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Kernenergie
Kernenergie, auch Atomenergie, Atomkraft, Kernkraft oder Nuklearenergie, ist die Technologie zur großtechnischen Erzeugung von Sekundärenergie mittels …
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Grundprinzip und Stromerzeugung
Kernenergie, auch Atomenergie, Atomkraft, Kernkraft oder Nuklearenergie, ist die großtechnische Erzeugung von Sekundärenergie durch Kernspaltung. Sie wird seit den 1950er Jahren vor allem zur Stromproduktion genutzt.
Bei der induzierten Kernspaltung nimmt ein Atomkern eines Uran- oder Plutonium-Isotops ein Neutron auf und zerfällt meist in zwei leichtere Spaltfragmente. Dabei werden Energie, Gammastrahlung und 2–3 prompte Neutronen frei. Diese Neutronen können weitere Spaltungen auslösen und so eine Kettenreaktion erzeugen. Verzögerte Neutronen ermöglichen die technische Regelung dieser Reaktion. Pro Spaltung werden einschließlich späterer radioaktiver Zerfälle etwa 200 MeV frei. Ein Gramm Uran-235 oder Plutonium-239 liefert rund 0,96 Megawatt-Tage Wärmeenergie; dafür müssten alternativ etwa 2,8 t Steinkohle, 10 t Braunkohle oder 1,9 t leichtes Heizöl verbrannt werden.
In einem Kernreaktor wird die Kettenreaktion kontrolliert. Die entstehende Wärme erzeugt Wasserdampf, der eine Turbine und damit einen Generator zur Stromproduktion antreibt. Kernenergie dient außerdem als Antrieb für Atom-U-Boote, Flugzeugträger und insbesondere Atomeisbrecher. Zur gesamten Technik gehören nicht nur Kraftwerke, sondern auch Uranbergwerke, Anreicherungs- und Brennelementanlagen, Zwischenlager, gegebenenfalls Wiederaufarbeitungsanlagen sowie Endlager.
Entwicklung und internationale Bedeutung
1938 entdeckten Otto Hahn und Fritz Straßmann die induzierte Spaltung von Uran; Lise Meitner und Otto Frisch erklärten sie 1939 theoretisch. Enrico Fermi erreichte am 2. Dezember 1942 in Chicago die erste kontrollierte nukleare Kettenreaktion. Zunächst wurde die Technik militärisch genutzt. Ende 1951 erzeugte der US-Versuchsreaktor EBR-I erstmals elektrischen Strom aus Kernenergie. Das erste Kraftwerk zur großtechnischen Stromerzeugung ging 1954 in Obninsk bei Moskau in Betrieb, 1955 folgte Calder Hall in England.
In Deutschland nahm 1957 der Forschungsreaktor München den Betrieb auf. Das Kernkraftwerk Kahl speiste 1961 erstmals Kernstrom in das westdeutsche Netz ein; 1966 folgte in der DDR Rheinsberg. Nach starkem Ausbau und wachsendem Widerstand seit den 1970er Jahren verstärkten die Unfälle von Three Mile Island 1979, Tschernobyl 1986 und Fukushima 2011 die Sicherheitsdebatte. Deutschland beschloss 2000 den Ausstieg, verlängerte 2010 zunächst die Laufzeiten und legte nach Fukushima das Ende für 2022 fest. Wegen der Energiekrise liefen die letzten Anlagen länger; am 15. April 2023 wurden die letzten drei Kernkraftwerke abgeschaltet.
Im November 2022 waren weltweit 423 Reaktorblöcke mit 379,3 GW Gesamtleistung in 32 Ländern in Betrieb und 56 Blöcke mit 57,7 GW im Bau. Trotz Neubauten blieb die Reaktorzahl wegen zahlreicher Stilllegungen seit den 1990er Jahren weitgehend konstant. Der weltweite Kernenergieanteil sank von 17,5 % im Jahr 1996 auf 10,15 % im Jahr 2018; 2021 wurden 2739 TWh Kernstrom erzeugt. In der EU deckten Kernkraftwerke etwa 25 % des Stromverbrauchs. Die politischen Wege unterscheiden sich: Frankreich, China, Russland, Indien, Südkorea, Japan und weitere Staaten planen oder betreiben Kernenergie in unterschiedlichem Umfang, während etwa Italien nach einem Volksentscheid 2011 auf den Wiedereinstieg verzichtete.
