Sind Atomkraftwerke im Russland-Ukraine-Konflikt noch sicher?

Aufgrund des Krieges zwischen Russland und der Ukraine ist die Situation von 15 Atomreaktoren in der Ukraine besorgniserregend. Um welche Reaktortypen handelt es sich in der Ukraine? Sind Sicherheitsrisiken beherrschbar?

Zusammengestellt von New Media Editor Duan Dawei

Einer ukrainischen Nachrichtenagentur zufolge brach vor Kurzem aufgrund der Kämpfe zwischen der Ukraine und Russland ein Feuer in der Nähe des Kernkraftwerks Saporischschja in der Ukraine aus. Die Pressestelle des Kernkraftwerks Saporischschja erklärte, dass es im Kernkraftwerk keinen Brand gegeben habe und dass es sich bei dem Gebäude, das in Brand geraten sei, um eine Übungsanlage in der Nähe des Kernkraftwerks gehandelt habe.

▲Der Echtzeit-Überwachungsbildschirm des Kernkraftwerks Saporischschja zeigt, dass im Anlagenbereich ein Feuer ausgebrochen ist (Fotoquelle: CCTV News Client)

▲Verteilungskarte der ukrainischen Atomkraftwerke (Fotoquelle: Business Insider)

Der Staub des Krieges zwischen Russland und der Ukraine hat sich noch nicht gelegt und in der Ukraine gibt es mehrere Atomkraftwerke und Atomreaktoren. Zusätzlich zu den sechs Kernreaktoren im Kernkraftwerk Saporischschja gibt es zwei Kernreaktoren im Kernkraftwerk Chmelnyzkyj, vier Kernreaktoren im Kernkraftwerk Riwne und drei Kernreaktoren im Kernkraftwerk Südukraine. Insgesamt 15 aktive Kernreaktoren. Um welche Reaktortypen handelt es sich? Sind Sicherheitsrisiken beherrschbar?

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Die Geburt der Atomkraft

Seit der Geburt der Menschheit haben wir nie aufgehört, Energie zu erforschen, darunter Kohle, Öl, Erdgas, Solarenergie und Windenergie. Schließlich stammt fast die gesamte vom Menschen genutzte Energie von der Sonne. Es gibt jedoch eine Ausnahme: eine großartige Technologie zur Energieerzeugung, die die Menschheit wirklich selbstständig beherrscht: die Kernenergie. Die meisten Leute wissen nichts davon. Durch die rationelle Nutzung der Kernenergie kann der Verlust nicht erneuerbarer Energie verringert und die Umweltverschmutzung bis zu einem gewissen Grad reduziert werden. Was wir gegenwärtig beherrschen und kontrollieren können, ist die Kernspaltung.

Unter Kernspaltung, auch als Kernspaltungsreaktion bekannt, versteht man eine Form der Kernreaktion, bei der ein schwerer Atomkern (hauptsächlich Urankern oder Plutoniumkern) in zwei oder mehr Atome kleinerer Masse gespalten wird. Bereits 1938 wurde das Phänomen der Kernspaltung von dem deutschen Wissenschaftler Otto Hahn und seinem Assistenten Strassmann in einem Experiment entdeckt, was den Beginn der menschlichen Nutzung der Kernenergie markierte.

Wenn die Kerne des Nuklids Uran 235 mit externen Neutronen bombardiert werden, absorbiert ein Kern ein Neutron und spaltet sich in zwei Kerne mit geringerer Masse auf, wobei 2–3 Neutronen freigesetzt werden. Diese Neutronen werden andere Uran-235-Kerne bombardieren und neue Kernspaltungen verursachen. Dieser Zyklus wird sich wiederholen und es wird eine Kettenreaktion der Kernspaltung stattfinden.

Der größte „Vorteil“ einer Kettenreaktion besteht darin, dass sie eine große Menge Wärmeenergie erzeugen kann. Für den modernen Menschen besteht die direkteste Nutzung dieser Wärmeenergie in der Stromerzeugung. Im Jahr 1942 bauten der amerikanische Wissenschaftler Fermi und andere den ersten künstlichen Kernreaktor der Welt. Im Juni 1954 errichtete die Sowjetunion in Obninsk bei Moskau das Kernkraftwerk Obninsk, das weltweit erste Kernkraftwerk zur Versorgung des industriellen Stromnetzes.

Anschließend wurden nacheinander verschiedene Typen von Kernreaktoren gebaut und die Stromerzeugungskapazität wurde immer größer. Die erste Generation von Kernkraftwerken betrat offiziell die Energiebühne und die Kernenergie gelangte in Form von Elektrizität in Tausende von Haushalten.

Da es sich bei den Kernkraftwerken der ersten Generation um eine experimentelle Technologie handelte, gab es sie in großer Vielfalt. In den meisten Fällen wird jedoch Hochtemperaturdampf verwendet, um die Turbine anzutreiben, die wiederum den Generator zur Stromerzeugung antreibt. Dies unterscheidet sich kaum von einem herkömmlichen Wärmekraftwerk. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass Wärmekraftwerke die Kohleverbrennung zum Erhitzen von Wasser nutzen. In Kernkraftwerken wird die Spaltungsreaktion von Atomkernen genutzt, um ausreichend Wärme bereitzustellen.

