A T O M E N E R G I E

Transkript

1 A T O M E N E R G I E EINLEITUNG: Wohl keine andere Form der Energiegewinnung wird so kontrovers diskutiert wie die Atomenergie. Tatsache ist, dass auch die Kernenergie eine Energieform ist, die auf endlichen Ressourcen beruht. Die weltweiten Vorräte an Uran reichen derzeit noch ca. 100 Jahre. Auch durch Wiederaufbereitung kann diese Zeitspanne nicht erheblich verlängert werden, da abgebrannte Brennstäbe aufgrund technische Begebenheiten nur 2-3 mal wieder aufgearbeitet werden können. Versuche zum Betrieb eines sog. Schnellen Brüters, in dem das Uran künstlich erzeugt wird, sind in Deutschland gescheitert. In der Regel hat sich das eingesetzte Kapital in ein Atomkraftwerk nach 20 Jahren amortisiert. FUNKTIONSWEISE: Durch Spaltung von Atomkernen entsteht Wärme, mit deren Hilfe Wasser verdampft. Dieser Dampf wird dann zum Antrieb einer Turbine genützt, die dann einen Generator antreibt. Damit die Kernspaltung nicht außer Kontrolle gerät, ist in Deutschland das 5 Barrieren System vorgeschrieben.... Unter anderem gibt es bei manchen Kraftwerken als Moderator zur Bremsung der Neuronen, Wasser. Ein großes Kernkraftwerk erzeugt im Jahr durchschnittlich 11 Milliarden Kilowattstunden Strom- Die Erzeugungskosten je Kilowattstunde Atomstrom betragen etwa 1,5 Ct. bei den vorhandenen Kernkraftwerken und würden knapp 3 Cent bei einem neuen Kernkraftwerk betragen. Ca. 0,35 Ct. davon sind für die Entsorgung. ABFALL: In großen Kernkraftwerken entstehen ca. 60 m 3 radioaktive Abfälle pro Jahr, diese werden eingeteilt in: 1. schwachradioaktiv 2. mitelradioaktiv 3. hochradioaktiv Der größte Teil der Abfälle gehört zu 1 und 2. Abfälle im Bereich drei entstehen erst bei der Wiederaufbereitung. WIEDRAUFBEREITUNG: Mit der Wiederaufbereitung soll der Kernbrennstoff Uran und der beim Einsatz der Brennelemente entstandene Brennstoff Plutonium, wiedergewonnen werden. Des weiteren wird durch die Wiederaufbereitung das hochradioaktive Material, das ca. 1% des

2 Volumens des abgebrannten Brennstabes ausmacht, abgetrennt um es dann einfacher end zu lagern. Bei der Wiederaufbereitung werden die Brennelemente chemisch aufgelöst, um Plutonium und Uran von Rest des Atommülls trennen zu können, der dann zusammen mit den bei der Wiederverarbeitung verstrahlten Teile (Behälter, Chemikalien, ) entsorgt werden. Die Halbwertszeit des Plutoniums beträgt Jahre, während Jod 129 erst in Jahren die Hälfte seiner Radioaktivität verliert, Cäsium 137 verliert erst nach hundert Jahren ein Zehntel seiner Strahlung Deutschland nimmt für seine ausgedienten Brennelemente hauptsächlich die Wiederaufbereitungsanlagen im französischen La Hague und im englischen Shellafield. ENDLAGERUNG: Laut Atomausstiegsgesetz hat sich der Staat verpflichtet bis 2030 ein Endlager zur Verfügung zu stellen. Bis dahin werden bundesweit Kubikmeter radioaktiven Mülls angefallen sein. Eine Lösung, die allen Anforderungen genüge tut, ist dabei jedoch noch nicht gefunden: Es gibt verschieden Lösungsansätze: 1. Einlagerung in sog. geologischen Formationen (z.b. Salzstöcke, Bergwerke) 2. Eine Versenkung in der Tiefsee wird bereits von einigen Ländern praktiziert 3. Oberirdische Vergrabungen Die Ansatzpunkte 2 und 3 sind grundsätzlich nur für schwach radioaktive Abfälle möglich Die Bundesrepublik hat sich selber verordnet auch schwach radioaktive Abfälle in tiefen geologischen Formationen zu versenken, was natürlich kostspieliger ist. Ein geeigneter Standort ist jedoch noch nicht gefunden. Für den Standort des Endlager gibt es einige Voraussetzungen: 1. Keine Veränderung der geologischen Verhältnisse, auch über mehrere Tausend Jahre hinweg 2. Wasserdichter Abschluss von der Biosphäre 3. Erdbebensicher 4. Gute Wärmeleitfähigkeit 5. Große Hohlräume müssen herstellbar sein zu wirtschaftlichen Bedingungen Verschieden Standorte waren bisher in der Diskussion. 1. Projekt ASSE bei Wolfsbüttel 2. Gorleben 3. Eisenerz Bergwerk Konrad bei Salzgitter

