Liebe Schülerin,

lieber Schüler,

seit dem 15.04.2023 sind alle Kernkraftwerke (siehe Bild, Abkürzung KKW, früher auch Atomkraftwerke (AKW) genannt) in Deutschland abgeschaltet worden. Damit geht eine ca. sechs Jahrzehnte währende Ära der Nutzung von Kernenergie in Deutschland zu Ende. Man könnte also behaupten, dass Deutschland aus der Atomenergie ausgestiegen ist. Ein genauer Blick zeigt jedoch, dass Deutschland nicht vollständig aus der Atomenergie ausgestiegen ist:

In Gronau in Nordrhein-Westfalen ist noch eine Urananreicherungsanlage (siehe Reiter Urananreicherung) in Betrieb, die viele KKWs im Ausland mit angereichertem Uran beliefert.

In Lingen in Niedersachen nicht weit von Gronau entfernt ist noch eine Brennelementfertigungsanlage (siehe Reiter Brennelement) mit Zweigstellen in Duisburg und in Karlstein in Bayern in Betrieb. Lingen exportiert in viele Länder der Welt.

Wie sieht es im Ausland aus?

Nach einer Statistik vom Januar 2023 sind 420 KKWs in 32 Staaten im Betrieb. Sie sorgen dafür, dass der Anteil der Kernenergie an der weltweiten Stromproduktion ca. 10% beträgt. 57 KKWs werden gebaut, und ca. 100 KKWs sind in Planung. Der Spitzenreiter ist die USA mit 92 in Betrieb befindlichen KKWs, den zweiten Platz nimmt Frankreich mit 56 KKWs ein. Frankreich bezieht ca. 70% seiner elektrischen Energie aus der Kernenergie. Auf Platz 3 steht China mit 55 KKWS, den vierten Platz belegt Russland mit 37 KKWs und auf Platz 5 steht trotz des Super-GAUs von Fukushima (siehe Reiter Fukushima) Japan mit 33 KKWs. Die meisten neuen KKWs werden in Asien gebaut, z. B. plant China 47 neue Reaktoren. Die meisten im Rückbau sich befindenden Reaktoren stehen in Westeuropa und Nordamerika.

KKWs werden nach ihrem Entwicklungsstand in vier Generationen gegliedert: Die KKWs der Generation III sind die aktuellen. Die wichtigsten Typen dieser Generation werden später ausführlich beschrieben (siehe die Reiter Siedewasserreaktor und Druckwasserreaktor). Die zukünftigen KKWs der vierten Generation (siehe Reiter Ausblick) sollen sicherer, nachhaltiger und wirtschaftlicher als die jetzigen KKWs sein.

Nach der Gaskrise bedingt durch den Krieg in der Ukraine ist gemäß einiger Studien die Mehrheit der Deutschen für die Nutzung der Kernenergie. Die dir gut bekannte Klimaaktivistin Greta Thunberg ist der Meinung, dass es aktuell schlechter ist, Atomkraftwerke zu stoppen, wenn Kohle die Alternative ist. Trotzdem sind die Gefahren der Nutzung der Kernkraft trotz der vielen Verbesserungen vor allem im Sicherheitsbereich noch sehr groß. Damit du "mitreden" und dich positionieren kannst, wurde dieser Lernpfad erstellt. In den folgenden Reitern werden die physikalischen Grundlagen, die wichtigsten Reaktortypen, die Sicherheitskonzepte, die Zwischenlagerung und die Entsorgung und die Super-Gaus in Tschernobyl und Fukushima vorgestellt, damit du dich kompetent entscheiden kannst, ob du für oder gegen die Nutzung der Kernenergie bist.

Um die Funktionsweise eines KKWs und die Gefahren der Kernenergie verstehen zu können, benötigst du ein großes Basiswissen aus der Physik und aus der Chemie. In diesem Reiter erhältst du die wichtigsten Kenntnisse:

Wie ist ein Atom aufgebaut?

Ein Atom besteht aus einem positiv geladenen Atomkern, der von einem Schwarm negativ geladener Elektronen, der Elektronenhülle, umgeben ist. Nach außen ist das Atom neutral. Entreißt man aber der Atomhülle Elektronen oder fügt welche hinzu, entstehen Ionen. Über 99,9% der Masse eines Atoms ist im Atomkern vereinigt. Der Durchmesser eines Atoms beträgt etwa $\mathrm{2·10^{-10}m}$, der eines Atomkerns ca. $\mathrm{10^{-15}m}$. Würde man den Atomkern auf die Größe eines Reiskorns vergrößern, dann würden sich die Elektronen in einem mittleren Abstand von 100 m um den Kern bewegen.

In einem Atomkern befinden sich als Kernbausteine (Nukleonen) Z positiv geladene Protonen und N ungeladene Neutronen, in der Atomhülle Z negativ geladene Elektronen. Kurzreichweitige Kernkräfte halten die Nukleonen im Kern zusammen. Die Protonenzahl Z wird auch Kernladungszahl genannt. Sie stimmt mit der Ordnungszahl des betreffenden chemischen Elements im Periodensystem überein. Isotope eines chemischen Elements sind Atome mit gleichem Z, aber verschiedenem N. Die Gesamtzahl der Nukleonen ist die Massenzahl A. Es gilt also $\mathrm{A=Z+N}$. Man kennzeichnet einen Atomkern (Nuklid) durch die Schreibweise $\mathrm{^{A}_{Z}X}$ oder X-A, wobei X das jeweilige chemische Symbol des Elements ist. Ein wichtiges Beispiel dazu ist das Uranisotop $\mathrm{^{235}_{\ \ 92}U}$ oder U-235 mit Z=92, A=235 und N=A-Z=235-92=143.

Was ist α-, β- und γ-Strahlung?

Senden Atomkerne bei ihrem Zerfall Strahlung aus, nennt man das Radioaktivität. Man unterscheidet α-, β- und γ-Strahlung (siehe obiges Bild):

• α-Strahlung besteht aus schnellen Heliumkernen $\mathrm{^{4}_{2}He}$, sie wird schon durch ein Blatt Papier absorbiert.
• β-Strahlung besteht aus schnellen Elektronen, sie wird durch ca. 5 mm dickes Aluminium absorbiert.
• γ-Strahlung ist wie das sichtbare Licht oder die Röntgenstrahlung eine elektromagnetische Strahlung, nur energiereicher. Erst dicke Bleischichten schwächen die γ-Strahlung merklich.

Was ist die Halbwertszeit und die Aktivität?

Jede radioaktive Kernart zerfällt mit einer charakteristischen Halbwertszeit: Das ist die Zeitspanne, in der die Kernzahl auf die Hälfte gesunken ist.

Die Zahl der Zerfälle je Sekunde nennt man die Aktivität einer radioaktiven Substanz. Die Einheit ist 1 Becquerel (1 Bq).

Wie hoch ist die natürliche und die künstliche Strahlenbelastung?

Die Strahlung radioaktiver Stoffe und auch die Röntgenstrahlung ist für uns Menschen und natürlich auch für die Tiere gefährlich, weil sie durch die Ionisation von Molekülen die Funktion von Körperzellen stört. Als Maß für die schädliche Wirkung ionisierender Strahlung dient die Äquivalentdosis mit der Einheit 1 Sievert (1 Sv). Die natürliche Strahlenbelastung beträgt im Mittel jährlich 2,4 mSv und die künstliche (z.B. durch Röntgen beim Arzt) im Mittel jährlich 1,5 mSv.

Wann wurde die Kernspaltung entdeckt?

Am 17.12.1938 bestrahlten der Chemiker Otto Hahn und sein Assistent Fritz Straßmann im damals sehr angesehenen Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie in Berlin Uran mit langsamen Neutronen. Sie nahmen u. a. an, dass sie auf diese Weise schwerere Elemente als Uran, sogenannte Transurane, herstellen könnten. Otto Hahn und Fritz Straßmann konnten es kaum glauben: Sie wiesen mehrmals das mittelschwere Element Barium als ein Produkt der Bestrahlungsversuche nach. Das konnte nur eins bedeuten: Das schwere Element Uran wurde in mittelschwere Elemente gespalten. Damals hielt man das für fast unmöglich. Otto Hahn fragte in einem Brief sicherheitshalber bei der genialen Physikerin Lise Meitner nach, ob aus physikalischer Sicht eine Kernspaltung von Uran möglich sei. Lise Meitner hatte lange Zeit mit Otto Hahn in Berlin zusammengearbeitet, sie musste aber als Jüdin aus dem nationalsozialistischen Deutschland fliehen und fand mit Otto Hahns Hilfe Asyl in Schweden. Glücklicherweise besuchte Lise Meitners Neffe, der Physiker Otto Frisch, seine Tante in Stockholm während der Weihnachtszeit. Lise Meitner und Otto Frisch konnten die Chemiker Otto Hahn und Fritz Straßmann beruhigen, die Spaltung von Uran ist physikalisch möglich. Otto Hahn bekam für die Entdeckung der Kernspaltung (engl. nuclear fission) 1944 den Nobelpreis verliehen. Gerechter wäre es gewesen, wenn auch Fritz Straßmann, Lise Meitner und Otto Frisch den Nobelpreis bekommen hätten, denn die Entdeckung der Kernspaltung war eine Gemeinschaftsleistung.