Brennstoffe, Abfälle und Rückbau
Der Brennstoffkreislauf beginnt mit dem Abbau von Uranerz und seiner Verarbeitung zu Yellowcake. Dieses wird in Uranhexafluorid umgewandelt und angereichert. Natururan enthält 99,3 % Uran-238 und 0,7 % Uran-235. Leichtwasserreaktoren benötigen Brennstoff mit bis zu etwa 6 % Uran-235; die Anreicherung erfolgt üblicherweise durch Gasdiffusion oder Ultrazentrifugen. Aus Urandioxid, teilweise zusammen mit Plutoniumdioxid als Mischoxid, entstehen Brennstäbe und Brennelemente.
Die bekannten Uranvorräte sind begrenzt. Bei einem Verbrauch von knapp 62.000 tU pro Jahr reichen in der Tabelle des Artikels die Vorkommen je nach Abbaukosten rechnerisch von 11 bis 123 Jahren; insgesamt wird eine Reichweite von 261 Jahren genannt. Eine Studie von 2017 schätzte, dass etwa 7,6 Millionen Tonnen konventioneller terrestrischer Reserven bei gleichbleibendem Verbrauch etwas mehr als ein Jahrhundert reichen könnten. Uran aus Meerwasser ist zwar grundsätzlich gewinnbar, gegenwärtig aber nicht wirtschaftlich. Thorium kommt etwa dreimal häufiger als Uran vor, ist jedoch nicht unmittelbar spaltbar und müsste erst in Uran-233 umgewandelt werden; Herstellung, Wiederaufarbeitung und Reaktorentwicklung sind aufwendig.
Verbrauchte Brennelemente sind stark radioaktiv und erzeugen Nachwärme. Sie lagern zunächst einige Monate oder Jahre in Abklingbecken. Danach werden sie beispielsweise in Castor-Behältern für einige Jahrzehnte zwischengelagert, bis Wärme und Strahlung ausreichend zurückgegangen sind. Im offenen Brennstoffkreislauf folgt die direkte Endlagerung. Beim geschlossenen Kreislauf werden Uran und Plutonium wiederaufgearbeitet und erneut als Brennstoff verwendet. Dadurch lassen sich bis zu 30 % des Natururans einsparen; das Verfahren ist jedoch teuer, verringert die Abfallmenge nur begrenzt und erzeugt ein Proliferationsrisiko.
Hochradioaktiver Abfall muss für einige Tausend bis einige Hunderttausend Jahre, möglicherweise noch länger, von der Biosphäre getrennt werden. Finnland genehmigte 2015 mit Onkalo das weltweit erste Endlager für hochradioaktiven Abfall. In Deutschland könnte eine Standortentscheidung nach Angaben der BGE erst zwischen 2046 und 2068 statt wie ursprünglich 2031 fallen. Nach etwa 40–60 Betriebsjahren wird ein Kraftwerk stillgelegt und zurückgebaut. Das kostet je nach Reaktortyp etwa 0,5 bis eine Milliarde Euro; ungefähr 1–3 % der Bauteile sind radioaktiv und müssen gesondert behandelt werden.
Kosten, Markt und staatliche Förderung
Die Wirtschaftlichkeit ist umstritten. Bereits abgeschriebene Anlagen können günstig produzieren: Genannt werden etwa 1,7 bis 2,18 Cent je Kilowattstunde Betrieb beziehungsweise Produktion. Für neue Kernkraftwerke in Deutschland erwartete das Bundeswirtschaftsministerium dagegen Stromgestehungskosten von 14 bis 19 Cent je Kilowattstunde. Eine Greenpeace-Energy-Studie bezifferte die gesamtgesellschaftlichen Kosten 2021 auf 26 bis 38 Cent je Kilowattstunde. Solche Angaben hängen stark davon ab, welche Bau-, Finanzierungs-, Entsorgungs-, Unfall- und Folgekosten berücksichtigt werden.
Bei neuen Anlagen bestimmen vor allem Bau und Finanzierung den Preis. Für EPR-Reaktoren werden etwa 65 % der Stromgestehungskosten den Investitionen und nur etwa 12 % dem Brennstoff zugerechnet. Projekte wie Olkiluoto 3 und Flamanville 3 erlebten massive Kostensteigerungen und Verzögerungen von mehr als neun Jahren. Wegen hoher Anfangskosten, Planungsrisiken und Refinanzierungszeiten von über 30 Jahren sind Neubauten in liberalisierten Märkten für private Investoren häufig nur mit staatlichen Garantien oder festen Vergütungen attraktiv.
