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Kernkraftwerk

Akronym: KKW, AKW

Definition: ein Kraftwerk, welches elektrische Energie mit Hilfe von Kernenergie erzeugt

Alternative Begriffe: Atomkraftwerk, Nuklearkraftwerk

Allgemeinere Begriffe: Großkraftwerk

Englisch: nuclear power station

Kategorien: elektrische Energie, Kernenergie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 22.04.2011; letzte Änderung: 16.10.2020

Ein Kernkraftwerk (auch Atomkraftwerk oder Nuklearkraftwerk) ist ein Kraftwerk, d. h. eine Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie, welches auf Kernenergie basiert. Es besteht in der Hauptsache aus den folgenden Komponenten:

Der Unterschied zu anderen Wärmekraftwerken besteht also in der Wärmeerzeugung durch einen Kernreaktor statt durch die Verbrennung eines Brennstoffs wie Kohle oder Erdgas.

Eine Kraftwerksanlage kann auch aus mehreren Kraftwerksblöcken bestehen, die in der Regel weitestgehend unabhängig voneinander arbeiten; es handelt sich dann eigentlich um mehrere eigenständige Kraftwerke mit separaten Reaktoren, Dampfturbinen, etc. Möglicherweise wird aber ein Teil der Sicherheitstechnik (z. B. Notstromaggregate) gemeinsam verwendet, und auch gewisse andere Synergien können genutzt werden – beispielsweise der Anschluss an das Hochspannungsnetz.

Kernkraftwerke sind die bei weitem wichtigsten großtechnischen Anlagen zur Nutzung der Kernenergie. Nur in seltenen Fällen wird ein Kernreaktor zur Wärmeerzeugung für andere Zwecke (etwa Prozesswärme für die Industrie) eingesetzt.

Charakteristika von Kernkraftwerken

Bis auf den Kernreaktor ist die Technik ähnlich der von anderen Wärmekraftwerken, beispielsweise von Kohlekraftwerken. Jedoch gibt es einige Unterschiede:

  • Die elektrische Leistung eines Kernkraftwerks ist meist relativ hoch: bei modernen Kraftwerken in der Regel rund 1 bis 2 Gigawatt. Es handelt sich also um ein Großkraftwerk. Kleinere Kraftwerke sind in der Regel weniger wirtschaftlich, da die Kosten für diverse Komponenten (etwa Sicherheitseinrichtungen) und den Betrieb nicht entscheidend von der Leistung abhängen.
  • Für den unvorhergesehenen Ausfall eines großen Kernkraftwerks muss eine entsprechend große Reserveleistung bereitgehalten werden.
  • Der Wirkungsgrad von Kernkraftwerken ist meist deutlich niedriger als der von (modernen) Kohlekraftwerken oder vor allem Gaskraftwerken, da die vom Reaktor gelieferten Temperaturen des Wasserdampfs in der Regel niedriger sind. Beispielsweise soll der neue Europäische Druckwasserreaktor (EPR) einen Netto-Wirkungsgrad von 37 % erreichen, während neue Kohlekraftwerke zumindest mit Steinkohle bereits über 45 % erzielen, mit Braunkohle ebenfalls deutlich mehr als 40 %.
  • Als Folge des niedrigeren Wirkungsgrad und der hohen Leistung fallen bei Kernkraftwerken besonders große Mengen von Abwärme an, die z. B. zur unerwünschten Aufheizung von Flüssen führen.
  • Kernkraftwerke weisen sehr hohe Bau- und Kapitalkosten auf, jedoch relativ geringe Betriebskosten, insbesondere sehr niedrige Kosten für die Kernbrennstoffe (meistens angereichertes Uran). Deswegen werden sie vor allem im Grundlastbetrieb eingesetzt: Sie erzeugen jedes Jahr so viel Energie, wie technisch möglich ist. Bei zuverlässigen Anlagen können mehr als 8000 Volllaststunden pro Jahr erreicht werden. (Betriebsunterbrechungen entstehen vor allem durch Wartungsarbeiten, die meist im Sommer durchgeführt werden.) Die jährlich erzeugte Strommenge liegt also deutlich höher als beispielsweise bei einem Mittellast-Kohlekraftwerk oder gar einem Spitzenlast-Gaskraftwerk, auch bei gleicher maximaler Leistung. Jedoch ist der Erlös pro erzeugter Kilowattstunde in der Grundlast niedriger, weil sich die Erzeugung hauptsächlich nach der Anlage und nicht nach der momentanen Nachfrage im Stromnetz richtet.
  • Technisch ist es möglich, die erzeugte Wärmeleistung des Kernreaktors und damit die elektrische Leistung des Kraftwerks ein Stück weit der aktuellen Nachfrage anzupassen. Jedoch kann die Leistung meist nicht sehr stark reduziert werden (z. B. nur auf die Hälfte der Maximalleistung), und die Laständerungen brauchen eine erhebliche Zeit (etliche Stunden) (→ geringe Leistungsänderungsgeschwindigkeit). Häufige Lastwechsel können wesentliche Komponenten zusätzlich beanspruchen. Die Wirtschaftlichkeit sinkt ebenfalls aus den oben genannten Gründen. Aus all diesen Gründen wird ein Lastfolgebetrieb eher selten praktiziert – am ehesten in Ländern mit hohem Anteil von Kernkraftwerken an der Stromerzeugung.
  • Wegen der genannten wirtschaftlichen Charakteristika besteht ein starker Anreiz, Kernkraftwerke für möglichst lange Zeiträume (etliche Jahrzehnte) zu betreiben. Allerdings ist dies nicht im Sinne größtmöglicher Sicherheit (siehe unten), da alte Kernkraftwerke in der Regel sicherheitstechnisch deutlich weniger entwickelt sind als neue. Die meisten über 30 Jahre alten Kernkraftwerke hätten keine Chance, nach den heutigen Anforderungen an neue Kraftwerke genehmigt zu werden – allenfalls mit extrem teuren Nachrüstungen.