Was passiert bei der Kernspaltung?

Zur Spaltung von Atomkernen sind Neutronen besonders gut geeignet, weil sie keine elektrische Ladung haben und von den positiv geladenen Kernen nicht abgestoßen werden. Der Beschuss von Uran mit Neutronen ist aber nicht die einzige Voraussetzung: Die bei Kernreaktionen entstehenden Neutronen sind in der Regel sehr schnell mit einer Geschwindigkeit von ca. 10 000 km/s. Das sind unvorstellbare 36 Millionen km/h. Will man mit diesen sogenannten schnellen Neutronen eine Kernspaltung durchführen, ist es zweckmäßig, sie zu verlangsamen. Je langsamer die Neutronen sind, desto länger halten sie sich im Bereich eines Kerns auf und desto wahrscheinlicher wird eine Kernspaltung. Wie kann man die schnellen Neutronen verlangsamen? Dazu kannst du einen Versuch durchführen: Eine schnelle Kugel 1 trifft zentral auf eine gleichschwere ruhende Kugel 2, nach dem Stoß bleibt Kugel 1 liegen. Trifft Kugel 1 auf eine viel schwerere ruhende Kugel 3, läuft sie fast mit gleicher Geschwindigkeit zurück. Daraus kann man schließen, dass schnelle Neutronen am besten abgebremst werden können, indem sie auf gleichschwere Teilchen (z. B. Wasserstoffkerne=Protonen) stoßen. Man schickt die Neutronen deshalb durch Wasser, denn ein Wassermolekül enthält außer dem Sauerstoffkern zwei Wasserstoffkerne. Durch viele Stöße mit Protonen werden die Neutronen dabei schließlich so langsam wie Gasmoleküle infolge ihrer Teilchenbewegung. Sie haben dann noch eine Geschwindigkeit von ca. 2 km/s (Das sind immerhin noch 7200 km/h.) So erhält man langsame oder thermische Neutronen. Der technische Begriff für die Abbremsung der Neutronen ist Moderation. Das bremsende Medium nennt man Moderator.

Wenn man Uran-235 mit langsamen Neutronen beschießt (siehe obiges Bild), entsteht zunächst für ganz kurze Zeit das instabile Uran-236, das schließlich in zwei mittelschwere sogenannte Trümmerkerne gespalten wird. Zusätzlich entstehen 2-3 Neutronen und Energie wird frei. Bei der Spaltung können verschiedene Trümmerkerne entstehen, z. B. Barium und Krypton, Selen und Cer, Brom und Lanthan, Rubidium und Cäsium oder Strontium und Xenon. Die Massenzahlen der Trümmerkerne liegen häufig im Verhältnis von 2:3. In der folgenden Kernreaktionsgleichung wird die Spaltung des Urans in Barium und Krypton dargestellt:

$\mathrm{^{235}_{\ \ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ →\ ^{236}_{\ \ 92}U\ →\ ^{144}_{\ \ 56}Ba\ +\ ^{89}_{36}Kr\ +\ 3\ ^{1}_{0}n\ +\ Energie}$

Die Kernspaltungen haben folgende Gemeinsamkeiten:

• Die Trümmerkerne fliegen mit großer Geschwindigkeit von ca. 10 000 km/s auseinander. Dadurch wird in Kernreaktoren das umgebende Wasser erwärmt.
• Es werden zusätzlich 2 bis 3 schnelle Neutronen frei.
• Die Trümmerkerne sind radioaktiv. Sie zerfallen mehrfach unter Aussendung von energiereicher β- und γ-Strahlung mit teilweise hoher Halbwertszeit.

Wie kann man sich die Spaltung veranschaulichen? Durch das eingefangene Neutron wird der kugelförmige Kern zu einer Änderung seiner Form angeregt. Er erreicht dabei kurzzeitig eine hantelförmige Gestalt. Die wenigen Kerne an der engen Einschnürung sind mit ihren Kernkräften kurzer Reichweite nicht mehr in der Lage, die Hantel zusammenzuhalten. Die weitreichende elektrische Abstoßung der Protonen überwiegt und treibt die Trümmerkerne mit hoher Geschwindigkeit auseinander.

Wenn man die Masse der Kernteilchen des Uran-235 und des primären Neutrons mit der Summe der Masse der Trümmerkerne und der sekundären Neutronen vergleicht, so stellt man einen geringen Massenverlust fest. Dieser Verlust entspricht der bei der Kernspaltung frei werdenden Energie. Warum ist das so? Der berühmte Physiker Albert Einstein fand heraus, dass Masse und Energie einander äquivalent sind. Es sind zwei Formen desselben Phänomens. Masse lässt sich in Energie und Energie in Masse umwandeln. Die Formel lautet: $\mathrm{E=m·c^{2}}$ mit $\mathrm{E=Energie}$, $\mathrm{m=Masse}$ und $\mathrm{c=Lichtgeschwindigkeit=3·10^{8}\frac{m}{s}}$. Bei der vollständigen Spaltung von 1 kg Uran-235 tritt ein Massenverlust von 1 g auf. Also wird folgende Energie frei:

$\mathrm{E=m·c^{2}=1·10^{-3}kg·(3·10^{8}\frac{m}{s})^{2}=9·10^{13}J=25\ Millionen\ kWh}$. Das entspricht der vollständigen Verbrennung von unvorstellbaren 3 Millionen kg Kohle.

Was ist eine Kettenreaktion?

Die bei der Spaltung von Uran-235 frei werdenden schnellen Neutronen können nun ihrerseits, wenn sie abgebremst wurden, weitere Urankerne spalten. Geht man davon aus, dass nach jeder Spaltung 3 freie Neutronen zur Verfügung stehen (siehe Bild oben), sind es in den weiteren Schritten 9, 27, 81, 243, 729 ... usw. Wenn genügend Urankerne vorhanden sind, keine Neutronen nach außen verloren gehen oder absorbiert werden, schwillt die Anzahl der Kernspaltungen von Neutronengeneration zu Neutronengeneration lawinenartig an. Eine Kettenreaktion läuft ab.

Um den Ablauf einer Kettenreaktion zahlenmäßig zu erfassen, benutzt man den Multiplikationsfaktor k:

$\mathrm{k=\frac{Zahl\ der\ Spaltungen\ einer\ Neutronengeneration}{Zahl\ der\ Spaltungen\ der\ vorhergehenden\ Neutronengeneration}}$

Der Multiplikationsfaktor bestimmt den Ablauf der Kettenreaktion. Dabei muss man drei Fälle unterscheiden:

1. Der Multiplikationsfaktor ist größer als 1: In diesem Fall nimmt die Neutronenzahl von Generation zu Generation zu. Da die Lebensdauer eines Neutrons, d. h. die Zeit zwischen seiner Entstehung und der von ihm bewirkten Spaltung, sehr kurz ist, folgen die Spaltungsreaktionen sehr rasch aufeinander und die Zahl der Neutronen wächst sehr rasch, auch wenn der Multiplikationsfaktor nur wenig über 1 liegt. So kann in Bruchteilen einer Sekunde fast die gesamte zur Verfügung stehende Uranmenge unter Abgabe sehr großer Energiemengen gespalten werden. Dieser Fall liegt bei der Atombombe vor.
2. Der Multiplikationsfaktor ist gleich 1: Die Neutronenzahl bleibt konstant, d.h. von den bei jeder vollzogenen Spaltung entstehenden Neutronen führt ein Neutron wieder zur Spaltung, während die übrige Neutronenproduktion weggefangen wird. Eine solche gesteuerte Kettenreaktion befindet sich im Gleichgewicht. Dieser Fall ist der stationäre Betrieb eines KKWs.
3. Der Multiplikationsfaktor ist kleiner als 1: Die Neutronenzahl nimmt von Generation zu Generation ab. Damit wird auch die Zahl der Kernspaltungen geringer. Die Kettenreaktion erlischt.

Beim Einschalten eines Kernreaktors muss die Kettenreaktion zunächst bis zu der gewünschten Leistung gesteigert werden, k ist dann größer 1. Dann muss sie stationär weiterlaufen, k ist jetzt 1. Wenn der Reaktor abgeschaltet werden soll, muss man die entstehenden Neutronen soweit wegfangen, dass die Zahl der Spaltungen von Generation zu Generation kleiner wird, k ist in diesem Abschaltfall kleiner 1.

