Ein einziges Uranbrennstoffpellet, kaum größer als ein Stück Würfelzucker, enthält so viel Energie wie eine Tonne Kohle. Stapelt man einige hunderttausend dieser Pellets in einen Stahlbehälter und spaltet ihre Atome in einer kontrollierten Kettenreaktion, kann man eine Stadt jahrelang mit Strom versorgen, ohne ein einziges Gramm fossiler Brennstoff zu verbrennen. Im Jahr 2024 erzeugten Kernreaktoren weltweit insgesamt einen Rekord von 2.667 Terawattstunden, mehr als in jedem anderen Jahr der Geschichte. Wie funktioniert ein Kernreaktor, von der Rohstoffgewinnung bis zur Steckdose? Genau das erklärt dieser Artikel.
Am Anfang steht Uran
Uran ist ein Schwermetall, das in Gesteinen auf der ganzen Welt vorkommt. Natürliches Uran enthält zwei Hauptformen: Uran-238 (die überwältigende Mehrheit) und Uran-235 (weniger als 1 %). Nur Uran-235 kann in konventionellen Reaktoren eine Kettenreaktion aufrechterhalten, weshalb der Rohstoff zunächst angereichert werden muss, um den Anteil von U-235 zu erhöhen, typischerweise auf etwa 3 bis 5 %.
In einer Brennstofffabrik wird angereichertes Uran zu Urandioxid-Pulver (UO2) verarbeitet. Dieses Pulver wird zu kleinen zylindrischen Pellets gepresst und zu einer dichten Keramikform gesintert. Jedes Pellet ist etwas weniger als einen Zentimeter im Durchmesser und etwas mehr als einen Zentimeter lang.
Diese Pellets werden in lange Rohre aus einer korrosionsbeständigen Zirkoniumlegierung gestapelt. Jedes versiegelte Rohr ist ein Brennstab. Typischerweise werden mehr als 200 Brennstäbe zu einem Brennelement gebündelt. Ein Reaktorkern enthält je nach Leistung des Kraftwerks einige hundert solcher Brennelemente.
KernspaltungSpaltung eines schweren Atomkerns in zwei kleinere Kerne unter Freisetzung von Energie und weiteren Neutronen. Sie bildet die Grundlage der Kernenergieerzeugung.: Wie Kernreaktoren Strom erzeugen
Das grundlegende Prinzip ist die Kernspaltung. Wenn ein langsames Neutron auf einen Uran-235-Kern trifft, zerfällt dieser in zwei kleinere Kerne (zum Beispiel Barium und Krypton) und setzt zwei oder drei weitere Neutronen frei. Diese Neutronen spalten weitere Uranatome und erzeugen so eine selbsttragende Kettenreaktion.
Bei jeder Kernspaltung werden etwa 200 Millionen Elektronenvolt (MeV) Energie freigesetzt, hauptsächlich als kinetische EnergieDie Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Bewegung besitzt. Eine Masse, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, trägt kinetische Energie proportional zu ihrer Masse und dem Quadrat ihrer Geschwindigkeit und bestimmt ihre Zerstörungskraft beim Aufprall. der Spaltfragmente. Da diese Fragmente im festen Brennstoff nur mikroskopisch kleine Strecken zurücklegen können, wandelt sich ihre kinetische Energie direkt in Wärme um. Diese Wärme ist der Antrieb jedes Kernkraftwerks.
Die Reaktion unter Kontrolle
Ein Kernreaktor ist keine Bombe. Die Kettenreaktion wird sorgfältig kontrolliert, um eine gleichmäßige, vorhersehbare Wärmemenge zu erzeugen.
Zwei Systeme machen dies möglich. Erstens befinden sich die Brennstäbe im Wasser, das als Moderator wirkt: Es verlangsamt die schnellen Neutronen aus der Kernspaltung auf Geschwindigkeiten, bei denen sie mit weit höherer Wahrscheinlichkeit eine weitere Spaltung auslösen. Zweitens können Steuerstäbe aus neutronenabsorbierenden Materialien wie Bor, Silber und Cadmium in den Kern eingeführt werden, um Neutronen aufzunehmen und die Reaktion zu verlangsamen, oder herausgezogen werden, um sie zu beschleunigen.
Die Physik selbst enthält eine eingebaute Sicherheitsfunktion. Ein kleiner Anteil der Neutronen aus der Spaltung wird mit einer leichten Verzögerung freigesetzt. Diese verzögerten Neutronen sind der entscheidende Faktor, der einen Reaktor kontrollierbar macht, da die Operatoren Zeit haben, die Reaktionsrate anzupassen, anstatt sofortigen Änderungen hinterherzujagen.