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Die Kernkraftwerkstechnologie reift

In den 1970er Jahren förderte die durch steigende Ölpreise verursachte Energiekrise die rasante Entwicklung der Kernenergie. Die überwiegende Mehrheit der weltweit über 400 kommerziell betriebenen Kernkraftwerke wurde in diesem Zeitraum gebaut und wird üblicherweise als Kernkraftwerk der zweiten Generation bezeichnet. Den Daten zufolge wurden die meisten in der Ukraine im Einsatz befindlichen Anlagen in diesem Zeitraum gebaut. Nach der Blütezeit der ersten Generation von Kernkraftwerken konnten sich im harten Marktwettbewerb nur wenige Kernkraftwerkstypen durchsetzen.

(Fotoquelle: China General Nuclear Power Group Co., Ltd.)

Beispielsweise ein Kernkraftwerk mit Siedewasserreaktor mit einfacher Struktur und geringen Kosten. Bei diesem Kernkraftwerkstyp wird der Dampf, der den Generator antreibt, durch kochendes Wasser erzeugt, das direkt durch den Kernreaktor fließt. Allerdings werden dabei zwangsläufig radioaktive Substanzen mitgeführt und der gesamte Kreislauf kontaminiert, was bei Undichtigkeiten problematisch sein kann.

Aus diesem Grund werden Kernkraftwerke mit Druckwasserreaktoren, die zwar komplexer aufgebaut, aber sicherer und zuverlässiger sind, stark bevorzugt. Der derzeit weltweit am weitesten verbreitete Hauptreaktortyp ist nach wie vor das Kernkraftwerk mit Druckwasserreaktor. Daten zeigen, dass derzeit weltweit mehr als 440 Kernkraftwerke in Betrieb sind, bei den meisten davon handelt es sich um Leichtwasserreaktoren. Auch bei der überwiegenden Mehrheit der in meinem Land bereits in Betrieb genommenen und noch zu errichtenden Kernkraftwerke handelt es sich um Leichtwasserreaktoren.

Wie funktioniert ein Kernkraftwerk mit Druckwasserreaktor?

Das Funktionsprinzip eines Kernkraftwerks ist nicht kompliziert. Nehmen wir als Beispiel das am weitesten verbreitete Kernkraftwerk mit Druckwasserreaktor: Im Reaktor wird Kernbrennstoff aus Uran gespalten und dabei wird eine große Menge Wärmeenergie freigesetzt. Zirkulierendes Kühlwasser unter hohem Druck führt die Wärme ab, erzeugt im Dampferzeuger Dampf, treibt die Turbine an und erzeugt so Strom.

Die vom gasgekühlten Hochtemperaturreaktor erzeugte Wärme wird durch das Heliumkühlmittel abgeführt und zeichnet sich durch gute Sicherheit und hohe Austrittstemperatur aus. Das Kernkraftwerk mit schnellem Reaktor verwendet schnelle Neutronen direkt, um eine Kettenspaltungsreaktion auszulösen. Es hat den Vorteil, dass es keinen Moderator benötigt, klein ist und eine hohe Leistungsdichte aufweist. Es handelt sich derzeit um einen der ausgereiftesten und vielversprechendsten Reaktortypen in der internationalen Kernenergiegemeinschaft.

▲ Schematische Darstellung eines Kernkraftwerks mit schnellem Reaktor

Wie wandelt man Kernenergie in elektrische Energie um?

▲ Schematische Darstellung des Prinzips eines Kernkraftwerks mit Druckwasserreaktor. Der Primärkreislauf, in dem sich der Kernreaktor befindet, wird als „Kerninsel“ bezeichnet, der Sekundärkreislauf, in dem sich die Dampfturbine befindet, als „konventionelle Insel“. (Bildquelle: Planetary Research Institute)

Im Allgemeinen verfügt ein Kernkraftwerk mit Druckwasserreaktor über zwei Kreisläufe, von denen einer den Kern des Kernkraftwerks darstellt und dem Kessel eines Wärmekraftwerks entspricht. Nachdem hier die Kernspaltungsreaktion stattgefunden hat, entsteht enorme Hitze, die das unter hohem Druck stehende Wasser auf über 300 °C erhitzt.

Da radioaktive Stoffe im Spiel sind, wird der in Kernkraftwerken verwendete Kernbrennstoff aus Sicherheitsgründen in spezielle Brennstoffhüllen eingehüllt. Das gesamte Primärkreislaufsystem ist außerdem in einem geschlossenen Gebäude, einem sogenannten Sicherheitsbehälter, installiert. Bei der „großen Hülle“ auf dem Bild des Atomkraftwerks handelt es sich um ein solches geschlossenes Gebäude. Durch den Sicherheitsbehälter kann sichergestellt werden, dass bei einem Unfall in einem Kernkraftwerk die Bevölkerung und die Umwelt möglichst wenig beeinträchtigt werden.