Wie kann man Neutronen wegfangen? Dies geschieht in den Regelstäben (auch Steuerstäbe genannt), die zwischen die Brennelemente geschoben werden können. Die Regelstäbe enthalten Bor oder Cadmium. Diese Elemente sind besonders gute Neutronenfänger, auch Neutronenabsorber genannt. Man kann auch dem Wasser Borsäure hinzufügen, um vermehrt Neutronen wegzufangen.

Der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klaproth entdeckte 1789 das Uran. Er nannte das neue Element nach dem kurz zuvor entdeckten Planeten Uranus. Bereits im 19. Jhd. wurde Uran in Minen abgebaut und für das Färben von Glaswaren und Geschirr verwendet. Das Glas erhielt dann eine charakteristische Grünfärbung mit dem schönen Namen "Annagrün" (siehe obiges Bild).

Reines Uran ist ein silbern glänzendes, weiches Schwermetall. Es ist das schwerste natürliche Element, das auf der Erde in größeren Mengen vorkommt.

Wo kommt Uran vor?

In der Erdkruste ist Uran durchschnittlich zu 0,0003% enthalten. Uranerze mit einem Urangehalt von 0,03% bis 0,5% werden abgebaut. Einige Minen enthalten sogar Urananteile von bis zu 20% und sogar noch mehr. Das sind aber Ausnahmen. Nur wenige Länder bauen Uran ab. Die wichtigsten in heutiger Zeit Uran abbauenden Länder sind: Kanada, Australien, Kasachstan, Usbekistan, Niger, Namibia und Russland.

Die Nachfrage nach Uran wird voraussichtlich steigen. Deshalb denkt man darüber nach, ob man Uran auch aus der Asche von Braunkohlebergwerken gewinnen kann, weil die Asche besonders uranhaltiger Kohle einen höheren Urangehalt aufweisen kann als einige Uranerze. Man könnte sogar Uran aus Meerwasser gewinnen. So könnten die Uranreserven noch für Hunderte bis Tausende von Jahren ausreichend sein. Auch Lagerbestände, die Wiederaufbereitung verbrauchter Brennstäbe und durch die Abrüstung von Nuklearwaffen anfallendes Uran sind weitere Uranquellen.

Wie wird Uran abgebaut?

Uran kann auf drei verschiedene Weisen abgebaut werden: im Untertagebau, im Tagebau oder mit der sogenannten In-situ-Laugung (engl. In-situ-leaching). Jede Abbaumethode hat seine Vor- und Nachteile:

Der Vorteil des Untertagebaus besteht darin, dass sehr gezielt uranhaltige Erzadern abgebaut werden können, so dass nur sehr wenig Abraum entsteht. (Mit Abraum bezeichnet der Bergmann das beim Abbau nutzbarer Gesteine anfallende nicht mehr brauchbare Material. Der Abraum wird auf sogenannten Halden abgelagert.) Der Nachteil ist, dass in uranhaltigem Gestein auch sehr viel Radon enthalten ist, das sich unter Tage zu hohen Konzentrationen anreichern kann. Das Radon muss durch Belüftungssysteme entfernt werden.

Der Vorteil des Tagebaus ist, dass große Mengen an Gestein abgebaut werden können, so dass es sich auch lohnt, Uranlagerstätten mit niedrigen Konzentrationen an Uran abzubauen. Nachteilig ist, dass der Abraum groß ist.

Die In-situ-Laugung ist ein chemisches Verfahren, bei dem das Uran durch Schwefelsäure direkt aus dem Gestein gespült wird. Im Zentrum der Erzlagerstätte werden dann Förderbohrungen eingebracht, die die uranhaltige Lösung aus dem Gestein ziehen. Die In-situ-Laugung hat den Vorteil, dass kein Abraum entsteht, aber den großen Nachteil, dass größere Mengen von Schwefelsäure in das Gestein eindringen, was eine große Gefahr für das Grundwasser darstellen kann. 

Wie wird Uran aufbereitet?

Das Uranerz wird gebrochen und fein gemahlen. Dann wird das Uran chemisch aus dem Gestein herausgelöst. Dabei wird oft Schwefelsäure verwendet. Mit Hilfe von Ammoniak wird anschließend das Uran aus der sauren Lösung ausgefällt und schließlich getrocknet. Das getrocknete gelbliche Uranpulver wird Yellow Cake genannt. Leider bleiben bei dieser Aufbereitung größere Rückstände von toxischem Abraum übrig, die Tailings genannt werden. Die hochgiftigen Tailings müssen über lange Zeit in großen Becken sicher gelagert werden. Wie das Yellow Cake weiterverarbeitet wird, erfährst du im nächsten Reiter "Urananreicherung".

Wie gefährlich ist der Uranabbau?

Dass der Betrieb von KKWs und die Entsorgung von radioaktiven Abfällen viele Gefahren mit sich bringen, weißt du sicherlich. Aber auch der Uranabbau ist sehr gefährlich, was an drei Beispielen gezeigt wird. Auch zeigen die folgenden Beispiele, wie eng der Uranabbau mit der Poltik verknüpft ist.

erstes Beispiel: Uranabbau in der ehemaligen DDR

Du wirst verwundert sein, dass die ehemalige DDR mal der drittgrößte Uranproduzent der Welt war. Die ostdeutschen Uranvorkommen waren für die ehemalige Sowjetunion während des kalten Krieges von großer militärischer Bedeutung, weshalb Sicherheit keine Rolle spielte.  Bis 1990 arbeiteten vor allem in Thüringen und Sachsen ca. 45 000 Bergarbeiter für die SDAG (Sowjetisch-Deutsche Aktiengesellschaft) Wismut. Tausende Kumpels atmeten täglich radioaktiven Staub ein und starben an Lungenkrebs. Das Nachfolgeunternehmen der SDAG Wismut, die Wismut GmbH, bemüht sich immerhin, die Halden des Uran-Bergbaus zu sanieren und zu rekultivieren, und sie kümmert sich um die noch lebenden ehemaligen Bergarbeiter.

zweites Beispiel: Church Rock im US-Bundesstaat New Mexico

Du hast oben schon von den hochtoxischen Tailings gelesen. Zur Reduzierung der Strahlung und zur Vermeidung von Staubbildung werden Tailings häufig mit Dämmen begrenzt und dann mit Wasser geflutet. Bei Church Rock im US-Bundesstaat New Mexico brach ein solcher Damm im Jahr 1979 und dadurch gelangte eine große Menge kontaminiertes Wasser in den Rio Puerco, der vielen indigenen Stämmen als Trinkwasser-Reservoir diente. Die Bauern, die am Rio Puerco leben, sind jedoch sehr arm und Wasser ist dort knapp, so dass die Bauern gezwungen sind, ihre Tiere am Fluss weiden und trinken zu lassen. Dies führte schließlich bei den Bauern zu vielen Krebsfällen und Fehlgeburten.

Dass der Unfall auf dem Gebiet eines indigenen Volkes geschah, ist leider kein Zufall: In den USA liegt ein großer Teil der Uranabbaustätten auf dem Gebiet indigener Völker. Der Abbau ist hier für die Bergbau-Unternehmen besonders günstig und die armen Menschen sind eher bereit, die gefährliche Arbeit zu machen.

Immerhin haben sich viele indigene Gruppen politisch zusammengeschlossen und kämpfen gegen den weiteren Uranabbau auf ihren Gebieten.

drittes Beispiel: Uranabbau in Niger

Seit 1971 baut der französische Atomkonzern, der sich heute Orana nennt, Uran im Norden von Niger ab. Dort wurden einige Jahre zuvor riesige Uranerzvorkommen in der ehemaligen französischen Kolonie entdeckt. Noch heute gehört Niger zu den größten Uran-Förderländern. Eine eigene Stadt, genannt Arlit, wurde für die Bergarbeiter gegründet. Das Uran wird vorwiegend im Tagebau gefördert. Während Frankreich sehr vom Uranbergbau profitiert, gehört Niger immer noch zu den ärmsten Ländern der Welt. Das spiegelt sich auch in den folgenden Zahlen wider: Dem französischem Atomkonzern gehört 63,4% der Mine und der Rest dem Staat Niger. Auch ist es nicht verwunderlich, dass die französischen Ingenieure des Atomkonzerns Orana in luxuriösen Villen leben, während die nigrischen Bergarbeiter in Slums leben müssen. Die Folgen des Uranbergbaus für das Abbaugebiet sind katastrophal:

• Durch den Uran-Tagebau und die Uran-Aufbereitung sind riesige bis zu 80 m tiefe Erdlöcher, Gesteinshalden und Tailingbecken entstanden, die das ehemalige Landschaftsbild stark verändert haben.
• Wüstenstürme verteilen den radioaktiven Staub der Gesteinshalden in die Häuser der Bergleute und ihrer Familien. Und das Gestein selbst wird teilweise zum Häuserbau und Straßenbau verwendet. Es ist nicht verwunderlich, dass die Bewohner von Arlit an erhöhtem Krebsrisiko leiden. Auch die Zahl der fehlgebildeten Kinder ist ungewöhnlich hoch.
• Auch die Schlammmassen der Tailingbecken werden von der Wüstensonne getrocknet und der Wind trägt den so entstandenen radioaktiven Staub zu den Häusern der Bergleute.
• Um den hohen Wasserverbrauch des Uranbergbaus zu decken, wurde das unterirdische Grundwasserreservoir der Umgebung angezapft. Die Menschen und die Tiere haben oft nicht mehr genügend Wasser, um leben zu können.

