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Kernkraftwerk
Diese Energiedifferenz wird bei der Kernspaltung – hauptsächlich als Bewegungsenergie der Spaltprodukte – freigesetzt. Die Spaltprodukte werden von den Hüllen …
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Grundprinzip, Bedeutung und Entwicklung
Ein Kernkraftwerk, auch Atomkraftwerk genannt, ist ein Wärmekraftwerk, das durch kontrollierte Kernspaltung elektrischen Strom erzeugt. Neutronen spalten dabei bestimmte Isotope von Uran oder Plutonium. Die Energiedifferenz zwischen dem ursprünglichen Kern und den Spaltprodukten wird vor allem als Bewegungsenergie frei. Brennelementhüllen und Wasser bremsen die Spaltprodukte ab; dadurch entsteht Wärme, mit der Wasserdampf erzeugt wird. Viele Anlagen bestehen aus mehreren Kraftwerksblöcken, die unabhängig voneinander Strom erzeugen und jeweils einen Kernreaktor besitzen.
Das erste zivile Kernkraftwerk ging 1954 im russischen Obninsk mit 5 MW elektrischer Leistung in Betrieb. Calder Hall in England wurde 1956 mit 55 MW ans Netz angeschlossen und gilt als erstes kommerzielles Kernkraftwerk. Frühe Anlagen verwendeten häufig Siedewasserreaktoren; später wurden Druckwasserreaktoren wegen ihrer höheren Leistungsdichte verbreiteter.
Kernkraftwerke werden in Generationen eingeteilt: Generation I umfasst frühe kommerzielle Prototypen, Generation II die meisten kommerziellen Leistungsreaktoren, darunter Druck- und Siedewasserreaktoren sowie CANDU-Anlagen. Generation III bezeichnet fortgeschrittene Weiterentwicklungen wie EPR, AP1000 und ABWR. Zur geplanten Generation IV zählen unter anderem Flüssigsalz-, Brut- und Laufwellenreaktoren sowie Small Modular Reactors.
Die weltweite Reaktorzahl stieg bis Ende der 1980er Jahre stark an und erreichte 1989 zunächst 423 zur Stromproduktion genutzte Reaktoren. Nach Tschernobyl verlangsamte sich das Wachstum. Ende 2024 waren 417 Reaktoren in Betrieb, 2025 waren 413 am Netz. Der Anteil der Kernenergie am weltweiten Strommix sank 2022 erstmals seit rund 40 Jahren unter 10 Prozent; sein Höchstwert hatte 1996 bei 17,5 Prozent gelegen. Am weltweiten Primärenergieverbrauch betrug der Anteil 2020 4,3 Prozent.
Aufbau und Energieumwandlung
Die Energieumwandlung folgt wie bei anderen Wärmekraftwerken dem Clausius-Rankine-Kreisprozess. Die im Reaktorkern erzeugte Wärme wird auf ein Kühlmittel, meist Wasser, übertragen. Der Dampf entsteht entweder unmittelbar im Reaktor oder bei einem Druckwasserreaktor getrennt davon in einem Dampferzeuger. Unter Druck strömt er durch eine mehrstufige Dampfturbine und versetzt deren Welle in Drehung. Ein gekoppelter Drehstrom-Synchrongenerator, auch Turbogenerator genannt, wandelt diese Rotationsenergie in elektrische Energie um. Anschließend wird der Dampf in einem Kondensator verflüssigt, durch Pumpen erneut unter Druck gesetzt, vorgewärmt und in den Kreislauf zurückgeführt. Ein Fluss oder Kühlturm nimmt die nicht genutzte Wärme auf.
Der Reaktorkern besteht aus Brennelementen. Ein biologischer Schild absorbiert austretende Strahlung. Der Sicherheitsbehälter, das Containment, umschließt den Reaktor und radioaktive Nebenkreisläufe. Bei einem Bruch des Primärkreises wird er automatisch hermetisch abgeschlossen und soll dem entstehenden Druck standhalten. Eine Betonkuppel kann zusätzlich vor äußeren Einwirkungen schützen.