Umweltbelastung im Normalbetrieb

Im Normalbetrieb eines Kernkraftwerks (also ohne schwere Unfälle) treten nur geringe Umweltbelastungen auf. Es gibt gewisse Emissionen radioaktiver Stoffe, jedoch nur in sehr geringen Mengen – deutlich geringer als beispielsweise bei Kohlekraftwerken, deren Abgase auch bei Einsatz von modernen Filteranlagen gewisse Mengen von radioaktiven Substanzen aus der Kohle enthalten. Ungeklärt ist, warum nach diversen Studien in der Nähe von Kernkraftwerken bestimmte Krebserkrankungen (vor allem Leukämien bei Kindern) vermehrt auftreten; aufgrund der bekannten Emissionen, die eine deutliche geringere Exposition der Bevölkerung verursachen als diverse andere Quellen, wäre dies nicht zu erwarten. Jedoch spricht nichts dafür, dass hier ein größeres, nach vielen Jahrzehnten des Betriebs solcher Kraftwerke immer noch unentdecktes Problem lauert.

Indirekt verursacht der Betrieb von Kernkraftwerken radioaktive Belastungen im Zusammenhang mit der Gewinnung und Weiterbehandlung von Kernbrennstoffen. Insbesondere entstehen beim Uranbergbau in etlichen Ländern erhebliche Belastungen, weil große Mengen von belastetem Abraum teils unter freiem Himmel gelagert werden und vom Wind verteilt werden können. Ebenfalls treten zusätzliche radioaktive Emissionen in Wiederaufarbeitungsanlagen auf, soweit der Kernbrennstoff nach der Verwendung in solche Anlagen gebracht wird. Solche radioaktive Emissionen können wesentlich höher liegen als diejenigen direkt aus dem Kraftwerk, weil dort eine Vielzahl von Substanzen in den abgebrannten Brennelementen freigesetzt und verarbeitet werden muss. Hinzu kommt die Frage, ob es gelingen wird, die entstehenden hochradioaktiven Abfälle für sehr lange Zeiträume sicher am Eintreten in die Biosphäre zu hindern.

Der Bau und Betrieb von Kernkraftwerken wie auch die Brennstoffgewinnung (Bergbau und vor allem die Urananreicherung) und die Entsorgung verursachen einen Energiebedarf, der teilweise durch fossile Energieträger gedeckt wird. Hierdurch entstehen gewisse Kohlendioxid-Emissionen, obwohl das Kraftwerk selbst kein Kohlendioxid emittiert. Jedoch handelt es sich um wesentlich geringere Mengen als bei fossil befeuerten Kraftwerken – etwa in der gleichen Größenordnung wie bei diversen erneuerbaren Energien. Insofern verursacht der Einsatz von Kernkraftwerken nur geringfügige Klimagefahren.