Auch hier hat sich Widerstand formiert: Almoustapha Alhacen, ehemaliger Bergbauarbeiter in der Uranmine, gründete bereits im Jahr 2000 die NGO (NGO ist die Abkürzung für "Non-Governmental Organization") Aghirin'man, was so viel wie "Rettet unsere Seelen" bedeutet. Die NGO Aghirin'man möchte die Bergarbeiter und deren Familien darüber aufklären, wie gefährlich der radioaktive Staub ist, und deren sozialen Verhältnisse verbessern.

Was ist Urananreicherung?

Wenn man gewöhnliches Wasser als Moderator benutzt, spricht man von Leichtwasserreaktoren. Leichtwasserreaktoren sind der zurzeit häufigster Reaktortyp. Gewöhnliches Wasser ist zwar ein sehr guter Moderator, der die schnellen Neutronen nach wenigen Stößen auf die gewünschte Geschwindigkeit abbremst, aber es hat den großen Nachteil, dass es Neutronen absorbiert, die dann nicht mehr für die Kettenreaktion zur Verfügung stehen. Um diesen Nachteil der Neutronenabsorption auszugleichen, wird in Leichtwasserreaktoren angereichertes Uran verwendet. Was ist damit gemeint? Das Natururan besteht zu 99,3% aus Uran-238 und zu 0,7% aus Uran-235. Um das Uran als Kernbrennstoff in Leichtwasserreaktoren verwenden zu können, muss der Anteil des spaltbaren Urans-235 auf 3-5% erhöht werden. So erhält man angereichertes Uran. (Für Atombomben beträgt der Anreicherungsgrad ca. 90%.)

Wie funktioniert Urananreicherung?

Von den vielen Verfahren zur Urananreicherung haben sich zwei durchgesetzt: Das Diffusions- und das Zentrifugalverfahren. In beiden Fällen wird das Uran, genauer das Yellow Cake (siehe vorheriger Reiter), zunächst einmal in ein Gas verwandelt, indem man es mit Fluor (F) zu Uranhexafluorid (UF6) reagieren lässt. Der Fachbegriff hierfür ist Urankonversion. Fluor ist ein Reinelement, d. h. von Fluor gibt es nur ein Isotop. Deshalb ist das UF6 mit U-235 ein wenig leichter als das UF6 mit U-238.

Zentrifugalverfahren: In einer schnellen Zentrifuge mit mehr als 60 000 Umdrehungen pro Minute fliegt das schwerere Molekül stärker nach außen als das leichtere (siehe Bild oben). So kommt es zu einer Entmischung, die aber nur sehr schwach ist, so dass der Verfahrensschritt sehr oft wiederholt werden muss. Deshalb werden die Gaszentrifugen zu Kaskaden mit mehreren Hundert Einzelzentrifugen verbunden.

Diffusionsverfahren: Hier basiert die Trennung darauf, dass das leichtere Molekül schneller durch eine für UF6 durchlässige Membran diffundiert. Auch hier ist die Entmischung gering, so dass auch hier viele Verfahrensschritte notwendig sind.

Das Zentrifugalverfahren ist das zurzeit am meisten benutzte Verfahren zur Urananreicherung.

Was sind die nächsten Verfahrensschritte nach der Urananreicherung? Das Uranhexafluorid wird in Urandioxid umgewandelt. Das Urandioxid wird zu Tabletten gepresst und zu einer Keramik gesintert. So entstehen ca. 1 cm lange und 9 mm breite Pellets. Die Pellets werden in Brennstäbe gefüllt und gasdicht eingeschlossen.

Das obige Bild zeigt den typischen Aufbau von zylinderförmigen Brennstäben: Die Stäbe haben z. B. eine Länge von 4,17 m und einen äußeren Durchmesser von ca. 11 mm. Die Umhüllung besteht aus einer gasdichten Zirkonium-Legierung, auch Zircaloy genannt, mit einer Wandstärke von 0,65 mm. Die Brennstäbe sind mit Endkappen verschlossen. Eine Druckfeder drückt von oben auf die Pellets und hält sie in einer Säule fest zusammen. Der dadurch oberhalb des Kernbrennstoffs geschaffene Raum dient zur Sammlung der bei der Kernspaltung entstehenden Edelgase und der leicht flüchtigen Spaltprodukte.

Je nach Reaktorbauart werden ca. 50 bis 200 Brennstäbe zu Brennelementen zusammengebaut. Ein typisches Brennelement enthält ungefähr eine halbe Tonne Uran. Ca. 200 Brennelemente befinden sich in einem Druckwasserreaktor (siehe Reiter Druckwasserreaktor), so dass sich bis über 100 Tonnen Uran im Reaktorkern befinden.

Die Brennstäbe können ca. 3 Jahre benutzt werden, bis sie abgebrannt sind. Sie enthalten dann nur noch knapp 1% U-235. Üblicherweise wird jedes Jahr ein Drittel der Brennstäbe gegen neue ausgetauscht. Die abgebrannten Brennstäbe werden über mehrere Jahre im Abklingbecken, das sich in der Nähe des Reaktorkerns befindet, gelagert. Im Abklingbecken bleiben die Brennelemente solange, bis die Temperatur und die Strahlung so stark abgenommen haben, dass die Brennelemente in ein Zwischenlager transportiert werden können.

Legende zum Bild:

A = Reaktorgebäude

B = Maschinenhaus (Kontrollbereich)

1 = Reaktordruckbehälter

2 = Steuerstäbe

3 = Kernbrennstäbe

4 = heißer Wasserdampf

5a = Hochdruckturbine

5b = Niederdruckturbine

6 = Stromgenerator

7 = Kondensator

8 = Speisewasser (zur Kühlung und als Moderator)

9 = externer Kühlwasserkreislauf

Funktionsweise des Siedewasserreaktors:

Ein Kernkraftwerk ist auch ein Wärmekraftwerk. Du erinnerst dich: In Kohlekraftwerken wird die chemische Energie, die in der Kohle steckt, zunächst in thermische Energie des Dampfes umgewandelt. In der Turbine wird die thermische Energie des Dampfes in kinetische Enegie (genauer Rotationsenergie) der Turbine umgewandelt. Der über eine Welle mit der Turbine verbundene Generator wandelt die Rotationsenergie der Turbine in elektrische Energie um. Ein Kernkraftwerk funktioniert genauso, nur nicht die chemische Energie, sondern die Kernenergie steht am Anfang des Prozesses.

Ein Siedewasserreaktor (siehe Bild oben) gehört zu den Leichtwasserreaktoren, da zur Kühlung und als Moderator gewöhnliches Wasser benutzt wird. Er ist weltweit der zweithäufigste Kernreaktortyp. Ein Siedewasserreaktor hat nur zwei Kreisläufe. Das Wasser siedet in dem Reaktorkern (daher der Name), der entstehende Wasserdampf sammelt sich im oberen Teil des Druckbehälters. Etwa Zweidrittel des Volumens wird durch Wasser und der Rest durch Wasserdampf eingenommen. Von hier strömt der Wasserdampf in den Hochdruckteil der Turbine und danach in den Niederdruckteil, von wo der Wasserdampf in den Kondensator gelangt, wo sich der Wasserdampf mit Hilfe von Kühlwasser, z. B. aus einem Fluss, so weit abkühlt, dass er zu Wasser kondensiert und erneut in den Reaktor gepumpt werden kann. (Die Pumpe fehlt in der Zeichnung.)

Die Turbinen treiben den Generator zur Stromerzeugung an. Der Druck in einem Siedewasserreaktor beträgt ca. 70 bar und der Dampf hat eine Temperatur von ca. 286°C. Da, wie schon erwähnt, das Wasser auch als Moderator wirkt, verschlechtert sich bei steigender Hitze die Moderatorwirkung, da der dann mehr vorhandene Wasserdampf eine geringere Dichte als Wasser hat und daher schlechtere Moderatoreigenschaften besitzt. So werden weniger thermische Neutronen erzeugt und es kommt zu weniger Kernspaltungen. Deshalb fährt sich ein Siedewasserreaktor mit steigender Hitze selbst zurück, was ein großer Vorteil des Siedewasserreaktor ist (siehe auch Reiter Sicherheitskonzept).

