3.6Energieumwandlung im Kernkraftwerk

Auch in Kernkraftwerken – ganz gleich, welchen Typs – finden wie in anderen Kraftwerken viele Energieumwandlungen hintereinander statt.

Im Kernkraftwerk wird atomare Bindungsenergie...

Den Anfang macht im Kernkraftwerk die Energie, die in der Bindung der Kernbausteine, zum Beispiel der Uran-235-Kerne steckt. Diese Energie wird in Bewegungsenergie verwandelt, indem man die Atome spaltet: Die Spaltprodukte der Uran-Kerne fliegen mit großer Geschwindigkeit auseinander. Dadurch versetzen sie die umgebenden Urandioxid-Kerne in heftige Schwingungen; die Kernbindungsenergie wurde also in thermische Energie umgewandelt. Infolgedessen steigt 

…zu elektrischer Energie

Diese thermische Energie macht weitere Verwandlungen durch: Das die heißen Brennstäbe umgebende Wasser erhitzt sich so sehr, dass es zum Beispiel im Reaktordruckgefäß eines Siedewasserreaktors verdampft. Der Dampf presst aufgrund seines hohen Drucks (Lageenergie) gegen das Schaufelrad der Turbine und treibt es an (Bewegungsenergie). Diese Bewegungsenergie wiederum wird zum Schluss im Generator in elektrische Energie umgewandelt. 

Kernkraft in Deutschland

In Deutschland sind 17 Kernkraftwerke mit einer elektrischen Bruttoleistung von 21.452 MW in Betrieb. Im Jahr 2006 erzeugten sie 167,4 Mrd. kWh elektrischen Strom.

Das älteste Kernkraftwerk ist Biblis A, ein Druckwasserreaktor aus dem Jahr 1974. Das neueste wurde 1989 in Betrieb genommen: Das Kernkraftwerk Neckarwestheim 2, ebenfalls ein Druckwasserreaktor.

Neben Kernreaktoren, die in Kraftwerken zur Erzeugung von Strom dienen, gibt es auch Forschungsreaktoren, deren Reaktoren vor allem Neutronen für Forschungszwecke verfügbar machen. Diese Reaktoren stehen in Berlin, in Geesthacht bei Hamburg, in Garching bei München und am Institut für Kernchemie der Uni Mainz.


Was hat es mit dem Wirkungsgrad auf sich?

Energie kann nicht verloren gehen. Doch bei fast jeder Energieumwandlung entweicht ein Teil der Energie ungenutzt in die Umwelt, zum Beispiel als Wärme. Denk' an Dein Fahrrad: Wenn Du trittst, erwärmen sich durch die Reibung Tretlager und Kette. Diese thermische Energie nützt Dir aber nichts beim Vorankommen.

Dasselbe passiert auch in einem Kraftwerk. So erwärmen sich zum Beispiel Getriebe, Rohrleitungen und elektrische Leitungen und geben Wärme an die umgebende Luft ab. Um Stromleitungen bauen sich außerdem Magnetfelder auf. All diese Energie entweicht ungenutzt.

Das Verhältnis zwischen nutzbarer und aufgewendeter Energie wird „Wirkungsgrad“ genannt und mit dem griechischen Buchstaben η (eta) bezeichnet:

η = nutzbare Energie / aufgewendete Energie

Der Wirkungsgrad wird oft in Prozent angegeben, zum Beispiel bedeutet η = 0,1, dass der Wirkungsgrad 10 Prozent beträgt.

Technische Geräte, die z. B. elektrische Energie in mechanische Energie verwandeln, besitzen üblicherweise einen Wirkungsgrad zwischen 60 und 80 Prozent. Der Rest - 20 bis 40 Prozent der Energie, die man in Maschinen investiert - können also nicht genutzt werden. Allerdings versucht man natürlich mit verschiedenen Maßnahmen, den Wirkungsgrad laufend zu verbessern. 

Der Wirkungsgrad

In der Animation siehst Du als Schema die Energieumwandlungen in einem Kernkraftwerk. Bei jedem Umwandlungsprozess wird ein gewisser Anteil als Wärme an die Umwelt abgegeben.

 

Wie Uran angereichert 
wird

Als Spaltmaterial wird in deutschen Kernkraftwerken Uran-235 und manchmal auch Plutonium-239 verwendet. Das Uran muss dazu angereichert werden. Wie macht man das?

-Üblich ist zum Beispiel, das Uran zunächst in eine gasförmige Verbindung umzuwandeln – in Uranhexafluorid (UF₆). Dieses Gas schickt man 10 bis 30-mal durch hintereinandergeschaltete Gaszentrifugen – im Prinzip Karussells für Gasmoleküle. Beim Herumschleudern werden schwere Moleküle stärker nach außen getrieben als leichte. So lassen sich die leichteren U-235F₆- von den etwas schwereren U-238F₆-Gasmolekülen trennen. Das so mit Uran-235 angereicherte Gas wird anschließend in Urandioxid-Pulver umgewandelt und zu Tabletten, so genannten „Pellets“, gepresst .

Bei den meisten Kernkraftwerkstypen werden diese Pellets in Metallröhren gefüllt, die Brennstäbe.

Außerdem kann Uran-238 durch Aufnahme eines Neutrons über mehrere Zwischenstufen in Plutonium-239 umgewandelt werden. Dieses lässt sich anschließend durch schnelle Neutronen im „Schnellen Brüter“ spalten.