Wie funktioniert ein Atomkraftwerk?

Funktionsweise Kernkraftwerk

Das Grundprinzip der Leistung eines Atomkraftwerks/Kernkraftwerks besteht darin, Wasser zu erhitzen – mit Hilfe des entstehenden Wasserdampfes wird schließlich in mehreren Prozessen elektrische Energie gewonnen.
Während dieses Prinzip dem herkömmlicher Kohlekraftwerke ähnelt, stammt die Energie des Kernkraftwerks zum Erhitzen des Wassers aus der Kernspaltung.

Bauprinzip:
Ein Atomkraftwerk verfügt in der Regel über zwei voneinander getrennte Einheiten; während in einer nuklearen Einheit die Kernspaltung stattfindet, erfolgt in einer konventionellen Einheit die Stromproduktion.

Nukleare Einheit:
Wesentliche Teile der nuklearen Einheit eines Atomkraftwerks sind der Reaktorkern mit Reaktordruckbehälter und der ihn umgebende Kernreaktor. Der Reaktorkern enthält den sogenannten Kernbrennstoff – das Material, an dem Kernspaltungen durch Neutronenbeschuss hervorgerufen werden; so beispielsweise radioaktive Isotope von Uran oder Plutonium, die in Rohre gefüllt die Brennstäbe darstellen. Die Brennstäbe sind von Wasser umgeben – zum einen hat dies den Sinn, die Stäbe zu kühlen, zum anderen bewirkt das Wasser als sogenannter Moderator eine Verlangsamung der Teilchen, die durch die Kernspaltung entstehen; nur so werden weitere Kernspaltungen möglich. Durch die Spaltungen werden große Mengen Wasser erhitzt, die so in Wasserdampf umgewandelt werden.
Deutsche Kernkraftwerken sind mit sogenannten Druck- oder Siedewasserreaktoren versehen; in beiden Fällen ist der Reaktorkern umgeben von einem Reaktordruckbehälter (einem Stahlbehälter in zylindrischer Form, in dem der Druck gegenüber dem Umgebungsdruck erhöht ist), der wiederum umgeben ist von einem weiteren Sicherheitsbehälter (auch ‚Containment‘ genannt). Letzterer dient dazu, radioaktive Strahlung zu absorbieren.
Um Reaktorendruckbehälter vor Überdruck bei technischen Schwierigkeiten zu schützen, sind erstere durch voneinander unabhängige Sicherheitsventile gesichert – tritt eine Störung des Druckausgleichs auf, wird der Dampf auf diesem Weg direkt in eine Kondensatkammer geleitet, wo er kondensiert wird.

Reaktortypen (Druckwasser- versus Siedewasserreaktoren):
Die Konstruktion von deutschen Atomkraftwerken unterscheidet sich unter anderem durch das Vorhandensein von Druckwasser- oder Siedewasserreaktoren:
In Druckwasserreaktoren geschieht die Umwandlung in Energie auf indirektem Weg wie in Wärmekraftwerken (beispielsweise Kohlekraftwerke). Charakteristisch für den Druckwasserreaktor ist das Vorliegen dreier unabhängiger Wasserkreisläufe: In einem ersten Wasserkreislauf wird das durch die Kernspaltung erhitzte Wasser durch die Erzeugung eines hohen Drucks zunächst flüssig gehalten; in einem Dampferzeuger wird das Wasser dann in Wasserdampf umgewandelt. Der Austritt des Dampferzeugers ist mit einem Aktivitätsmessgerät ausgestattet; so wird im Falle eines Lecks ein Übertritt von radioaktivem Wasser sofort angezeigt. Der Wasserdampf gelangt dann über einen zweiten Wasserkreislauf in die konventionelle Einheit des Atomkraftwerks, wo er eine Dampfturbine antreibt; durch die Turbine wird der Wasserdampf expandiert und in kleinen Teilen kondensiert. Die Turbine ist dabei vom nuklearen Teil des Kraftwerks abgeriegelt. In einem dritten Wasserkreislauf wird die Turbine gekühlt – häufig beispielsweise durch zugeleitetes Flusswasser.
Siedewasserreaktoren weisen eine einfachere Bautechnik auf: Im Gegensatz zu den Druckwasserreaktoren siedet das erhitzte Wasser bereits innerhalb des Reaktordruckbehälters – der entstehende Wasserdampf wird dann direkt in Dampfturbine weitergeleitet, die sich im Maschinenhaus des konventionellen Teils des Atomkraftwerks befindet. Durch das Fehlen getrennter Wasserkreisläufe gelangt radioaktives Wasser in die Turbine zur Energieproduktion – das Maschinenhaus muss daher ebenfalls mit Sicherheitsvorkehrungen ausgestattet werden.