Von der Wärme über den Dampf zur Turbine
Sobald die Kernspaltung Wärme erzeugt, ist der Rest des Prozesses konzeptionell einfach: Wasser erhitzen, Dampf erzeugen, Turbine antreiben.
Es gibt zwei Hauptbauformen, die in kommerziellen Reaktoren weltweit eingesetzt werden:
Druckwasserreaktoren (DWR) sind weltweit der häufigste Typ und stellen mehr als 80 % der weltweiten Kernkraftflotte. In einem DWR wird das Wasser im Reaktorkern unter enormem Druck (etwa 155 Atmosphären) gehalten, damit es nicht siedet, obwohl es etwa 320 °C erreicht. Dieses überhitzte Wasser fließt durch einen Dampferzeuger, wo es einen zweiten Wasserkreislauf mit niedrigerem Druck erhitzt. Dieses Sekundärwasser verdampft zu Dampf, der die Turbine antreibt. Primär- und Sekundärkreislauf mischen sich nie.
Siedewasserreaktoren (SWR) verfolgen einen direkteren Ansatz. Das Wasser wird durch den Reaktorkern gepumpt, durch Kernspaltung erhitzt und verdampft direkt im Reaktordruckbehälter. Dieser Dampf geht direkt zur Turbine. Weniger Bauteile, aber der Dampf, der die Turbine berührt, war im Reaktor, was die Wartung komplizierter macht.
Bei beiden Bauformen treibt der Dampf eine mit einem elektrischen Generator verbundene Turbine an und wandelt mechanische Energie in Strom um.
Vom Generator in Ihr Zuhause
Der Generator eines Kernkraftwerks erzeugt typischerweise Strom bei 15.000 bis 24.000 Volt. Das ist für die Fernübertragung viel zu niedrig. Ein Transformator im Kraftwerk hebt die Spannung auf 225.000 bis 400.000 Volt an, damit Strom mit minimalen Energieverlusten über Hunderte von Kilometern durch das Netz transportiert werden kann. In der Nähe Ihres Hauses reduzieren Abwärtstransformatoren die Spannung wieder auf nutzbare Werte.
Nachdem der Dampf durch die Turbine geströmt ist, muss er wieder zu Wasser abgekühlt werden, damit er erneut erhitzt und genutzt werden kann. Das ist die Aufgabe des Kondensators, der von einer separaten Kühlwasserquelle gespeist wird: einem Fluss, dem Meer oder großen Kühltürmen, die die Abwärme als Wasserdampf an die Atmosphäre abgeben. Die charakteristischen Schwaden, die aus Kernkraftwerktürmen aufsteigen, sind kein Rauch, sondern Wasserdampf.
Über welche Energiemengen sprechen wir?
Die Zahlen sind beeindruckend. Ein typischer Reaktor benötigt jährlich etwa 27 Tonnen frischen Brennstoff. Ein Kohlekraftwerk, das die gleiche Strommenge erzeugt, würde mehr als zweieinhalb Millionen Tonnen Kohle verbrennen.
Im Jahr 2024 arbeitete die weltweite Flotte von 440 Reaktoren mit einem durchschnittlichen Kapazitätsfaktor von 83 %, was bedeutet, dass sie 83 % der theoretisch möglichen maximalen Strommenge erzeugten. Das ist höher als bei jeder anderen großen Stromquelle. Derselbe Bericht stellte fest, dass Kernenergie dazu beitrug, 2,1 Milliarden Tonnen CO2–Emissionen im Vergleich zur gleichwertigen Kohleerzeugung zu vermeiden.
Der Haken: Nur etwa ein Drittel der durch Kernspaltung erzeugten Wärme wird tatsächlich zu Strom. Der Rest ist Abwärme, die vom Kühlsystem abtransportiert wird. Das ist keine Besonderheit der Kernkraft; es ist eine grundlegende Grenze aller Wärmekraftmaschinen, die durch die Gesetze der Thermodynamik bestimmt wird.
