©Daniel Bleyenberg

In den Medien wird immer wieder heftig über die Abschaltung von Atomkraftwerken diskutiert und wir wollen uns heute mal mit der Funktionsweise von einem AKW beschäftigen. Was ist überhaupt ein Atomkraftwerk genau und wie funktioniert es? Ich denke viele wissen die Antwort nicht, oder nur so ungefähr. Jeder kennt wohl die Gefahren von einem Atomkraftwerk, aber nur wenige was wirklich im Reaktor passiert. Gerade nach dem Unglück in Tschernobyl und Fukushima ist uns allen wieder bewusst geworden, wie gefährlich solche Kraftwerke sein können.

In einem Atom- oder Kernkraftwerk wird elektrischer Strom durch Wärme gewonnen. Diese Wärme kommt von der kontrollierten Kernspaltung. Doch jetzt erst mal der Reihe nach.

Atomkraftwerk oder Kernkraftwerk – Was ist richtig?

Bevor ich auf die genaue Funktionsweise im Detail eingehen möchte, kläre ich die Frage ob es Atomkraftwerk und Kernkraftwerk der richtige Begriff ist. Schaut man sich die Zahlen in Google an, so benutzen die meisten Menschen den Ausdruck Atomkraftwerk und AKW als Abkürzung. Dies ist aber physikalisch nicht richtig, denn eigentlich müssten die Kraftwerke KERN-Kraftwerke genannt werden. Der Energiegewinnungsprozess findet eigentlich im Kern statt, und nicht in der Atomhülle. Es werden in Reaktor nicht Atome, sondern Kerne gespalten. Da aber in der Bevölkerung beide Begriffe im Umlauf sind, werden wir hier auch weiterhin von Kern und Atomenergie sprechen.

Die Kernspaltung

Alle Atomkraftwerke beruhen auf dem Prinzip der Kernspaltung. Ganz allgemein lassen sich recht viele Kerne spalten, aber in den Kraftwerken können eigentlich nur zwei Kern oder Atomsorten eingesetzt werden. Dies ist zum einen Uran 235 und Plutonium 239. In der Natur kommt aber viel mehr Uran 238 als Uran 235 vor. Deshalb muss man diesen Brennstoff vor der Nutzung anreichern. Doch hierzu möchte ich nicht genauer eingehen. Dies geschieht vielleicht später mal in einem separaten Artikel. Doch nun zu der Frage, warum nur Uran 235 eingesetzt werden kann. Uran 235 ist eines der ganz wenigen Elemente im Periodensystem, welches sich durch langsame Neutronen spalten lässt. Mit schnellen Neutronen kann fast alles gespalten werden, doch woher soll die Energie kommen? Elemente die sich nur mit schnellen Neutronen spalten lassen, brauchen dauernd eine Aktivierungsenergie und es kann keine Kettenreaktion stattfinden. Doch dazu später mehr.

Wie wird aus der Kernspaltung Energie gewonnen?

von Stefan-Xp via Wikimedia Commons

Erstmal ist nun mal überhaupt nicht klar, warum man Energie gewinnen kann, wenn man einen Kern spaltet. Dies ist auch nicht immer so, und funktioniert nur bei bestimmten (sehr schweren) Kernen. In den Kernen sind immer in etwa gleich viele Protonen wie Neutronen. Ab einer gewissen Zahl erfahren die Protonen mehr von der Abstoßungsenergie. Der Kern hält zwar noch zusammen durch die Kernkraft, ist aber nicht mehr sonderlich stabil. Durch eine Spaltung entstehen nicht nur zwei neue Kerne und ein paar freie Neutronen, sondern auch noch Energie. Die beiden Spaltprodukte sind stärker gebunden und damit stabiler. Bei einer Spaltung von einem Uran 235 werden rund 213 MeV frei. MeV steht hier für Megaelektronenvolt. Dies ist deutlich mehr Energie, als bei Prozessen in der Atomhülle frei würde. Um den Jahresstrombedarf für einen Haushalt zu decken braucht man ca. 1g Uran, aber 1500kg Kohle. Nachdem die Energiegewinnung klar ist, kommen wir nun zur Kettenreaktion.

Die Kettenreaktion

Wird ein Uran 235 Atom mit einem langsamen Neutron getroffen so wird es gespalten. Die Spaltprodukte sind dabei Barium und Krypton. Zusätzlich werden noch drei weitere Neutronen frei, sowie die eben angesprochenen 213 MeV. Diese neuen freien Elektronen können nun weitere Kerne spalten. Dies sind aber schnelle Neutronen und müssen daher durch einen Moderator abgebremst werden. In den meisten Atomkraftwerken wird heutzutage als Moderator Wasser eingesetzt. Ein anderer möglicher Moderator wäre Graphit, dieser hat aber einen entscheidenden Nachteil auf den ich später eingehen werde.

