Kernenergie

Unsere Welt, in der wir leben, hat die unangenehme Eigenschaft, dass wir für fast alles was wir tun Energie benötigen. Die Energie muss irgendwo herkommen. Fossile Brennstoffe sind Jahrmillionen alt und auf unserem Planeten endlich. Die Nachfrage nach fossilen Brennstoffen steigt stetig an. Zugleich produzieren sie aufgrund der Oxidationsprozesse Kohlendioxid (CO₂), das dann in die Atmosphäre entweicht und dort als Treibhausgas die Wärmestrahlung adsorbiert und remittiert. Der Klimawandel wird beschleunigt, die Temperaturen steigen, Pole und Gletscher schmelzen. Die Meere versauern, der Meeresspiegel steigt, die Wüsten breiten sich aus. Das vernichtet zusätzlich Fischbestände sowie Landflächen, die bisher als Wohnraum und Ackerflächen genutzt werden. Ein komplettes Verbrennen der fossilen Energieressourcen, die konservativ auf 5 Billionen Tonnen Kohlenstoff geschätzt werden, würde hingegen zu einem weltweiten Temperaturanstieg von ca. 6,4 bis 9,5 °C führen, was sehr starke negative Auswirkungen auf Ökosysteme, menschliche Gesundheit, Landwirtschaft, die Wirtschaft usw. hätte.

Ein Kernreaktor ist im Prinzip ein Heizkessel. Heißes Wärmeträgermedium wird in einem Wärmeübertrager abgekühlt und strömt wieder in den Reaktor in einem geschlossenen Kreislauf zurück, Abb. 2.1.

Eine geläufige und sinnvolle Methode der Reaktorklassifizierung beruht auf dem verwendeten Kühlmittel. Rund 80 % der Anfang 2003 in Betrieb befindlichen Reaktoren werden mit natürlichem Wasser gekühlt und moderiert. Von den Leichtwasserreaktoren existieren zwei Haupttypen – Druckwasserreaktoren (DWR), von denen es auch eine russische Variante gibt (WWER), und Siedewasserreaktoren (SWR). In der Mehrzahl der übrigen 20 % der Reaktoren erfolgt die Kühlung durch schweres Wasser oder Gas. Abb. 3.1 zeigt die Verbreitung der wichtigsten Typen kommerzieller Reaktoren weltweit.

Für das Reaktorcore können als Kühlmittel Wasser und organische Flüssigkeiten mit ähnlichen Eigenschaften wie Polyphenyle eingesetzt werden. Neben Flüssigkeiten finden auch Gase, wie Luft, Helium (He), Stickstoff (N₂), Kohlensäure (CO₂) u. a.Verwendung. Auch flüssige Metalle wie Natrium, Kalium, Blei, Bismutlegierungen wurden zur Kühlung eingesetzt. In der Auswahl der Kühlflüssigkeit spielt nicht nur die Wärmekapazität, sondern auch die Viskosität als Funktion von der Temperatur eine wichtige Rolle. Die kernphysikalischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur sind ebenfalls für den Einsatz als Kühlmittel von besonderer Bedeutung.

Der Aufbau eines jeden Reaktor-Cores ist trotz genau vorgegebener Spezifikation und Typ immer verschieden. Dies erfordert eine Anpassung der numerischen Berechnungen des Designs und eine genaue Definition der Randbedingungen für die Übergabe der Ergebnisse an eine andere Komponente. Die prinzipielle Auslegung des Reaktor-Cores soll an den Grundtypen von Leistungsreaktoren erläutert werden:

Zur Analyse des Wirkungsgrades von Kernkraftwerken ist es sinnvoll, zunächst den Clausius-Rankine-Prozess zu betrachten.

Wurde bisher die Auslegung, das Design und die Konstruktion von den verschiedenen Kernreaktortypen hinsichtlich Parametern wie Temperatur, Drücke, Kühlmittel, deren Durchsätze und Strömungsgeschwindigkeit usw. betrachtet, unter Welchen die Reaktornennleistung erzeugt wird; so geht es im Lastwechsel, um die sichere Einstellung der dafür notwendigen Parameter ohne das Durchlaufen gefährlicher Zustände. Besonders kommt es darauf an, jeden Lastwechsel möglichst schnell nachvollziehen zu können und dabei die gleichmäßige Verteilung der Wärmeerzeugung im Reaktorkern durch die naturgemäß lokal wirkenden Steuerstäbe möglichst wenig zu stören. Die Frage etwa, ob man Steuerstäbe gleichzeitig oder einzeln betätigt bzw. nach welchem System der Zusammenarbeit sie die vorkommenden Regelaufgaben lösen sollen, ist in diesem Zusammenhang von wesentlicher Bedeutung, wenn man ein Höchstmaß an Betriebszuverlässigkeit und Haltbarkeit der Reaktorkomponenten anstrebt.

Reaktorsicherheit basiert auf einer Reihe einander sich ergänzender und überschneidender Sicherheitskonzepte, Abb. 8.1.

Die aus der Kernspaltung entstehenden Spaltprodukte sind aufgrund ihres Neutronenüberschusses meist radioaktiv. Man kennt heute etwa 200 verschiedene Spalt-Radionuklide, die sich auf 35 verschiedene Elemente beziehen (von Zink mit der Kernladungszahl 30 bis zum Terbium mit der Kernladungszahl 65). Hier einige Beispiele:

Die Entwicklung von Kernreaktoren umfasst verschiedene Generationen, die zeigen, wie sich die Kerntechnik entwickelte. Zur Generation I gehören die ersten experimentellen Reaktoren der 1950er- und 1960er-Jahre. Ab Generation II gelang es etwa Mitte der 1960er-Jahre, die Anlagen wirtschaftlich als Kraftwerke zu betreiben. Viele der heute in Betrieb befindlichen Anlagen gehören zu dieser zweiten Generation von Kernreaktoren; auch die havarierten Kraftwerke in Tschernobyl und Fukushima entstammten ihr. Die meisten der heute in Bau befindlichen Kernreaktoren werden als Anlagen der Generation III oder III+ bezeichnet. Generation III (EPR, siehe Abschn. 8.​3.​1.​3) beschreibt verbesserte fortschrittliche Leichtwasserreaktoren; Generation III+ basiert auf einem „evolutionären“ Sicherheitskonzept, das die Erkenntnisse aus den Stör- und Unfällen der letzten Jahrzehnte in die Nachrüstung bestehender Anlagen und den Bau neuer Reaktoren einfließen lässt.

Als Kernbrennstoffkreislauf bezeichnet man die Arbeitsschritte und Prozesse, die der Fertigung des Kernbrennstoffs und dessen Behandlung, bzw. Entsorgung nach dem Einsatz im Reaktor, dienen. Dementsprechend gibt es eine Versorgungs- und eine Entsorgungsseite des Brennstoffkreislaufs.

Die fossilen Brennstoffe Kohle, Erdöl und Erdgas, die Ablagerungen organischer Substanzen von Jahrhundertmillionen, heutzutage bei weitem die hauptsächlichste Quelle des globalen Energieverbrauchs, sind begrenzt und sind beim gegenwärtigen Verbrauch in 100 bis 200 Jahren erschöpft. Die fossilen Brennstoffe bilden aber auch die Basis chemischer Düngemittel und eine Vielzahl an Werkstoffen und Medikamenten. Mit dem Fortfall müssten die organischen Stoffe aus anorganischen synthetisiert werden.