In den Vereinigten Staaten, die über die meisten Kernkraftwerke weltweit verfügen, ist die Nutzung von Kernenergie ein umstrittenes Thema. Trotz dieser Kontroversen ist es entscheidend, die Grundlagen der Wissenschaft hinter Kernreaktoren zu verstehen, ihre Funktionsweise zu ergründen und ihre Verwendungsmöglichkeiten aufzuzeigen.
Ein zentraler Aspekt in dieser Diskussion ist das berühmte physikalische Gesetz E=mc², welches erklärt, warum Kernreaktoren enorme Mengen an Energie aus vergleichsweise wenig Brennstoff erzeugen können. In dieser Gleichung steht E für Energie, m für Masse und c für die Lichtgeschwindigkeit. Da die Lichtgeschwindigkeit quadratisch ein sehr großes Ergebnis liefert, enthält selbst eine kleine Menge Masse eine beeindruckende Menge an Energie. Kernreaktoren nutzen diese Energie, indem sie Atome spalten und die in ihrer Masse gespeicherte Energie freisetzen.
Dieser Prozess, die kontrollierte Freisetzung von Energie, stellt jedoch eine Herausforderung dar. Im Kern nutzen Kernreaktoren einen als Kettenreaktion bezeichneten Prozess, bei dem die Atome in den Brennstäben gespalten werden, was gemäß Einsteins Gleichung zu einer beträchtlichen Energiemenge führt. Die entstehende Wärmeenergie wird verwendet, um Wasser zu erhitzen, das in Dampf umgewandelt wird, um eine Turbine anzutreiben und letztlich Elektrizität zu erzeugen.
Funktionsweise von Kernreaktoren
In der Reaktorkern befinden sich Brennstoffpellets, meist aus Uran, in Brennstäben angeordnet. Die Kernreaktion wird eingeleitet, wenn subatomare Neutronen auf Uranatome treffen. Ein solches Neutron spaltet ein Uranatom und setzt zusätzliche Neutronen frei, die wiederum weitere Uranatome beeinflussen, was zu einer Kettenreaktion führt. Typischerweise könnte ein Uran-235-Atom in ein Barium- und ein Kryptonatom gespalten werden, während zwei oder drei weitere Neutronen entstehen.
Um die Reaktion unter Kontrolle zu halten, werden Regelstäbe eingesetzt, die überschüssige Neutronen absorbieren. Abhängig von der Exposition gegenüber dem Reaktorkern können diese Stäbe dazu verwendet werden, die Reaktion zu beschleunigen, zu verlangsamen oder ganz zu stoppen. Material wie Bor oder Silber wird häufig verwendet. Zudem fungiert Wasser sowohl als Moderator als auch als Kühlmittel, indem es überschüssige Wärme abführt.
Diese grundlegenden Prinzipien gelten für alle Arten von Kernreaktoren. Allerdings definieren die unterschiedlichen Herangehensweisen an den Wasserkreislauf zwei Haupttypen von kommerziellen Reaktoren, die in den USA genutzt werden. Eines der größten Probleme bleibt die Handhabung und sichere Lagerung des hochradioaktiven gebrauchten Brennstoffs.
Die verschiedenen Arten von Kernreaktoren
Es existieren zwei Haupttypen kommerzieller Reaktoren: Druckwasserreaktoren (PWR) und Siedewasserreaktoren (BWR). Der entscheidende Unterschied zwischen diesen beiden Typen liegt in der Handhabung des Wassers innerhalb des Reaktors und des Dampfsystems.
Druckwasserreaktoren, die etwa 65 % der kommerziellen Reaktoren in den USA ausmachen, halten das Wasser unter hohem Druck, um ein Kochen zu verhindern. Das Wasser wird durch die Kernreaktion erhitzt und in einem geschlossenen Kreislaufsystem durch einen Wärmetauscher geleitet. Raumwärme wird auf eine sekundäre Wasserleitung übertragen, und der Dampf aus dieser Leitung treibt die Turbinen an.
Im Gegensatz dazu pumpen Siedewasserreaktoren Wasser direkt in den Reaktorkern und führen den Dampf über ein Rohrsystem direkt zu den Turbinen. Ungenutzter Dampf wird erneut in den Kern gepumpt und dort wiederverwendet.
Ein weiterer interessanter Aspekt ist die Nutzung höher angereicherten Urans (HEU) in Nuklearantrieben von Marineeinheiten, wie zum Beispiel dem USS Gerald R. Ford, dem größten Flugzeugträger der Welt. Diese Schiffe können über Jahre hinweg ohne Betankung operieren, da HEU eine hohe Energiedichte aufweist, während kommerzielle Reaktoren niedrig angereichertes Uran (LEU) verwenden.
