So funktioniert ein Atomkraftwerk (AKW)

Ein Kernkraftwerk bzw. Atomkraftwerk produziert den Strom aus der Energie, die bei der Spaltung von Atomkernen frei wird. Wie in einem Dampfkochtopf in der Küche wird im Atomkraftwerk Wasser aufgeheizt. Der dabei entstehende heisse Dampf steht unter hohem Druck. Er wird auf eine Turbine geleitet, die zu rotieren beginnt und dadurch ihrerseits den mit ihr verbundenen Generator dreht. Im Generator beginnt Strom zu fliessen, der über das Stromnetz zu den Konsumenten gelangt.

Ein Atomkraftwerk (AKW) produziert Strom aus Wärme. Es ist ein Wärmekraftwerk wie ein Kohle- oder Gaskraftwerk. Mit dem Unterschied, dass es bei der Stromproduktion weder Abgase noch Treibhausgase wie das CO₂ erzeugt.

Ein Kernkraftwerk (KKW) besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen: Im Nuklear- oder Primärteil wird mit Hilfe der Kernspaltung Wärme produziert. Im konventionellen Teil oder Sekundärteil wird die Wärme in elektrischen Strom umgewandelt. Der konventionelle Anlagenteil ist sehr ähnlich wie die entsprechenden Anlagen in Kohle-, Gas- und Erdwärmekraftwerken.

Zum konventionellen Teil gehört bei einigen Atomkraftwerken auch der weithin sichtbare Kühlturm. Kühltürme sind keine Besonderheit von Kernkraftwerken, sondern werden auch bei anderen Kraftwerken gebaut, die Wärme in Strom umwandeln.

Der Nuklearteil eines Atomkraftwerks ist das Herzstück der Anlage. Hier steht der Kernreaktor. Er besteht aus einem dickwandigen Stahlbehälter, dem Reaktordruckbehälter. In seinem Innern befinden sich die uranhaltigen Brennelemente, in denen die Kernspaltung abläuft, bei der Wärme entsteht.

Die Brennelemente bestehen aus Bündeln von dünnen Brennstäben. Das sind dicht verschweisste Hüllrohre aus einer besonderen Metalllegierung, in denen der eigentliche Kernbrennstoff in Form kleiner uranhaltiger Tabletten eingeschlossen ist.

Weltweit gibt es verschiedene Arten von Reaktorsystemen. Die meisten gehören zur Familie der Leichtwasserreaktoren. Auch die fünf Kernkraftwerke in der Schweiz – Beznau-1 und -2, Mühleberg, Gösgen und Leibstadt – sind mit Leichtwasserreaktoren ausgerüstet.

In den Leichtwasserreaktoren werden die Brennstäbe ständig von normalem Wasser umströmt. Das Wasser hat zwei Aufgaben: Einerseits dient es als Kühlmittel und transportiert die Energie im Form von heissem Dampf aus dem Reaktor hinaus zu den Dampfturbinen. Andererseits bremst es die bei der Kernspaltung davonfliegenden Neutronen (elektrisch ungeladene Bausteine des Atomkerns) ab und wirkt dadurch als sogenannter Moderator. Nur wenn sie gebremst werden, können die Neutronen weitere Kernspaltungen auslösen. Fehlt im Reaktor das Wasser (oder ein anderer Moderator), hört die Kernspaltung auf.

Die Natur selbst hat solche Reaktoren hervorgebracht. Wissenschafter haben herausgefunden, dass in Gabun in Zentralafrika vor knapp zwei Milliarden Jahren mehr als ein Dutzend natürliche Kernreaktoren während Jahrtausenden Energie abgaben. Sie funktionierten nach dem gleichen Prinzip wie die heutigen Leichtwasserreaktoren.

Von den Leichtwasserreaktoren gibt es zwei Varianten: die Druckwasserreaktoren und die Siedewasserreaktoren. In der Schweiz sind beide Varianten vertreten.

Bei den Druckwasserreaktoren wie in den Kernkraftwerken Beznau-1, Beznau-2 und Gösgen wird im Reaktor das Wasser unter hohem Druck erhitzt, ohne dass es zu sieden beginnt. Das erhitzte Wasser wird zu Dampferzeugern ausserhalb des Reaktors geleitet, wo es seine Wärme an einen weiteren Wasserkreislauf abgibt, wobei dessen Wasser verdampft. Der Dampf dieses zweiten Kreislaufs treibt die Turbinen im konventionellen Teil des Atomkraftwerks an.

