Kernreaktor und Endlagerung

Kettenreaktion und ihre Kontrolle

Trifft ein Neutron einen Urankern ${}^{235}_{92}\mathrm{U}$, kann dieser sich spalten. Es entstehen zwei kleinere Kerne, Energie und zwei bis drei neue Neutronen. Diese können wieder Urankerne spalten. So entsteht eine Kettenreaktion.

Ohne Kontrolle würde sich die Zahl der Spaltungen immer schneller vervielfachen (Atombombe). Im Reaktor soll im Mittel genau ein Neutron pro Spaltung eine neue Spaltung auslösen. Dann bleibt die Leistung konstant.

Dafür braucht der Reaktor zwei Bauteile:

• Moderator (meist Wasser): Die bei der Spaltung entstehenden Neutronen sind sehr schnell und spalten Uran-235 schlecht. Der Moderator bremst sie ab. Langsame Neutronen werden viel leichter eingefangen.

• Steuerstäbe (z. B. aus Bor oder Cadmium): Sie absorbieren Neutronen. Fährt man sie tiefer ein, sinkt die Zahl der Neutronen und die Leistung nimmt ab. Ganz eingefahren stoppen sie die Kettenreaktion.

Aufbau eines Druckwasserreaktors

In Deutschland liefen vor allem Druckwasserreaktoren. Die Brennstäbe enthalten Urandioxid-Tabletten. Wasser strömt an ihnen vorbei. Es dient als Kühlmittel (nimmt die Wärme auf) und zugleich als Moderator.

Das Wasser im ersten Kreislauf steht unter hohem Druck (ca. 150 bar). Deshalb siedet es trotz etwa 300 °C nicht. Im Dampferzeuger gibt es seine Wärme an einen zweiten Kreislauf ab. Dort verdampft Wasser, der Dampf treibt die Turbine an, die den Generator dreht. Ein dritter Kühlkreislauf (Kühlturm, Fluss) nimmt im Kondensator die Wärme auf und kondensiert den Dampf.

Siedewasserreaktor: Hier gibt es nur einen Kreislauf. Das Wasser siedet im Reaktor selbst (ca. 70 bar), und der Dampf läuft direkt durch die Turbine.

Wirkungsgrad eines Kernkraftwerks

Sicherheitseinrichtungen

Ein Kernkraftwerk ist nach dem Prinzip mehrerer Barrieren gebaut. Fällt eine aus, schützt die nächste.

• Brennstab-Hülle und Reaktordruckbehälter: Die radioaktiven Spaltprodukte bleiben im Brennstab, dann im dicken Stahlbehälter.

• Containment (Sicherheitsbehälter): Eine gasdichte Stahl- und Betonhülle um den Reaktor hält Stoffe auch bei einem Störfall zurück.

• Schnellabschaltung: Bei einer Störung fallen alle Steuerstäbe sofort in den Kern. Die Kettenreaktion bricht innerhalb von Sekunden ab.

• Notkühlsystem: Es kühlt den Kern, wenn die normale Kühlung ausfällt.

Nachzerfallswärme

Bei der Spaltung entstehen radioaktive Spaltprodukte. Sie zerfallen weiter und setzen dabei Energie frei, auch wenn keine Spaltungen mehr stattfinden. Diese Nachzerfallswärme beträgt kurz nach der Abschaltung noch einige Prozent der früheren Leistung und klingt über Tage und Wochen ab. Bei 3.800 MW sind selbst 5 % noch rund 190 MW. Fällt die Kühlung aus, heizt sich der Kern auf, die Brennstäbe können schmelzen (Kernschmelze) und radioaktive Stoffe können freigesetzt werden. Beim Unfall von Fukushima 2011 war genau das die Folge des Ausfalls der Kühlung.

Endlagerung

Abgebrannte Brennstäbe enthalten hochradioaktive Stoffe, z. B. Plutonium-239 und Spaltprodukte. Sie strahlen sehr lange. Unter Endlagerung versteht man die dauerhafte, möglichst wartungsfreie Lagerung des Abfalls tief im Untergrund, sodass die Stoffe nicht in die Umwelt oder das Grundwasser gelangen.

Wie lange das dauert, zeigt das Zerfallsgesetz:

Selbst nach 72.000 Jahren ist also noch ein Achtel übrig. Kein Bauwerk und keine Gesellschaft hat je so lange Bestand gehabt. Das macht die Suche so schwierig: Das Lager muss über Zeiträume sicher sein, die weit länger sind als jede Geschichtsschreibung.

Kriterien für einen Standort (Beispiele):

• Stabile Gesteinsschicht (Salz, Ton oder Kristallin) ohne Wasserzutritt

• Geologisch ruhig: keine Erdbeben, keine Vulkane, keine starke Hebung

• Ausreichende Tiefe (mehrere hundert Meter) und Größe

• Gestein, das Wärme gut ableitet und Radionuklide zurückhält

In Deutschland läuft seit 2017 ein Auswahlverfahren nach einem gesetzlich festgelegten Verfahren („weiße Landkarte“). Gorleben in Niedersachsen war lange als Standort im Gespräch. Für schwach- und mittelradioaktive Abfälle wird der Schacht Konrad ausgebaut.

Zurück zum Anfang: Ein Reaktor bleibt kontrolliert, weil Moderator und Steuerstäbe die Neutronenzahl regeln. Der Abfall strahlt, weil Halbwertszeiten von Zehntausenden Jahren so lange nachwirken.

Auf einen Blick