Geschichte, Funktionsweise und Zukunft der Kernenergie

KERNENERGIE

1.1 WAS IST KERNENERGIE ?
1.2 GESCHICHTE DER KERNENERGIE

2. DIE KERNSPALTUNG

3. TECHNISCHE BEGRIFFE
3.1 DER MODERATOR
3.2 DIE KRITISCHE MASSE
3.3 DER DAMPFBLASSENKOEFFIZIENT (DBK) / INHÄRENTERE STABILITÄT

4. DER REAKTOR
4.1 DER DRUCKWASSERREAKTOR (DWR)

5 VOR- UND NACHTEILE DES REAKTORTYPEN DWR

6. VORTEILE DER KERNENERGIE

7 NACHTEILE

8. SCHLUSSFOLGERUNG

9. AUSSTIEG AUS DER ATOMENERGIE

QUELLENANGABE

1.1 Was ist Kernenergie ?

Kernenergie ist die Energie, die bei der Spaltung von Atomkernen freigesetzt wird. Die Energiemengen, die sich aus Kernumwandlungen gewinnen lassen, übertreffen bei weitem die Mengen, die mit Hilfe anderer konventioneller Verfahren erhältlich sind. Prinzipiell wird Kernenergie beim radioaktiven Zerfall, bei der Kernspaltung frei. Die Freisetzung äußert sich dabei in Form von schnell bewegten Teilchen (z. B. Alphateilchen) und in Form von Strahlung (z. B. Gammastrahlung). Bei diesem Vorgang entsteht Wärme, die man dann zur Erzeugung von Wasserdampf nutzt.

1.2 Geschichte der Kernenergie

Alles begann damit, dass den Physikern Hahn und Strassmann 1938 die erste Kernspaltung gelang. Darauf wusste man, dass es technisch möglich wäre, sowohl Atomreaktoren als auch Bomben zu bauen. 1942 gelang dem italienischen Physiker Enrico Fermi die Auslösung der ersten kontrollierten nuklearen Kettenreaktion

Für den Bau der Atombombe 1944(USA) wurde das benötigte Plutonium in Kernreaktoren gewonnen, die entstandene Wärme wurde aber nicht genutzt, da dies nicht das Ziel war.

In Deutschland wurde 1961 in Karlsruhe der erste Versuchsreaktor in Eigenbau in Betrieb genommen.

Seit 1966 sind in der BRD Kernkraftwerke zur Stromerzeugung in Betrieb.

Der Ausbau der Kernenergie auf den heutigen Stand erfolgte vor allem in den siebziger Jahren. Kernenergie sollte langfristig mit heimischer Kohle eine sichere Stromversorgung gewährleisten.

Zurzeit sind in der BRD 19 Reaktoren in Betrieb, die rund 1/3 des Gesamtstrombedarfes decken.

2. Die Kernspaltung

Der Spaltvorgang, der durch die Aufnahme eines langsamen Neutrons in das Uran 235-Atom in Gang gesetzt wird, setzt durchschnittlich 2,5 Neutronen aus dem gespaltenen Kern frei. Die so freigesetzte Neutronen lösen Moderiert(abgebremst) unverzüglich die Spaltung weiterer Atome aus. Dadurch werden vier oder mehr zusätzliche Neutronen frei, und es beginnt eine sich selbst erhaltene Folge von Kernspaltungen, eine Kettenreaktion, die ständig Kernenergie freisetzt.

Die beschrieben Kettenreaktion ist nur unter bestimmten Vorraussetzungen selbsterhaltend und kontrolliert:

- Ausreichend Masse an spaltbarem Material (kritische Masse)
- Stoff zur Abbremsung der Neutronen (Moderator)
- Vorrichtung zum Einfangen von Neutronen (Steuer- bzw. Regelstäbe)
- Medium zur Wärmeabführung
- Barrieren für den Strahlenschutz und die Rückhaltung Radioaktiver Stoffe

Durch Veränderung der aufgezählten Bedingungen und verschiedener bautechnischer Anwendungen ergeben sich verschiedene Reaktortypen die sich im Verwendungszweck , also auch in den Vor- und Nachteilen unterscheiden.

