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Kernspaltung - mit gebremstem Schwung zur Wärme

Im Reaktor eines Kernkraftwerks geschieht nichts Geheimnisvolles. Vielmehr macht sich der Mensch hier genauso wie in anderen Kraftwerken natürliche Vorgänge technisch nutzbar.

Wenn Neutronen mit relativ geringer Geschwindigkeit auf einen Uran-235-Kern treffen, dann spricht man von Kernspaltung - ein Vorgang, der auch in der Natur vorkommt. Dabei entsteht Uran 236, das in zwei Bruchstücke zerplatzt, die wiederum mit hohem Tempo auseinander fliegen, um anschließend von anderen Atomen in der Umgebung abgebremst zu werden. Aus dieser Bewegungsenergie wird durch die Abbremsung verwertbare Wärme für die Stromerzeugung. Das Ganze funktioniert jedoch nur dann, wenn es gelingt, den rasenden Neutronen einen Teil ihres Schwungs zu nehmen, damit sie nicht am Ziel, dem Urankern, vorbeischießen. Als Neutronenbremse - Moderator sagen die Fachleute - eignet sich Wasser. Mit dessen Hilfe verlangsamt sich die Geschwindigkeit der Neutronen auf das für die Spaltung richtige Maß. Bei jeder Spaltung entstehen zwei bis drei neue Neutronen, die weitere Spaltvorgänge einleiten - eine sich selbsterhaltende Kettenreaktion beginnt.

Dem Physiker Enrico Fermi gelang 1942 in Chicago die erste selbsterhaltende Kernspaltung. Aber bereits lange bevor es Menschen gab, nämlich vor zwei Milliarden Jahren, spaltete sich in der Natur von selbst Uran 235 im westafrikanischen Gabun; dort haben Wissenschaftler mehrere Naturreaktoren entdeckt.

Kettenreaktion alles im Griff

Je mehr Neutronen da sind, desto mehr Spaltvorgänge gibt es, und desto mehr Energie wird frei. Da bei der Uranspaltung mehr Neutronen entstehen, als zur Aufrechterhaltung einer kontrollierten Kettenreaktion nötig sind, wird ein Teil der Neutronen vom Ziel abgelenkt.

Dazu bedient man sich im Reaktor sogenannter Steuerstäbe aus einem Material (Bor, Hafnium), das die Neutronen aufsaugt, also absorbiert. Zur Senkung der Reaktorleistung werden diese Stäbe in den Reaktor eingeführt, zur Steigerung wieder herausgezogen.

Es gibt aber auch noch einen zweiten Weg, die Kettenreaktion zu kontrollieren und zu regeln: Je heißer der Moderator bzw. das Kühlmittel Wasser wird, desto mehr Dampfblasen entstehen. Die Bremswirkung geht verloren, immer mehr Neutronen schießen am Ziel vorbei.

Diesen physikalischen Vorgang nutzt man durch dosierte Zufuhr von (Kühl-)Wasser - mehr Wasser heißt niedrigere Temperatur, bedeutet höhere Trefferquote der Neutronen. Weniger Wasser führt zu schnellerer Erhitzung des Wassers. Folglich entstehen mehr Dampfblasen, die Trefferquote sinkt. Dahinter verbirgt sich ein ganz wesentliches Sicherheitselement des Siedewasserreaktors Gundremmingen: Bei Wasserverlust endet die Kettenreaktion von selbst.

Schließlich gibt es noch einen dritten Weg, den Reaktor jederzeit schnell abzuschalten: Man pumpt eine Borlösung ein, die die Neutronen einfängt und die Spaltung der Urankerne unterbricht.

Überwachung der Kernspaltung im Reaktor

Eine Vielzahl von Mess-Sonden ermittelt wichtige Informationen und zeigt sie auf der Warte an. Diese Daten werden auch vom Reaktorschutzsystem verarbeitet. Dieses System überwacht die Messgrößen und steuert die Sicherheitssysteme. Notfalls bewirkt das Reaktorschutzsystem eine Schnellabschaltung des Reaktors.

Kernspaltung/Kettenreaktion
Steuerstabinspektion im Lagerbecken
Steuerstabinspektion im Lagerbecken
Blick auf die Schaltwarte
Blick auf die Schaltwarte