Ein einziges Urandioxid-Brennstoffpellet mit einem Durchmesser von etwa 8 mm und einer Länge von 10 mm enthält so viel Energie wie eine Tonne Kohle. Die Energiedichte von spaltbarem Uran-235 beträgt etwa 82 TJ/kg, das ist rund 3,4 Millionen Mal mehr als bei Kohle. Im Jahr 2024 stellte die weltweite Kernkraftflotte einen Erzeugungsrekord auf: 2.667 TWh aus 440 betriebsfähigen Reaktoren. Dieser Artikel verfolgt die vollständige Energieumwandlungskette, durch die Kernreaktoren Strom erzeugen, Stufe für Stufe, thermodynamisch und elektrisch.
Brennstofffabrikation: Von UF6 zu keramischen Pellets
Der Brennstoffkreislauf beginnt mit Uranhexafluorid (UF6), der chemischen Form, die bei der Anreicherung verwendet wird. In einer Fabrikationsanlage wird UF6 in die Gasphase erhitzt und dann chemisch zu Urandioxid-Pulver (UO2) verarbeitet. Die Umwandlung kann auf dem Trockenweg erfolgen (UF6 reagiert mit Dampf und Wasserstoff in einem Drehofen) oder auf dem Nassweg (UF6 in Wasser gelöst, als Ammoniumdiuranat oder Ammoniumuranylcarbonat ausgefällt, dann zu UO2 reduziert).
Das UO2-Pulver wird bei mehreren hundert MPa zu zylindrischen Pellets gepresst und bei etwa 1.750 °C unter reduzierender Argon-Wasserstoff-Atmosphäre gesintert. Das Ergebnis ist eine dichte Keramik mit präzise kontrollierten Abmessungen und Mikrostruktur. Für Leichtwasserreaktoren wird das Uran auf bis zu etwa 4,8 % U-235 angereichert.
Die Pellets werden in Rohre aus Zirkoniumlegierung (Zircaloy) geladen, die wegen ihrer geringen Neutronenabsorption und hohen Korrosionsbeständigkeit gewählt wird. Jedes Rohr wird mit Helium gespült, auf mehrere MPa druckbeaufschlagt und durch Präzisionsschweißen versiegelt. Ein Plenumsraum oberhalb des Pelletstapels nimmt die Wärmeausdehnung und den Spaltgasaufbau auf.
Diese versiegelten Brennstäbe werden zu starren Gitterstrukturen zusammengebaut. Ein 1.100-MWe-DWR-Kern enthält typischerweise 193 Brennelemente mit über 50.000 Brennstäben und rund 18 Millionen Brennstoffpellets. Ein Standard-DWR-Brennelement verwendet ein 17×17-Stabgitter, ist 4 bis 5 Meter hoch, wiegt etwa eine halbe Tonne und enthält freie Positionen für Steuerstabeinsatz und Instrumentierung.
KernspaltungSpaltung eines schweren Atomkerns in zwei kleinere Kerne unter Freisetzung von Energie und weiteren Neutronen. Sie bildet die Grundlage der Kernenergieerzeugung.: Die Energiequelle
Wenn ein thermisches Neutron (kinetische EnergieDie Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Bewegung besitzt. Eine Masse, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, trägt kinetische Energie proportional zu ihrer Masse und dem Quadrat ihrer Geschwindigkeit und bestimmt ihre Zerstörungskraft beim Aufprall. ~0,025 eV, Geschwindigkeit ~2 km/s) von einem U-235-Kern eingefangen wird, ist der entstehende U-236-Verbundkern hochinstabil. Er zerfällt in zwei Spaltfragmente (typischerweise mit Massenzahlen um 95 und 135) und setzt 2 bis 3 Neutronen frei, im Durchschnitt 2,45 Neutronen pro Spaltvorgang.
Die gesamte Energiefreisetzung beträgt im Mittel etwa 200 MeV (3,2 x 10-11 J) pro Spaltung. Die Energiebilanz gliedert sich wie folgt:
- ~85 % als kinetische Energie der Spaltfragmente (innerhalb von Mikrometern des Spaltortes in Wärme umgewandelt)
- ~2,5 % als kinetische Energie prompter Neutronen
- ~2,5 % als prompte Gammastrahlung
- ~10 % als verzögerte Energie aus dem Betazerfall der Spaltprodukte und der anschließenden Gammaemission
Die Spaltprodukte (Isotope von Barium, Krypton, Strontium, Cäsium, Iod, Xenon und anderen) sind hochradioaktiv und erzeugen auch nach dem Ende der Kettenreaktion weiterhin Nachzerfallswärme. Deshalb muss die Reaktorkühlung nach dem Abschalten fortgesetzt werden: Unmittelbar nach dem Scram erzeugt der Brennstoff noch etwa 6 % der Volllastleistung, und selbst nach einem Jahr produziert typischer abgebrannter Brennstoff etwa 10 kW Nachzerfallswärme pro Tonne.
