Kernkraftwerke: Aufbau, Betrieb und Sicherheit

Kernkraftwerke: Allgemeine Beschreibung

Kernkraftwerke: sind thermische Kraftwerke, in denen thermische Energie durch die Spaltung von Uran‑ und Plutoniumatomen gewonnen wird. Die Energieumwandlungen in einem Kernkraftwerk sind: Kernenergie (Brennstoff) → thermische Energie (Reaktor/Kessel) → kinetische Energie (Dampf) → Rotationsenergie (Turbine) → elektrische Energie (Generator) → Nutzung.

Reaktor: Herz des Kernkraftwerks

Reaktor ist die wichtigste Komponente der Anlage und bildet das Herzstück. Der Reaktor ermöglicht eine dauerhafte und kontrollierte Kettenreaktion, sodass Wärmeenergie erzeugt wird, die das Wasser in Dampf verwandelt. Der Dampf treibt Turbinen an, die den elektrischen Generator zur Stromerzeugung antreiben.

Wichtige Reaktorbauteile

• Reaktordruckbehälter: ein Stahlbehälter, der den Kern, die Brennelemente und die Komponenten des Primärkreislaufs enthält.
• Moderator: verringert die Geschwindigkeit der bei der Kernspaltung freigesetzten Neutronen, damit diese besser weitere spaltbare Atome treffen und die Reaktion aufrechterhalten können.
• Steuerstäbe: bestehen aus neutronenabsorbierenden Materialien; ihre Aufgabe ist es, die Zahl der Kernspaltungen pro Zeitspanne im Reaktorkern zu regulieren.
• Kühlmittel: kühlt den Reaktor, verhindert Überhitzung und transportiert die Wärme entweder direkt oder über einen Sekundärkreislauf zur Turbinen‑Generator‑Gruppe.

Haupttypen kerntechnischer Anlagen

Anlagen mit Druckwasserreaktor (DWR): Verwenden angereichertes Uran als Brennstoff und Wasser sowohl als Kühlmittel als auch als Moderator. Die im Kern erzeugte Wärme wird vom primären Kühlkreislauf an den Sekundärkreis über Dampferzeuger abgegeben.

Siedewasserreaktor (SWR): Verwendet ebenfalls angereichertes Uran und Wasser, jedoch mit nur einem Kühlkreislauf: Das Wasser im Reaktor steht unter geringerem Druck und beginnt zu sieden; der Dampf wird direkt in die Turbinen geleitet. Daher ist der Primärkreislauf einfacher aufgebaut.

Schnelle Brüter (Reaktoren mit schnellen Neutronen): Diese Reaktoren kommen ohne Moderator aus, sodass die Kernspaltung durch schnelle Neutronen erfolgt. Wegen der Art der Reaktion ist die Menge an Brennstoff pro Volumeneinheit deutlich höher als bei thermischen Reaktoren.

Aufbau einer kerntechnischen Anlage

Containment (Schutzhülle)

Der Reaktor und die Elemente des Primärkreislaufs sind in einem robusten Containment untergebracht. Der Primärkreislauf besteht typischerweise aus drei parallel geschalteten Schleifen, jede mit einer Speisepumpe und einem Dampferzeuger. Das Containment ist meist eine kuppelförmige Struktur aus dicken Betonwänden mit spezieller Stahlauskleidung, um bei einem Unfall jegliche Freisetzung von Radioaktivität nach außen zu verhindern und um Erdbeben standzuhalten.

Turbinengebäude

Turbinengebäude: Hier befindet sich die Turbinen‑Generator‑Einheit sowie Speisewassererhitzer, Dampfkondensatoren und die zugehörige Wasserversorgung.

Brennstoffgebäude

Brennstoffgebäude: Dient zur Lagerung von Brennelementen, die zum Nachladen des Reaktors verwendet werden, sowie zur Zwischenlagerung abgebrannter Brennelemente, die auf Wiederaufarbeitung warten.

Kontrollgebäude

Kontrollgebäude: Beherbergt die Leitwarte, das neuralgische Zentrum der Anlage. Hier laufen die Messwerte zusammen, und hier erfolgen die Steuerungsbefehle für den Betrieb aller Systeme und für die Sicherheitseinrichtungen.

Nebengebäude

Nebengebäude: Enthalten Komponenten und Hilfssysteme der Anlage, Systeme zur Behandlung von schwach radioaktiven Abfällen, die Klimaanlage, Filter sowie Unterstützungseinrichtungen für das Containment.

Betrieb eines Kernkraftwerks

Die im Reaktorkern erzeugte Energie wird vom Wasser als Kühlmittel aufgenommen. Das Kühlmittel zirkuliert in einem geschlossenen, unter hohem Druck stehenden Primärkreislauf und gibt die Wärme im Dampferzeuger an den Sekundärkreis ab. Der daraus entstehende Dampf treibt die Turbine an, die mit dem Generator gekoppelt ist. Der erzeugte Strom wird über Transformatoren in die für das Netz benötigte Spannungsebene gehoben und in das Stromnetz eingespeist.

Nach dem Durchlaufen der Turbine kondensiert der Dampf im Kondensator wieder zu Wasser und wird mittels der Speisepumpen zurück in den Kreislauf gefördert. Das Wasser im Kühlsystem des Kondensators stammt typischerweise aus einem offenen Außenkreislauf, der direkt aus einem Fluss oder dem Meer gespeist wird. Das Kühlwasser wird durch Umwälzpumpen durch den Kondensator geleitet und anschließend wieder in das Gewässer zurückgeführt. Ist der Wasserstand der Flüsse gering oder besteht die Gefahr thermischer Verschmutzung, wird das Kühlwasser zuvor über Kühltürme geführt.

Nukleare Sicherheitssysteme

• Hochqualifiziertes Personal mit entsprechender fachlicher Ausbildung, um im Notfall korrekt zu reagieren.
• Umfassende jährliche Überprüfungen der mechanischen Komponenten des Reaktors und des Primärkreislaufs, typischerweise im Rahmen von Anlagenstillständen zum Brennelementwechsel.
• Kontrollsysteme für den stationären Betrieb und ein umfassendes Wartungsprogramm.
• Überwachung und Kontrolle aller radioaktiven Emissionen.
• Erkennung und Identifizierung von Anomalien; überschreiten Messwerte zulässige Grenzwerte, erfolgt die Aktivierung von Alarmanlagen und Sicherungseinrichtungen sowie sofortige Schutzmaßnahmen.
• Radiologische Überwachung der Umwelt in der Umgebung der Anlage.