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Kurz gesagt: In einem Atomkraftwerk werden Urankerne gespalten. Dabei entsteht Wärme, die Wasser zu Dampf macht; der Dampf treibt eine Turbine mit Generator an. Der Unterschied zum Kohlekraftwerk liegt allein in der Wärmequelle.
Strom entsteht nicht aus der Kernspaltung selbst. Sie liefert nur die Hitze.
Die Kernspaltung
Trifft ein langsames Neutron auf einen Kern von Uran-235, spaltet er sich in zwei kleinere Kerne. Dabei werden Energie und zwei bis drei neue Neutronen frei.
Diese Neutronen können weitere Kerne spalten – die Kettenreaktion. Damit sie stabil läuft, muss im Mittel genau eines der freigesetzten Neutronen eine neue Spaltung auslösen.
Natururan enthält nur etwa 0,7 Prozent Uran-235. Für den Reaktor wird es auf drei bis fünf Prozent angereichert und zu Pellets gepresst, die in Brennstäbe gefüllt werden.
Wie die Reaktion gesteuert wird
Steuerstäbe. Sie bestehen aus Material, das Neutronen schluckt, etwa Bor oder Cadmium. Werden sie eingefahren, sinkt die Leistung; ganz eingefahren stoppen sie die Kettenreaktion.
Moderator. Schnelle Neutronen spalten schlecht. Wasser bremst sie auf die passende Geschwindigkeit ab. Fällt das Wasser aus, kommt die Kettenreaktion in Leichtwasserreaktoren von selbst zum Erliegen.
Die Kreisläufe
Beim Druckwasserreaktor gibt es drei getrennte Kreisläufe. Im ersten zirkuliert Wasser unter hohem Druck durch den Reaktor – es wird heiß, aber nicht zu Dampf, und es ist radioaktiv belastet.
Im Dampferzeuger gibt es seine Wärme an den zweiten Kreislauf ab. Dort entsteht der Dampf für die Turbine. Der dritte Kreislauf kühlt den Dampf wieder zu Wasser – dafür steht das Kraftwerk am Fluss oder hat einen Kühlturm.
Die Trennung ist der Sicherheitsgedanke: Radioaktives Wasser bleibt im inneren Kreis.
Die Nachzerfallswärme
Auch nach dem Abschalten produziert der Reaktorkern weiter Wärme – anfangs mehrere Prozent der Nennleistung, aus dem Zerfall der Spaltprodukte. Sie muss über Tage abgeführt werden.
Genau daran scheiterte 2011 in Fukushima die Kühlung, nachdem der Tsunami die Notstromversorgung zerstört hatte.
Was mit dem Abfall passiert
Abgebrannte Brennelemente bleiben über Jahrtausende strahlend. Sie kühlen zunächst in Wasserbecken, danach in Castorbehältern in Zwischenlagern.
Ein Endlager für hochradioaktiven Abfall gibt es in Deutschland nicht. Die Suche nach einem Standort läuft in einem gesetzlich geregelten Verfahren.
Welche Reaktortypen es gibt
Weltweit verbreitet sind Druckwasser- und Siedewasserreaktoren, die beide Wasser als Kühlmittel und Moderator nutzen. Beim Druckwasserreaktor bleibt das Wasser im Reaktor flüssig und gibt die Wärme über einen zweiten Kreislauf ab. Beim Siedewasserreaktor entsteht der Dampf direkt im Reaktordruckbehälter.
Daneben gibt es schwerwassermoderierte und graphitmoderierte Bauarten sowie gasgekühlte Reaktoren. Sie unterscheiden sich in Brennstoff, Sicherheitskonzept und Betriebsverhalten. Historische Unfälle betrafen teils Bauarten, die heute nicht mehr gebaut werden.
Diskutiert werden zudem kleinere modulare Reaktoren, die in Serie gefertigt werden sollen. Bislang sind nur wenige Anlagen dieses Typs in Betrieb. Kosten und Zeitpläne sind Gegenstand fachlicher Auseinandersetzung.
Woher der Brennstoff kommt
Natururan enthält nur einen geringen Anteil des spaltbaren Isotops, weshalb es für die meisten Reaktoren angereichert werden muss. Die Anreicherung erfolgt in wenigen Anlagen weltweit und ist technisch aufwendig. Sie ist zugleich ein sicherheitspolitisch sensibles Thema.
Abgebaut wird Uran vor allem in wenigen Ländern, was Abhängigkeiten schafft. Der Bergbau selbst hat erhebliche Umweltfolgen, unter anderem durch radioaktive Rückstände. Diese Folgen werden in Ökobilanzen berücksichtigt.