Wie Kernreaktoren Strom erzeugen: Neutronik und Reaktorregelung
Die Aufrechterhaltung einer kontrollierten Kettenreaktion erfordert die Einhaltung der KritikalitätZustand eines Kernreaktors, bei dem jede Kernspaltung genau ein Neutron liefert, das eine weitere Spaltung auslöst und so eine stabile Kettenreaktion aufrechterhält.: des Zustands, in dem genau ein Neutron aus jeder Spaltung eine weitere Spaltung auslöst. Die zentralen Mechanismen:
Moderation. Schnelle Neutronen aus der Kernspaltung (~2 MeV, ~20.000 km/s) haben einen sehr kleinen Spaltungsquerschnitt für U-235. Sie müssen auf thermische Energien (~0,025 eV) abgebremst werden, wo der Spaltungsquerschnitt sehr groß wird. In Leichtwasserreaktoren dient gewöhnliches Wasser als Moderator, das Neutronen durch elastische Stöße mit Wasserstoffkernen abbremst.
Steuerstäbe. Stäbe aus neutronenabsorbierenden Materialien können in den Reaktorkern eingeführt werden, um die Reaktionsrate zu verringern, oder herausgezogen werden, um sie zu erhöhen. DWR verwenden typischerweise Silber-Indium-Cadmium-Legierungen (80 % Ag, 15 % In, 5 % Cd), während SWR Borcarbid (B4C) nutzen. Die Legierungszusammensetzung nutzt verschiedene Neutronenabsorptionsresonanzenergien für eine breitbandige Einfangwirkung.
Verzögerte Neutronen. Etwa 0,66 % der Neutronen aus der U-235-Spaltung sind verzögert und werden Sekunden bis Minuten nach der Spaltung durch den Betazerfall bestimmter Spaltprodukte emittiert. Die langlebigste Gruppe verzögerter Neutronen hat eine Halbwertszeit von etwa 56 Sekunden. Dieser kleine Anteil ist es, der Reaktoren auf menschlichen Zeitskalen regelbar macht. Ohne verzögerte Neutronen wäre die Reaktorperiode (die Zeit, in der die Leistung um den Faktor e ansteigt) ein Bruchteil einer Millisekunde, was eine mechanische Regelung unmöglich machen würde.
Abbrennbare Absorber. Frischer Brennstoff mit hoher Anreicherung würde eine übermäßige anfängliche Reaktivität erzeugen. Gadoliniumoxid oder Zirkoniumdiborid wird in ausgewählte Brennstoffpellets eingearbeitet, um Neutronen zu Beginn der Brennstofflebensdauer zu absorbieren. Wenn diese Absorber durch Neutroneneinfang verbraucht werden, setzen sie schrittweise Reaktivität frei, um die Brennstofferschöpfung zu kompensieren, und ermöglichen so längere Betriebszyklen zwischen den Nachladungen.
Thermodynamische Umwandlung: Der Rankine-Kreislauf
Die Wärme aus der Kernspaltung treibt einen Rankine-Dampfkreislauf an, das gleiche thermodynamische Prinzip wie in Kohle- und Gaskraftwerken. Der entscheidende Unterschied liegt in der Wärmequelle.
Druckwasserreaktoren arbeiten mit einem Zweikreissystem. Das primäre Kühlmittel (Wasser bei ~15,5 MPa, ~155 Atmosphären) strömt durch den Kern und erhitzt sich auf etwa 320 °C, ohne zu sieden. Es überträgt diese Wärme über U-Rohr-Dampferzeuger auf einen Sekundärkreislauf, wo Wasser mit niedrigerem Druck verdampft und Dampf bei etwa 6 MPa und 275 °C erzeugt. Dieser nahezu gesättigte Dampf (Dampfgehalt x ≈ 0,995) tritt in die Hochdruckturbinenphase ein.
Nach der Hochdruckstufe durchläuft der Dampf Feuchtigkeitsabscheider-Zwischenüberhitzer, um Wassertröpfchen zu entfernen und die Dampftemperatur vor dem Eintritt in die Niederdruckturbinenstufen zu erhöhen. Ohne Zwischenüberhitzung würde Dampf schlechter Qualität die Turbinenschaufeln erodieren. Der erschöpfte Dampf tritt bei etwa 0,008 MPa (weit unterhalb des Atmosphärendrucks) in den Kondensator ein, teilweise kondensiert mit einem Dampfgehalt nahe 90 %.