3 Subventionierung Zur Zeit bietet Atomenergie die kostengünstigste Möglichkeit uns mit Strom zu versorgen. Demgegenüber steht ein weiteres kontroverses Thema bei der Atomenergie: die Subventionen Subventionierungen für die Atomindustrie sind: steuerfreie Rückstellung für die Entsorgung Forschung und Entwicklung Befreiung von der Versicherungspflicht die die Kostengünstigkeit der Atomenergie auf volkswirtschaftlicher Basis in Frage stellt. Hinzu kommt noch das Problem der sog. externen Kosten. Da das AKW in Gundremmingen zu Heidenheim am nächsten ist, wird hier noch gesondert darauf eingegangen. 2 Blöcke mit Siedewasserreaktoren produzieren durchschnittlich je 19 Mrd. KWh pro Jahr In jedem Block besteht je 784 Brennelemente mit je 174 KG Uran, Uran besteht aus 80 bzw. 90 Brennstäben Es entstehen täglich 170 KG Atommüll ( in ganz DTLD 1377 KG, weltweit das 15- fache), davon ca. 1,7 KG Plutonium Bis 1986 gab es in DTLD T abgebrannter Brennelemente, bis 2000 waren es T, jährlich kommen 450 T in DTLD. Hinzu Brennelement besteht zu 96% aus nicht spaltbarem Uran 238 und zu 4% aus spaltbarem Uran 235, nach 3-4 jährigem Abbrand finden sich noch 94% Uran 238 und 15 Uran 235, entstanden sind 15 Plutonium und 4% strahlende Spaltprodukte. In Plutoniumfabriken werden diese 4 Fraktionen dann getrennt: Plutonium wurde früher zum Bau von Atombombern verwendet, heute wird ein kliener Teil wieder in Brennelemente verwendet, das Uran 235 ist zu verunreinigt und wird nicht mehr verwendet, Uran 238 sollte in schnellen Brütern zu spaltbarem Plutonium umgewandelt werden ZWISCHENLAGER GRUNDREMMINGEN Im Atomausstiegsvertrag ist den Atomkraftwerksbetreibern ein standortnahes Zwischenlager zugesichert worden Neben den Reaktorblöcken B und C die zusammen das größte dt. Atomkraftwerk bilden (je 1344 MW, durchschnittlich 20MRD. KWh Strom pro Jahr), soll das größte dt. Atommüllzwischenlager entstehen (Block A wurde 1977 nach Totalschaden stillgelegt) Oberirdische Halle, ohne Überwachung der Radioaktivität der Abluft, da lt. Betreiber die Sicherheit der Castorenbehälter ausreicht, Frischluft wird nur von außen angesaugt, um Castoren geweht und dann erhitzt wieder abgelassen Castoren halten dicht für 40 Jahre Platz für 192 Castoren, die Atommüll für 40 Betriebsjahre aufnehmen kann, alle in DTLD. Geplanten Zwischenlager sollen für bis zu 30 Betriebsjahre reichen Gorleben und Ahaus sind für T Brennelemente ausgelegt, die zur Zeit nur

