Kernspaltung: Der Reaktor, der Brennstoffkreislauf und die Zahlen
Spaltung ist die einzige großtechnische, kohlenstoffarme und wetterunabhängige Stromquelle im kommerziellen Betrieb. Sie ist zugleich diejenige, deren Kosten und gesellschaftliche Akzeptanz zwischen den Ländern am stärksten auseinandergehen, was eine allgemeine Einordnung ungewöhnlich schwer macht. Die Physik immerhin ist überall dieselbe.
Die Kettenreaktion
Uran-235 ist ungewöhnlich: Von einem langsamen Neutron getroffen, wird es instabil und spaltet sich binnen des Bruchteils einer Pikosekunde. Die Bruchstücke fliegen auseinander und tragen den größten Teil der freigesetzten Energie als Bewegungsenergie, die zu Wärme wird, sobald sie auf umgebende Atome prallen. Zwei bis drei Neutronen kommen mit, und wenn davon im Mittel genau eines einen weiteren Kern spaltet, trägt sich die Reaktion bei gleichbleibender Leistung selbst.
Dieses Wort „im Mittel“ ist die gesamte Reaktorsteuerung. Ein Teil der Neutronen wird nicht sofort frei, sondern Sekunden bis Minuten später, beim Zerfall bestimmter Spaltbruchstücke. Diese verzögerten Neutronen sind eine kleine Minderheit, und ihnen verdankt ein Reaktor, dass er auf menschlichen Zeitskalen reagiert statt augenblicklich. Ohne sie wäre eine Steuerung mit mechanischen Stäben unmöglich.
Natururan enthält nur etwa 0,7 Prozent Uran-235, der Rest ist Uran-238, das mit langsamen Neutronen nicht spaltet. Die meisten Reaktoren reichern den Brennstoff deshalb auf 3 bis 5 Prozent an - und dieselbe Zentrifugentechnik, weit genug getrieben, erzeugt Waffenmaterial. Deshalb ist die Anreicherung der am strengsten überwachte Schritt der gesamten Branche.
Wie bei der Fusion stammt die Energie aus der Bindungsenergiekurve, nur von der anderen Seite her. Der Maßstab unterscheidet sich von chemischer Verbrennung um etwa den Faktor eine Million, weshalb ein Brennelement von Personengröße jahrelang läuft.
Von der Wärme zum Strom
Ein Reaktor erzeugt Wärme, und alles danach ist konventionell. Wasser führt die Wärme ab, wird zu Dampf, treibt eine Turbine und dreht einen Generator. Der thermische Wirkungsgrad dieses Kreislaufs liegt bei einem typischen Druckwasserreaktor um 33 Prozent, bestimmt von Dampftemperaturen und nicht von etwas Nuklearem - dieselben Grenzen der Energieumwandlung, die auch für ein Kohlekraftwerk gelten.
Weltweit dominiert der Druckwasserreaktor, in dem Wasser unter rund 150 Atmosphären bei über 300 Grad flüssig bleibt und seine Wärme an einen getrennten Dampfkreis abgibt. Siedewasserreaktoren lassen das Kühlmittel direkt sieden. Beide nutzen gewöhnliches Wasser als Moderator und Kühlmittel, was ihnen eine nützliche Sicherheitseigenschaft gibt: Geht das Wasser verloren, endet die Kettenreaktion, weil die Neutronen nicht mehr ausreichend abgebremst werden.
Was bleibt, ist die Nachzerfallswärme. Auch nach dem Ende der Kettenreaktion zerfallen die Spaltbruchstücke weiter und setzen unmittelbar nach der Abschaltung einige Prozent der Volllast frei, über Tage abklingend. Diese Wärme ohne äußere Stromversorgung abzuführen ist das Auslegungsproblem hinter dem größten Teil der Reaktorsicherheitstechnik - und es ist das, was 2011 in Fukushima versagte.
Ertrag, Abfall und Fläche
Die bestimmende Betriebskennzahl eines Reaktors ist der Kapazitätsfaktor: der Anteil der theoretisch möglichen Jahresleistung, der tatsächlich geliefert wird. In der US-Flotte liegt er seit zwei Jahrzehnten über 90 Prozent. Zum Vergleich: Photovoltaik im Kraftwerksmaßstab erreicht typischerweise 25 bis 35 Prozent, Wind 35 bis 50 Prozent - nicht weil die Anlagen unzuverlässig wären, sondern weil die Ressource schwankt. Spaltung ist eine der wenigen Quellen, deren Ertrag nicht vom Wetter abhängt, eine Eigenschaft, die sie mit Geothermie und in den meisten Bauformen mit Wasserkraft teilt.
Die Abfallfrage sind in Wahrheit zwei Fragen. Dem Volumen nach ist abgebrannter Brennstoff bemerkenswert wenig: Alles, was die kommerziellen US-Reaktoren je erzeugt haben, würde ein einzelnes Fußballfeld etwa zehn Meter hoch bedecken. Der Gefährdungsdauer nach ist es umgekehrt: Einige Isotope bleiben Zehntausende von Jahren gefährlich, länger als je eine menschliche Institution bestanden hat.
