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Wissen & Umwelt

So wird Energie aus Atomen gewonnen

Die meisten der mehr als 430 Kernkraftwerke auf der Welt sind mit Druck- oder Siedewasserreaktoren ausgerüstet. Was ist eigentlich der Unterschied und wie funktionieren sie?

Das von dem Stromkonzern RWE betriebene Atomkraftwerk (AKW) Biblis in Südhessen (Foto: picture-alliance/dpa)

Zwei deutsche Druckwasserreaktoren - Biblis A und B

17 Atomkraftwerke sind in Deutschland in Betrieb - elf von ihnen sind Druckwasserreaktoren, sechs Siedewasserreaktoren. Sie sind die am meisten verbreitetsten Arten, aber nicht einzigen beiden Reaktortypen auf der Welt. Es gibt viele verschiedene Arten, wie Kernkraft erzeugt wird - so wie es Hunderte verschiedener Automotoren, Kaffeemaschinen oder Computertypen gibt. Das Ziel ist dasselbe, doch der Weg kann unterschiedlich sein.

Der große Unterschied

Ganz grob kann man die Reaktortypen erst einmal nach dem Kühlmittel ordnen, mit dem sie arbeiten. Das kann zum Beispiel Natrium sein, wie bei einem so genannten "Schnellen Brüter" oder auch Heliumgas wie beim Thorium-Hochtemperaturreaktor. Bei den beiden gängisten Typen, dem Druck- und Siedewasserreaktor, wird - wie die Namen verraten - mit Wasser gekühlt. Sie gehören zu den Leichtwasserreaktoren. Diese Technologie habe sich technisch und wirtschaftlich einfach durchgesetzt, erklärt der Atomenergie-Experte Christoph Weßelmann vom deutschen Atomforum im Gespräch mit DW-WORLD.DE. "In den 1960er-Jahren hat man viele Techniken getestet und das ist bislang die effizienteste und gleichzeitig sicherste Methode."

Die Brennstäbe im Inneren der Leichtwasserreaktoren werden vom Wasser umspült. Wasser dient hier gleichzeitig als Kühlmittel und sogenannter Moderator, der die Kettenreaktion im Inneren des Reaktors am Laufen hält und gleichzeitig steuert. Im Siedewasserreaktor verdampft das Wasser bei etwa 290 Grad Celsius, im Druckwasserreaktor bleibt es noch flüssig - selbst bei 320 Grad Celsius.

Der Grund dafür ist einfach: Wasser ändert seinen Aggregatzustand, beispielsweise von der Flüssigkeit zum Gas, nicht nur, wenn sich die Temperatur erhöht. Auch der Umgebungsdruck muss passen.

Der Siedepunkt von Wasser liegt bei 100 Grad Celsius bei Normaldruck. Doch wenn sich der Umgebungsdruck ändert, variiert auch die Siedegrenze. In den Bergen, wo der Luftdruck niedriger ist als im Tal, kann Wasser bei weitaus niedrigeren Temperaturen kochen - auf dem Mount Everest beispielsweise schon bei 70 Grad Celsius. Diesen Zusammenhang zwischen Temperatur und Druck nutzt die Wissenschaft beim Siede- und Druckwasserreaktor.

Siedend heiß ...

Beim Siedewasserreaktor verdampft also das Wasser, weil die Brennstäbe direkt hineingetaucht werden und es erhitzen. Der Wasserdampf wird an Turbinen weitergeleitet und anschließend in einem Kondensator wieder abgekühlt - aus dem Dampf wird wieder flüssiges Wasser, das in den Reaktor zurückfließt. Dort herrscht ein Druck von 70 bar, relativ niedrig im Vergleich zum Druckwasserreaktor, aber 70 Mal größer als der Normaldruck, der auf den Menschen im Alltag einwirkt.