3. Technische Begriffe

Um die später folgende Erklärung von einem Reaktortyp in seiner Funktionsweise zu verstehen, müssen mehrere Begriffe erläutert werden.

3.1 Der Moderator

Als Moderator bezeichnet man den Stoff der zur Abbremsung der Neutronen erforderlich ist. Neutronen sollen möglichst schnell durch wenig Stöße ihre Energie verlieren und somit abgebremst werden.

Diese Bedingung ist dann erfüllt, wenn die Masse der Atomkerne des Moderators etwa so groß ist wie die Masse des Neutrons.

Verwendet wird:

- Wasserstoff
- Kohlenstoff (Graphit)

3.2 Die kritische Masse

Die für die Einleitung einer Kettenreaktion erforderlichen Mindestmasse an spaltbarem, reinem Uran-235 beträgt etwa 50kg.

Diese Mindestmasse wird als „kritische Masse“ bezeichnet.

3.3 Der Dampfblassenkoeffizient (DBK) / inhärentere Stabilität

Wenn die Anzahl der Kettenreaktionen und damit die Leistungen, entstehen im Kühlmittel Wasser mehr Dampfblasen. Da Wasserdampf pro Volumen weniger Molekühle enthält als Wasser, werden weniger Neutronen absorbiert. DBK negativ

Wenn Moderator und Kühlmittel Wasser sind, würde bei einem totalen Kühlmittelverlust die Kettenreaktion von selbst zum Erliegen kommen. inhärentere Stabilität

Am Moderator Graphit kann nun bei höherer Leistung einen höhere Anzahl von Neutronen abgebremst werden, so das auch die Anzahl der Kernspaltungen steigt. Durch einen erhöhte Anzahl von Kernspaltungen steigt dann aber auch die Leistung an, die zu noch mehr Dampfblassen führt. ..usw... DBK positiv

4. Der Reaktor

Mit dem Reaktor lassen sich Spaltungskettenreaktion einleiten, aufrechterhalten und steuern. Hauptbestandteil ist eine Spaltzone (Teil des Kernreaktors, in dem die Spaltungskettenreaktion abläuft) mit spaltbarem Kernbrennstoff.

Als Kernbrennstoff werden Verbindungen aus Uran oder Plutonium (UO2, PuO2) verwendet. Da in der Natur Uran nur aus 0,7% geeignetem U-235 und aus 99,3% ungeeigneten U-238 Atomen besteht, muss U-235auf 2% bis 4% angereichert werden, um eine Kettenreaktion zu gewährleisten. Das angereicherte Uran U-235 wird gasdicht in die Brennstäbe eingeschweißt.

Neben den Brennstäben, befindet sich in der Spaltzone ein Kühlmittel, das zur Wärmeableitung in einem Kernreaktor dient. Übliche Kühlmittel sind leichtes und schweres Wasser, Kohlendioxid, Helium und flüssiges Natrium.

Weiterhin hat ein Reaktor im allgemeinen einen Moderator (z.B. H2O, C), eine Abschirmung und Regelvorrichtungen (besteht aus Regelstäben mit neutronenabsorbierendem Material (Cadmium, Bor etc.))

Die Spaltzone umschließt ein Reflektor, der Neutronen in die Spaltzone zurück reflektiert, die sonst entweichen würden. .Die reflektierten Neutronen können wiederum Spaltungen auslösen und so die Neutronenbilanz des Reaktors verbessern

Den Reaktor umschließt ein Druckbehälter in Form eines dickwandigen zylindrischen Stahlbehälters. Er ist aus einem speziellen Feinkornstahl gefertigt, der sich gut schweißen lässt und eine geringe Versprödung unter Neutronenbestrahlung hat. Auf der Innenseite ist der Druckbehälter mit einer Schicht zum Schutz gegen Korrosion versehen. Er ist auf einen Druck von ca. 17,5 MPa (175 bar) und eine Temperatur von ca. 350 °C ausgelegt.