4 teilweise belegt sind, die größte Menge lagert noch in den Abklingbecken oder in den Plutoniumfabriken in La Hague oder Sellafield. In La Hague warten bereits über 120 Castoren auf den Rücktransport, für die die freie n Plätze in Gorleben schon verplant sind Zwischenlager soll für 192 Castoren sein, mit je abgebrannten Brennelementen für ca. 50 Jahre Entspricht dem Atommüll von rund 40 Jahren Betriebszeit, incl KG atomwaffenfähiges Plutonium, in den abgebrannten Brennstäben zerfallen auch weiterhin Atomkerne Castoren dürfen nicht heißer als 390 Grad, sonst platzen die Wände, die Kühlung erfolgt über die Kühlrippen der Castoren, trotzdem ist die Außentemperatur immer noch Grad Ausstieg aus der Atomenergie Nach zähen und langwierigen Verhandlungen hatten sich Bundesregierung und Energiewirtschaft im Juni 2001 auf einen Ausstieg aus der friedlichen Nutzung der Kernenergie geeinigt, der am 26. April 2002 im "Gesetz zur geordneten Beendigung der Kernenergienutzung" verankert wurde. Seitdem dürfen in Deutschland keine neuen Atomkraftwerke gebaut werden. Die Regellaufzeit der bestehenden Atomkraftwerke wurde auf 32 Jahre begrenzt, daraus werden die Reststrommengen berechnet. Hat ein Kraftwerk diese Menge erreicht, muss es stillgelegt werden. Die Betreiber haben jedoch die Möglichkeit, die Reststrommengen auf andere Kraftwerke zu übertragen und können so - wie das Beispiel Stade belegt - die unwirtschaftlichen Reaktoren früher abschalten. Das Gesetz untersagt zudem die Wiederaufarbeitung radioaktiver Abfälle ab Juli Ab diesem Zeitpunkt wird es keine Castor-Transporte mehr geben. Stattdessen sollen Zwischenlager an den Kraftwerksstandorten errichtet werden. Kernfusion Energie kann man aus der inneren Bindungsenergie der Atomkerne. Dies geschieht entweder durch Spaltung schwerer Atomkerne oder durch Fusion leichter Kerne. Bei der Kernfusion wird nach dem Vorbild der Sonne Wasserstoff zu Helium verschmolzen. Bei der Fusion von einem Gramm Wasserstoff wird so viel Energie frei wie bei der Verbrennung von acht Tonnen Erdöl. Damit ist die Ausbeute rund vier mal so hoch wie bei der Spaltung von Urankernen in herkömmlichen Kernkraftwerken. Die Kernfusion funktioniert jedoch erst bei einer Temperatur von mehreren hundert Millionen Grad Celsius. Dies ist der Grund, das in den bisherigen Versuchsreaktoren langfristig immer mehr Energie hinein gesteckt werden musste, als heraus bekommen wurde. Plasmazustand: Aufgrund der sehr hohen Temperaturen gehen die Ausgangsstoffe in den sogenannten Plasmazustand über. Beim Plasmazustand handelt es sich um einen "vierten Aggregatzustand."

5 Alltagsbeispiele für so ein Plasma sind z.b. die leuchtende Plasmasäule in Neonröhren, ein elektrischer Funke oder der Plasmafaden eines Blitzes. Fusionsreaktionen: Die künstliche Kernfusion setzt sich aus verschiedenen Fusionsreaktionen zusammen. Die wichtigste und häufigste Reaktion ist die Fusion von Deuterium (schwerer Wasserstoff) und radioaktivem Tritium (überschwerer Wasserstoff) zu Helium. Dabei wird ein Neutron frei. Dieses trägt 80 % der gewonnen Energie in Form von Bewegungsenergie mit sich. Diese freiwerdenden Neutronen werden ebenfalls genutzt um aus Lithium das Tritium zu erbrüten. Zündbedingungen: Ein Plasma bezeichnet man als gezündetes Plasma, wenn in ihm soviel Energie durch Kernfusion erzeugt wird, dass eine andauernde Fusion selbständig aufrechterhalten werden kann. Für die Zündung des Plasmas sind vor allem drei Bedingungen zu erfüllen: 1. Eine Plasmatemperatur von Millionen C (eine Temperatur die mehr als sechs mal so heiß ist wie das Innere der Sonne) 2. eine Plasmadichte von 10*14 Teilchen pro cm³ 3. eine Energieeinschlusszeit von 1-2 s. Die Energieeinschlusszeit ist ein Maß für die Güte der Wärmeisolation des Plasmas Magnetischer Einschluss des Plasmas Durch die Ionisierung des Gases wird es el. leitfähig. Das ist eine Grundvoraussetzung für die künstliche Kernfusion, da das Plasma dadurch in Magnetfeldern festgehalten werden kann. Da kein festes Material auf Dauer dem Millionen Grad heißen ionisierten Gas standhalten kann, muss man sich andere Methoden einfallen lassen, um das Plasma zusammenzuhalten und es gleichzeitig gegen Abkühlung zu isolieren. Hierbei gibt es zwei Varianten: 1. Das Tokamak-Prinzip: verdrilltes Magnetfeld durch Überlagerung zweier Magnetfelder: Toroidales Feld (durch äußere Spulen) + Magnetfeld des im Plasma induzierten Stroms 2. Das Stellerator-Prinzip: verdrilltes Magnetfeld allein durch äußere Spulen. Erfordert sehr komplizierten Spulenaufbau und -anordnung. Obwohl beide Varianten von Fusionsreaktoren Erfolge auf bestimmten Gebieten vorweisen können, schafft es noch keine, die für eine Zündung und eine kontinuierliche Energieerzeugung notwendigen Voraussetzungen zu erfüllen: Tokamaks erreichen zwar die erforderlichen Plasmatemperaturen, laufen aber nur zeitweise und komprimieren das Plasma nicht stark genug. Stellaratoren dagegen heizen weniger effektiv, produzieren aber ein ausreichend dichtes Plasma.