Sicherheitsaspekte

Die Risiken der Nutzung von Kernkraftwerken können in verschiedene Problemfelder aufgeteilt werden:

Betriebsrisiken der Kraftwerke

Die direkten Risiken des Betriebs von Kernkraftwerken sind hauptsächlich eine Frage der Reaktorsicherheit und ein Stück weit der Sicherheit von Abklingbecken für abgebrannte Brennelemente. Die Hauptgefahr besteht in der Freisetzung großer Mengen von radioaktiven Materialien bei einem schweren Unfall (Super-GAU), beispielsweise in der Folge einer Kernschmelze bei Versagen des Kühlsystems. Schwere Unfälle können durch technisches Versagen, Fehlbedienung sowie durch äußere Einwirkungen (etwa Naturkatastrophen oder Terroranschläge) geschehen.

Diese Risiken könnten im Prinzip mit neuen, sogenannten inhärent sicheren Reaktordesigns deutlich vermindert werden. Solche Konzepte werden seit Jahrzehnten immer wieder vorgeschlagen, finden aber kaum Eingang in die Praxis. Beispielsweise scheinen modulare Konzepte für kleinere Reaktoren, die in Bezug auf die Abfuhr der Nachzerfallswärme wesentliche Vorteile aufweisen, an höheren spezifischen Baukosten zu scheitern. Konkrete Neubauprojekte basieren deswegen in aller Regel auf nur im Detail weiter ausgefeilten Designs älterer Ort.

Risiken vor und nach dem Kraftwerksbetrieb

Diverse Risiken der Kernenergienutzung bestehen vor und nach dem Kraftwerksbetrieb, insbesondere betreffend die Handhabung und Langzeitlagerung der entstehenden radioaktiven Abfälle (des Atommülls), aber auch bei der Gewinnung des Kernbrennstoffs (vor allem bei Verwendung von plutoniumhaltigen Mischoxidbrennelementen).

Die Risiken der Endlagerung des Atommülls könnten im Prinzip durch den breiten Einsatz von schnellen Brutreaktor erheblich entschärft werden. Diese würden zwar hochradioaktive Spaltprodukte in ähnlichem Umfang wie konventionelle Reaktoren erzeugen, aber einen wesentlich geringeren Anteil langlebiger Isotope, die das langfristige Strahlungsrisiko bestimmen. Jedoch waren bisherige Projekte mit Brutreaktoren so wenig erfolgreich, dass dieser Ansatz praktisch nicht mehr verfolgt wird.

Verbreitung von Atomwaffen

Die zivile Kernenergienutzung kann auf verschiedene Weisen die Verbreitung von Atomwaffen begünstigen, insbesondere als Tarnung für verdeckte militärische Atomprogramme sowie durch die Produktion von angereichertem Uran und Plutonium. Bislang hat noch kein Staat Atomwaffen erworben, ohne zunächst in die zivile Kernenergienuztung einzusteigen. Einige Staaten wie Frankreich und Großbritannien scheinen trotz hoher Kosten wegen den Synergien mit der militärischen Kernenergienutzung an der zivilen Nutzung festzuhalten, während andere offenbar die Option auf einen späteren Griff nach Atomwaffen durch ein Festhalten an der zivilen Kernenergienutzung bewahren möchten.

Für die Vermeidung zukünftiger Atomkriege wäre es offenkundig sehr wünschenswert, die zivile Nutzung der Kernenergie zurückzuführen bzw. den Einstieg zu verhindern.

Anzahl von Kernkraftwerken

Weltweit sind derzeit (Stand 2020) ca. 450 Kernkraftwerke in Betrieb, die zusammen rund 10 % der elektrischen Energie erzeugen. Die installierte Kapazität (rund 350 GW) ist rund zehnmal geringer, als z. B. von der IAEA in den 1970er Jahren erwartet wurde. Wegen des hohen durchschnittlichen Alters von ca. 30 Jahren werden in den nächsten 10 bis 20 Jahren weltweit sehr viele Reaktoren außer Betrieb genommen werden; Nachrüstungen auf ein zeitgemäßes Sicherheitsniveau werden in der Regel zu teuer sein.

In Deutschland sind zur Zeit (Stand 2020) noch sechs Kernkraftwerke in Betrieb: Isar/Ohu 2, Brokdorf, Grohnde, Emsland, Neckarwestheim 2 udn Gundremmingen C. Spätestens Ende 2022 müssen auch diese Reaktoren außer Betrieb genommen werden (→ Atomausstieg). Es wird dann eine lange Phase des Rückbaus erfolgen.

