Kernkraftwerke: Aufbau, Funktionsweise, Vor- und Nachteile

Kernkraftwerke nutzen Atomspaltungen zur Energieerzeugung. Steuerelemente kontrollieren den Prozess, bei dem Wärme erzeugt wird, um Turbinen anzutreiben und Strom zu erzeugen. Erforsche Vor- und Nachteile sowie den Aufbau von Kernkraftwerken! Interessiert? Dies und vieles mehr findest du im folgenden Text.

Inhaltsverzeichnis zum Thema Aufbau von Kernkraftwerken

Das Quiz zum Thema: Kernkraftwerk: Aufbau

Welches Material bildet die Grundlage für den Aufbau des Druckwasserreaktors in einem Kernkraftwerk?

Frage 1 von 5

Welche Funktion übernimmt der Sekundärkreislauf in einem Kernkraftwerk?

Frage 2 von 5

Was ist die Hauptaufgabe der Turbinen in einem Kernkraftwerk?

Frage 3 von 5

Was ist die Funktion des Generators in einem Kernkraftwerk?

Frage 4 von 5

Warum ist der Kühlwasserkreislauf in einem Kernkraftwerk wichtig?

Frage 5 von 5

Kernkraftwerke im Überblick

  • Kernkraftwerke nutzen auf eine kontrollierte Art und Weise, dass sich schwere Atomkerne durch Neutronenbeschuss spalten lassen und dabei Energie und Neutronen frei werden.

  • Kontrolliert wird der Vorgang über einschiebbare Steuerelemente, die den Spaltungsprozess teilweise oder sogar ganz unterbrechen können.

  • Während der Spaltung entsteht Wärme, die durch das Erhitzen von Wasser eine Turbine antreiben kann.

  • Die Turbine erzeugt daraufhin den Strom.

  • Der Wirkungsgrad eines Kernkraftwerks liegt bei rund 35\,\%.

Kernkraftwerk Aufbau Video

Quelle sofatutor.com

Kernkraftwerk – Aufbau

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

Aufbau eines Kernkraftwerks

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 320\,^\circ \text{C}. Damit das Wasser jedoch nicht verdampft, herrscht in der Reaktorkammer ein Druck von rund 160\,\text{bar}, 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 50\,\text{bar} gesenkt, die Temperatur hingegen beträgt aber immer noch circa 270\,^\circ \text{C}. 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.

Kernkraftwerke – Vor- und Nachteile

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.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Aufbau von Kernkraftwerken

Atom- und Kernkraftwerke bezeichnen dasselbe, nämlich Kraftwerke, die als Energiequelle zur Stromgewinnung die Spaltung schwerer Atomkerne nutzen.

Kernkraftwerke bieten eine günstige Möglichkeit der Stromgewinnung, da sie im Vergleich zu einem Kohlekraftwerk sehr viel weniger Brennmaterial benötigen. Des Weiteren entstehen bei der Stromgewinnung keine schädlichen Emissionen.

Einfach erklärt nutzt ein Kernkraftwerk durch seinen Aufbau die Wärme, die bei der Kernspaltung erzeugt wird, um Wasser zu erhitzen. Der Wasserdampf kann dann mithilfe von Turbinen zur Stromerzeugung genutzt werden.

Als Kernenergie wird häufig der Strom oder die Wärme bezeichnet, die in Kernkraftwerken erzeugt wird. Im engeren Sinne versteht man darunter die Energie, die bei der Kernspaltung frei wird.

Ein Kernreaktor nutzt durch seinen Aufbau die Wärme aus der Kernspaltung, um Wasser zu erwärmen. Damit der Reaktor nicht explodiert, werden Steuerelemente genutzt, die die Menge an Spaltprozessen kontrollieren können.

Ein Druckwasserreaktor nutzt wie jedes Kernkraftwerk die Tatsache, dass sich schwere Atomkerne durch langsame Neutronen spalten lassen, wobei Energie und schnelle Neutronen frei werden. 

Der wichtige Unterschied zu anderen Arten von Kernreaktoren ist jedoch, dass das Wasser sowohl als Kühlmittel als auch als Moderator genutzt wird. Als Moderator bezeichnet man allgemein das Material, das zum Abbremsen der Neutronen genutzt wird, um die Effizienz des Spaltvorgangs zu erhöhen.

Im Jahr 2021 gab es weltweit 437 Kernkraftwerke. Der Umgang mit und die Abwägung von Nutzen und Risiken unterscheiden sich jedoch von Land zu Land. Dies führt dazu, dass die weltweite Anzahl an Kernkraftwerken zurzeit von Jahr zu Jahr steigt, während in Deutschland die bestehenden Kernkraftwerke Schritt für Schritt heruntergefahren werden. Zurzeit (Stand 2022) gibt es in Deutschland noch drei aktive Kernkraftwerke.

Die Begriffe Atomkraft und Kernkraftwerk bezeichnen die gleiche Art von Kraftwerk.

Ein Kernkraftwerk hat die Aufgabe, nutzbaren Strom und Wärme zu erzeugen.

Zunächst wird durch den Spaltprozess Wärme erzeugt. Diese wird dann mithilfe von Wasserdampf zu Turbinen transportiert. Der Druck des heißen Wasserdampfs kann dann dazu genutzt werden, um die Turbinen anzutreiben, die wiederum einen Generator antreiben. Dieser Generator produziert dann den elektrischen Strom.

Zerfällt eines der zur Spaltung genutzten Urannuklide ^235\text{U}, entsteht zum einen Wärme. Zum anderen werden aber auch mehrere Neutronen frei. Diese freien Neutronen können, wenn sie auf ein anderes Urannuklid ^{235}\text{U} treffen, dieses ebenfalls spalten. Da bei jeder Spaltung mehrere Neutronen frei werden, werden immer mehr und mehr Nuklide gespalten. Damit der Reaktor nicht explodiert, werden Regelstäbe genutzt, die Teile der Neutronen absorbieren und den Prozess so kontrollieren.

Die Energie aus einem Kernkraftwerk kann als Strom und Fernwärme genutzt werden.

Für die Brennstäbe wird normalerweise das Uranisotop ^235\text{U} verwendet.

Der Unterschied zwischen Druckwasser- und Siedewasserreaktor besteht darin, dass beim Druckwasserreaktor das Wasser im Primärkreislauf so stark unter Druck steht, dass es nicht verdampfen kann. Erst im Sekundärkreislauf wird das Wasser durch die Erwärmung aus dem Primärkreislauf zum Sieden gebracht, um in den Turbinen genutzt werden zu können. Im Siedewasserreaktor werden hingegen der Primär- und Sekundärkreislauf sozusagen zusammengefasst. Das Wasser wird also direkt in der Brennkammer zum Sieden gebracht und anschließend zu den Turbinen weitergeleitet. Im Siedewasserreaktor kommen also auch die Turbinen und die Kühlkreisläufe in Kontakt mit radioaktiv belastetem Wasser.

Die getrennten Wasserkreisläufe dienen als Sicherheit und helfen dabei, das Kühlwasser, das in den Fluss geleitet wird, frei von radioaktiven Stoffen zu halten.

Super! Das Thema: Kernkraftwerk: Aufbau kannst du schon! Teile deine Learnings und Fragen mit der Community!