Atomstrom

25 Aug 2015
Ein Atomkraftwerk aus der Vogelperspektive Ein Atomkraftwerk aus der Vogelperspektive

In Beznau steht der älteste noch funktionierende Reaktor der Welt. Seit 46 Jahren wird in der Schweiz also Atomenergie kommerziell zur Stromerzeugung genutzt. Doch wie genau wird eigentlich aus Atomkernen der ‘Saft‘ für mein Mobiltelefon gewonnen?

Stromerzeugung

Ein Atomkraftwerk (AKW) funktioniert im Prinzip wie ein konventionell thermisches Kraftwerk. Eine Hitzequelle erzeugt aus Wasser Dampf. Der Dampf treibt Turbinen an. Die Drehung erzeugt im Generator Strom. Der Dampf muss in einem Kondensator gekühlt werden, damit er als Wasser erneut in den Kreislauf geleitet werden kann. Bei jedem Zwischenschritt geht Energie in Form von Wärme verloren. Die Energieeffizienz von konventionell thermischen Kraftwerken sowie Atomkraftwerken liegt bei nur 30- 35%. Wenn die Abwärme genutzt wird, erhöht sich die Effizienz um ein paar Prozent.

Die Kühlung im Kondensator wird in der Schweiz mit Flusswasser bewerkstelligt. Das erhitzte Kühlwasser wird im Kühlturm abgekühlt und dann - zirka 3° C wärmer als bei der Entnahme - wieder an den Fluss abgegeben. Die Wasserdampffahne, die oben aus dem Kühlturm quillt, ist in keiner Art und Weise schädlich: sie ist nicht radioaktiv und enthält auch keine Abgase. Der Kühlturm ist übrigens auch nicht charakteristisch für ein Atomkraftwerk, wird er doch auch bei konventionell thermischen Kraftwerken verwendet. Er kann sich auch nicht wie bei den Simpsons in einen Vulkan verwandeln, der grüne radioaktive Masse spuckt.

Bei einem Atomkraftwerk kommt die Energie für den Dampf aus der Atomkernspaltung. Atomkerne radioaktiver Elemente zerfallen irgendwann von selber. Wenn man sie mit Neutronen beschiesst, kann man den Zerfall aber beschleunigen. Je nach Reaktor wird Uran-235 (235U) oder Plutonium-239 (239Pu) als radioaktives Element verwendet. Die Zahl steht dabei für die Masse des Atomkerns in u (1u = 1.66 × 10-24 g). In natürlichem Uranerz sind weniger als 1 % aller Uranatome Uran-235, über 99 % aller Uranatome (Isotope) sind Uran-238. Um das Uran zur Stromerzeugung nutzen zu können, muss es auf bis zu 5 % Uran-235 Isotope angereichert werden. Das Uran wird dann als Uranoxid zu Pellets gepresst und in metallene Brennstäbe eingeführt. Pro Jahr benötigt das AKW Gösgen 20 t (1 m3) angereichertes Uran. Diese werden aus 200 t Natururan gewonnen.

Um dieses AKW mit einem Kohlekraftwerk zu ersetzen, müssten jährlich 9 Millionen Tonnen Braunkohle herangekarrt und verbrannt werden. Dabei entstehen sehr viele Abgase und Rauchpartikel, welche herausgefiltert werden müssen, sowie grosse Mengen an Schlacke.

Atomkernzerfall

Zerfällt ein Atomkern in zwei Teile, entstehen zwei neue Elemente. Aus Uran 235 können beispielsweise Barium und Krypton, Caesium und Rubidium oder Xenon und Strontium entstehen. Zusätzlich entstehen auch Strahlungen. Je nachdem, welcher Kern zerfällt, werden Alpha-, Beta-, oder Gamma-Strahlung sowie 2 - 3 Neutronen und viel Wärme ausgesendet. Die Neutronen sind wichtig, um im Atomreaktor zusätzlich neue Kerne zum Zerfall zu bringen. Um also ein Atomkraftwerk zum Laufen zu bringen, braucht man anfangs eine Neutronenquelle.

Über die Manipulation des Neutronenaustauschs wird dann ein Reaktor auch für Wartungsarbeiten stillgelegt. Fährt man Steuerstäbe in den Reaktor, fangen diese die freien Neutronen auf und verhindern so ihre erneute Kollision mit anderen Uranatomkernen. So kann die Anzahl der Zerfälle auf die natürliche Zerfallsrate reduziert werden. Solange die Brennstäbe mit Kühlwasser gekühlt werden, bleibt der Reaktor harmlos für die Umgebung.

Der Reaktordruckbehälter, in dem die radioaktiven Zerfälle stattfinden, besteht aus mehreren Metern Beton und Stahl. Diese Menge an Material nötig, um auch die besonders durchdringende Gamma-Strahlung, abzuschirmen. Der Reaktordruckbehälter, steht in einem unscheinbaren Reaktorgebäude neben dem markanten Kühlturm.

Sicherheit

In einem Atomkraftwerk ist die Kühlung das Wichtigste. Würde die Kühlung versagen, könnte es zu einer Kernschmelze kommen. Die bei einer Kernschmelze entstehenden Temperaturen sind so hoch, dass Beton schmilzt. Dadurch kann Radioaktivität in die Umwelt gelangen. Um also die Kühlung und somit die Sicherheit der Anlage jederzeit gewährleisten zu können, hat jedes Schweizer Atomkraftwerk mehrere doppelt und vierfach geführte Sicherheitssysteme. Dabei werden Dieselgeneratoren an Orten untergebracht die vor Überschwemmungen, Bombenanschlägen sowie Erdbeben möglichst sicher sind. Die derzeitige Notstandssystem-Erweiterung von Beznau kostet insgesamt 500 Mio. Franken.

Atomstrom hat unbestritten Vorteile gegenüber Kohle- oder Gaskraftwerken. Die enormen Kosten der Sicherheitssysteme müssen allerdings noch durch diejenigen der Endlagerung ergänzt werden (mehr dazu in einer Woche). Es lohnt sich also weiterhin in Alternativen und vor allem auch in Stromspeichertechnologien zu investieren. Während der Schönwetter- und Hitzeperiode von Ende Juni bis Ende Juli 2015 trug die Produktion der Solaranlagen im Durchschnitt rund 5 Prozent zum Strombedarf bei. Die Spitzenwerte an Sonntagen lagen sogar bei rund 20 Prozent. Dies reichte vorige Woche aus, um das Stromnetz am Laufen zu halten, obwohl alle fünf Atomreaktoren heruntergefahren waren.

Weitere Informationen:
Swisssolar: Rückblick Hitzewelle
Quelle Urananreicherung
Quelle AKW Gösgen
Quelle Braunkohlekraftwerk

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