Wie funktionieren Atomkraftwerke?
Hier zum Begriff GAU und
Super-GAU
Mit Kernenergie, Atomenergie, Nuklearenergie, Atomkernenergie,
Kernkraft oder Atomkraft wird die Technologie zur grosstechnischen
Erzeugung von elektrischer Energie aus Kernreaktionen bezeichnet.
Während sich Kernfusionsreaktoren erst im Forschungsstadium
befinden, wird die Kernspaltung seit den 1950er Jahren in Kernkraftwerken
– überwiegend unter Verwendung des Kernbrennstoffs
Uran – praktiziert.
Ein Kernkraftwerk (KKW), auch Atomkraftwerk (AKW), ist ein Wärmekraftwerk
zur Gewinnung elektrischer Energie aus Kernenergie durch kontrollierte
Kernspaltung.
Physikalische Grundlage ist die Energiefreisetzung bei der
Spaltung von schweren Atomkernen. Sie beruht darauf, dass die
Bindungsenergie pro Nukleon in den Spaltprodukten grösser
ist als vorher im spaltbaren Kern. Diese Energie wird hauptsächlich
als Bewegungsenergie der Spaltprodukte freigesetzt. Durch deren
Abbremsung im umgebenden Material entsteht Wärme, mit der
Wasserdampf erzeugt wird.
Grössere Kernkraftwerke bestehen aus mehreren Blöcken,
die je für sich unabhängig voneinander elektrischen
Strom erzeugen. Zurzeit sind weltweit 210 Kernkraftwerke mit
436 Reaktorblöcken am Netz, die rund 13% des weltweiten
Strombedarfs decken.
Funktionsweise und Aufbau eines Kernkraftwerkes
Schema eines Druckwasserreaktors
Schema eines Siedewasserreaktors
Die Umwandlung in elektrischer Energie geschieht indirekt wie
in herkömmlichen Wärmekraftwerken: Die Wärme,
die bei der Kernspaltung im Kernreaktor entsteht (in einem Kohlekraftwerk
würde er dem Kessel entsprechen), wird auf einen Wärmeträger
– meist Wasser (Standardtyp Leichtwasserreaktor) –
übertragen, wodurch dieses erwärmt wird. Direkt im
Reaktor oder indirekt in einem Dampferzeuger entsteht Wasserdampf.
Der unter Druck stehende Wasserdampf wird einer meist mehrstufigen
Dampfturbine zugeführt.
Dampfturbinen in westlichen Kernkraftwerken gehören zu den
grössten Dampfturbinen überhaupt. Nachdem die Turbine
den Dampf expandiert und teilweise kondensiert hat, wird der restliche
Dampf in einem Kondensator niedergeschlagen. Der Kondensator entspricht
dabei einem Wärmeaustauscher, welcher auf Sekundärseite
etwa mit einem Fluss oder einem Kühlturm verbunden ist. Nach
der Kondensation wird das nun mehr flüssige Wasser durch
Pumpen auf den Dampfdruck im Kernreaktor oder Dampferzeuger gebracht
und in mehreren Schritten nahezu auf Sättigungstemperatur
regenerativ vorgewärmt. Das Wasser gelangt danach in den
Kernreaktor und der Kreislauf beginnt erneut.
Kernreaktor
Der Kernreaktor ist das Herz des Kraftwerks. In seinem zentralen
Teil, dem Reaktorkern, wird durch kontrollierte Kernspaltung
Wärme erzeugt. Mit dieser Wärme wird ein Kühlmittel
erhitzt, das durch den Reaktor gepumpt wird und dadurch die
Energie aus dem Reaktor abtransportiert.
Da die Kernspaltung mit für Lebewesen gefährlicher
Radioaktivität verbunden ist, ist der Reaktorkern von einem
Schutzschild umgeben. Dieses Containment absorbiert radioaktive
Strahlung und verhindert, dass radioaktives Material in die
Umwelt gelangt. Zusätzlich sind viele Reaktoren mit einer
Kuppel aus Beton ausgestattet, um den Reaktor vor Einwirkungen
von aussen zu schützen.
In Kernkraftwerken werden unterschiedliche Reaktortypen eingesetzt,
die sich im Wesentlichen durch die verwendeten Kernbrennstoffe,
Kühlkreisläufe und Moderatoren unterscheiden.
Generator
Der Generator wandelt die durch die Turbine bereitgestellte
kinetische Energie (Bewegungsenergie) in elektrische Energie.
Hauptkühlmittelpumpe (DWR) und Zwangsumwälzpumpe
(SWR)
Die Hauptkühlmittelpumpe im Falle des DWR hat die Aufgabe
das Kühlmittel zwischen Reaktor und Dampferzeuger umzuwälzen.