Siedewasserreaktoren vereinfachen das System, indem sie Dampf direkt im Reaktordruckbehälter erzeugen. Der Betriebsdruck ist niedriger (~7 MPa gegenüber ~15,5 MPa bei DWR), und der Dampf geht direkt zur Turbine. Dies entfällt den Dampferzeuger, bedeutet aber, dass die Turbinenanlage für leicht radioaktiven Dampf ausgelegt sein muss (hauptsächlich durch N-16-Aktivierung des Wassers).
Der theoretische Maximalwirkungsgrad (Carnot) für einen typischen DWR mit einem Wärmereservoir bei ~549 K und einem Kältereservoir bei ~315 K beträgt etwa 42,6 %. Reale Irreversibilitäten (Reibung, Wärmeverluste, nicht-ideale Expansion) reduzieren den tatsächlichen thermischen Wirkungsgrad auf etwa 33 %. Das bedeutet, dass ein 3.000-MWth-Reaktor etwa 1.000 MWe elektrische Leistung erzeugt. Die verbleibenden zwei Drittel der thermischen Energie werden als Abwärme über den Kondensator und das Kühlsystem abgeführt.
Elektrische Umwandlung und Netzintegration
Die Turbinenwelle treibt einen Synchrongenerator an, der typischerweise dreiphasigen Wechselstrom bei der Netzfrequenz (50 Hz oder 60 Hz je nach Region) erzeugt. Die Generatorausgangsspannung liegt typischerweise bei 15 bis 24 kV.
Ein Blocktransformator hebt diese Spannung sofort auf 225.000 bis 400.000 Volt für die Hochspannungsübertragung an. Die Physik ist eindeutig: Höhere Spannung bedeutet bei gleicher Leistung geringeren Strom, und die ohmschen Verluste in den Übertragungsleitungen sind proportional zum Quadrat des Stroms (P = I2R). Die Fernübertragung bei hoher Spannung ist für eine wirtschaftliche Stromlieferung zu den Verbrauchszentren unerlässlich.
Kernkraftwerke arbeiten typischerweise als Grundlastkraftwerke. Ihr globaler durchschnittlicher Kapazitätsfaktor von 83 % im Jahr 2024 ist der höchste aller großen Stromquellen, was sowohl die Physik (ein Reaktorkern hat zwischen den Nachladevorgängen für 12 bis 18 Monate Brennstoff) als auch die Wirtschaftlichkeit (hohe Kapitalkosten, geringe Brennstoffkosten, begünstigen den Dauerbetrieb) widerspiegelt.
Das Abwärmeproblem und der Plutonium-Bonus
Die zwei Drittel der thermischen Energie, die als Abwärme abgegeben werden, sind kein Konstruktionsfehler; sie sind eine Folge des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Die Effizienzgrenze wird durch den Temperaturunterschied zwischen dem Dampf und dem Kondensator bestimmt. Kernkraftwerke arbeiten bei niedrigeren Dampftemperaturen als moderne Kohle- oder Gaskraftwerke (die 600 °C und mehr erreichen können), was ihren Carnot-Wirkungsgrad begrenzt. Überkritische Wasserreaktorkonzepte, die noch in der Entwicklung sind, streben Betriebsdrücke über 22,1 MPa an und könnten thermische Wirkungsgrade von 45 % erreichen.
Dabei vollbringt der Reaktor noch einen weiteren Trick. Der Neutroneneinfang durch U-238 erzeugt Plutonium-239, das selbst spaltbar ist. Über einen typischen dreijährigen Brennstoffzyklus trägt Pu-239 zu etwa einem Drittel der gesamten Energieproduktion bei. Der Reaktor erzeugt und verbrennt während seines Betriebs einen zweiten Brennstoff.
Im Jahr 2024 half diese gesamte Umwandlungskette dabei, 2,1 Milliarden Tonnen CO2–Emissionen im Vergleich zur gleichwertigen Kohleerzeugung zu vermeiden. Die Physik hat sich nicht verändert, seit der erste Reaktor 1942 die Kritikalität erreichte. Was sich verändert hat, sind Maßstab, Präzision und die wachsende Erkenntnis, dass die Kernspaltung eine der konzentriertesten Energiequellen bleibt, die der Zivilisation zur Verfügung stehen.
