Kernkraftwerk

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle! Wir machen weiter mit der Atom- und Kernphysik und wollen uns heute ein Mal das Kernkraftwerk genauer ansehen. Für dieses Video solltet ihr unbedingt das Video zu Atombombe gesehen haben, da dort die nukleare Kettenreaktion erklärt wird, die wir für dieses Video dringend brauchen. Und auf geht's! Wir lernen heute, wie man in einem Kernkraftwerk eine kontrollierte, nukleare Kettenreaktion nutzt, um elektrische Energie zu gewinnen, wie der Aufbau eines typischen Kernkraftwerks aussieht und zum Schluss noch ein wenig über die Vorteile und Nachteile eines Kernkraftwerks. Dann wollen wir mal. Was ist denn eigentlich eine kontrollierte Kettenreaktion? Wie wir im Video über die Atombombe gehört haben, werden bei einer Atombombenexplosion pro Kernspaltung mehrere Neutronen frei, die ihrerseits wieder jeweils eine Kernspaltung verursachen, sodass das gesamte vorhandene Spaltmaterial so schnell wie möglich verbrennt. Die Idee eines Kernkraftwerks ist dagegen, das Spaltmaterial gleichmäßig verbrennen zu lassen. Das heißt, man versucht die Anzahl der Kernspaltungen pro Sekunde konstant zu halten. Das nennt man eine kontrollierte Kettenreaktion. Das ist natürlich leichter gesagt als getan. Was mache ich denn nun zum Beispiel, wenn meine Kettenreaktion doch heißer läuft als gewünscht und mir der ganze Reaktor droht, um die Ohren zu fliegen? Es gibt viele verschiedene Arten von Kernkraftwerken, aber die gängigste Methode ist diese: Man benutzt Brennstäbe, die kritische Masse haben. Aber, damit der Neutronenfluss nicht zu groß wird, kann man zwischen diese Brennstäbe sogenannte Neutronenabsorber, das heißt, Stäbe, die aus einem Material sind, das sehr gut Neutronen schluckt, schieben. Falls meine Kettenreaktion also droht zu heiß zu werden, schiebe ich einfach mehrere dieser Steuerelemente zwischen die Brennstäbe. Damit reduziert sich die Neutronenzahl und die Kettenreaktion wird langsamer. So, meine Kettenreaktion läuft also. Was ich aus ihr gewinne, ist allerdings nicht Strom, den ich gerne haben würde, sondern Hitze. Ich muss also die gewonnene Hitze irgendwie in elektrische Energie verwandeln und wie das geht, erkläre ich euch im nächsten Kapitel. Wie ist denn nun so ein Kernkraftwerk aufgebaut und wie funktioniert es? Ihr habt bestimmt schon Mal ein Bild eines Kernkraftwerks gesehen. Hier seht ihr zum Beispiel eines des Kernkraftwerks in Grafenrheinfeld. Sie sind immer leicht erkennbar an den riesigen Kühltürmen. Allerdings ist auch immer eine riesige Betonkuppel dabei und die ist der Ort, an dem der Kernreaktor sitzt. Was genau nun sich hinter dem gesamten Beton verbirgt, will ich euch jetzt ein mal zeigen. Fangen wir an mit den Brennstäben, die ich hier im Bild einmal rot eingezeichnet habe. Darüber installiere ich meine Steuerelemente, die ich bei Bedarf zwischen die Brennstäbe fahren kann und das Ganze tue ich in einen großen Behälter, damit mir meine Hitze nicht abhaut. Diesen Behälter fülle ich nun mit Wasser, im Bild lila, denn irgendetwas muss unsere Hitze ja auch aufnehmen. Außerdem hat Wasser die angenehme Eigenschaft, unsere Neutronen gut zu bremsen, denn langsame Neutronen sind besser, um eine Kernspaltung zu verursachen als schnelle. Das Wasser im Primärkreislauf steht übrigens unter extremen Druck und ist sehr heiß. Es hat meistens über 300 Grad und über 150 Bar. Um die Hitze aus dem Primärkreislauf zu nutzen, baue ich nun um meine Heizschleife herum, einen zweiten Container, den ich ebenfalls mit Wasser fülle. Alles, was wir bis jetzt gesehen haben, befindet sich übrigens normalerweise unter der Betonkuppel eines Atomkraftwerks. Im Falle eines Super-GAUs, was übrigens die Abkürzung für "größter anzunehmender Unfall" ist, würde unser Brennmaterial ja ähnlich, wie bei einer Atombombenexplosion, explodieren. Die Kugelform ist am stabilsten gegenüber Explosionen und wird deshalb immer gewählt. So, zurück zur Energiegewinnung. Ich habe nun also einen zweiten Behälter, in dem ich Wasser erhitze. Dieser Behälter bringt mir aber nun alleine nichts. Ich muss das Wasser ja irgendwo hinleiten. Also wird ein sogenannter Sekundärkreislauf eingerichtet. Dieser Sekundärkreislauf führt das Wasser zuerst in einen Behälter, in dem mittels Turbinen Strom gewonnen wird, und dann in einen zweiten Behälter, in