6 Aufheizung: Bis zur Zündung muss das Plasma von außen aufgeheizt werden Ist das Plasma einmal gezündet, muss natürlich ständig neuer Brennstoff nachgefüllt Dabei wird das Deuterium und Tritium so stark abgekühlt bis es gefriert und Kügelchen von wenigen Millimetern Durchmesser, sog. Pellets geformt werden können. Diese werden dann in Gaskanonen oder Zentrifugen auf 1200 m/s (4-fache Schallgeschw.) beschleunigt und ins Plasma geschossen. Dabei wird mit einem einzigen etwa 1 mg schweren Pellet bereits 1/3 des Plasmas nachgefüllt. Da durch die Pellets der Brennstoff gezielt an beliebiger Stelle in das Plasma gebracht werden kann, kann man mit dieser Methode auch das Dichteprofil vorteilhaft verändern, sowie bei einem späteren Fusionskraftwerk des Auswaschen der Fusionsasche Helium verbessern. Das Fusionskraftwerk Kernstück eines Fusionskraftwerks ist die ringförmige Brennkammer. Sie enthält das Deuterium-Tritium-Plasma.. Bis zur Zündung führt eine Startheizung für einige Sekunden eine Leistung von etwa 50 bis 100 MW zu. Ist das Plasma gezündet wird die Heizung wieder abgestellt. Über den Divertor werden die entstehenden Heliumteilchen zusammen mit Verunreinigungen aus den Gefäßwänden und einem Rest Deuterium und Tritium laufend aus dem Plasma entfernt. Die Fusionneutronen können den Magnetfeldkäfig wegen ihrer Neutralität ungehindert verlassen. Das Plasmagefäß ist von einem lithiumhaltigen Mantel, dem,,blanket" umgeben. Hier erbrüten die auftreffenden Neutronen aus dem Lithium den Fusionsbrennstoff Tritium. Dieses wird dann zusammen mit dem Restbrennstoff der ständig vom Rand des Plasmaraumes entfernt wird, wieder dem Plasma zugeführt. Weiterhin muß natürlich auch ständig Deuterium ins Plasma, sowie Lithium ins Blanket gebracht werden. Die im Plasma freiwerdende Energie wird durch die schnellen Neutronen ins Blanket übertragen und dort mit Hilfe von Wärmetauschern abgeführt. Diese Wärmeenergie wird dann wie bei den üblichen Kraftwerken über Turbinen und Generatoren in elektrische Energie umgewandelt. Der Reaktor muss natürlich zusätzlich noch von einem Schutzmantel gegen die radioaktive Strahlung des Tritiums umgeben sein. Ein Problem beim Fusionsreaktor ist ebenfalls die Aktivierung des umgebenden Materials durch die freiwerdenden schnellen Neutronen. Um möglichst wenig radioaktive Abfälle zu erzeugen, verwendet man im Reaktor hauptsächlich Materialien mit geringem Aktivierungspotential. In einem solchen Kraftwerk könnten in der Zukunft aus einem Gramm Brennstoff ca kwh erzeugt werden. Dies entspricht ungefähr der Verbrennungswärme von 11 t Kohle. Forschungsprojekte JET im englischen Culham Das Tokamak-Experiment Joint European Torus (JET) wurde ab 1972 von allen europäischen Staaten gemeinsam konzipiert, gebaut und seit 1983 in Großbritannien betrieben. Es ist das weltweit größte und fortschrittlichste Fusionsexperiment. Der Zweck des Projektes ist das Sammeln von Informationen über das Plasma nahe der Zündung für die Grundlagenforschung der Plasmaphysik. Heute ist das JET-Plasma nur noch um den Faktor 6