Bei den Siedewasserreaktoren wie in den Kernkraftwerken Leibstadt und Mühleberg wird der Dampf im Reaktordruckgefäss erzeugt und direkt zu den Turbinen geleitet. Anders als bei den Druckwasserreaktoren enthält der zu den Turbinen gelangende Dampf Spuren radioaktiver Stoffe. Diese sind extrem kurzlebig und gefährden die Betriebsmannschaft nicht. Wenn der Reaktor abgestellt wird, ist die Radioaktivität nach wenigen Minuten vollständig abgeklungen.

Im Maschinenhaus des konventionellen Anlagenteils stehen die Dampfturbinen und die Generatoren. Der heisse Dampf aus dem Reaktor bringt die Turbinenschaufeln zum Drehen, und diese wiederum treibt den Generator an, der diese Bewegungsenergie in Strom umwandelt. Es handelt sich dabei um das gleiche Prinzip, mit dem beim Fahrrad der Dynamo den Strom für die Velolampe erzeugt.

Die Dampfturbinen wandeln die Energie (Wärme) des zugeführten Dampfes in eine mechanische Bewegung um, wodurch der Generator angetrieben wird. Damit dies physikalisch überhaupt möglich ist, müssen die Temperatur- und Druckunterschiede vor und nach der Turbine möglichst gross sein. Deshalb wird der Dampf nach dem Austritt aus der Turbine über einen weiteren Wasserkreislauf so weit abgekühlt, dass er wieder zu flüssigem Wasser kondensiert. Eine Pumpe befördert dieses Wasser zurück in den Dampferzeuger (Druckwasserreaktor) bzw. in das Reaktordruckgefäss (Siedwasserreaktor), wo es erneut aufgeheizt wird und als Dampf wieder zu den Turbinen gelangt.

Das Wasser für die Kühlung des Dampfs beim Turbinenaustritt entnehmen die Kernkraftwerke Beznau-1,Beznau-2 und Mühleberg der Aare und leiten es leicht erwärmt in den Fluss zurück. Verbindliche Grenzwerte schützen die Aare vor übermässiger Erwärmung. Dieser Wasserkreislauf ist vom Reaktor vollständig getrennt und enthält keine radioaktiven Stoffe.

In den Kernkraftwerken Gösgen und Leibstadt wird die Dampfturbine mit Wasser gekühlt, das in einem Kreislauf vom Kraftwerk zum Kühlturm und wieder zurück fliesst. Im Kühlturm wird das im Kraftwerk erwärmte Wasser versprüht, wobei die herunterfallenden Wassertröpfchen ihre Wärme an die Umgebungsluft abgeben. Dabei verdunstet ein kleiner Teil des Wassers und wird beim Austritt oben am Turm als Nebelfahne sichtbar. Diese Nebelfahne besteht also aus reinem Wasserdampf, der für die Umwelt unbedenklich ist. Der verdunstete Wasseranteil wird durch Wasser aus Aare (Gösgen) und Rhein (Leibstadt) ersetzt. Auch dieser Wasserkreislauf ist vom Reaktor vollständig getrennt und enthält keine radioaktiven Stoffe.

Diese grossen Kühltürme mit weit sichtbaren Nebelschwaden werden Naturzug-Nasskühlturm genannt. Naturzug-Nasskühltürme benötigen keine zusätzliche Energie. Wegen ihrer grossen Höhe von 150 und mehr Metern entsteht ein natürlicher Luftzug von unten nach oben – wie in einem Hauskamin. Die warme Luft entweicht nach oben, während unten im Turm kältere Umgebungsluft nachströmt.

Bei den neuen in der Schweiz geplanten Kernkraftwerken sollen andersartige Kühltürme gebaut werden, sogenannte Hybrid-Kühltürme. Sie sind wesentlich niedriger als die heutigen Kühltürme und erzeugen praktisch keine Nebelschwaden, so dass sie das Landschaftsbild kaum beeinträchtigen.

Anders als ein Naturzug-Nasskühlturm benötigt ein Hybridkühlturm Ventilatoren, die für genügend Luftzug sorgen. Die Ventilatoren beziehen den Strom aus dem Kraftwerk. Im deutschen Atomkraftwerk Neckarwestheim steht ein solcher Hybridkühlturm in Betrieb. Er benötigt rund 1,4 Prozent der Stromproduktion.