Neue Kernkraftwerke werden derzeit in 16 Ländern gebaut. Viele Bauprojekte, insbesondere in westlichen Ländern, gehen schleppend voran und führen zu teils exzessiven Überschreitungen der vorgesehenen Baukosten. Beispiele dafür sind Olkiluoto III in Finnland und Hinkley Point C [3] in England, beide mit dem EPR = European Pressurised Reactor der Areva, sowie das Projekt von Vogtle Electric in Georgia, in diesem Fall mit dem Westinghouse AP1000. Vor allem wegen der ausufernden Kostenrisiken – mehr als wegen der Sicherheitsbedenken z. B. seit der Fukushima-Katastrophe – ist nicht davon auszugehen, dass sich der Bau neuer Kernkraftwerke wieder beschleunigen und zu einer “Renaissance der Kernenergie” führen wird [4]. Nur wo Staaten wie Großbritannien und Frankreich massive langfristige Subventionen zusprechen, können neue Bauprojekte überhaupt geplant werden. Ein Atomausstieg erfolgt also faktisch beileibe nicht nur in Deutschland, sondern nach und nach in den meisten Ländern; allenfalls werden bestehende Reaktoren noch länger betrieben.

Es wird also voraussichtlich nicht gelingen, den Rückgang der weltweiten Stromerzeugung aus Kernenergie aufzuhalten. Der Zuwachs der Erzeugung von Strom aus erneuerbarer Energie ist weltweit vielfach größer als der Beitrag neuer Kernkraftwerke, der bereits nicht ausreicht, um die Stilllegung vieler Kernkraftwerke zu kompensieren. Die Produktionskosten für erneuerbare Energie liegen vielfach nur noch bei einem Bruchteil derjenigen von Kernenergie.

Detaillierte Daten zur Entwicklung der Nutzung von Kernkraftwerken finden sich im World Nuclear Industry Status Report [5].

Fragen und Kommentare von Lesern

15.10.2019

Mich würde mal interessieren, wie viel Liter / Kubikmeter Wasser pro Minute (bzw. Sekunde) in einem KKW bei Volllast zu Wasserdampf verdampft wird. Wie stark sind da die Pumpen, die das Wasser umwälzen?

Antwort vom Autor:

Schätzen wir das mal grob ab:

  • Annahme: elektrische Leistung 1 GW, Wirkungsgrad 35 %; das ergibt eine thermische Verlustleistung von (1 / 0,35 − 1) GW = 1,9 GW.
  • In die Verdampfung von Wasser wird nur ein Teil davon gesteckt – ich schätze ca. 1,6 GW.
  • Mit der Verdampfungswärme von ca. 2,4 MJ/kg würde man also 1,6 GJ / s / 2,4 MJ/kg = 667 kg/s verdampfen, also pro Sekunde zwei Drittel einer Tonne Wasser.

Die Speisewasserpumpen müssen insgesamt einige Dutzend Megawatt leisten.

13.10.2020

KKW erzeugen im Sommer viel Abwärme. Warum werden die KKW nicht nur in der kalten Jahreszeit betrieben, wenn wir mit der Abwärme heizen können und der Strombedarf höher ist als im Sommer?

Antwort vom Autor:

Wegen der hohen Investitionskosten müssen solche Kraftwerke für möglichst viele Stunden im Jahr betrieben werden, um wirtschaftlich sein zu können.

Meistens wird die Abwärme nicht genutzt, da es schwierig ist, so viel Wärme innerhalb einer begrenzten Entfernung zum Kraftwerk zu nutzen.

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Literatur

[1]Blog-Artikel: Rettet Terrapower oder NuScale die Renaissance der Kernenergie?
[2]Extra-Artikel: Was lernen wir aus dem Atom-Desaster von Fukushima?
[3]Blog-Artikel: Atomprojekt Hinkley Point C: der Grundstein für zwei milliardenschwere Debakel ist gelegt
[4]Studie "Renaissance der Kernenergie?", Prognos, 09/2009
[5]M. Schneider and A. Froggatt, "World Nuclear Industry Status Report 2019"
[6]Irrtümer und Propaganda zum Thema Kernenergie

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Kernreaktor, Kraftwerk, Kernenergie, Kernbrennstoff, Kernspaltung, Radioaktivität, Reaktorsicherheit, radioaktiver Abfall
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Kernenergie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

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