Auch Subventionen sind umstritten, weil Studien unterschiedliche Kostenbegriffe verwenden. Kernenergie wurde in allen Nutzerstaaten staatlich gefördert, unter anderem durch Forschung, Investitionshilfen, Kreditgarantien, Haftungsregeln und Entsorgungsfinanzierung. Für Deutschland bezifferte das DIW die staatlichen Ausgaben für nukleare Forschung und Technologie von 1956 bis 2006 auf mindestens 50 Mrd. Euro. 2017 zahlten Betreiber rund 24 Mrd. Euro in den Fonds KENFO für die Entsorgung ein; Stilllegung, Rückbau und Verpackung bleiben Aufgabe der Unternehmen.
Großschäden sind nur begrenzt versichert. In Deutschland beträgt die vorgeschriebene Haftpflichtdeckung 2,5 Mrd. Euro, während Betreiber darüber hinaus mit ihrem Vermögen haften. Eine Studie von 1992 schätzte Schäden eines schweren Unfalls auf 5 bis 12 Billionen DM beziehungsweise 2,6 bis 6,1 Billionen Euro. Es gilt als wahrscheinlich, dass bei einer Katastrophe zusätzlich erhebliche öffentliche Mittel nötig wären. Rechtliche Grundlagen bilden internationale Verträge und die Kontrolle durch die Internationale Atomenergieorganisation sowie in Deutschland das Atomgesetz. Österreich verankerte das Verbot kommerzieller Kernreaktoren 1999 in der Verfassung. Die EU stuft Kernenergie seit Januar 2023 unter bestimmten Regeln als nachhaltig und klimafreundlich ein.
Klima, Umwelt und Sicherheit
Kernkraftwerke stoßen im Betrieb kein CO₂ aus, verursachen aber Emissionen durch Bau, Uranförderung, Anreicherung, Entsorgung und Rückbau. Der Wissenschaftliche Dienst des Bundestages nannte 2007 Lebenszykluswerte von 6 bis 126 g CO₂ je kWh; Steinkohle lag bei etwa 950 g/kWh und Braunkohle bei 1150 g/kWh. Kernenergie zählt damit zusammen mit mehreren erneuerbaren Energien zu den CO₂-armen Technologien. Lebenszyklusanalysen sehen ihren ökologischen Fußabdruck insgesamt in einer ähnlichen Größenordnung wie bei erneuerbaren Energien. Die direkte Flächennutzung wird mit 0,5 km² je TWh angegeben, der durchschnittliche Wasserverbrauch 2024 mit etwa 2100 l/MWh.
Kühlwasser kann Gewässer erwärmen. Deshalb gelten Temperaturgrenzen, Kühltürme werden eingesetzt und Kraftwerke müssen bei Hitze gegebenenfalls ihre Leistung senken. In Frankreich verursachte dies zwischen 2000 und 2022 Verluste von 0,16 bis 1,43 % der jährlichen Kernenergieproduktion; während der Hitzewelle im Juli 2003 waren zeitweise fast 10 % der installierten Leistung betroffen.
Der Uranbergbau beansprucht Flächen und Wasser, kann Wasser und Böden verschmutzen und setzt Radioaktivität frei. Bergleute und Bevölkerung waren teilweise erhöhten Gesundheitsrisiken bis hin zu Lungenkrebs ausgesetzt. Im Normalbetrieb geben Kernkraftwerke dagegen nur geringe Strahlungsmengen ab. In Deutschland liegt die maximale zusätzliche Belastung an den ungünstigsten Orten unter 0,01 mSv pro Jahr, gegenüber einer natürlichen Belastung von durchschnittlich 2,1 mSv. Eine Studie von 2007 stellte im Umkreis von fünf Kilometern deutscher Kernkraftwerke mehr Leukämiefälle bei Kindern fest als statistisch erwartet; Ursache und Deutung dieses Zusammenhangs sind umstritten.