Reaktoren, bei denen die Kettenreaktion durch thermische Neutronen aufrecht erhalten wird, werden thermische Reaktoren genannt.

4.1 Der Druckwasserreaktor (DWR)

Der DWR ist ein Leistungsreaktor, bei dem die Wärme aus der Spaltzone in einem Primärkreislauf durch Wasser abgeführt wird, das unter hohem Druck (etwa 160 bar) steht, damit eine hohe Temperatur erreicht und ein Sieden in der Spaltzone vermieden wird. Das Kühlwasser gibt seine Wärme in einem Dampferzeuger an den Sekundärkreislauf ab. Der durch die Wärme der Primärkreislaufes erzeugte Dampfdruck, der in Folge des geringeren Drucks im Sekundärkreislauf entsteht, durchläuft wie beim Siedewasser-Reaktor die Turbinen und den Kondensator.

5. Vor- und Nachteile des Reaktortypen DWR

- Der wohl wichtigste Aspekt der für diesen Reaktortyp spricht, ist seine inhärentere Stabilität, da Wasser sowohl als Moderator als auch als Kühlmittel eingesetzt wird.
- Durch einen Sekundärkreislauf wird gewährleistet, dass radioaktive Stoffe im Reaktorkühlmittel des Primärkreislaufes auf diesen beschränkt bleiben und nicht in die Turbinen und den Kondensator gelangen.
- Dem sind die wirtschaftlichen Nachteile der hohen Anlagen und Betrieskosten gegenüberzustellen. Zum einen werden diese durch die komplexe Anlagentechnik verursacht, die dieses Verfahren benötigt.
- Ein weiterer Kostenfaktor ist die verfahrenstechnische notwendige Verwendung von 3-5% Angereichertem U-235 und dessen Wiederaufbereitung.

6. Vorteile der Kernenergie:

- Kernkraftwerke sind ganzjährig nutzbar. Das heißt sie sind nicht etwa von Wetter oder Klima abhängig.
- Kernkraft vermeidet gegenüber fossilen Brennstoffen Schwefeldioxid, Stickoxid, Staub und das Kohlendioxid, die entscheidend an der Beeinflussung des globalen Klimas beteiligt sind (Treibhauseffekt).
- Die Kosten für den Kernbrennstoff sind verhältnismäßig niedrig. Der in Kernkraftwerken erzeugte Strom ist daher trotz der hohen Investitionen für die Anlagetechnik preisgünstig. Die niedrigen Brennstoffkosten lassen sich aus dem extrem hohen Energiegehalts des eingesetzten Urandioxids erklären
- Die Versorgungssicherheit hinsichtlich des Kernbrennstoffs ist hoch. Uranerz als Rohstoff ist aus verschiedenen Ländern und Kontinenten lieferbar. Das heißt, dass man von keiner bestimmten Lieferregion abhängig ist. → Es entsteht keine wirtschaftliche bzw. politische Abhängigkeit.

7. Nachteile:

- Auch beim Normalbetrieb können radioaktive Stoffe in die Umwelt gelangen. Im Prinzip besteht in jedem Stadium vom Uranerzbergbau über die Urananreicherung, die Brennelementherstellung, im Kernkraftwerk, bei der Wiederaufbereitung bis hin zur Endlagerung die Möglichkeit, daß radioaktives Material in die Umwelt gelangt. Falls radioaktives Material in die Umwelt austritt, so kann dies verheerende Folgen für Natur und Mensch haben. Radioaktivität baut sich nur sehr langsam ab und somit betrifft ein radioaktiver Unfall wie etwa 1986 Tschernobyl nicht nur eine Generation sondern mehrere.
- Sabotagen, terroristische Anschläge und kriegerische Angriffe steigern das Risiko einer Katastrophe.
- Das beim Betrieb von Kernkraftwerken anfallende Uran 235 und Plutonium 239 kann zur Herstellung von Kernwaffen verwendet werden.