Aus dem Erz wird über mehrere Schritte Brennstoff in Form von Pellets hergestellt, die in Brennstäbe gefüllt werden. Mehrere Stäbe bilden ein Brennelement. Ein Reaktor enthält davon mehrere Hundert.
Sicherheitssysteme
Anlagen sind nach dem Prinzip mehrfacher Barrieren aufgebaut: Brennstoffmatrix, Hüllrohr, Reaktordruckbehälter, Sicherheitsbehälter und Betongebäude. Jede Barriere soll unabhängig wirken. Dieses Konzept ist international Standard.
Hinzu kommen redundante Kühlsysteme, die mehrfach vorhanden und räumlich getrennt sind. Nach dem Unfall in Fukushima wurden weltweit Nachrüstungen gegen Ausfall der Stromversorgung vorgenommen. Auch Erdbeben- und Hochwasserannahmen wurden überprüft.
Betrieben werden Anlagen unter staatlicher Aufsicht mit regelmäßigen Prüfungen und Meldepflichten. Ereignisse werden nach einer internationalen Skala eingestuft. Die Meldungen sind öffentlich einsehbar.
Wie lange Abfall strahlt
Hochradioaktiver Abfall macht dem Volumen nach nur einen kleinen Teil aus, enthält aber den größten Teil der Aktivität. Er muss über sehr lange Zeiträume sicher eingeschlossen werden, weil einige Bestandteile sehr lange Halbwertszeiten haben. Als Bezugsgröße werden häufig eine Million Jahre genannt.
Schwach- und mittelradioaktive Abfälle entstehen in deutlich größerer Menge, etwa aus Betrieb und Rückbau. Für sie gelten eigene Entsorgungswege. In Deutschland ist dafür ein eigenes Endlager vorgesehen.
Zwischengelagert wird hochradioaktiver Abfall derzeit an mehreren Standorten in Behältern, die für Jahrzehnte ausgelegt sind. Ein Endlager ist in Deutschland noch nicht bestimmt. Das Auswahlverfahren läuft nach einem gesetzlich geregelten Ablauf.
Rückbau und Kosten
Der Rückbau eines Kraftwerks dauert typischerweise ein bis zwei Jahrzehnte und erfolgt in genehmigten Schritten. Zunächst werden Brennelemente entfernt, danach kontaminierte Anlagenteile zerlegt. Am Ende steht die Freigabe des Geländes.
Die Kosten dafür sind erheblich und werden aus Rückstellungen der Betreiber getragen. In Deutschland wurde ein Fonds eingerichtet, in den Betreiber für Zwischen- und Endlagerung eingezahlt haben. Die Verantwortung für den Rückbau blieb bei den Unternehmen.
Ob die vorgesehenen Mittel ausreichen, wird regelmäßig geprüft und öffentlich diskutiert. Erfahrungen aus anderen Ländern zeigen häufig Kostensteigerungen. Diese Berichte sind zugänglich.
Der deutsche Ausstieg
Deutschland hat den Ausstieg aus der Kernenergie mehrfach beschlossen und zuletzt im April 2023 die letzten Anlagen abgeschaltet. Der Beschluss wurde nach dem Unfall in Fukushima 2011 gefasst und später kurzzeitig gestreckt. Die rechtliche Grundlage ist das Atomgesetz.
Über eine Rückkehr wird politisch diskutiert, wobei technische, rechtliche und wirtschaftliche Fragen offen sind. Abgeschaltete Anlagen befinden sich im Rückbau, was eine Wiederinbetriebnahme erschwert. Gutachten dazu kommen zu unterschiedlichen Ergebnissen.
International verläuft die Entwicklung uneinheitlich: Einige Staaten bauen aus, andere steigen aus. Zahlen zu Anlagen und Bauvorhaben veröffentlicht die Internationale Atomenergie-Organisation. Sie sind frei zugänglich.
Häufige Fragen
Sind in Deutschland noch Atomkraftwerke am Netz?
Nein. Die letzten drei Anlagen wurden im April 2023 abgeschaltet.
Kann ein Kernkraftwerk explodieren wie eine Bombe?
Nein. Dafür wäre eine wesentlich höhere Anreicherung nötig. Möglich sind Dampf- oder Wasserstoffexplosionen.
Was ist der Unterschied zur Kernfusion?
Bei der Fusion verschmelzen leichte Kerne, statt schwere zu spalten. Sie liefert bislang kein Kraftwerk im Dauerbetrieb.
Welche Reaktortypen sind verbreitet?
Druckwasser- und Siedewasserreaktoren.
Wie lange muss Abfall eingeschlossen werden?
Als Bezugsgröße wird eine Million Jahre genannt.
Wann wurden die letzten deutschen Anlagen abgeschaltet?
Im April 2023.
Quellen
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