dem das Wasser wieder gekühlt und zurück zur Erhitzung geschickt wird. Ich montiere also Turbinen in die erste Kammer. Zuerst eine Hochdruckturbine, dann, wenn das Wasser langsamer ist, Niedrigdruckturbinen, um auch diese Energie noch zu nutzen. An die Turbinen angeschlossen ist ein Generator, der aus ihrer Umdrehung Strom gewinnt, der dann, umgespannt von einem Transformator, in das Stromnetz eingespeist wird. In der zweiten Kammer soll nun das Wasser wieder heruntergekühlt werden, womit wir zum dritten Wasserkreislauf kommen, den ein Kernkraftwerk benötigt, dem Kühlwasserkreislauf. Kaltes Wasser wird in die Kammer gepumpt, wo es sich natürlich erhitzt, und von dort aus in den Kühlturm gebracht, in dem es an der Seite herunterrieselt, wobei es wieder ein wenig abkühlt. Deswegen stehen Kühltürme auch auf einer Art Gitter, damit die Luft besser hinein und dann innen nach oben ziehen kann, um das Wasser abzukühlen. Ein Teil des Kühlwassers geht als Wasserdampf verloren. Das sind die großen, weißen Schwaden, die man immer aus Kühltürmen aufsteigen sieht. Da der Kühlturm alleine aber nicht ausreicht, um das Wasser wieder komplett abzukühlen, stehen Atomkraftwerke immer in der Nähe eines Flusses. Der Kühlwasserkreislauf wird also beständig durch kaltes Flusswasser aufgefrischt und ein Teil des warmen Abwassers wird wieder in den Fluss geleitet, wobei sich übrigens seine Temperatur erhöht, was einer der Hauptkritikpunkte an Kernkraftwerken ist. Und das war es auch schon. Nun versteht ihr wie in einem Kernkraftwerk Energie erzeugt wird. Als Nächstes wollen wir uns ein wenig zu den Vor- und Nachteilen eines Kernkraftwerks ansehen. Dann wollen wir mal. Was gibt es denn so an Pro- und Contrapunkten? Das ist übrigens lateinisch für dafür und dagegen. Fangen wir mal mit den Vorteilen an. Ein Kernkraftwerk benötigt nur sehr geringe Mengen Brennstoff. 1 kg Uran liefert fast die gleiche Energie wie 30 Tonnen Steinkohle. Das heißt, ich habe nur sehr kleine Transportprobleme. Wenn mein Kernkraftwerk optimal läuft, ist es sogar sehr umweltfreundlich. Umweltfreundlicher auf jeden Fall als ein Kohlekraftwerk. Es setzt sogar weniger radioaktiven Abfall frei. Außerdem sind Kernkraftwerke eine sehr günstige Variante, um Strom herzustellen. Dann wollen wir uns mal die Contrapunkte ansehen. Was spricht denn gegen ein Kernkraftwerk? Als Erstes wollen wir uns das Problem der Endlagerung ansehen. Natürlich produziert ein Kernkraftwerk auch radioaktiven Abfall, hoch konzentriert, der relativ langlebig ist. Dieser wird meistens in stillgelegten Minenschächten einfach verbuddelt, da man nicht so recht weiß, was man sonst mit ihm anfangen soll. Außerdem muss natürlich die Unfallgefahr erwähnt werden. Gerade in ärmeren Ländern, die sich nicht so extreme Sicherheitsbestimmungen leisten, ist die Gefahr eines Super-GAUs höher. Und man muss sich nur an Tschernobyl erinnern, um zu wissen, welch riesige Schäden das an der Umwelt anrichten kann. Und dann ist da ja auch noch das Problem des Kühlwasserkreislaufs, das wir vorhin schon kurz angesprochen haben. Jedes Kernkraftwerk heizt ja auch einen Fluss. Es gibt dazu zwar sehr genaue Bestimmungen, das heißt es gibt einen Temperaturwert, über den das Flusswasser auf keinen Fall steigen darf, aber gut für die Umwelt kann das natürlich trotzdem nicht sein. Es gibt natürlich noch viel mehr Vor- und Nachteile, als ich hier aufgelistet habe. Wenn es euch interessiert, sucht da mal im Internet. Die Vor- und Nachteile von Kernkraftwerken werden schon seit langer Zeit äußerst hitzig diskutiert. So, wir wollen noch mal zusammenfassen, was wir heute gelernt haben: In Kernkraftwerken wird mithilfe einer kontrollierten, nuklearen Kettenreaktion Hitze erzeugt, die dann mit einer Turbine in elektrische Energie gewandelt wird. Dies geschieht, indem die Hitze der Kettenreaktion vom Primärkreislauf auf den Sekundärkreislauf übertragen wird, in dem sich die Turbinen befinden. Mithilfe eines Generators wird dann aus der Bewegung der Turbinen Strom gewonnen. Außerdem haben wir gelernt: Um den Atomstrom gibt es eine hitzige Diskussion. Er ist zwar billig und praktisch, aber gerade bei schlechten Sicherheitsvorkehrungen auch ziemlich riskant. So, das war es schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank für das Zuschauen, vielleicht bis zum nächsten Mal! Euer Kalle!