In westlichen Kernkraftwerken wird der Kernreaktor mit vier
redundanten Pumpen (Loops) bespeist, die jeweils im Sinne der
Redundanz baulich getrennt im Reaktorgebäude untergebracht
sind. Die Ausführung der Pumpe entspricht dabei einer Zentrifugalpumpe
mit einem einteilig geschmiedeten Gehäuse. Der Durchsatz
beträgt bis zu 10.000 l/s bei einem Druck von bis zu 175
bar und einer zulässigen maximalen Temperatur von 350°
C. Die Druckerhöhung durch die Hauptkühlmittelpumpe
beim DWR entspricht dem Druckverlust im Reaktor, Dampferzeuger
und des Rohrleitungssystems. Auch nach Ausfall der Hauptkühlmittelpumpen
(RESA ist die Folge) ist die Umwälzung und somit die Wärmeabfuhr
durch sog. Naturumlauf gewährleistet.
Im Falle des Siedewasserreaktors sind im Reaktordruckbehälter
Zwangsumwälzpumpen zur Vermeidungen von Kernschwingen angebracht,
deren Auslegung etwa denen in einem gleich grossen DWR entsprechen.
Sie sind für die Sicherheit des Kraftwerks nicht unbedingt
notwendig.
Neben diesen Hauptkühlmittelpumpen verfügt ein Kernkraftwerk
üblicherweise noch über mehrere Notfalleinspeisungen
auf unterschiedlichen Druckniveaus, die bei Störungen (siehe
Auslegungsstörfall) die Kühlung des Reaktorkerns aufrecht
erhalten.
Sicherheitsventile
Um den Druck im Reaktordruckbehälter bei einem Störfall
nach oben zu begrenzen sind zwei voneinander unabhängige
Sicherheitsventile vorhanden. Die Druckbegrenzung verhindert
dabei ein Bersten von Rohrleitungen oder dem Reaktor. Die Ventile
sind in ihrer Kapazität so ausgelegt, dass sie alle zugeführten
Volumenströme bei nur geringem Druckanstieg ableiten können.
Im Falle des SWR wird der Dampf in die Kondensatkammer geleitet
und dort kondensiert. Die Kammern sind über Wärmetauscher
mit dem Zwischenkühlkreislauf verbunden.
Sollten die Sicherheitsventile nicht schliessen sind in unmittelbarer
Nähe nochmals Sicherheitsabsperrventile vorhanden, die
im Bedarfsfall einen Kühlmittelstörfall vermeiden
sollen. Das Nicht-Schliessen eines Sicherheitsventils führte
zu einem folgenschweren Unfall im Kernkraftwerk Three Mile Island.
Speisewasserpumpen
Die Speisewasserpumpen haben die Aufgabe das Wasser aus dem
Speiswasserbehälter auf den Dampfdruck im Reaktor und im
Dampferzeuger zu bringen und eine das Wasser etwa mit ca. 2200
kg/s zu fördern. Die benötigte Leistung beläuft
sich dabei auf ca. 20 MW pro Pumpe. Über das Speisewassersystem
wird der Wasserstand im Dampferzeuger und Kernreaktors geregelt.
Notstromversorgung
Die Notstromversorgung eines Kernkraftwerks ist mehrfach durch
Dieselaggregate sichergestellt und batteriegepuffert. Die Batteriepufferung
stellt die unterbrechungsfreie Einkoppelung der Dieselaggregate
in das Netz sicher. Wenn nötig, erlaubt die Notstromversorgung
das sichere Herabfahren des Kernreaktors. Weniger wichtige Hilfssysteme
wie bspw. Begleitheizungen von Rohrleitungen werden dabei nicht
versorgt. Der Grossteil der benötigten Leistung dient der
Versorgung der Speisepumpen und Notspeisepumpen.
Der GAU (grösster anzunehmender
Unfall, Störfall, Auslegestörfall)
ist somit der grösste Unfall, der bei der Planung einer kerntechnischen
Anlage anzunehmen ist und dessen Beherrschbarkeit im Rahmen des
Genehmigungsverfahrens nachzuweisen ist. Grundlage sind technisch-physikalische
Modelle für einen technisch beherrschbaren Störfall.
Es gibt aber Störfälle, die von solchen Modellen nicht
erfasst werden und die zu einem technisch nicht mehr beherrschbaren
Super-
Der Begriff Auslegungsstörfall wird von staatlichen Stellen
und Kraftwerksbetreibern der bekannteren Bezeichnung GAU vorgezogen.
Er weist darauf hin, dass es sich um Störfälle handelt,
die bereits durch Analysen in der Planungsphase berücksichtigt
wurden und gegen die Kraftwerke redundant ausgelegt sind.
GAU
(grösster anzunehmender Unfall) und Super-GAU
(verändert, nach Wikipedia)