Da sich im Wasserdampf radioaktive Substanzen befinden, müssen auch das Maschinenhaus sowie die Turbinen in den Strahlenschutz einbezogen werden. Das ist ein großer Nachteil dieses Reaktortyps. Ein weiterer Nachteil des Siedewasserreaktor ist, dass die Steuerstäbe von unten eingeführt werden müssen (siehe obiges Bild).

Ein großer Siedewasserreaktor hat eine elektrische Leistung von 1300 MW und einen Wirkungsgrad von ca. 35%. Im Vergleich dazu hat ein Kohlekraftswerkblock eine typische elektrische Leistung von 1000 MW und einen Wirkungsgrad von 30% bis 40%.

Legende zum Bild:

A = Reaktorgebäude

B = Maschinenhaus

1 = Reaktordruckbehälter

2 = Steuerstäbe

3 = Kernbrennstäbe

4 = Druckhalter

5 = Dampferzeuger

6 = heißer Wasserdampf

7a = Hochdruckturbine

7b = Niederdruckturbine

8 = Stromgenerator

9 = Kondensator

10 = externes Kühlwasser

Funktonsweise des Druckwasserreaktors

Ein Druckwasserreaktor (siehe Bild oben) gehört wie der Siedewasserreaktor zu den Leichtwasserreaktoren. Ein Druckwasserreaktor verfügt über drei Kreisläufe, er hat also einen Kreislauf mehr als der Siedewasserreaktor. Er ist weltweit der häufigste Reaktortyp mit einem Anteil von über 2/3 an der weltweiten nuklearen Stromerzeugung.

Im Primärkreis tritt das Kühlwasser mit einer Temperatur von ca. 290°C in den Reaktorkern ein. Hier kühlt es den Kern, dessen Spaltmaterial Temperaturen bis zu 2100°C erreicht, während es selbst erhitzt wird. Den Reaktorkern verlässt das Wasser mit einer Temperatur von ca. 325°C bei einem Druck von ca. 155 bar. Daher bleibt das Wasser trotz seiner hohen Temperatur noch flüssig. Danach tritt das Wasser des Primärkreislaufs in einen Dampferzeuger, wo in einem zweiten Kreislauf das in den Dampferzeuger eintretende Wasser zu Wasserdampf wird, dabei wird es auf eine Temperatur von ca. 290°C abgekühlt. Der heiße Dampf im Sekundärkreislauf aus dem Dampferzeuger wird dann zu den Turbinen geleitet, mit deren Hilfe ein Generator betrieben wird, der den Strom erzeugt. Selbstverständlich darf auch hier der Kühlwasserkreislauf und der Kondensator nicht fehlen.

Ein großer Vorteil des Druckwasserreaktors ist, dass der zweite Kreislauf, in dem sich die Turbinen befinden, frei von Radioaktivität ist. Das erleichtert die Wartung der Turbinen ernorm und das ist der Hauptgrund dafür, dass Druckwasserreaktoren weltweit der häufigste Reaktortyp ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Steuerstäbe von oben in den Reaktorkern eingefahren werden (sieh Bild oben). Die Steuerstäbe werden elektromagnetisch gehalten. Falls eine Reaktorschnellabschaltung notwendig sein sollte, fallen die Steuerstäbe durch die Wirkung der Schwerkraft in den Reaktorkern hinein. Die Kettenreaktion wird so unterbrochen und der Reaktor schaltet sich ab.

Druckwasserreaktoren haben eine durchschnittliche Leistug von ca. 1300 MW und einen Wirkungsgrad von 32-36%.

Passive Sicherheitselemente (Sicherheitsbarrieren)

In den Druckwasser- und Siedewasserreaktoren (siehe vorherige Reiter) werden radioaktive Stoffe und radioaktive Strahlung  durch sechs Sicherheitsbarrieren (siehe obiges Bild) am Austreten in die Umwelt gehindert. Von innen nach aussen werden die folgenden Sicherheitsbarrieren jeweils von der nachfolgenden eingeschlossen:

1. das starre Kristallgitter des Brennstoffs: Du hast bereits gelernt, dass als Brennstoff bei der Kernspaltung Urandioxid dient, das zu Pellets gepresst und ähnlich wie Keramik gebrannt wird. So hat es eine feste Kristallstruktur, in der die nicht gasförmigen radioaktiven Spaltprodukte (z. B. Barium und Krypton) fest eingebunden sind.
2. die gasdicht verschweissten Metallhüllen der Brennstäbe: Du hast bereits gelernt, dass das zu Pellets gepresste Urandioxid sich in etwa fingerdicken Rohren, die aus Zircaloy bestehen, befindet. Dieses Material hat ähnliche Eigenschaften wie Stahl, ist aber neutronendurchlässiger. Die Enden der Rohre werden gasdicht verschweisst.
   
3. der Reaktordruckbehälter : Der ca. 20 bis 25 cm dicke Stahlmantel umschliesst die Brennelemente, die Steuerstäbe und das Wasser des primären Kreislaufs.  Zusammen mit den anschließenden Rohrleitungen schliesst er auch eventuell aus Hüllrohren ausgetretene gasförmige Spaltprodukte vollständig ein und schluckt den Hauptanteil an Neutronen- und Gamma-Strahlung.
4. die Betonhülle: Der Mantel aus Beton hat die Aufgabe, den Rest der Neutronen- und Gamma-Strahlung zu absorbieren.
5. der Sicherheitsbehälter: Der Sicherheitsbehälter ist sowohl gasdicht als auch druckfest und besteht aus ca. 4 cm dickem Stahl. Falls es im Primärkreis zu einem Leck kommt, kann der Sicherheitsbehälter das austretende Wasser-/Dampfgemisch mit allen eventuell darin enthaltenen radioaktiven Stoffen aufnehmen und zurückhalten.
6. die nach aussen abschliessende Stahlbetonhülle: Die mit 1,5 bis 2 m Dicke massivste Sicherheitsbarriere kann auch einem Flugzeugabsturz standhalten.

Aktive Sicherheitselemente

Die sechs aufeinanderfolgenden Barrieren bilden noch keine volle Garantie für den zuverlässigen Einschluss von radioaktiven Stoffen. Deshalb werden in einem KKW noch viele unterschiedliche Sicherheitsprinzipien befolgt, von denen einige beispielhaft erwähnt werden:

Das Prinzip der Ausfallsicherheit: Jeder Fehler löst sofort eine Schutzreaktion aus. Der englische Fachbegriff ist das Fail-Safe-Prinzip. Ein Beispiel für dieses Prinzip ist das Folgende: Du weißt, dass die Steuerstäbe die Neutronenaktivität hemmen, wenn sie sich zwischen den Brennstäben befinden. Beim Druckwasserreaktor befinden sich die Steuerstäbe oberhalb der Brennelemente und werden von Elektromagneten gehalten. Wenn es zu einem Stromausfall im KKW kommt, schalten sich die Elektromagnete aus und die Steuerstäbe fallen durch die Schwerkraft von alleine zwischen die Brennelemente. Indem die Steuerstäbe die Neutronen absorbieren, stoppen sie die Kettenreaktion.

Das Prinzip der mehrfach vorhandenen und voneinander unabhängigen Anlagenteile, auch Redundanz genannt: Ein Beispiel dafür ist die Anzahl und die Anordnung von Ventilen. Will man mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit sicherstellen, dass eine Leitung geschlossen wird, so muss man mehrere Ventile hintereinanderschalten. Möchte man dagegen mit hoher Wahrscheinlichkeit sicherstellen, dass eine Leitung geöffnet wird, muss man mehrere Ventile parallelschalten.

Das Prinzip der Diversität: Da grundsätzlich die Gefahr besteht, dass technisch gleichartige Teile auch zur gleichen Zeit versagen können, werden für den gleichen Zweck technisch unterschiedliche Einrichtungen vorgesehen. Wir bleiben bei den Ventilen: Die Ventile werden elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betrieben. Die Wahrscheinlichkeit, dass diese unterschiedlichen Einrichtungen zur selben Zeit versagen, ist dann sehr klein.

Der Corecatcher

Aus den Super-GAUs von Tschernobyl und Fukushima (siehe Reiter Tschernobyl und Reiter Fukushima) hat man gelernt: Bei beiden Unfällen trat eine Kernschmelze ein. Bei der Kernschmelze erhitzen sich die Brennelemente so stark, dass sie schmelzen und das schmelzende Material nach unten fließt. Der sich unterhalb des Reaktors befindende Core-Catcher (dt. Kernfänger) fängt das schmelzende Kernmaterial auf und kühlt es ab. Dadurch wird verhindert, dass die Schmelze durch den Sicherheitsbehälter und die Fundamentplatte des Reaktors dringt und das Grundwasser verseucht. Die meisten modernen KKWs besitzen Core-Catcher.

Welche Arten von radioaktivem Abfall gibt es?