Das Sekundärkreislaufsystem ist das Dampfturbinengeneratorsystem. Es besteht aus einem Dampfsystem, einem Dampfturbinengeneratorsatz, einem Kondensator, einem Dampfabgassystem, einem Speisewasserheizsystem und einem Hilfsspeisewassersystem. Das Wasser im Sekundärkreislauf absorbiert durch den Dampferzeuger die Wärme des Dampfes im Primärkreislauf, wandelt sich in gesättigten Dampf um, treibt die Dampfturbine zur Stromerzeugung an und gelangt dann in den Kondensator. Nach der Abkühlung im Kondensator gelangt es über die Speisewasserpumpe in den Dampferzeuger.

Manchmal wird der Kühlkreislauf des Kondensators in Kernkraftwerken auch als Tertiärkreislauf bezeichnet. Dieser Kreislauf nutzt die Kühlwasserquelle, um das Wasser im Sekundärkreislauf zu kühlen, und der Tertiärkreislauf überträgt die Abwärme an die Umgebung.

Auf diese Weise kann das Kraftwerk eines Druckwasserreaktor-Kernkraftwerks vollständig vom Kernreaktor getrennt werden, wodurch radioaktive Substanzen isoliert und der Wartungsaufwand für die Ausrüstung erheblich reduziert wird.

▲Der Standort von Block 5 des Kernkraftwerks Fuqing, dem weltweit ersten „Hualong One“-Reaktor (Fotoquelle: China National Nuclear Power Co., Ltd.)

Der Reaktor eines Kernkraftwerks entspricht apparativ dem Kessel eines Wärmekraftwerks. Und was konkrete Methoden angeht: Die durch die Kernspaltung erzeugte Wärme wird genutzt, um Wasser zum „Kochen“ zu bringen, die Turbine anzutreiben und thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.

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Wie man Risiken in Druckwasserreaktoren „unterdrückt“

Den Daten zufolge handelt es sich bei allen 15 Atomreaktoren in der Ukraine um Druckwasserreaktoren mit geringeren Risiken. Da es sich bei einem Atomkraftwerk jedoch um eine große Strahlungsquelle handelt, wären die Folgen eines Unfalls verheerend.

Als qualifiziertes Kernkraftwerk mit Druckwasserreaktor muss es über relativ umfassende Sicherheitsmaßnahmen verfügen.

Erstens gibt es drei physische Barrieren von innen nach außen. Die erste Barriere ist das Metallrohr, das den Kernbrennstoff umhüllt. Es besteht aus einer hochtemperatur- und korrosionsbeständigen Zirkoniumlegierung, um zu verhindern, dass der Kernbrennstoff mit Kühlwasser in Kontakt kommt und radioaktive Stoffe austreten.

▲ Schematische Darstellung der drei Sicherheitsbarrieren eines Kernkraftwerks mit Druckwasserreaktor (Fotoquelle: Planetary Research Institute)

Die zweite Barriere sind der Druckbehälter und die Rohre, die den Kern umgeben. Wird die erste Barriere durchbrochen, können auch radioaktive Stoffe in der Schleife eingeschlossen werden. Die dritte Barriere ist der Sicherheitsbehälter aus Beton, der alle Reaktoren umgibt und selbst bei einer Kernschmelze verhindert, dass radioaktive Stoffe in die Umwelt freigesetzt werden. Darüber hinaus gibt es ein Notabschaltsystem, das automatisch Steuerstäbe einführt und schnell „bremst“, ein Notkühlsystem für den Kern, das automatisch Wasser in den Kern einspritzt und diesen schnell abkühlt, und verschiedene Sicherheitskontrollsysteme, die als Verteidigungsebenen für den sicheren Betrieb des Kernkraftwerks sorgen.

Das bedeutet jedoch nicht, dass sie absolut sicher sind. Tom Scott, Professor für Materialwissenschaften an der Universität Bristol in Großbritannien, erklärte in einem Interview mit The Guardian, dass es bei einer Beeinträchtigung der Kühlleistung dennoch zu irreversiblen Folgen kommen könne. Denn nach der Abschaltung des Reaktors dauert es mehrere Wochen, bis dieser abgekühlt ist und die Restwärme im Kern abgeführt wird. „Das Kühlsystem ist auf Dieselgeneratoren angewiesen. Jede Beschädigung dieser Generatoren könnte zu einem Unfall wie in Fukushima führen, bei dem die Reaktoren überhitzen und das verbleibende Wasser zu Dampf wird, wodurch der Brennstoff in den Reaktoren schmilzt und Strahlung in die Atmosphäre freigesetzt wird.“

Derzeit sind die Atomkraftwerke in der Ukraine nicht angegriffen worden, es ist jedoch noch unklar, wie sich die Situation in Zukunft entwickeln wird. Aber egal was passiert: Wenn ein Atomreaktor unter Artilleriefeuer fällt, wird die Erde wahrscheinlich von einer Atomwolke bedeckt sein.

(Umfassend von Beijing Science and Technology News, Xinmin Evening News, Planetary Research Institute, China National Nuclear Corporation, China Workers Network, Guangming Online usw.)

Produziert von: Science Central Kitchen

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