Konventionelle Einheit (Gewinnung von kinetischer und elektrischer Energie):
Ganz oder eingeschränkt getrennt vom nuklearen Abschnitt (je nach Vorliegen eines Dampf- oder Siedewasserreaktors) findet dann die Produktion von kinetischer und elektrischer Energie statt: Der Wasserdampf treibt eine Dampfturbine an, die mit einem Generator zur Gewinnung von elektrischem Strom verbunden ist.
In der Dampfturbine im Maschinenhaus wird die Wärmeenergie des Wasserdampfes zunächst in Rotationsenergie umgewandelt – die Welle der Dampfturbine ist dabei in der Regel gekoppelt mit der Generatorenwelle. Eine Turbine verfügt über einen Hochdruckteil und mehrere abgestufte Niedrigdruckteile – begonnen in den Hochdruckteilen wird der Wasserdampf nun mit abnehmendem Feuchtigkeitsanteil über die Niedrigdruckteile geleitet.
Der angebundene Generator nimmt die kinetische Energie der Turbine auf und gibt elektrische Energie ab; für den Fall von Störungen des Generators, bei denen letzterer an Aufnahmekapazität für die mechanische Energie der Turbine verliert, werden Sicherheitsventile aktiviert, die regulierend frischen Wasserdampf noch vor dessen Eintritt in die Turbine austreten lassen und ihn direkt in einen Kondensator leiten, in dem der Dampf wieder verflüssigt wird; einer Zerstörung der Turbine aufgrund zu hoher Zentrifugalkräfte wird so entgegengewirkt. Aufgrund der zeitlich eingeschränkten zusätzlichen Aufnahmeleistung des Kondensators wird in solchen Fällen aber außerdem der Reaktor herunter gefahren.
Häufig befindet sich das Maschinenhaus, in dem die Dampfturbine eines Atomkraftwerks untergebracht ist, in einem vom Reaktorgebäude getrennten Bau – bei einer möglichen Zerstörung der Turbine kann so vermieden werden, dass umherfliegende Trümmerteile den Reaktor gefährden.

Geschichte:
Das weltweit erste Kernkraftwerk ging 1954 in Obinsk, Russland, ans Netz; die elektrische Leistung des Werkes belief sich derzeit auf 5 MW. Als erstes kommerziell genutztes Kraftwerk gilt ein Kernkraftwerk in Großbritannien, das 1956 in Betrieb genommen wurde.
Zu Beginn der Entwicklung von Kernkraftwerken wurden in vielen Fällen Siedewasserreaktoren gebaut; deren Konstruktion ist weniger kompliziert und einfacher zu kontrollieren. Auch das in Deutschland errichtete erste Kernkraftwerk wurde mit einem Siedewasserreaktor ausgestattet. Im Laufe der Zeit ging man allerdings dazu über, Kernkraftwerke mit Druckwasserreaktoren zu versehen; neben höheren Leistungen umfassen solche Werke einen kleineren nuklearen Kontrollbereich. 1968 wurde in Baden-Württemberg das erste deutsche Kernkraftwerk mit Druckwasserreaktor in Betrieb genommen.
Man unterteilt Kernkraftwerke entsprechend ihrer Entwicklung in verschiedene sogenannte Generationen: Zur ersten Generation von kommerziellen Prototypen zählen beispielsweise Brutreaktoren: Durch sie wird zwar ebenso elektrische Energie gewonnen, außerdem haben sie aber die Funktion, neues spaltbares Material zu produzieren; das geschieht unter anderem dadurch, dass Spaltungsprozesse nicht durch Moderatoren wie Wasser gebremst werden – die Spaltungsgeschwindigkeit steigt.
Zu den Kraftwerken zweiter Generation zählen beispielsweise die sogenannten CANDU-Reaktoren (Canada Deuterium Uranium): Dabei handelt es sich um Schwerwasserreaktoren – das bedeutet, dass chemisch schweres Wasser als Moderator (zur Abbremsung von Neutronen, die bei der Spaltung frei werden) und als Kühlmittel (beispielsweise Wasser, das Wärme abtransportiert) eingesetzt wird. Die Technik der CANDU-Reaktoren ist – beispielsweise im Vergleich zu Leichtwasserkraftwerken – weniger aufwendig; so verfügen die Reaktoren verfügen über separate Moderator- und Kühlmittelsysteme. Das durch die Brennelemente erwärmte Kühlmittel gibt Wärme in einem Dampferzeuger ab.
Zu den sogenannten Fortschrittlichen Reaktoren der dritten Generation zählen unter anderem Hochtemperaturreaktoren – höhere Arbeitstemperaturen werden beispielsweise erreicht durch den Einsatz von gasförmigem Kühlmittel und den Moderator Graphit. Auch der EPR (zunächst ‚European Pressurized Water Reactor‘; später umbenannt in ‚Evolutionary Power Reactor‘) soll in seiner weiter entwickelten Technik profitieren von den Erfahrungen mit den bisher hergestellten Kraftwerken mit Druckwasserreaktor; besonders die Sicherheitsvorkehrungen wurden bei dem Reaktor ausgebaut. Der sogenannte Advanced CANDU Reactor (ACR) zählt ebenfalls zur dritten Generation und wird im Gegensatz zum CANDU-Reaktor der zweiten Generation mit Leichtwasser gekühlt – als Moderator wird allerdings weiterhin schweres Wasser verwendet.
In die vierte Generation werden schließlich künftige Reaktortypenentwicklungen eingestuft werden.