Kernkraftwerk – Funktionsweise

Ein Kernkraftwerk nutzt die Kernspaltung, um Wärmeenergie zu erzeugen, die anschließend wie in einem herkömmlichen Kraftwerk in elektrische Energie umgewandelt wird. Im Reaktorkern spalten Neutronen Kerne des Isotops Uran-235, dabei entstehen zwei leichtere Kerne, mehrere neue Neutronen und vor allem sehr viel Energie in Form von Wärme.

Diese Wärme erhitzt Wasser in einem geschlossenen Kreislauf, der Dampf treibt eine Turbine an, und die Turbine wiederum einen Generator, der schließlich elektrischen Strom liefert. Prinzipiell unterscheidet sich ein Kernkraftwerk hier kaum von einem Kohlekraftwerk, nur die Wärmequelle ist eine andere: Kernspaltung statt Verbrennung von Kohle oder Gas.

Damit die Kernspaltung kontrolliert abläuft und nicht wie bei einer Kernwaffe schlagartig, werden Steuerstäbe aus neutronenabsorbierenden Materialien in den Reaktorkern gefahren. Sie regeln, wie viele Neutronen für weitere Spaltungen zur Verfügung stehen, und ermöglichen so eine gleichmäßige, dauerhafte Energiefreisetzung.

Bei der Kernspaltung trifft ein Neutron auf den Kern eines Uran-235-Atoms, das dadurch instabil wird und in zwei kleinere Kerne zerfällt. Gleichzeitig werden zwei bis drei neue Neutronen freigesetzt sowie eine große Menge Energie, die vor allem als Bewegungsenergie der Spaltprodukte auftritt und sich als Wärme bemerkbar macht.

Treffen die neu freigesetzten Neutronen auf weitere Uran-235-Kerne, lösen sie dort erneut Spaltungen aus, sodass sich die Reaktion von selbst am Laufen hält. Diesen sich selbst erhaltenden Vorgang nennt man Kettenreaktion, sie ist das Grundprinzip jedes Kernreaktors und muss durch Steuerstäbe und einen Moderator kontrolliert werden.

Der Moderator, meist Wasser, hat die Aufgabe, die bei der Spaltung entstehenden schnellen Neutronen abzubremsen, denn langsame Neutronen lösen deutlich zuverlässiger weitere Spaltungen aus als schnelle. Ohne Moderator würde die Kettenreaktion in den meisten Reaktortypen schnell zum Erliegen kommen.

Nach der Kernspaltung bleiben radioaktive Spaltprodukte im verbrauchten Brennelement zurück, die über sehr lange Zeiträume Strahlung abgeben. Dieser hochradioaktive Abfall muss sicher gelagert werden, in Deutschland derzeit in Zwischenlagern, während die Suche nach einem geeigneten Endlager noch andauert.

Ein häufiger Fehler ist die Vorstellung, ein Kernkraftwerk könne wie eine Atombombe explodieren. Die Uran-Anreicherung in Reaktor-Brennelementen liegt bei nur etwa 3 bis 5 Prozent des spaltbaren Isotops Uran-235, für eine Kernwaffe wäre eine Anreicherung von über 90 Prozent nötig, eine unkontrollierte nukleare Explosion ist in einem zivilen Reaktor deshalb ausgeschlossen.

Kühltürme, die viele mit Kernkraftwerken verbinden, gehören technisch nicht zwingend zur Kernspaltung selbst, sondern kühlen den Wasserdampf des Sekundärkreislaufs zurück zu Wasser, damit der Kreislauf erneut beginnen kann. Auch Kohlekraftwerke nutzen häufig solche Kühltürme, der weiße Dampf daraus ist einfach Wasserdampf, keine radioaktive Wolke.

Deutschland hat seine Kernkraftwerke schrittweise abgeschaltet: 2000 vereinbarte die damalige Bundesregierung im sogenannten Atomkonsens einen geordneten Ausstieg, nach der Reaktorkatastrophe von Fukushima 2011 wurden acht Kraftwerke sofort vom Netz genommen. Die letzten drei deutschen Kernkraftwerke, Isar 2, Emsland und Neckarwestheim 2, gingen im April 2023 endgültig vom Netz.

Diese Lektion beschreibt die Funktionsweise von Kernkraftwerken bewusst sachlich und ausgewogen: Kernkraft liefert zuverlässig große Mengen Strom nahezu ohne CO2-Ausstoß im laufenden Betrieb, wirft aber ungelöste Fragen zur Endlagerung radioaktiver Abfälle und zu Sicherheitsrisiken bei seltenen, schweren Störfällen auf. Beide Aspekte gehören zu einem vollständigen physikalischen und gesellschaftlichen Verständnis des Themas.

Für die Klassenarbeit ist wichtig, die einzelnen Schritte der Energieumwandlung in der richtigen Reihenfolge zu nennen: Kernspaltung, Erwärmung des Primärkreislaufs, Dampferzeugung im Sekundärkreislauf, Turbine, Generator. Auch die Rolle von Moderator und Steuerstäben bei der kontrollierten Kettenreaktion wird häufig abgefragt.