Bei einem Druckwasserreaktor wälzen meist vier getrennt untergebrachte Hauptkühlmittelpumpen das Kühlmittel zwischen Reaktor und Dampferzeuger um. Ihr Durchsatz beträgt bis zu 10.000 l/s bei bis zu 175 bar und höchstens 350 °C. Nach einem Pumpenausfall kann der Naturumlauf die Wärmeabfuhr gewährleisten. Im Siedewasserreaktor stabilisieren Zwangsumwälzpumpen den Durchfluss und beeinflussen über den Dampfblasengehalt zugleich die Reaktorleistung.
Redundanz bedeutet, dass mehr Sicherheitseinrichtungen vorhanden sind, als für eine Schutzfunktion benötigt werden. Diversität bedeutet, dass sie nach unterschiedlichen Prinzipien arbeiten. Redundante und diversitäre Sicherheitsventile begrenzen den Druck und sollen ein Bersten von Rohrleitungen oder Reaktordruckbehälter verhindern. Notfalleinspeisungen halten bei Störungen die Kühlung aufrecht. Bei Netzausfall ermöglichen mehrfach vorhandene Dieselaggregate und Batterien das sichere Herunterfahren und die dauerhafte Abfuhr der Nachzerfallswärme. Transformatoren passen die Generatorspannung an die Netzspannung an und versorgen den Eigenbedarf des Kraftwerks.
Brennstoff, Betrieb und Wirkungsgrad
Die meisten Kernkraftwerke verwenden Uranoxid mit etwa 3 bis 4 Prozent Uran-235. Natururan enthält nur etwa 0,7 Prozent dieses spaltbaren Isotops. Ein Kilogramm Natururan besitzt laut Artikel einen Energiegehalt wie 12.600 Liter Erdöl oder 18.900 kg Steinkohle. Ein Brennelement bleibt gewöhnlich drei Jahre im Reaktor; jährlich wird das älteste Drittel ausgetauscht. Während des Betriebs entsteht aus Uran-238 durch Neutroneneinfang vor allem Plutonium-239. Nach einer Wiederaufarbeitung kann Plutonium in MOX-Brennelementen, einem Gemisch aus Uran- und Plutoniumoxid, erneut genutzt werden. Höhere Plutoniumanteile sind wegen des Proliferationsrisikos und höherer Sicherheitsanforderungen umstritten. Ohne Wiederaufarbeitung lassen sich je nach Reaktor und Brennstoffkreislauf aus einem Kilogramm Natururan etwa 36–56 MWh Strom erzeugen. Weltweit fallen jährlich rund 12.000 Tonnen radioaktiver Abfall an.
Kernkraftwerke werden traditionell zur Grundlastversorgung dauerhaft mit Nennleistung betrieben. Sie können aber auch Lastfolgebetrieb durchführen und ihre Leistung an die Stromnachfrage sowie schwankende Wind- und Solarstromproduktion anpassen. Deutsche Druckwasserreaktoren konnten oberhalb von 50 Prozent Nennleistung ihre Leistung um bis zu 5,2 Prozent pro Minute ändern, Siedewasserreaktoren um bis zu 4,6 Prozent. Unterhalb von 50 Prozent wird der Lastbereich kaum regulär genutzt, weil Komponenten stärker beansprucht werden können. Studien bewerten die Sicherheitsfolgen unterschiedlich; eine Auswertung von 2020 kam zu dem Ergebnis, dass Großkomponenten meist nur gering oder gar nicht zusätzlich altern, einzelne Bauteile wie Armaturen aber durch häufigeres Schalten stärker belastet werden.
Beim Streckbetrieb wird ein Brennstoffzyklus verlängert. Nach Verbrauch des Reaktivitätsüberschusses wird die Kühlmitteltemperatur gesenkt. Das dichtere Wasser bremst Neutronen besser ab, wodurch weitere Spaltungen wahrscheinlicher werden. Die Leistung sinkt dabei täglich um etwa 0,5 Prozent und liegt nach rund 80 Tagen noch bei ungefähr 60 Prozent der Ausgangsleistung.
Der Wirkungsgrad beträgt bezogen auf die im Brennstoff umgesetzte Energie etwa 35 Prozent. Leicht- und Schwerwasserreaktoren sind durch Frischdampftemperaturen von ungefähr 330 °C begrenzt; moderne Steinkohlekraftwerke erreichen etwa 580 °C. Reaktorkonzepte mit metallischen oder gasförmigen Kühlmitteln beziehungsweise Salzschmelzen könnten höhere Wirkungsgrade erzielen, waren 2022 jedoch kaum über das Versuchsstadium hinaus.