Siedewasserreaktor im Normalbetrieb (Grafik: DW)

Es gibt nur einen Wasserkreislauf zwischen dem Reaktor und der Turbine. Und einen zweiten, um den Dampf wieder abzukühlen. Das Wasser ist quasi ein Vermittler, ein sogenannter Moderator, zwischen Reaktor und Turbine. Da es im Wasserdampf viel weniger Wassermoleküle gibt, verschlechtert sich diese Vermittlerrolle je heißer es wird: Der Reaktor bremst sich quasi selbst aus - was aus Sicherheitsgründen ein großer Vorteil ist.

... und unter Druck

Der Aufbau von Druckwasserreaktoren ist etwas komplizierter. Sie haben drei Wasserkreisläufe: Im ersten kühlt Wasser ebenfalls die Brennstäbe, siedet aber nicht, weil der Druck so hoch ist - 175 bar bei einer Temperatur von etwa 350 Grad Celsius. Daher müssen die Wände des Druckbehälters auch viel massiver sein als beim Siedewasserreaktor - so dick wie ein Unterarm lang ist, also circa 25 Zentimeter. Und der Reaktor kann um die 500 Tonnen wiegen.

Beschreibung Schema eines Kernkraftwerk mit Druckwasserreaktor (Foto: Creative Commons/ San Jose, Niabot)

Das heiße Wasser des ersten Kreislaufs erhitzt in einem Wärmetauscher das Wasser eines zweiten Wasserkreislaufs. Dieses Wasser siedet und der Dampf wird zur Turbine geleitet. Zwischen Reaktor und Turbine wird also kein Wasser direkt ausgetauscht, sie sind durch zwei Kreisläufe voneinander getrennt. Der dritte Kreislauf kühlt dann - genauso wie im Siedewasserreaktor - das Wasser aus Kreislauf zwei, der Dampf kondensiert wieder zu Wasser.

Der große Vorteil des Druckwasserreaktors ist sein komplizierterer Aufbau, denn durch die ersten beiden voneinander getrennten Kreisläufe gelangen keine radioaktiven Stoffe aus dem Reaktor ins Maschinenhaus zu den Turbinen. Dort braucht man keine weiteren Strahlenschutzmaßnahmen zu beachten. Was diesem Reaktortyp aber fehlt, ist der Selbstregelungseffekt über die Dampfentwicklung wie beim Siedewasserreaktor. Deshalb muss man dem Reaktorkühlwasser Borsäure beifügen. Der Reaktor lässt sich dann über die Borsäurekonzentration regeln.

Druckwasserreaktoren seien etwas ineffizienter als Siedewasserreaktoren, erklärt Weßelmann. Der Wirkungsgrad liege bei letzteren bei etwa 34 Prozent, bei Druckwasserreaktoren um die 33 Prozent. "Der Unterschied mag gering erscheinen, aber ein Prozentpunkt bedeutet hierbei die Versorgung von 30 bis 40.000 Haushalten", sagt Christoph Weßelmann.

Große Vielfalt in der Atomenergiegewinnung

Eine Weiterentwicklung ist der EPR, ein Druckwasserreaktor der dritten Generation. Seine Leistung ist wesentlich höher und die Sicherheitseinrichtungen moderner. Im finnischen Olkiluoto baut man gegenwärtig am ersten EPR weltweit. Eine weitere Anlage wird seit 2007 im Kernkraftwerk Flamanville im Norden Frankreichs errichtet.

Blick auf die Atomanlage Tschernobyl in der Ukraine 1986 nach der Reaktorexplosion