In einem Reaktor brauchen wir eine kontrollierte Kettenreaktion, was aber bei 3 Neutronen pro Spaltvorgang nicht gegeben ist. Schon nach wenigen Spaltungen würde es eine riesige Lawine an neuen Kernspaltungen geben. Zur Regulation der Kernspaltungen werden Steuerstäbe eingesetzt, welche die Neutronen aufnehmen können. Je nachdem wie weit ein Steuerstab zwischen die Brennstäbe gefahren wird, werden 1-3 der freien Neutronen aufgenommen. So lässt sich die Kettenreaktion sehr gut steuern.

Der Moderator Wasser vs. Graphit

Angenommen, der Moderator im Reaktor ist Wasser. Bei einer unkontrollierten Kettenreaktion kommt es zu einer starken Hitze im Reaktor und das Wasser beginnt zu sieden. Dadurch entstehen Luftblasen, die nach oben steigen. Durch diese Luftblasen können die schnellen Neutronen nicht mehr gebremst werden und es gibt weniger Uranspaltungen, da die langsamen Neutronen fehlen. Wasser als Moderator regelt sich also in einer gewissen Weise von selbst.

Bei Graphit ist dies nicht so. Wäre in Tschernobyl also Wasser als Moderator im AKW benutzt worden, wäre es möglicherweise nicht zu diesem Unglück gekommen.

Stromgewinnung

Doch wie wird aus der ganzen entstandenen thermischen Energie elektrische Energie gewonnen. In einem Atomkraftwerk finden wie oben erwähnt die Spaltungen statt. Dadurch wird sehr viel Wärmeenergie frei. Diese thermische Energie wird durch eine Dampfturbine und einen Generator in nutzbaren Strom umgewandelt.

Vor- und Nachteile von Atomkraftwerken

Ganz zum Schluss möchte ich noch kurz auf die Vor- und Nachteile von AKW’s eingehen. Mit diesen Kraftwerken lässt sich fast CO2-frei Energie gewinnen. Man muss aber auch die Gefahren sehen. Zum einen können sich Unglücke ereignen, aber das noch viel größere Problem ist die Abfallentsorgung. Niemand möchte den Atommüll haben. Der Atommüll wird noch bis zu mehrere hunderttausend Jahren strahlen. Hier muss man sich die Frage stellen, ob man der zukünftigen Generation diese Last mitgeben möchte. Ein weiterer Vorteil von einem Kernkraftwerk ist jedoch, dass dieses uns unabhängig von Sonne und Wind elektrische Energie liefert. Dennoch können sie nicht die Zukunft sein. Doch das soll es jetzt mal zu der Funktionsweise von einem Atomkraftwerk gewesen sein.

Bilder:

©Daniel Bleyenberg  / pixelio.de

Stefan-Xp von Wikipedia

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4 comments untill now

  1. [...] recht kleinen Teil zum Energiemix bei. Vorne dran sind immer noch mit Abstand Kohlekraftwerke und Atomkraftwerke.  Doch nun zum Thema: Wie funktioniert ein [...]

  2. [...] dass diese zu glühen beginnt. Dieser Strom muss natürlich erzeugt werden. Dies ist unter anderem mit Atomkraftwerken möglich. Es befinden sich unterschiedliche Glühwendel im Handel, die je nach Bauform verschieden hohe [...]

  3. [...] Steinkohle und 27 durch Braunkohle erzeugt werden. Der Rest wird durch einen großen Prozentsatz an Atomstrom gewonnen. Trotz der Bedeutung von Steinkohle und Braunkohle wird in Deutschland mehr auf neue [...]

  4. […] Die Summe der Massen dieser Fragmente ist kleiner als die ursprüngliche Masse. Dieser "Verlust" von Masse (ca. 0,1% der ursprünglichen Masse) wird nach Einsteins Gleichung (E = mc2.) in Energie umgewandelt. In dieser Gleichung steht E für die erzeugte Energie, m ist die Masse und c ist die Konstante der Lichtgeschwindigkeit: 299.792.458 m/s2. Eine Kernspaltung kann auftreten, wenn der Kern eines schweren Atoms ein Neutron absorbiert (induzierte Spaltung). Nukleare Kettenreaktionen Kritische Masse. 018basiswissen. Wie funktioniert ein Atomkraftwerk | Der Wissensblog. […]

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