Sicherheitsrisiken und Gesundheit
Die besondere Gefahr eines Kernkraftwerks liegt in der Radioaktivität der Spaltprodukte. Im Normalbetrieb werden kontrollierte kleine Mengen radioaktiver Edelgase wie Krypton-85 und des Wasserstoffisotops Tritium abgegeben. Bei Unfällen oder versagenden Barrieren können größere Mengen in Umwelt und Nahrungskette gelangen. Mehrere bauliche und technische Barrieren sollen dies auch bei schweren Störungen verhindern.
Fällt die Kühlung aus, kann wegen der hohen Energiedichte eine Kernschmelze entstehen. Ihre Folgen können auf die Anlage beschränkt bleiben oder zu einer unkontrollierten Freisetzung radioaktiven Materials führen, einem Super-GAU. Bei Three Mile Island 1979 wurde die Schmelze gestoppt, bevor der Reaktordruckbehälter zerstört wurde; mit abgelassenem Wasserstoff entwichen dennoch radioaktive Isotope. In Tschernobyl wurde der Reaktor 1986 prompt überkritisch. Explosionen zerstörten die Abdeckung, und ein Graphitbrand verteilte große Mengen radioaktiven Materials über Teile Europas. In Fukushima Daiichi führten Erdbeben und Tsunami am 11. März 2011 zu schweren Schäden an vier Reaktorblöcken und zu Kernschmelzen in drei Blöcken; rund 150.000 Menschen wurden evakuiert. Ein Core-Catcher soll bei neueren Anlagen geschmolzenes Kernmaterial auffangen.
Eine deutsche Studie von 2007 fand im 5-km-Umkreis von Kernkraftwerken von 1980 bis 2003 37 neue Leukämiefälle bei Kindern statt statistisch erwarteter 17. Die Ursache ist umstritten: Die Studienautoren hielten die Strahlung des Normalbetriebs nicht für ursächlich, ein Expertengremium des Bundesamtes für Strahlenschutz wollte einen Zusammenhang wegen unzureichender Daten nicht ausschließen. Andere Studien fanden nur geringe oder keine Zusammenhänge.
Weitere Risiken sind Terror- und Cyberangriffe. Ältere deutsche Anlagen waren teilweise nur auf den Einschlag einer 20 Tonnen schweren McDonnell F-4 ausgelegt; die Reaktor-Sicherheitskommission erwartete jedoch selbst beim gezielten Absturz eines großen Verkehrsflugzeugs auf eine Konvoi-Anlage keine Freisetzung aus beschädigten Brennelementen. Digitale Steuerungssysteme können durch Schadsoftware angegriffen werden. Beispiele sind Stuxnet 2010 in Natanz und der SQL-Slammer-Wurm 2003 in Davis Besse. Mehrere Sicherheitsebenen, getrennte Netzwerke, Zugangskontrollen und Schulungen sollen solche Gefahren begrenzen.
Abfälle, Proliferation und Haftung
Radioaktive Abfälle werden in schwach-, mittel- und hochradioaktive Stoffe eingeteilt, wobei die internationale Abgrenzung variiert. Hochradioaktive Abfälle weisen 10^14 bis 10^17 Becquerel pro Kubikmeter auf und entwickeln 2 bis 20 Kilowatt Wärme pro Kubikmeter; sie benötigen Abschirmung und Kühlung. Der größte Teil des Abfalls hat geringe Aktivität, während eine kleine Menge fast die gesamte Radioaktivität enthält. Deutschland plant für alle Klassen die Endlagerung in tiefen geologischen Formationen. Für hochradioaktive Abfälle werden Sicherheitszeiträume von bis zu einer Million Jahren betrachtet. Die alternative Transmutation soll langlebige Nuklide in kurzlebigere umwandeln, ist aber technisch anspruchsvoll, teuer und wird nicht großtechnisch eingesetzt.
