Kernkraftwerke: Aufbau, Funktionsweise, Vor- und Nachteile

In den nächsten Abschnitten wollen wir uns den Aufbau und die Energieumwandlungskette eines Kernkraftwerks anhand der Skizze genauer anschauen.

1) Druckwasserreaktor und Primärkreislauf

Im Druckwasserreaktor befinden sich zunächst vor allem die Brennstäbe (in der Skizze rot), da diese das Brennmaterial beinhalten und die Grundlage für das Kraftwerk bilden. Damit der Reaktor des Kernkraftwerks nicht in einer unkontrollierten Explosion zerstört wird, benötigen wir zudem auch noch regelbare Steuerelemente (in der Skizze schwarz). Diese absorbieren auf sie treffende Neutronen, wodurch die Kettenreaktion beim Spaltprozess durch das Heraus- und Hineinfahren der Steuerelemente kontrolliert werden kann. Der Aufbau des Druckwasserreaktors wäre aber nicht komplett ohne das Wasser. Zum einen bremst das Wasser die bei der Spaltung frei werdenden Neutronen ab, da diese zu schnell sind, um weitere Kernspaltungen zu verursachen, zum anderen nimmt das Wasser hier die entstehende Wärme auf und transportiert sie durch den Primärkreislauf zur Nutzung weiter. Die Wassertemperatur liegt in der Reaktorkammer bei circa . Damit das Wasser jedoch nicht verdampft, herrscht in der Reaktorkammer ein Druck von rund , woher auch der Name Druckwasserreaktor kommt.

2) Sekundärkreislauf

Der Sekundärkreislauf ist ein weiterer in sich abgeschlossener Kreislauf, welcher die im Primärkreislauf erzeugte Wärme zur Nutzung an die Turbinen liefert. Zudem bietet die Nutzung eines Sekundärkreislaufs den Vorteil, dass das mit radioaktivem Material versetzte Wasser im Reaktor gehalten werden kann, während sauberes Wasser zur Kühlung genutzt werden kann. Der Sekundärkreislauf besteht aus einem Behälter, der durch das Wasser im Primärkreislauf erhitzt wird. Der Druck wird hier auf rund gesenkt, die Temperatur hingegen beträgt aber immer noch circa . Um die Wärme nun aber auch nutzen zu können, wird der entstandene Wasserdampf weiter zu den Turbinen geleitet.

3) Turbinen

Die Turbinen wandeln über verschiedene Stufen die Wärmeenergie des Wasserdampfs in eine kinetische Energie um, indem sie dafür genutzt werden, eine Welle anzutreiben,
ähnlich wie es auch der Motor eines Autos tut. Um die Wärmeenergie möglichst effizient nutzen zu können, werden auch mehrere Turbinen verwendet.

4) Generator

Der Generator ist aufgebaut wie ein Elektromotor, nur dass er den Strom nicht in eine Rotationsbewegung wandelt, sondern die Rotationsbewegung der Welle nutzt, um Strom zu erzeugen. Der erzeugte Strom wird dann durch Transformatoren umgewandelt und in das Stromnetz eingespeist.

5) Kühlwasserkreislauf

Um ein Kraftwerk, das Wärme in Arbeit umwandelt, effektiv betreiben zu können, ist es notwendig, die Anfangstemperatur in einem Kreisprozess möglichst gering zu halten (siehe Carnot-Prozess). Aufgrund dessen ist es sinnvoll, das aus den Turbinen kommende kondensierte Wasser zusätzlich abzukühlen. Die zusätzliche Temperaturverringerung wird mithilfe des sogenannten Kühlwasserkreislaufs bewirkt. Dieser besteht im Allgemeinen aus zwei Teilen. Den ersten wichtigen Bestandteil bildet der Kühlturm. In diesem wird das heiße, aber bereits kondensierte Wasser über eine Rieselanlage nach unten gerieselt. Hierbei verdunstet ein gewisser Teil des Wassers. Dies führt über die Verdunstungskühlung dazu, dass das nicht verdunstete Wasser heruntergekühlt wird. Dieser Effekt reicht allerdings allein nicht aus, um das Wasser weit genug herunterzukühlen. Aufgrund dessen werden Kernkraftwerke stets neben einem Fluss gebaut. Dieser bildet nämlich den zweiten wichtigen Bestandteil im Kühlwasserkreislauf. Der Fluss ermöglicht es nämlich, an frisches kühles Wasser zu gelangen, während gleichzeitig warmes Wasser in den Fluss abgegeben werden kann, bis die gewünschte Kühlwassertemperatur erreicht wird. Nun kann das Kühlwasser erneut zur Kühlung des Sekundärkreislaufs genutzt werden.

Die Vorteile eines Kernkraftwerks und damit auch der Kernenergie liegen vor allem im geringen Brennstoffverbrauch, da die Brennstäbe verhältnismäßig lange genutzt werden können. Auch die Stromproduktion ist dadurch sehr günstig. Weiterhin sind Kernkraftwerke im Vergleich zu Kohlekraftwerken auch umweltfreundlicher, da sie keine schädlichen Emissionen ausstoßen.

Die Kernenergie hat aber auch schwerwiegende Nachteile. Zum Beispiel stellt vor allem die Endlagerung des radioaktiven Abfalls ein schwerwiegendes Problem dar. Weiterhin besteht ein Risiko, durch eine Fehlfunktion im Kernkraftwerk einen Super-GAU auszulösen, der einen extremen Schaden in der Umgebung anrichten und die Umgebung unbewohnbar machen könnte. Des Weiteren können Kernkraftwerke aufgrund der radioaktiven Belastung des Betons in den Brennkammern auch nicht ohne Weiteres wieder abgebaut werden, wodurch auch abgeschaltete Kraftwerke immer noch ein Risiko für die Gesundheit darstellen. Doch es gibt nicht nur Risiken im Zusammenhang mit der Radioaktivität. Auch das in die Flüsse geleitete warme Wasser kann zu Schäden in den Flüssen führen, da der Temperaturanstieg zu einem ökologischen Ungleichgewicht in den Flüssen führen kann.