Atomenergie & Japan – Teil 1: Geschichte und Funktionweise von Kernkraftwerken

„Verstehen um zu Urteilen“ lautet die Devise unseres dreiteiligen Artikels, der bis zum Ende der Woche das umstrittene Thema Kernkraft in Japan analysiert. Nahezu ein Jahr ist nach der Katastrophe des 11. März 2011 vergangen. Ein Jahr, um Ereignisse und Fakten zu ordnen, Pläne zu hinterfragen und Bezug auf die Gegenwart zu nehmen. Doch um diese Schritte zu unternehmen, wollen wir die Geschehnisse rekapitulieren und ein gemeinsames Verständnis, sowie die Grundlage für weitere Diskussionen erzeugen. Der erste Teil dieses Artikels bildet daher die Grundlage: Was ist Kernkraft und worin bestehen die Risiken?

Das Atomkraftwerk bei Grohnde in Niedersachsen. Zu sehen sind die beiden typischen Merkmale eines DRW: Die beiden Kühltürme und der kuppelartige Bau, der den Reaktor birgt. (Copyright © Heinz-Josef Lücking, Lizenz: CC BY-SA 3.0)

Geschichte und Nutznießer der Kernkraft
Kernenergie – ein Begriff, der mit dem Atomunfall von Tschernobyl (1986) und spätestens seit der Katastrophe von Fukushima (2011) in unserer Gesellschaft heftig diskutiert wird. Risiko- und Nutzenanalysen von Experten stehen im klaren Kontrast zu den Befürchtungen potentieller Opfer, die sich im Angesicht dieser hoch riskanten Technologie nicht sicher glauben. Die Wahrscheinlichkeit eines Störfalls ist prozentual so gering, dass er gerne vernachlässigt wird. So minimal, das Akteure aus Wirtschaft und Politik das geringe Schadenspotential nur allzu gern als Vorteil verkaufen. Doch setzt der Störfall fern jeglicher Analysen und Vorausberechnungen ein, ist die Katastrophe vorprogrammiert.

Der erste Atommeiler zur Erzeugung elektrischer Energie nahm 1954 mit dem Kernkraftwerk Obninsk nahe Moskau seinen Betrieb auf. Darauf sprossen global bis hin zu den 1960ern weitere Kernkraftwerke aus dem Boden, um in das lokale Stromnetzwerk eingespeist zu werden und den Hunger der Länder nach Energie zu befriedigen. Der Ölschock von 1973 – die künstliche Teuerung des Ölpreises – übernahm die Rolle des Katalysators zum Bau weiterer Kraftwerke, um die Energieabhängigkeit der Nationen so weit wie möglich zu drosseln. Ergebnis dieses Kraftwerk-Booms war die beträchtliche Anzahl von weltweit mehr als 500 Kernkraftwerken, von denen heute laut Statistiken der Internationalen Atomenergie-Organisation (IAEO) noch über 430 in Betrieb sind. Davon sind die USA gegenwärtig die größten Nutznießer mit über 104 Kernreaktoren, während in Europa Frankreich die Spitze aktuell genutzter Kernkraftwerke (58) erklimmt und Japan vor der Katastrophe bereits die Marke von 50 nutzbaren Kraftwerken erreicht hatte.

Grafische Übersicht der weltweit geplanten Nutzung von Atomkraftwerken (2009)

Selbstverständlich finden sich Vor- und Nachteile für diese Technologie, denn ohne sie wäre eine Diskussion über Jahrzehnte gar nicht möglich. Der Leitgedanke, der Wirtschaft und Politik Hand in Hand gehen lässt, ist die rentable, kostengünstige Bereitstellung großer Massen elektrischer Energie auf verhältnismäßig kleinem Raum. All dies sind Fakten, die jedem Energiekonzern das Herz höher schlagen lässt, wenn es um die zukunftsträchtige Energieversorgung einer Nation geht. Dass ein Großteil dieser Pro-Argumente einfach widerlegt werden kann und oftmals von Beschönigungen angetrieben werden, versuchen Atomkraft-Gegner, die sich dem Umweltschutz und der Sicherheit vor katastrophalen Schäden verschrieben haben, zu beweisen. Unser Ziel soll es jedoch nicht sein, das Für- und Wider zu bewerten, sondern für die nötige Aufklärung zu sorgen. All unsere Leser, die sich mit dem Gegenargumenten näher auseinandersetzen wollen, verweisen wir daher auf das Dokument „Risiko Atomkraft“ – herausgegeben von keinem geringerem als der NGO Greenpeace.

Wirkungsweise und Arten von Kernreaktoren
Leitgedanke hinter jedem Kernkraftwerk ist die Nutzung des kontrollierten, radioaktiven Zerfalls von Atomen zur Umwandlung in thermische Energie, die wiederum durch das Zusammenspiel von Dampfturbinen und Generatoren in elektrische Energie umgewandelt wird. Hierzu werden Atomkerne gezielt durch die Hinzuführung von Neutronen angeregt, die zur Spaltung des Kerns führen. Diese Spaltung setzt neben radioaktiven Spaltprodukten enorme Energiemengen frei, die man sich durch die Kernreaktor-Technologie zunutze machen möchte. In großem Maßstab finden hierfür die sogenannten Brennstäbe Verwendung. Gefüllt mit Uran – einem Isotop mit für diese Reaktion günstigen Ausgangsbedingungen -, regen sich die einzelnen Brennstäbe untereinander durch deren Wechselwirkung und den Austausch von Neutronen an. Die erzeugte Wärmeenergie erhitzt das die Brennstäbe umgebende Wasser, das durch die hohen Temperaturen verdampft. Der Wasserdampf treibt Dampfturbinen an, die an Generatoren angeschlossen sind und der Erzeugung von Strom dienen. Das Wasser übernimmt dabei nicht nur die Rolle der Energieübertragung, sondern sorgt gleichermaßen für die nötige Kühlung des Systems.