Eines der größten Probleme der Kernenergie ist die Endlagerung des radioaktiven Materials. Da radioaktive Abfälle, wie Jod-129 oder Technetium-99, eine sehr lange Halbwertszeit (16 Mio. und 214 000 Jahre) haben, bleiben diese Abfallprodukte für Lebewesen Tausende Jahre lang gefährlich. Der wichtigste Gesichtspunkt ist dabei nicht so sehr die derzeitige Gefahr, sondern die Gefahr für zukünftige Generationen. Die Technologie zur Vermeidung gegenwärtiger Gefahren ist relativ sicher. Die derzeitig favorisierte Lösung ist eine Umwandlung in stabile Verbindungen, die in Keramik oder Glas eingeschlossen und anschließend in rostfreie Behälter aus rostfreiem Stahl verpackt werden. Für die endgültige Endlagerung sucht man stabile geologische Formationen. Das Problem ist nur, dass es keinen Ort der Erde gibt, an dem die Erdkruste absolute Stabilität vorweist. Es gäbe eine Alternative den radioaktiven Müll mit Hilfe von Raketen auf die Sonne zu schießen, jedoch ist diese Methode sehr teuer zudem sind Raketen mit Risiko verbunden. Das heißt, dass eine Fehlfunktion einer Rakete eine schreckliche Katastrophe hervorrufen würde

- Zur Deckung des wachsenden Bedarfs an Energieleistungen in den Entwicklungsländern ist die Kernenergie eine nicht finanzierbare und sicherheitstechnisch nicht vertretbare Option. (Quelle: Die Kosten der Atomenergie in Westeuropa, Öko-Institut)
- Kernkraftwerke verhindern wirkungsvollen Klimaschutz. Ein Kernkraftwerk hat hohe Fixkosten und geringe Arbeitskosten. Das motiviert die Betreiber betriebswirtschaftlich zur maximalen Auslastung. Es lohnt sich deshalb für neue Absatzmärkte aggressiv zu kämpfen bzw. bestehende hartnäckig zu verteidigen. Genau das erschwert aber die Ausschöpfung von Energiesparpotentialen bei den Verbrauchern sowie den Marktzutritt von effizienten und umweltfreundlichen neuen Energietechnologien.
- Obwohl bei anderen Kraftwerken vor allem die Stromeinsparung und unter günstigen Rahmenbedingungen auch die Kraft-Wärme-Kopplung kostengünstiger als die Vollkosten eines Kernkraftwerkes sind, können sie nicht gegen deren scheinbar niedrigen Betriebskosten konkurrieren.
- Genauso wie die Tatsache, daß zivile und militärische Nutzung der Atomenergie untrennbar miteinander verbunden sind
- Hinzuzufügen ist die ungenügende Notfallpläne und die Unmöglichkeit, in einem so dichtbesiedeltem Land wie die BRD bei einem GAU wirkungsvoll zu evakuieren.

8. Schlussfolgerung :

Nach derzeitigem Stand ist die Kernenergie eine nicht zu vertretbare Energieform. Obwohl die wirtschaftlichen Aspekte der Kernenergie durchaus interessant sind und die Kernenergie oftmals als eine “umweltfreundliche” Energieform dargestellt wird, so stellen die Risiken, die man beim Betrieb eines Kernkraftwerks eingeht, das Problem der Endlagerung und die Nutzung von Kernkraftwerken zur Herstellung von Kernwaffen, die „Vorteile“ dennoch in den Schatten.