Radioaktive Abfälle stammen überwiegend aus der Erforschung, dem Betrieb und auch dem Rückbau der KKWs. Mit Rückbau ist die sehr aufwendige und sehr teure Demontage von KKWs gemeint. Die radioaktiven Abfälle werden in schwachradioaktive, mittelradioaktive und hochradioaktive Abfälle unterteilt. Beim schwach- und mittelradioaktivem Abfall handelt es sich zum Beispiel um Teile von Anlagen, die kontaminiert wurden, Schutzkleidung und Werkzeuge und Geräte aus KKWS. Der hochradioaktive Abfall stammt überwiegend aus verbrauchten Brennelementen. Der hochradioaktive Abfall hat nur einen geringen Mengenanteil, in Deutschland sind das z. B. ca. 10%, er enthält aber ca. 99,9% der gesamten anfallenden Radioaktivität und ist deshalb sehr gefährlich. Für die weniger gefährlichen schwach- und mittelradioaktiven Abfälle hat man in Deutschland bereits ein Endlager gefunden, den Schacht Konrad in Niedersachsen. Für die hochradioaktiven abgebrannten Brennstäbe wird zurzeit noch ein Endlager in Deutschland gesucht.

Zwischenlager und Endlager für hochradioaktive Abfälle

Die hochradioaktiven abgebrannten Brennelemente werden mehrere Jahre lang in ein wassergefülltes Abklingbecken aufbewahrt. Hier verringert sich ihre Radioaktivität und die damit verbundene Wärmeentwicklung. Danach werden sie in tonnenschwere Behälter aus Stahl verpackt, die Castoren genannt werden. Die Castorbehälter werden in Zwischenlager transportiert, die sich in der Nähe der KKWs befinden, dort bleiben sie, bis ein Endlager gefunden sein wird. In Deutschland gibt es 16 Zwischenlager.

Der deutsche Staat unternimmt große Anstrengungen für die Endlagersuche, die bis 2031 beendet sein soll, und legt hohe Anforderungen für das Endlager fest: Gegenden mit Erdbebengefahr und Vulkanismus werden von vornherein ausgeschlossen. Mindestens 300 Meter Gestein muss das Endlager von der Erdoberfläche trennen. Eine ausreichend mächtige Schicht aus Tongestein, Steinsalz oder Granit muss die hochradioaktiven Abfälle umgeben (siehe obiges Bild). Salzgestein hat sich als besonders geeignet erwiesen aus folgenden Gründen:

• Das Salzgestein liegt so tief und ist so dicht gegenüber Flüssigkeiten und Gasen, dass die radioaktiven Stoffe relativ sicher von den oberen Schichten ferngehalten werden.
• Das Salzgestein besitzt eine gute Wärmeleitfähigeit, so dass die beim radioaktiven Zerfall entstehende Wärme leicht abgeleitet wird.
• In den Salzlagern können verhältnismäßig kostengünstig und ohne größere technische Schwierigkeiten große und stabile Lagerräume hergestellt werden.

Wegen der sehr langen Halbwertszeiten einiger Spaltprodukte der abgebrannten Brennelemente besteht der Anspruch, dass das Endlager die hochradioaktven Abfälle für eine Million Jahre sicher einschließen soll.

Andere Formen der Endlagerung, z. B. im Meer oder im Weltall, haben sich als ungeeignet erwiesen. Sie sind entweder zu gefährlich für die Umwelt oder zu teuer.

Am 26. April 1986 kam es im Block 4 des KKW Tschernobyl in der Ukraine zum bislang größten Unfall in der Geschichte der Kernenergie.

Was sind die Ursachen des Super-Gaus in Tschernobyl?

Die wichtigste Ursache des Unfalls ist der andere Aufbau des Reaktortyps RBMK-1000 im Vergleich zu dem Druckwasserreaktortyp, der mehrheitlich in Westeuropa genutzt wird:

• Beim Tschernobyl-Reaktor fehlte der Sicherheitsbehälter (siehe Reiter Sicherheitskonzept).
• Als Moderator diente beim Tschernobyl-Reaktor nicht Wasser, sondern ein Graphitblock, in dem Bohrungen für die Brennelemente eingebracht waren. Der Graphit-Moderator hat eine Betriebstemperatur von ca. 500°C-700°C. Um eine Entzündung des Graphits zu vermeiden, befindet sich der Graphitblock in einem gasdichten Behälter mit einer Schutzgasatmosphäre aus Helium und Stickstoff. Wird der Schutzgasbehälter durch eine Explosion zerstört, gelangt Sauerstoff zum heißen Graphit, welcher unter Freisetzung großer Energiemengen verbrennt.
• Du weißt bereits, dass bei einer ungewollten Leistungserhöhung im Leichtwasserreaktor das Wasser verdampft, dadurch verringert sich die Moderatorwirkung und es kommt zu einer Leistungsminderung. Entstehen beim Tschernobyl-Reaktor aufgrund einer ungewollten Leistungserhöhung Wasserdampfblasen, so werden weniger Neutronen absorbiert, mehr Neutronen stehen für die Spaltung zur Verfügung, und die für die Kettenreaktion wichtige Moderation findet dennoch durch den Graphitmoderator statt. Die ungewollte Leistungserhöhung wird also leider noch mehr erhöht.
• Eine weitere Ursache waren große organisatorische Mängel.

Wie verlief der Unfall und was waren seine Folgen?

Der Unfall ereignete sich bei Tests zum Anlagenverhalten bei einem Stromausfall. Verschiedene Umstände führten leider dazu, dass der Reaktor einen instabilen Betriebsbereich erreichte und sich der Brennstoff stark erhitzte. Das Kühlwasser verdampfte schlagartig. Der Reaktordeckel konnte dem enormen Druck nicht standhalten. Zwei Explosionen mit Materialauswurf ereigneteten sich, und die Anlage wurde stark beschädigt. Der Graphitmoderator geriet in Brand. Mit der starken Hitze gelangte Radioaktivität in große Höhen und verbreitete sich über weite Teile Europas.

Die Einsatzkräfte konnten durch Wassereinspeisung, Abwurf verschiedener Materialien wie Borsalz aus Militärhubschraubern und Einblasen von Stickstoff die Freisetzung der radioaktiven Schadstoffe allmählich verringern. Ein großer Teil der mutigen Einsatzkräfte starb später an Krebs. Heute befindet sich über dem zerstörten Reaktor eine moderne Schutzhülle, auch "Sarkophag" genannt (siehe obiges Bild).

Ein großes Gebiet um dem havarierten Reaktor musste evakuiert werden, viele Menschen verloren ihre Heimat. Auch in Deutschland spürte man schnell die Folgen des Super-Gaus: Die Radioaktivität stieg deutlich an. Durch Regen sank zwar die Radioaktivität der Luft, dafür stiegen die des Erdbodens und Wassers. Gemüse und Milch waren für einige Zeit so stark belastet, dass ihr Verzehr für Kinder nicht empfohlen werden konnte.

Die Kerntechniker haben viel aus dem Unfall in Tschernobyl gelernt. Trotzdem konnten sie nicht verhindern, dass sich 25 Jahre später, also im Jahr 2011, im technisch hochentwickelten Japan, genauer im an der Nordostküste der Hauptinsel gelegenem KKW Fukushima, ein weiterer Super-Gau ereignete.

Was sind die Ursachen des Super-Gaus in Fukushima?

Obwohl das KKW in Fukushima ein Siedewasserreaktor westlichen Standards war, hatte es viele technische Schwächen. Eine ganz entscheidende Schwäche war, dass das KKW nur für Tsunami-Höhen von 5,7 m ausgelegt worden war, obwohl der Betreiber wusste, dass Tsunami-Höhen von bis zu 15 m in dem Gebiet des KKWs auftreten können. Besonders die Notstromversorgung war nicht ausreichend gegen Überflutung gesichert.

Wie verlief der Unfall?

Das KKW Fukushima bestand aus sechs Reaktorblöcken. Zum Unfallzeitpunkt waren die Blöcke 1-3 im Betrieb. 

Durch das starke Seebeben der Stärke 9 am 11. März 2011, dessen Epizentrum nur ca. 130 km vom KKW entfernt war, fiel zunächst die externe Stromversorgung für das KKW aus. Daraufhin starteten die Notstromdiesel der einzelnen Blöcke. Sie stellten die Versorgung sicherheitstechnisch wichtiger Systeme sicher.