Grafische Übersicht eines Siedewasserreaktors. (Copyright © Robert Steffens, Lizenz: CC BY-SA 3.0)

Um trotz der automatischen Kühlung potentiellen Störfällen vorzubeugen, wurde in allen Kernkraftwerke eine Vielzahl von Sicherungsmaßnahmen integriert. Diese wirken direkt auf die Neutronenaktivität ein und versuchen sie einzudämmen, sodass die Wechselwirkung der Brennstäbe zum Erliegen kommt. Bekannte Mittel sind etwa das Hinzufügen von Borsäure in das Kühlwasser oder das automatische Einfahren der sogenannten Steuerstäbe zwischen die Brennstäbe. Das eigentliche Risiko besteht darin, dass trotz der Unterbrechung der Kettenreaktion die Brennstäbe weiterhin Energie und damit Wärme produzieren. Eine kontinuierliche Kühlung ist deshalb unverzichtbar. Die Anfälligkeit eines Kernreaktors erklärt sich daher, dass für eine unablässige Kühlung Energie bereitstehen muss, um die Pumpen des Kühlsystems anzutreiben. Setzt die Kühlung aus, erhitzen sich die Brennstäbe auf eine derart hohe Temperatur, dass die Kühlflüssigkeit verdampft, sich das radioaktive Material regelrecht durch die Außenwände frisst und in Kontakt mit der Systemumwelt kommt. Es entsteht eine Kernschmelze, dicht gefolgt von dem gefürchteten „größten anzunehmenden Unfall“ (GAU), der sich durch die Überschreitung der angenommenen Folgen zum Super-GAU entwickeln kann. Die Katastrophe ist vorprogrammiert.

Angesichts der verfügbaren Technologien von Atomkraftwerken unterscheidet man in Leicht- und Schwerwasserreaktoren, Graphitreaktoren, Brutreaktoren und diverse Sondertypen. Jede Art birgt seine eigenen Vor- und Nachteile im Risiko eines Störfalls und der effizienten Nutzung des Spaltmaterials. Da für unsere Betrachtung nur Leichtwasserreaktoren in Frage kommen und dieser Typ die Mehrheit heutiger Kernkraftwerke ausmacht, gehen wir auf die übrigen Reaktortypen nicht weiter ein. Eine Übersicht ist bei Wikipedia zu finden.

Eine Wasserdampfturbine in Originalgröße, wie sie im Kühlsystem von Kernreaktoren Verwendung findet. (Copyright © Wittkowsky, Lizenz: CC BY-SA 3.0)

Der Leichtwasserreaktor trägt seinen Namen durch die Nutzung von normalem, leichtem Wasser, das in das Kühlsystem des Reaktors eingespeist wird. Dies macht die Nutzung von angereichertem Uran zur Förderung der Kernspaltung notwendig. Hierzu zählen der Siedewasserreaktor (SWR), als auch der Druckwasserreaktor (DWR). Der DWR wird bei den heutigen in Betrieb stehenden Reaktoren am häufigsten verwendet. In Europa und besonders Deutschland und Frankreich wurde er fast ausschließlich gebaut, während Japan von der SWR-Technologie profitieren möchte.

Der wichtigste Unterschied beider Reaktortypen besteht in der Wirkungsweise des Kühlsystems. Während beim Siedewasserreaktor das Wasser zum Antreiben der Turbinen mit den Brennstäben in Kontakt kommt und unter anderem die Reinigung der Turbinen erschwert, verfügt der Druckwasserreaktor über mehrere Wasserkreisläufe. Das durch die Brennstäbe erhitzte Wasser sorgt für die Erhitzung eines zweiten Wasserkreislaufs, der für das Antreiben der Turbinen genutzt wird. Somit wird der Kreislauf des mit Spaltprodukten belasteten Wassers klein gehalten, ohne durch das gesamte System zu strömen.

Ein weiterer Nachteil der Siedewasserreaktoren ist der Verbau der Steuerstäbe. Diese sitzen technisch bedingt zumeist am Boden des Reaktors und müssen bei einem Störfall durch Energiezufuhr zwischen die Brennstäbe geschoben werden. Bei einem Druckwasserreaktor wurde das Problem auf die Weise gelöst, dass die Steuerstäbe während des normalen Betriebsablaufs elektronisch über den Brennstäben arretiert sind. Kommt es zu einem Ausfall der Energieversorgung, unterbricht der Stromkreis und die Steuerstäbe fallen automatisch zwischen die Brennstäbe. Eine Weiterentwicklung des DWR stellt der Europäische Druckwasserreaktor (EWR) dar. Dieser ähnelt dem gängigen DWR, wurde jedoch auf die Gefahr einer Kernschmelze hin mit zusätzlichen Sicherungsmaßnahmen wie der Integrierung einer Auffangwanne ausgestattet.

Die grafische Darstellung eines Druckwasserreaktors mit getrennten Wasserkreisläufen. (Copyright © San Jose, Lizenz: CC BY 3.0)

Mit dieser Erläuterung von Kernreaktoren hoffen wir, die nötige Basis geschaffen zu haben, um uns dem zweiten Teil unseres Artikels zu widmen: Ursache und Ablauf der Katastrophe von Fukushima Daiichi. Sollten Sie uns auf bestimmte Themen hinweisen wollen, bei unseren Ausführungen einen Fehler bemerkt oder gewisse Zusammenhänge näher erklärt haben, so stehen wir Ihnen unter fukushima247@googlemail.com gerne zur Verfügung. Alternativ können Sie auch ein Kommentar hinterlassen.

Quellen: IEAE | physikblog.eu