten. Sie sind wichtig für die Kernspaltung, bei der Wärme entsteht:
- Die Brennstäbe werden mit Neutronen (elektrisch neutrale Bausteine des Atomkerns) beschossen.
- Der Atomkern von Uran-235 (nur dieses Uran-Isotop ist spaltbar) fängt dadurch ein zusätzliches Neutron ein. Der Kern wird instabil und bricht auseinander.
- Es entstehen Spaltprodukte in Form von zwei bis drei kleineren Atomkernen, zwei bis drei Neutronen und Energie.
- Durch die Kernspaltung werden die Spaltprodukte schnell weggeschossen. Sie müssen danach stark abgebremst werden. Dafür sorgt das Kühlwasser, welches du auch als Moderator oder als Bremsmittel bezeichnest.
- Beim Abbremsen der Spaltprodukte entsteht dann die Wärme, die vom Kühlwasser aufgenommen wird. Aus der Bewegungsenergie der Spaltprodukte wird also Wärmeenergie.
- Durch das erhitzte Wasser kann wiederum Wasserdampf entstehen. Er treibt dann die Turbinen im konventionellen Teil des Kernkraftwerks an.
Kontrollierte Kettenreaktion
Die bei der Kernspaltung entstehenden Neutronen können wieder auf weitere Uran-235-Atome treffen. In einer Kettenreaktion werden dann immer wieder Atomkerne gespalten und neue Neutronen entstehen.
Allerdings können nur langsame Neutronen eine Spaltung auslösen. Deswegen spielt das Wasser auch für die Kettenreaktion eine wesentliche Rolle. Es bremst die Neutronen und hält die Kettenreaktion damit aufrecht.
Merke: Fehlt das Wasser, bleiben die Neutronen zu schnell und können keine weiteren Kernspaltungen bewirken. Die Kettenreaktion ist unterbrochen.
Die Kettenreaktion kann zudem kontrolliert gesteuert werden: Wenn der Reaktor im Normalbetrieb läuft, löst nach jeder Spaltung genau ein Neutron wieder eine neue Spaltung aus. Die überzähligen Neutronen werden von anderen Atomen eingefangen oder verlassen den Kernbrennstoff. Das funktioniert mit den Steuerstäben. Sie nehmen (absorbieren) dann die freien Neutronen auf.
Du kannst dir also folgende Bedingungen für eine kontrollierte Kernspaltung merken:
- Es muss eine ausreichende Menge spaltbares Material vorhanden sein.
- Neutronen müssen die passende Geschwindigkeit haben.
- Die Anzahl der Neutronen muss reguliert werden.
Du willst mehr über die Kernspaltung und deren Kernreaktion wissen? Dann schau dir hier unser Video zur Kernspaltung an!
Stromproduktion
Das Zentrum der Stromerzeugung befindet sich im Maschinenhaus. Dort stehen die Dampfturbinen und die Generatoren.
Der heiße Dampf aus dem Reaktor treibt die Turbinen an. Die Turbinenschaufeln werden in Bewegung versetzt und die Turbinenwelle zum Drehen gebracht. Dadurch wird der Generator angetrieben, der die Bewegungsenergie in Strom umwandelt.
Der Strom wird dann über den Transformator auf unterschiedliche Spannungsebenen umgewandelt.
Energieumwandlung Kernkraftwerk
Um die Nutzung und Umwandlung von Energie in einem Kernkraftwerk grafisch darzustellen, kannst du ein sogenanntes Energieflussdiagramm verwenden.
Im Kernkraftwerk laufen grob fünf wichtige Energieumwandlungen ab:
- Durch die Spaltung des Urans wird die chemische Energie auf die Spaltprodukte übertragen. Sie besitzen nun eine hohe Bewegungsenergie. Ein geringer Teil radioaktiver Strahlung entweicht.
- Im Wasser des Reaktors werden die Spaltprodukte abgebremst, wodurch sich das Wasser erwärmt. An die Umgebung wird ebenfalls Wärme abgegeben.
- Im Dampferzeuger (des Druckwasserreaktors) wird die thermische Energie des Wassers vom Primärkreislauf in thermische Energie des Wasserdampfes im Sekundärkreislauf gewandelt. Auch hierbei wird die Umgebung erwärmt.
- In der Dampfturbine wird die Wärmeenergie des heißen Dampfes in Bewegungsenergie der Turbinenschaufeln gewandelt. Ein großer Teil der Restwärme wird vom Kühlwasser aufgenommen und abgeführt.
- Im Generator wird die Bewegungsenergie der Turbinenschaufeln in elektrische Energie umgewandelt. Hier entstehen kleinere Reibungsverluste.
Der Wirkungsgrad beläuft sich letztendlich auf 30 bis 35 Prozent. Das bedeutet, dass nur ungefähr 35% der Energie, die bei der Kernspaltung entsteht, als Strom genutzt werden kann.
Vorteile
- Geringe Umweltbelastung bei normalem Betrieb. Das liegt vor allem daran, dass keine klassische Verbrennung stattfindet.
- Fossile Brennstoffe (Kohle, Erdöl und Erdgas) müssen nicht verbrannt werden. Somit entstehen kaum Luftschadstoffe oder Treibhausgase.
- Mit kleinen Mengen Kernbrennstoff kann viel elektrische Energie gewonnen werden (etwa 1 kg Natururan hat einen Energiegehalt wie 18.900 kg Steinkohle).
Nachteile
- Entstehung radioaktiver Abfälle, die über Jahrzehnte hinweg sicher gelagert werden müssen.
- Es besteht die Gefahr, dass radioaktive Stoffe freigesetzt werden und dadurch ganze Gebiete strahlenverseucht und damit unbewohnbar werden. Ursache können menschliches Versagen oder auch technische Pannen sein. (Im ukrainischen Kernkraftwerk Tschernobyl kam es 1986 zu einem solchen menschlichen Versagen. Der Kernreaktor explodierte und viele Tonnen radioaktives Material gelangten in die Atmosphäre. Dadurch wurde selbst in Deutschland eine erhöhte Radioaktivität gemessen.)
Kohlekraftwerk
Ein Kohlekraftwerk ist ebenfalls eine Anlage zur Stromerzeugung. Vor allem den konventionellen Teil findest du auch beim Kohlekraftwerk wieder. Hierbei kommt die Energie aus der Verbrennung von Kohle.
Wie das funktioniert und was dabei zu beachten ist, erklären wir dir im Beitrag .