Durch das Seebeben kam es zu einem Tsunami, der das KKW knapp eine Stunde später erreichte. Die Wellen am Standort des KKWs hatten dabei eine Höhe von 16 m und damit mehr als das Doppelte der Auslegung von 5,7 m. In die Kraftwerksgebäude drang Wasser ein und führte zum Ausfall der laufenden Notstromdiesel, der zugehörigen Schaltanlagen und Kühlwassersysteme. Damit war in den Blöcken 1-4 sowohl die externe Stromversorgung als auch die Notstromversorgung ausgefallen. Der Fachbegriff für diesen Totalausfall ist Station Blackout. Ohne funktionierende Einspeisesysteme, die Wasser in die Reaktordruckbehälter pumpen, und ohne Wärmeabfuhr aus den Sicherheitsbehältern war das KKW nicht mehr in einem sicheren Zustand. Der Wasserstand in den Reaktordruckbehältern sank und legte die Reaktorkerne frei. Dadurch kam es in den Blöcken 1-3 zu einer Aufheizung und Zerstörung der Reaktorkerne - der Kernschmelze. Durch die Kernschmelzen reagierte das Brennstab-Hüllrohrmaterial mit Wasser, dabei bildete sich Wasserstoffgas. In den Blöcken 1,3 und 4 kam es zu Wasserstoffexplosionen, die die Reaktorgebäude stark beschädigten.

Was sind die wichtigsten Folgen des Super-Gaus in Fukushima?

• Erhebliche Mengen radioaktiver Stoffe wurden in die Atmosphäre freigesetzt.
• Auch wurden radioaktive Stoffe in Wasser freigesetzt. Kontaminiertes Wasser gelangte schließlich ins Meer.
• In einer Zone mit einem Radius von 20 km wurden rund 70 000 Menschen evakuiert.
• Der Super-Gau in Fukushima hatte auch wichtige Folgen für Deutschland: Im Juni 2011 beschloss der Bundestag den Atomausstieg. Dass in Deutschland kein KKW mehr in Betrieb ist, ist eine Folge des Super-Gaus in Fukushima.

Du hast viel über Leichtwasserreaktoren gelernt, die als Siedewasserreaktor oder Druckwasserreaktor ausgelegt sein können. Sie erzeugen fast 90% der Kernenergie weltweit. Du weißt, dass Leichtwasserreaktoren angereichertes Uran als Brennstoff benötigen. Auch der Naturreaktor Oklo war ein natürlicher Leichtwasserreaktor.

Es gibt noch viele andere Reaktortypen, z. B.:

• Schwerwasserreaktoren: Der Schwerwasserreaktor wird mit schwerem Wasser moderiert. Der Nachteil bei dieser Technik ist das teure schwere Wasser, der Vorteil ist, dass man kein angereichertes Uran benötigt.
• Graphitmoderierte Reaktortypen: Dazu zählt z. B. der Reaktor in Tschernobyl, der Graphit als Moderator und leichtes Wasser als Kühlmittel nutzt (siehe Reiter Tschernobyl).
• Brutreaktoren: In Brutreaktoren wird zusätzlich zur Energieerzeugung U-238 in Pu-239 umgewandelt, und auch Pu-239 kann für die Kernspaltung verwendet werden. Bei Brutreaktoren entsteht mehr neues Spaltmaterial als verbraucht wird. Jedoch ist die hier benutzte Technologie sicherheitstechnisch anspruchsvoller als bei den anderen Reaktortypen. Der große Vorteil der Brüter-Technik ist, dass die endlichen Uranvorräte der Erde damit ca. 50 mal besser ausgenutzt werden. Brutreaktoren arbeiten mit schnellen Neutronen und verwenden flüssiges Metall wie Natrium als Kühlmittel.
• Flüssigsalzreaktoren: In diesem Reaktortyp wird eine Salzschmelze, die den Kernbrennstoff enthält, in einem Kreislauf umgewälzt. Die Schmelze ist gleichzeitig Brennstoff und Kühlmittel.

Zurzeit wird weltweit an einem neuen Reaktorkonzept gearbeitet, dem Generation-IV-Konzept. Dieses soll nachhaltiger, sicherer und wirtschaftlicher als die jetzigen Reaktorkonzepte sein. Es ist also sehr spannend, die weitere Entwicklung hier zu verfolgen.

Nur jeweils eine Antwort ist richtig. Die Lösungen findest du im Reiter Lösungen.

1) Wie viele KKWs sind in Deutschland noch in Betrieb?

a) 5

b) 3

c) 0

2) Welche Anlage befindet sich in Gronau?

a) Urananreicherungsanlage

b) Brennelementfertigungsanlage

c) Kernforschungsanlage

3) Welche Anlage befindet sich in Lingen?

a) Urananreicherungsanlage

b) Brennelementfertigungsanlage

c) Kernforschungsanlage

4) Wie viele KKWs sind weltweit in Betrieb?

a) ca. 400

b) ca. 200

c) ca. 600

5) Wie hoch ist der Anteil der Kernenergie an der weltweiten Stromproduktion?

a) ca. 30%

b) ca 20%

c) ca. 10%

6) Wie viel Prozent seiner elektrischen Energie bezieht Frankreich aus Kernenergie?

a) ca. 50%

b) ca. 70%

c) ca. 90%

7) Wo werden die meisten KKWs gebaut?

a) Asien

b) Europa

c) Amerika

8) Zu welcher Generation gehören die aktuellen KKWs?

a) I

b) II

c) III

Nur jeweils eine Antwort ist richtig. Die Lösungen findest du im Reiter Lösungen.

1) Wie ist der Atomkern geladen?

a) positiv

b) negativ

c) neutral

2) Wie ist das Elektron geladen?

a) positiv

b) negativ

c) neutral

3) Wie hoch ist der Anteil des Atomkerns an der Gesamtmasse eines Atoms?

a) ca. 99,9%

b) ca. 89,9%

c) ca. 80,9%

4) Wie groß ist der Durchmesser eines Atomkerns?

a) 10^-10m

b) 10^-12m

c) 10^-15m

5) Die Kernbausteine sind:

a) Protonen und Neutronen

b) Protonen und Elektronen

c) Neutronen und Elektronen

6) Welche Reichweite haben die Kernkräfte?

a) eine große Reichweite

b) eine mittlere Reichweite

c) eine kleine Reichweite

7) Mit welcher Zahl stimmt die Kernladungszahl überein?

a) Neutronenzahl

b) Ordnungszahl

c) Nukleonenzahl

8) Was sind Isotope eines chemischen Elements?

a) gleiches Z aber verschiedene N

b) gleiches N aber verschiedene Z

c) gleiches N und gleiches Z

9) Was ist Alpha-Strahlung?

a) schnelle Heliumkerne

b) schnelle Elektronen

c) elektromagnetische Strahlung

10.) Was ist Beta-Strahlung?

a) schnelle Heliumkerne

b) schnelle Elektronen

c) elektromagnetische Strahlung

11) Was ist Gamma-Strahlung?

a) schnelle Heliumkerne

b) schnelle Elektronen

c) elektromagnetische Strahlung

12) Wie lautet das Maß für die schädliche Wirkung ionisierender Strahlung?

a) Aktivität

b) Äquivalentdosis

c) Strahlungsfluss

13) Wie hoch ist die natürliche Strahlenbelastung im jährlichen Mittel?

a) 4,4 mSv

b) 2,4 mSv

c) 0,4 mSv

Nur jeweils eine Antwort ist richtig. Die Lösungen findest du im Reiter Lösungen.

1) Wann und wo wurde die Kernspaltung entdeckt?

a) 1938 in London

b) 1940 in Berlin

c) 1938 in Berlin

2) Von welchen Wissenschaftlern wurde die Kernspaltung entdeckt?

a) von Otto Hahn, Albert Einstein, Fritz Straßmann und Otto Frisch

b) von Otto Hahn, Fritz Straßmann, Max Planck und Otto Frisch

c) von Otto Hahn, Fritz Straßmann, Lise Meitner und Otto Frisch

3) Wie schnell sind die bei Kernreaktionen entstehenden Neutronen?

a) ca. 10 000 km/s

b) ca. 5 000 km/s

c) ca. 20 000 km/s

4) Wie können schnelle Neutronen am effektivsten abgebremst werden?

a) durch Stöße mit gleichschweren Teilchen

b) durch Stöße mit schwereren Teilchen

c) durch Stöße mit leichteren Teilchen

5) Was ist der Fachbegriff für langsame Neutronen?

a) perfekte Neutronen

b) thermische Neutronen

c) warme Neutronen

6) Wie nennt man das bremsende Medium?

a) Bremser

b) Moderator

c) Modellierer

7) Wie viele Neutronen entstehen, wenn man Uran-235 mit langsamen Neutronen beschießt?

a) 1-2

b) 3-4

c) 2-3

8) In welchem Verhältnis liegen die Massezahlen der Trümmerkerne vor?

a) ca. 3:4

b) ca. 2:3

c) ca. 1:2

9) Wie groß ist der Multiplikationsfaktor k im stationären Betrieb eines KKW?

a) k=1

b) k>1

c) k<1

10) Wie groß ist der Multiplikationsfaktor k beim Abschalten des Reaktors?

a) k=1

b) k>1

c) k<1

Nur jeweils eine Antwort ist richtig. Die Antworten findest du im Reiter Lösungen.