Gemessen an bisherigen Todesfällen zählt Kernenergie mit etwa 0,07 Todesfällen je erzeugter TWh zu den sichersten Stromquellen und liegt in einer ähnlichen Größenordnung wie Wind- und Solarenergie. Dem stehen seltene, potenziell sehr schwere Unfälle gegenüber. Probabilistische Sicherheitsanalysen schätzten für deutsche Anlagen Anfang der 2000er Jahre ein bis 26,5 Kernschäden je fünf Millionen Reaktorbetriebsjahre. Die IAEA empfahl 2006 für bestehende Anlagen höchstens einen Kernschaden je 100.000 Reaktorjahre; für den EPR wird weniger als einer je zehn Millionen Reaktorjahre angegeben. Beim Unfall von Tschernobyl 1986 starben nach umstrittenen Schätzungen des Tschernobyl-Forums etwa 4000 Menschen. Eine Studie von 2012 kam auf Grundlage der bisherigen Betriebserfahrung zu deutlich höheren Unfallwahrscheinlichkeiten als frühere Berechnungen.
Klimapolitisch bleibt die Bewertung strittig. Befürworter sehen grundlastfähigen, CO₂-armen Strom und einen Beitrag zu Versorgungssicherheit, Wärmeversorgung, Wasserstoffherstellung oder Entsalzung. Kritiker verweisen auf Bauzeiten von durchschnittlich 7,2–10,9 Jahren in den Jahren 2018–2020, hohe Kosten und die Konkurrenz um Geld, Personal und Infrastruktur mit erneuerbaren Energien. Auf der COP 28 erklärten 22 Staaten, die weltweite Kernenergiekapazität bis 2050 verdreifachen zu wollen.
Gesellschaftliche und sicherheitspolitische Kontroversen
Seit dem Aufstieg der Anti-Atomkraft-Bewegung in den 1970er Jahren gehört Kernenergie zu den umstrittensten Industrietechnologien. Befürworter betonen geringe Treibhausgas- und Luftschadstoffemissionen, Grundlastfähigkeit, Versorgungssicherheit und die im historischen Vergleich niedrige Zahl von Todesfällen. Gegner nennen hohe Neubaukosten, lange Bauzeiten, Uranabbau, begrenzte Brennstoffvorräte, ungelöste Langzeitfragen der Abfälle sowie Unfall-, Terror- und Proliferationsrisiken. Einigkeit besteht weitgehend darin, dass Uran nur einen kleinen Teil der Stromkosten ausmacht, während Kraftwerke, Anreicherung, Entsorgung und gegebenenfalls Wiederaufarbeitung sehr kapitalintensiv sind.
Proliferation bedeutet die Verbreitung von Kernwaffen und der dafür benötigten Technik. Anlagen zur Urananreicherung könnten statt Reaktorbrennstoff mit etwa 4 % Uran-235 auch waffenfähiges Material mit etwa 80 % herstellen. Wiederaufarbeitung kann Plutonium abtrennen, das sowohl in Mischoxid-Brennstoff als auch für Waffen verwendbar ist. Daher können zivile Programme militärische Vorhaben verdecken. Umgekehrt wurden im Megatonnen-zu-Megawatt-Programm 425 t hochangereichertes Uran aus ehemaligen Waffen zu Reaktorbrennstoff verarbeitet, entsprechend etwa 17.000 Sprengköpfen.
Kernkraftwerke und radioaktive Stoffe können Ziele terroristischer Angriffe sein. Neuere deutsche Anlagen wurden teilweise gegen den Aufprall eines 20 t schweren Kampfflugzeugs mit 215 m/s ausgelegt; die Folgen eines Angriffs mit einem Großflugzeug könnten dennoch katastrophal sein. Radioaktive Stoffe könnten außerdem für eine „schmutzige Bombe“ verwendet werden. In Kriegen entsteht ein weiteres Risiko: Beim russischen Überfall auf die Ukraine wurde das Kernkraftwerk Saporischschja am 4. März 2022 beschossen. Schäden, Stromausfälle, die militärische Besetzung und der Druck auf das Personal gefährdeten den sicheren Betrieb.
Auch die öffentliche Meinung schwankt. Im September 2022 waren 54 % der Deutschen für eine Weiternutzung und gegen den Atomausstieg; beim endgültigen Ausstieg im April 2023 hielten 34 % diesen für richtig und 59 % für falsch. Die Kontroverse verbindet damit technische Fakten mit unterschiedlichen Bewertungen von Kosten, seltenen Großrisiken, Klimaschutz, Versorgungssicherheit und Verantwortung gegenüber künftigen Generationen.