Der Reaktor in Tschernobyl ist 1986 explodiert

Noch viel komplexer aufgebaut ist ein sogenannter Siedewasser-Druckröhrenreaktor, der beispielsweise im ukrainischen Tschernobyl benutzt wurde. Dabei verwendet man keinen großen, massiven Druckbehälter, sondern leitet das Wasser durch viele kleinere, dünnere, aber druckfeste Röhren, in denen sich die Uran-Brennelemente befinden. Das Wasser erhitzt sich, verdampft und treibt die Turbinen an. Da sich in den Rohren aber weniger Wasser befindet als bei Siede- oder Druckwasserreaktoren, benutzt man in der Regel Graphit als Moderator. Dieser steuert die Kettenreaktion, denn um Uran zu spalten, werden die Atomkerne mit Neutronen beschossen. Diese werden bei der Kernspaltung absorbiert, gleichzeitig werden neue Neutronen freigesetzt, die eine ungeheure Geschwindigkeit besitzen und aus den Brennstäben austreten. Hier kommt der Moderator ins Spiel: Die Neutronen seien quasi wie Billiardkugeln und stoßen an die Graphitatome wie an die Kante eines Billiardtisches. "Dadurch werden sie ausgebremst und flitzen zurück in die Brennstäbe", erklärt Weßelmann.

Die Sicherheitsrisiken sind bei einem Siedewasser-Druckröhrenreaktor allerdings sehr hoch - das hat nicht zuletzt die Katastrophe von Tschernobyl gezeigt. Die Selbstregulierung fehlt beispielsweise völlig. Experten sprechen hierbei von einem Reaktivitätsstörfall. Bei der Kernspaltung werden etwa drei Neutronen freigesetzt. Um die Kettenreaktion auf gleichen Niveau zu halten, müssen zwei absorbiert werden, sonst steigt die Leistung enorm an. "Eine solche extreme Kettenreaktion, wo immer mehr Neutronen entstehen in Sekundenbruchteilen, wäre eine Atombombe", sagt der Atomenergie-Experte Weßelmann. Die Kettenreaktion konnte in Tschernobyl nicht einfach so unterbrochen werden, der Reaktor ist explodiert.

Eine weitere Variante ist der Thorium-Hochtemperaturreaktor. Darin wird es nicht nur heiß, sondern super heiß - bis zu 700 Grad Celsius. Statt Brennstäben gibt es jede Menge Kugeln, die wie Kohle in einen Ofen ständig nachgepackt werden - die verbrauchten werden entsorgt. Gekühlt wird mit Heliumgas statt Wasser. In Deutschland wurde in Hamm solch ein Reaktor 1985 zu Testzwecken in Betrieb genommen - vier Jahre später aber bereits aus wirtschaftlichen Gründen stillgelegt.

Quasi die Henne unter den Reaktoren ist der Schnelle Brüter. Er war der erste Reaktor weltweit, mit dem die Wissenschaft Strom aus Kernspaltung erzeugt hat und das bereits 1951. Leichtwasserreaktoren können nur das Uranisotop U 235 spalten. Der Schnelle Brüter kann noch mehr: Er nutzt auch U 238 und wandelt es mithilfe schneller Neutronen, die bei einer solchen Kernspaltung entstehen, in das Plutonium-Isotop Pu 239 um. Neben der Erzeugung von Energie, erzeugt der Schnelle Brüter also auch wieder Brennmaterial. Die Uranvorkommen, die noch für etwa 200 Jahre reichen, könnten dann für mehrere tausend Jahre reichen, sagt Weßelmann. Doch die Technik sei wesentlich teurer und aufwändiger als die der Leichtwasserreakoren.

Statt angereichertes Uran zu benutzen gibt es außerdem auch Reaktoren, die mit Natururan arbeiten. Die meisten Experten sehen allerdings die Zukunft nicht in der Kernspaltung, sondern in der Kernfusion. Ein erster Reaktor wird in Südfrankreich gebaut. ITER heißt das Projekt. Die Weiterentwicklung läuft langsam, da die Kernfusion extrem aufwändig und teuer ist. Allerdings wird er, wenn er denn fertig gestellt wird und in Betrieb geht, kaum dauerhaft radioaktiven Müll produzieren und ist auch wesentlich sicherer - denn die Fusion bricht bei einer Störung sofort ab.

Autor: Nicole Scherschun
Redaktion: Judith Hartl

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