Kurzdarstellung Kernkraftwerke

Herzstück eines Kernkraftwerks ist das Reaktordruckgefäß mit den Uranbrennelementen. Uranbrennelemente sind in der Regel um die 4,8 m Lang und haben einen Durchmesser von 11 mm, und werden nebeneinander positioniert. Während des Urankernspaltvorgangs dringt ein Neutron in den Urankern ein, der sich neben der Abgabe von Wärme in kleinere Kerne spaltet und zwei bis drei weitere Neutronen abgibt. Die neuen Neutronen haben eine hohe kinetische Energie, sodass sie an benachbarten Atomkernen abprallen. Durch die Verlangsamung der Neutronen mittels Wasser (mit Borsäure versetzt) werden die Neutronen auf die notwendige Geschwindigkeit gebracht. Die Steuerung des Prozesses wird durch Cadmium-Verbindungen in sogenannten Steuerstäben, die wiederrum aus dem Verbund an Brennstäben herausgefahren werden können, gewehrleistet.  Cadmium-Verbindungen sind in der Lage freie Neutronen aufzunehmen. Die Kontrolle der Kettenreaktion erfolgt durch die Konzentrationsänderung der Borsäure im Wasser und die variable Eintauchtiefe der Stäbe. Im Leistungsbetrieb erhitzen sich die Brennelemente auf bis zu 2000° C. Die Wärme wird einem Sekundärkreislauf zugeführt, welcher durch einen Dampfprozess die Energie an Turbinen abgibt. In technologisch weiterentwickelten Reaktoren kommen in Höchsttemperaturreaktoren statt Brennstäben Brennstoffkugeln vor, die aus Graphit und im Inneren aus kleinen Körnern von Uran- oder Thoriumkeramik bestehen. Der Haufen von Kugeln wird mit Helium durchspült, wodurch die Wärme in Höhe von 1000° abtransportiert wird. In Flüssigsalzreaktor wird Salz als Kühlmittel und Brennstoffträger verwendet. Zudem wird Graphit als Moderator beigefügt. Durch temperaturbedingte Dichteschwankungen wird das Gemisch um den Punkt der optimalen Kettenreaktion gefahren, indem bei höheren Temperaturen die Brennstoffe voneinander entfernt werden und umgekehrt bei sinkenden Temperaturen einander annähern. Im internationalen Forum der Generation IV Reaktorklasse werden weitere Technologien besprochen.

Beispielhafte Investitionsrechnung

Die Anfangsinvestitionskosten von Reaktoren der Kategorie III belaufen sich auf 4.900 €/kW. Bei einer Leistung von 3000 MW ergeben sich Kosten in Höhe von 14,7 Mrd. Euro. Begleitenden Stellungsnahmen schätzen die Investitionkosten um ein Drittel höher ein. Bei einem kürzlich umgesetzten Projekt werden dem Betreiber von staatlicher Seite Einspeisevergütungen von 11,2 Cent/kWh für 35 Jahre garantiert. In einer Studie des Massachusetts Institute of Technology werden Stromgestehungskosten von 5,8 Cent/kWh veranschlagt.

Kurzdarstellung Fusionskraftwerke

In einem Fusionsreaktor werden Wasserstoffisotope (Deuterium und Tritium) durch Hitze und Druck derart nah gebracht, dass die elektromagnetische Abstoßung der Kerne überwunden wird und die starke Kernkraft die Fusion der Atomkerne bewirkt. Die Masse des neuen Atoms ist leichter als die der beiden vorherigen Atome. Die Differenz ergibt nach der Formel E=mc2 die gewonnen Energie. Die Fusion eines Gramms des Brennstoffs ist energetische äquivalent zu der Verbrennung von 11 Tonnen Kohle. Das bisher vielversprechendste Tokamak-Prinzip beschreibt einen Aufbau eines Fusionsreaktors, bei dem in dem zu erhitzenden Plasma ein Stromfluss erzeugt wird, wodurch ein magnetisches Feld entsteht. Ein von außen angelegtes Magnetfeld schließt das Plasma ein. Die dabei entstehende Temperatur steigt auf 100 – 150 Mio. °C. Bei dieser Temperatur sind Deuterium und Tritium in der Lage zu einem Heliumkern und einem Neutron zu verschmelzen. Im Jahr 2025 soll erstmalig am Forschungsreaktor Iter in Südfrankreich dieser Fusionsprozess durchgeführt werden. Mit einem Q-Wert (Beschreibung von Input/Output-Energie) von 10 wäre Iter der erste Fusionsreaktor mit einer Energieabgabe. Iter ist ein Reaktor für Forschungszwecke und wird selbst keine elektrische Energie erzeugen. Mit den gewonnen Erfahrungen wären jedoch der standardmäßige Bau von Fusionsreaktoren möglich sein. Dies wird für das Jahr 2050 prognostiziert.