7 von den Zündbedingungen entfernt. Im Vergleich dazu waren 1970 die weltbesten Fusionexperimente um den Faktor von den Reaktorerfordernissen entfernt. Im September 1997 erreichten die Forscher mit dem JET-Reaktor einen weiteren Weltrekord: Es konnte in einer Plasmaentladung erstmals eine Fusionsleistung von 13 MW festgestellt werden. Diese Leistung deckte bereits 60 % der aufgewendeten Heizleistung. ITER Die Planungsarbeiten für ITER, oder Internationaler Thermonuklearer Experimental-Reaktor, begannen im Frühjahr 1988 im Max-Plank-Institut für Plasmaphysik. Dabei handelt es sich um einen ersten kompletten Testreaktor (ebenfalls ein Tokamakreaktor) mit selbständig brennenden Plasma. Damit will man den Nachweis erbringen, dass ein energielieferndes Fusionsfeuer möglich ist. Dieses soll eine Fusionsleistung von ca MW erbringen. Der Reaktor soll bis 2008 entweder in Japan, Italien oder Kanada seinen Betrieb aufnehmen. Anschließend soll eine Demonstrationsanlage folgen, die alle Funktionen eines energieliefernden Kraftwerks erfüllt. Vor dem Bau des ITERs müssen aber noch zahlreiche Kraftwerkskomponenten weiterentwickelt und erprobt werden. Dazu gehören z. B. supraleitende Magnetspulen. Das sind Spulen aus bestimmten Metalllegierungen die mit Hilfe von flüssigem Helium auf Temperaturen bis 4 K (-269 C) abgekühlt werden. Das hat den Vorteil, dass diese Spulen nach dem Einschalten fast keine Energie mehr verbrauchen, da der Spulenstrom verlustlos fließt. Außerdem bedürfen auch die Bereiche der Tritium-Technologie, das Abführen der erzeugten Wärme, die Entwicklung fernbedient auswechselbarer Komponenten sowie die Sicherheits- und Umweltfragen der Fusion noch einiges an Forschungsarbeit. Aussichten Derzeit gibt es noch starke Zweifel ob Fusionsreaktoren jeweils kommerziell genützt werden können, da im Moment die technische Umsetzung noch sehr große Schwierigkeiten bereitet. Gelänge es diese Probleme in den Griff zu bekommen, könnte die Kernfusion einen entscheidenden Beitrag zur zukünftige Energieversorgung leisten Die Kernfusion erzeugt im Vergleich zur Kernspaltung weniger radioaktive Abfälle, hat eine höhere Produktivität, geringe Gefahr eines Unfalls und verbraucht weniger Ressourcen. Immerhin würde bei 90 Prozent des Abfalls die Radioaktivität nach 50 Jahren bereits so weit abgeklungen sein, dass er ohne Bedenken in die Umwelt freigesetzt werden könnte. Die restlichen zehn Prozent müssten mindestens 100 Jahre in unterirdischen Endlagern aufbewahrt werden. Nach derzeit gängigen Schätzungen würden die Anlagenkosten für einen Fusionsreaktor zwei bis dreimal höher sein als bei einem Spaltreaktor und wesentlich höher als bei einem Brutreaktor. Auch liegt die Verfügbarkeit der Fusionsreaktoren unter der von Spaltreaktoren, da Fusionsreaktoren häufiger gewartet werden müssen (Wandwechsel), wegen ihrer großen Komplexität störanfälliger sind und die Energieerzeugung in relativ kurzen Zyklen abläuft. Um gegenüber diesen Reaktoren wirtschaftlich konkurrieren zu können, muss ein Fusionsreaktor also niedrigere Brennstoffkosten, höhere Zuverlässigkeit, höhere Sicherheit und geringere Endlagerkosten aufweisen. Dies bedeutet, dass u. a. das Problem der geringen Wandlebensdauer gelöst werden muss

8 Frühestens Mitte dieses Jahrhunderts könnten Fusionsreaktoren genützt werden. Dies könnte jedoch eventuell zu spät sein, da die dringend anstehenden Probleme der jetzigen Energieversorgung bis dahin längst gelöst sein müssen. Alexander Bradshaw, der Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft bringt es auf den Punkt: "Die Entscheidung, ob wir die Kernfusion einsetzen wollen oder nicht, treffen nicht wir, sondern unser Kinder und Enkel."