Kernkraftwerk

Ein Kernkraftwerk (KKW) ist eine Elektrizitätswerk zur "Gewinnung" elektrischer Energie durch Kernspaltung. In einem KKW wird mit der im Kernreaktor erzeugten Entropie Wasser bei hohem Druck verdampft. Dieser Dampf gibt in einem näherungsweise isentrop geführten Prozess einen Teil der mitgeführten Energie als Prozessleistung an eine Turbine ab. Danach wird der entspannte und kalt gewordene Dampf kondensiert. Die dabei frei gewordene Entropie geht über das Kühlsystem weg.

Reaktortypen

In Kernkraftwerken werden unterschiedliche Reaktortypen eingesetzt die sich im Wesentlichen durch die verwendeten Kernbrennstoffe, Kühlkreisläufe und Moderatoren unterscheiden.

Die wichtigsten sind:

Schema eines Kernkraftwerks mit Druckwasserreaktor

Datei:Schema siedewasserreaktor groß.png

Schema eines Siedewasserreaktors

• Im Leichtwasserreaktor wird gewöhnliches Wasser als Kühlmittel und Moderator verwendet. Angereichertes Uran mit einem ²³⁵U-Massenanteil zwischen etwa 1,5 und 6 Prozent dient als Brennstoff. Der Leichtwasserreaktor existiert in den Varianten Druckwasserreaktor und Siedewasserreaktor. Während beim Druckwasserreaktor das Reaktorkühlmittel in einem geschlossenen Primärkreislauf zirkuliert und mit einem Dampferzeuger Wasserdampf in einem Sekundärkreislauf erzeugt, wird beim Siedewasserreaktor das Kühlmittel direkt im Reaktordruckbehälter verdampft.
• Im Schwerwasserreaktor wird als Reaktorkühlmittel und Moderator schwere Wasser ([math]\mathrm{D_2O}[/math]) werwendt. Weil das schwere Wasser Neutronen schlechter absorbiert als normales, kann als Brennstoff Natur-Uran mit einem Massenanteil an ²³⁵U von etwa 0,7 Prozent verwendet werden.

• Der RBMK ist ein Reaktor sowjetischer Bauart, bei dem Graphit als Moderator und Wasser als Kühlmittel eingesetzt wird. Deshalb kann er mit Uran in natürlicher Isotopen-Zusammensetzung betrieben werden. Trotz der Katastrophe von Tschernobyl sind solche Reaktoren auf dem Gebiet der ehemaligen Sowjetunion mit einigen technischen Verbesserungen weiterhin in Betrieb.

• Der Brutreaktor (Schneller Brüter) erzeugt während des Betriebs spaltbares Plutonium aus Natur-Uran und ermöglicht dadurch eine höhere Brennstoffausnutzung. Als Kühlmittel wird statt Wasser flüssiges Natrium eingesetzt, das die schnelle Neutronen weniger abbremst (moderiert).

• Der Hochtemperaturreaktor ist eine deutsche Erfindung, bei dem der Brennstoff (²³⁵U oder ²³²Th) in tennisballgroßen Graphitkugeln eingeschlossen ist. Das Graphit dient als Moderator. Zur Kühlung wird Helium eingesetzt.

Brennstoff

Als Kernbrennstoff wird in den meisten heute betriebenen Kernkraftwerken angereichertes Uran (U-235-Anteil ca. 3 bis 4 %) eingesetzt. Es gibt weltweit viele Kraftwerke mit einer Nutzungslizenz für MOX-Brennelemente, so auch in Deutschland. Mischoxid (MOX) ist ein Gemisch aus Uranoxid und Plutoniumoxid. Plutonium hat als Brennstoff eine höhere Energieausbeute, ist also effizienter als Uran. Die Verwendung von höheren Plutoniumanteilen (Pu-239) im MOX ist allerdings sowohl aufgrund der Waffenfähigkeit des Plutoniums als auch wegen der höheren Sicherheitsanforderungen eines mit Plutonium betriebenen Reaktors, z. B. Brutreaktor, umstritten.