Ein Proliferationsrisiko, also die Gefahr der Verbreitung von Kernwaffen, entsteht besonders bei Urananreicherung und Wiederaufarbeitung. Für Leichtwasserreaktoren wird Uran-235 von 0,7 Prozent auf 3 bis 5 Prozent angereichert. Ab 20 Prozent gilt Uran als hochangereichert, bei mehr als 90 Prozent als waffenfähig. Bei der Wiederaufarbeitung wird Plutonium aus abgebrannten Brennelementen getrennt; dieses Material kann ebenfalls für Waffen verwendet werden. Weil sich das Risiko technisch nicht vollständig beseitigen lässt, sind politische Kontrollen erforderlich.
Das internationale Atomhaftungsrecht beruht unter anderem auf dem Pariser Übereinkommen von 1960, dem Brüsseler Zusatzübereinkommen von 1963 und der Wiener Konvention. Grundprinzipien sind die verschuldensunabhängige und ausschließliche Haftung des Betreibers, die Zuständigkeit des Unfallstaates sowie finanzielle Deckung, meist verbunden mit begrenzten Haftungssummen und Fristen. Änderungen des Pariser und Brüsseler Systems traten am 1. Januar 2022 in Kraft und erhöhten die Mindestentschädigung auf 700 Millionen Euro.
In Deutschland deckt die Versicherung nukleare Risiken bis 256 Millionen Euro. Bis zur maximal versicherten Summe von 2,5 Milliarden Euro haften die Betreiber gemeinschaftlich; darüber hinaus haftet der einzelne Betreiber mit seinem Vermögen. Die möglichen Gesamtschäden werden sehr unterschiedlich geschätzt: Eine Prognos-Studie von 1992 nannte 2,5 bis 5,5 Billionen Euro, eine Studie der Universität Stuttgart von 2013 maximal 14,1 Billionen Euro. Ebenso stark weichen Schätzungen möglicher Versicherungsaufschläge voneinander ab: Sie reichen von 0,1 Cent bis zu 270 Cent pro kWh.
Klima, Wirtschaft und politische Kontroverse
Bei der Kernspaltung selbst entsteht kein CO2. Emissionen fallen jedoch über den gesamten Lebenszyklus an, besonders durch Bau, Rückbau, Entsorgung sowie Urangewinnung und -anreicherung. Die UNECE bezifferte sie 2020 auf 5,1–6,4 g CO2/kWh. Zum Vergleich nennt der Artikel 751–1095 g/kWh für Kohlekraftwerke, 403–513 g/kWh für Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke, 8–83 g/kWh für Photovoltaik und 7,8–16 g/kWh für Windkraft an Land.
Die Stromgestehungskosten umfassen Bau und Finanzierung, Brennstoff, Betrieb, Wartung, Stilllegung und Entsorgung. Bei Kernkraftwerken können Investitionskosten mehr als 70 Prozent ausmachen, Brennstoffkosten weniger als 20 Prozent. Deshalb reagieren die Kosten stark auf Baukosten und Zinsen, aber vergleichsweise wenig auf den Uranpreis. Seit den 1950er und 1960er Jahren stiegen die Baukosten erheblich; tatsächliche Kosten und Bauzeiten lagen fast immer über den vorherigen Angaben. Als günstige Bedingungen gelten unter anderem standardisierte Anlagen, stabile Energiepolitik, effiziente Genehmigungen, risikoarme Standorte sowie die einheitliche Einbeziehung externer Kosten aller Energieformen.
Die Kontroverse dreht sich vor allem um Unfall- und Gesundheitsrisiken, radioaktive Abfälle, Kernwaffenverbreitung, Kosten und Klimaschutz. Gegner betrachten die Gefahren und Kosten als nicht hinnehmbar; Tschernobyl und Fukushima sowie die Endlagerfrage förderten in vielen Ländern die Abkehr von der Kernenergie. Befürworter sehen in ihr eine sichere, zuverlässige und CO2-arme Technik, die große Energiemengen und eine stabile Grundlast bereitstellen könne.
Deutschland förderte Forschung und Entwicklung zwischen 1956 und 1996 mit 25,9 Milliarden DM. Das Versuchsatomkraftwerk Kahl speiste im Juni 1961 erstmals Strom in das westdeutsche Verbundnetz ein. In den 1990er Jahren lieferte Kernenergie rund 30 Prozent des deutschen Stroms. Nach dem 2011 beschlossenen Atomausstieg sank die Produktion; Emsland, Isar 2 und Neckarwestheim 2 wurden als letzte deutsche Kernkraftwerke im April 2023 abgeschaltet.