1) Wer entdeckte das Uran?

a) Martin Heinrich Klaproth

b) Joseph Fraunhofer

c) Robert Wilhelm Bunsen

2) Wann wurde das Uran entdeckt?

a) 1759

b) 1859

c) 1789

3) Was sind die wichtigsten Uran abbauenden Länder?

a) Kanada, Australien, Frankreich, Usbekistan, Niger, Namibia und Russland

b) Kanada, Australien, Kasachstan, Usbekistan, Niger, Namibia und Russland

c) Kanada, Australien, Kasachstan, Ukraine, Niger, Namibia und Russland

4) Wie nennt man das chemische Verfahren, bei dem Uran durch Schwefelsäure direkt aus dem Gestein gespült wird?

a) In-Situ-Laugung

b) Off-Situ-Laugung

c) In-Situ-Aufbereitung

5) Wie nennt man das getrocknete gelbliche Uranpulver?

a) Yellow Powder

b) Yellow Package

c) Yellow Cake

6) Wie nennt man den toxischen Abraum, der bei der Aufbereitung von Uran entsteht?

a) Waste

b) Tailings

c) Garbage

7) Wie hieß die Sowjetisch-Deutsche Aktiengesellschaft, die in der ehemaligen DDR Uran abbaute?

a) SDAG Thüringen

b) SDAG Wismut

c) SDAG Sachsen

8) Wo brach ein Tailings-Damm 1979 in den USA?

a) Mexico Rock

b) Puerco Rock

c) Church Rock

9) Wie heißt die Uranbergarbeiterstadt in Niger?

a) Arlit

b) Belit

c) Cumlit

Nur jeweils eine Antwort ist richtig. Die Lösungen findest du im Reiter Lösungen.

1) Auf wieviel Prozent muss das Uran in Leichtwasserreaktoren angereichert werden?

a) 1-2%

b) 3-5%

c) 7-9%

2) In welchen Stoff wird das Yellow Cake bei der Urankonversion umgewandelt?

a) Urantetrafluorid

b) Uranpentafluorid

c) Uranhexafluorid

3) Wie schnell sind die Zentrifugen beim Zentrifugalverfahren zur Urananreicherung?

a) ca. 60 000 Umdrehungen pro Minute

b) ca. 50 000 Umdrehungen pro Minute

c) ca. 40 000 Umdrehungen pro Minute

4) Wie nennt man die Tabletten aus Urandioxid, die in die Brennstäbe gefüllt werden?

a) Pellets

b) Tablets

c) Pills

5) Wie lang sind die Brennelemente?

a) ca. 2 m

b) ca. 6 m

c) ca. 4 m

6) Wo lagern die abgebrannten Brennelemente?

a) im Wärmebecken

b) im Brennelementebecken

c) im Abklingbecken

Nur jeweils eine Antwort ist richtig. Die Lösungen findest du im Reiter Lösungen.

1) Der Siedewasserreaktor ist weltweit der ...

a) dritthäufigste Kernreaktortyp.

b) zweithäufigste Kernreaktortyp.

c) häufigste Kernreaktortyp.

2) Wie viele Kreisläufe hat ein Siedewasserreaktor?

a) zwei

b) drei

c) vier

3) Wie hoch ist der Druck in einem Siedewasserreaktor?

a) ca. 100 bar

b) ca. 80 bar

c) ca. 70 bar

4) Wie hoch ist die Temperatur des Wasserdampfs in einem Siedewasserreaktor?

a) ca. 186°C

b) ca. 356°C

c) ca. 286°C

5) Wie hoch ist der Wirkungsgrad eines Siedewasserreaktors?

a) ca. 25%

b) ca. 35%

c) ca. 45%

6) Wie viele Kreisläufe hat ein Druckwasserreaktor?

a) zwei

b) drei

c) vier

7) Der Druckwasserreaktor ist weltweit der ...

a) häufigste Kernreaktortyp.

b) zweithäufigste Kernreaktortyp.

c) dritthäufigste Kernreaktortyp.

8) Mit welcher Temperatur und bei welchem Druck verlässt das Wasser den Reaktorkern im Primärkreislauf eines Druckwasserreaktors?

a) mit ca. 325°C bei einem Druck von 155 bar

b) mit ca. 325°C bei einem Druck von 115 bar

c) mit ca. 355°C bei einem Druck von 155 bar

9) Wie werden bei einem Druckwasserreaktor die Steuerstäbe in den Reaktorkern eingefahren?

a) von unten

b) von der Seite

c) von oben

Die Lösungen findest du im Reiter Lösungen.

1) Nenne die sechs Sicherheitsbarrieren in der richtigen Reihenfolge von innen nach aussen!

2) Nenne mindestens drei aktive Sicherheitsprinzipien in einem KKW!

3) Welche Aufgabe hat ein Core-Catcher?

4) Wie werden die radioaktiven Stoffe eingeteilt?

5) Woraus besteht überwiegend der hochradioaktive Abfall?

6) Welche Art von radioaktivem Abfall wird im Schacht Konrad gelagert?

7) Wie heißen die schweren Behälter aus Stahl, in denen die abgebrannten Brennelemente gelagert werden?

8) Wie viele Zwischenlager gibt es zurzeit in Deutschland?

9) Wie groß soll der Mindestabstand zwischen dem geplanten Endlager in Deutschland und der Erdoberfläche sein?

10) Welches Material soll das geplante Endlager umgeben?

11) Für welchen Zeitraum soll das geplante Endlager die hochradioaktiven Abfälle einschließen?

12) Wann und wo passierte der größte Unfall in der Geschichte der Kernenergie?

13) Welches Material diente als Moderator in Tschernobyl?

14) Wie nennt man die moderne Schutzhülle über dem zerstörten Reaktor in Tschernobyl?

15) Welche Lebensmittel sollten vor allem Kinder nach dem Unfall in Tschernobyl in Deutschland nicht essen?

16) In welchem Jahr ereignete sich der Unfall in Fukushima?

17) Was war die technische Hauptschwäche der KKW-Anlage in Fukushima?

18) Welche Höhe hatten die Tsunami-Wellen, die Fukushima erreichten?

19) Wie lautet der Fachbegriff für den Stromausfall der externen Stromversorgung als auch der Notstromversorgung?

20) Was war die wichtigste Folge des Super-Gaus in Fukushima für Deutschland?

21) Nenne mindestens 5 Reaktortypen!

Lösungen zum Test zum Einstieg

1) c)  2) a)  3) b)  4) a)  5) c)  6) b)  7) a)  8) c)

Lösungen zum Test zum Basiswissen

1) a)  2) b)  3) a)  4) c)  5) a)  6) c)  7) b)  8) a)  9) a)  10) b)  11) c)  12) b)  13) b)

Lösungen zum Test zur Kernspaltung

1) c)  2) c)  3) a)  4) a)  5) b)  6) b)  7) c)  8) b)  9) a)  10) c)

Lösungen zum Test zum Uranabbau

1) a)  2) c)  3) b)  4) a)  5) c)  6) b)  7) b)  8) c)  9) a)

Lösungen zum Test zur Urananreicherung und zum Brennelement

1) b)  2) c)  3) a)  4) a)  5) c)  6) c)

Lösungen zum Test zum Siedewasserreaktor und zum Druckwasserreaktor

1) b)  2) a)  3) c)  4) c)  5) b)  6) b)  7) a)  8) a)  9) c)

Lösungen zu den Aufgaben zum Sicherheitskonzept, zur Entsorgung, zu Tschernobyl, zu Fukushima und zum Ausblick

1) -das starre Kristallgitter des Brennstoffs

-die gasdicht verschweissten Metallhüllen der Brennstäbe

-der Reaktordruckbehälter

-die Betonhülle

-der Sicherheitsbehälter

-die nach aussen abschliessende Sicherheitshülle

2) -das Prinzip der Ausfallsicherheit

-das Prinzip der Redundanz

-das Prinzip der Diversität

3) Er fängt im Fall einer Kernschmelze das schmelzende Kernmaterial auf und kühlt es ab.

4) schwachradioaktive, mittelradioaktive und hochradioaktive Abfälle

5) aus verbrauchten Brennelementen

6) schwach- und mittelradioaktive Abfälle

7) Castoren

8) 16 Zwischenlager

9) 300 Meter

10) Tongestein, Steinsalz oder Granit

11) eine Million Jahre

12) 1986 in Tschernobyl in der Ukraine

13) Graphitblock

14) Sarkophag

15) Gemüse und Milch

16) 2011

17) Die Anlage war ausgelegt für Tsunami-Höhen von 5,7 m.

18) bis 16 m

19) Station Blackout

20) Der Bundestag beschloss 2011 kurz nach dem Unfall den Atomausstieg.

21) -Leichtwasserreaktoren

-Schwerwasserreaktoren

-graphitmoderierte Reaktoren

-Brutreaktoren

-Flüssigsalzreaktoren