9. Ausstieg aus der Atomenergie:

Der Ausstieg aus der Kernenergie sollte nicht nach einem Hauruck Verfahren bewerkstelligt, sondern es wurde ein Konsens mit der Atomwirtschaft gesucht. Die Bundesregierung bot für die bestehenden Atomkraftwerke eine Gesamtbetriebszeit von 30 Jahren an. Die Un- ternehmensvertreter wiederum beharren auf Laufzeiten von 35 Jahren.

Nach eineinhalbjährigen Verhandlungen haben sich Bundesregierung und Stromversorger auf den Ausstieg aus der Atomenergie verständigt. Die 19 noch laufenden Kernkraftwerke dürfen noch eine Reststrommenge von 2600 Terrawattstunden (2600 Milliarden Kilowattstunden) produzieren. Dies entspricht einer Regellaufzeit von 32 Jahren.

Bundeskanzler Gerhard Schröder hat den gefundenen Konsens zum Atomausstieg als die historische Lösung eines lange wärenden gesellschaftlichen Konfliktes bezeichnet. Der Bundeskanzler sagte auf einer Pressekonferenz zusammen mit den Bundesministern Müller und Trittin in Berlin, die Nutzung der Kernenergie habe zu heftigen gesellschaftlichen Auseinandersetzungen geführt. Umso wichtiger sei in diesem Zusammenhang der geordnete Ausstieg. Schröder sagte, der Konsens sei ein hoch rationaler, fairer und historischer Kompromiß. Er sprach von einer wichtigen gesellschaftspolitischen Entscheidung zu einem Thema, das viel Unruhe in der Vergangenheit erzeugt habe.

Der Bundeskanzler betonte, dass das Ergebnis Planungssicherheit für Unternehmen und Politik bedeute. Fristen für die Abschaltung der einzelnen Kernkraftwerke enthält die Vereinbarung zwischen den Energiekonzernen und der Regierung nicht.

Veba - Chef Ulrich Hartmann, ein Vertreter der Kernenergieversorger, sprach von einem fairen Kompromiss, der beide Seiten nicht ganz glücklich mache. Die Energieversorger bedauerten, dass der Betrieb der Kernkraftwerke beendet werden solle. Man akzeptiere aber das Primat der Politik.

Für jedes Kraftwerk wird festgelegt, welche Strommenge es rückwirkend ab dem 1. Januar 2000 bis zu seiner Stilllegung noch produzieren darf. Als Berechnungsgrundlage dient eine Regellaufzeit von 32 Kalenderjahren ab Inbetriebnahme.

Spätestens ab 1. Juli 2005 soll auf Transporte zur Wiederaufarbeitung von Atommüll im Ausland verzichtet werden. Statt dessen sollen in der Nähe der Atomkraftwerke binnen fünf Jahren neue Zwischenlager für Atommüll errichtet werden. Die Erkundung des Salzstocks Gorleben als mögliches Atommüll-Endlager wird für drei, höchstens zehn Jahre ausgesetzt, um alternative Standorte für ein Endlager zu prüfen. Bis zur Inbetriebnahme der Zwischenlager dürfen die Kraftwerksbetreiber Atommüll in die regionalen Zwischenlager Gorleben und Ahaus sowie zur Wiederaufarbeitung ins Ausland transportieren (Homepage der SPD: Atomkonsens zwischen Regierung und Stromkonzernen)

Quellenangabe:

- Broschüre „Strom aus Neckarwestheim“
- Martin Volkmer „Kernenergie Basiswissen“
- Die Zeit Nr24 „Endspiel um die Kernkraft“ 08.06.2000
- Clemens Schmutz „Sachanalyse Kernenergie“
- Mit freundlicher Unterstützung von Greenpeace und Öko-Institut e.V.
- Teilnahme an Führung durch GKN am 01.03.01
- RF,Kernkraftwerke
- A.Wünschmann „Was ist nukleare Energie“

Internet:

1. bmu.de
2. xipolis.net
3. gw.eduh:at/thema/energie/content/cont 2htm
4. pro-atomenergie.de/physik.html
5. Internet allgemein