Bei der zweiten Frage ist Finnland am weitesten. Das Endlager Onkalo bei Olkiluoto bringt abgebrannten Brennstoff in Kupferbehältern 400 Meter tief in kristallines Grundgestein und ist weltweit das erste tiefengeologische Lager im Betrieb. Die meisten anderen Länder lagern weiterhin am Standort zwischen, was funktioniert, aber nie als endgültige Lösung gedacht war.
Beim Flächenbedarf läuft es umgekehrt zu den Erneuerbaren. Ein Kernkraftwerk im Gigawattbereich belegt wenige Quadratkilometer; dieselbe mittlere Leistung aus Wind braucht eine weit größere Fläche, wobei der Boden zwischen den Anlagen landwirtschaftlich nutzbar bleibt.
Kosten, Bau und wozu SMR gedacht sind
Die Wirtschaftlichkeit der Spaltung wird vom Bau bestimmt. Brennstoff ist günstig und der Betrieb ist günstig, aber ein großer Reaktor im Westen hat wiederholt länger gedauert und mehr gekostet als geplant - Flamanville in Frankreich und Vogtle in den USA lagen beide Jahre hinter dem Zeitplan. Die Zinsen, die sich über ein Jahrzehnt Bauzeit ansammeln, können Beton und Stahl den Rang ablaufen.
Das gilt nicht überall. Südkorea und China haben näher an Zeitplan und Budget gebaut, vor allem indem sie dieselbe Auslegung wiederholt mit einer eingespielten Mannschaft errichteten. Diese Beobachtung benennt die Diagnose: Das Problem ist der Erstbau, nicht die Technik.
Kleine modulare Reaktoren nehmen diese Diagnose ernst. Indem die Leistung auf Dutzende bis wenige hundert Megawatt sinkt, werden die Bauteile klein genug, um sie in einer Fabrik zu fertigen und zur Baustelle zu liefern. Fabriken lernen dazu, Baustellen vergessen. Die Wette lautet, dass Dutzende identischer Einheiten je Megawatt günstiger sind als ein einzelnes großes Einzelstück - trotz des Verlusts der Größenvorteile, die Reaktoren überhaupt erst groß gemacht haben.
Ob diese Wette aufgeht, ist offen. Mehrere Auslegungen haben eine Genehmigung, eine Handvoll ist im Bau, und die ersten kommerziellen Serien werden der Prüfstein sein. Die Frage betrifft Fertigung und Lieferketten, nicht Reaktorphysik - die ist seit den 1940er Jahren geklärt.
Häufige Fragen
Wie viel Energie steckt tatsächlich in Kernbrennstoff?
Ein vollständig gespaltenes Kilogramm Uran-235 setzt etwa die Energie von 2.700 Tonnen Kohle frei. In der Praxis wird Brennstoff nicht vollständig ausgenutzt, dennoch läuft ein einzelnes Brennelement mehrere Jahre - deshalb sind die Brennstoffkosten nur ein kleiner Teil der Wirtschaftlichkeit.
Kann ein Reaktor wie eine Bombe explodieren?
Nein. Eine Waffe braucht auf über 90 Prozent angereichertes Uran und eine präzise konstruierte Anordnung; Reaktorbrennstoff ist auf 3 bis 5 Prozent angereichert und kann physikalisch keine nukleare Explosion erzeugen. Reaktorunfälle betreffen Dampfdruck, Wasserstoffverbrennung oder Nachzerfallswärme - ernst, aber ein anderer Mechanismus.
Was ist ein Kapazitätsfaktor, und warum ist er bei Kernkraft so hoch?
Er ist die tatsächliche Jahresarbeit geteilt durch das theoretische Maximum bei ganzjähriger Volllast. In der US-Flotte liegt er über 90 Prozent, weil der Brennstoff stets verfügbar ist und Stillstände geplant werden. Bei Sonne und Wind ist er niedriger, weil die Ressource nicht durchgehend vorhanden ist - eine Eigenschaft der Quelle, kein Mangel der Anlage.
Ist die Endlagerfrage gelöst?
Technisch ist der Weg etabliert, und das finnische Onkalo ist in Betrieb. Politisch und institutionell ist sie in den meisten Ländern offen, und abgebrannter Brennstoff steht überwiegend in Zwischenlagern am Standort. Das Volumen ist klein; die Schwierigkeit ist die Dauer der Gefährdung.
Ist Kernkraft kohlenstoffarm?
Ja. Lebenszyklusanalysen einschließlich Bergbau, Anreicherung und Bau ordnen sie in denselben Bereich wie Wind ein und unter Photovoltaik. Spaltung liefert derzeit rund ein Viertel des kohlenstoffarmen Stroms weltweit.
