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Was ist Uran? Wie funktioniert es?

• Uran ist ein Schwermetall, das seit über 60 Jahren als reichhaltige Quelle konzentrierter Energie verwendet wird.
• Uran kommt in den meisten Gesteinen in Konzentrationen von 2 bis 4 ppm vor und ist in der Erdkruste so häufig wie Zinn, Wolfram und Molybdän. Uran kommt im Meerwasser vor und kann aus den Ozeanen gewonnen werden.
• Uran wurde 1789 von Martin Klaproth, einem deutschen Chemiker, in dem Mineral Pechblende entdeckt. Er wurde nach dem acht Jahre zuvor entdeckten Planeten Uranus benannt.
• Uran ist offenbar vor etwa 6,6 Milliarden Jahren in Supernovae entstanden. Obwohl es im Sonnensystem nicht üblich ist, stellt sein langsamer radioaktiver Zerfall heute die Hauptwärmequelle im Inneren der Erde dar und verursacht Konvektion und Kontinentaldrift.
• Aufgrund der hohen Dichte von Uran findet es auch Verwendung in Kielen von Yachten und als Gegengewicht für Steuerflächen von Flugzeugen sowie zur Strahlenabschirmung.
• Uran hat einen Schmelzpunkt von 1132°C. Das chemische Symbol für Uran ist U.

Das Uranatom

Auf einer Skala, die nach der zunehmenden Masse ihrer Kerne geordnet ist, ist Uran eines der schwersten aller natürlich vorkommenden Elemente (Wasserstoff ist das leichteste). Uran hat die 18,7-fache Dichte von Wasser.

Das Uranatom

Wie andere Elemente kommt Uran in mehreren leicht unterschiedlichen Formen vor, die als „Isotope“ bekannt sind. Diese Isotope unterscheiden sich voneinander in der Anzahl der ungeladenen Teilchen (Neutronen) im Kern. Natürliches Uran, wie es in der Erdkruste vorkommt, ist eine Mischung aus größtenteils zwei Isotopen: Uran-238 (U-238) mit einem Anteil von 99,3 % und Uran-235 (U-235) mit etwa 0,7 %.

Das Isotop U-235 ist wichtig, weil es unter bestimmten Bedingungen leicht gespalten werden kann und viel Energie liefert. Es wird daher als „spaltbar“ bezeichnet und wir verwenden den Ausdruck „Kernspaltung“.

Dabei zerfallen sie, wie alle radioaktiven Isotope. U-238 zerfällt sehr langsam, seine Halbwertszeit entspricht etwa dem Alter der Erde (4500 Millionen Jahre). Das bedeutet, dass es kaum radioaktiv ist, weniger als viele andere Isotope in Gestein und Sand. Trotzdem erzeugt es 0,1 Watt/Tonne Zerfallswärme und das reicht aus, um den Erdkern zu erwärmen. U-235 zerfällt etwas schneller.

Im Inneren des Reaktors

Kernkraftwerke und fossil befeuerte Kraftwerke ähnlicher Leistung haben viele Gemeinsamkeiten. Beide benötigen Wärme, um Dampf zu erzeugen, der Turbinen und Generatoren antreibt. In einem Kernkraftwerk hingegen ersetzt die Spaltung von Uranatomen die Verbrennung von Kohle oder Gas. In einem Kernreaktor wird der Uranbrennstoff so zusammengesetzt, dass eine kontrollierte Spaltkettenreaktion erreicht werden kann. Die durch die Spaltung der U-235-Atome erzeugte Wärme wird dann verwendet, um Dampf zu erzeugen, der eine Turbine dreht, um einen Generator anzutreiben und Strom zu erzeugen.

Die Kettenreaktion, die im Kern eines Kernreaktors stattfindet, wird durch Stäbe gesteuert, die Neutronen absorbieren und die eingeführt oder herausgezogen werden können, um den Reaktor auf die erforderliche Leistungsstufe einzustellen.

Die Brennelemente sind von einer Substanz umgeben, die als Moderator bezeichnet wird, um die Geschwindigkeit der emittierten Neutronen zu verlangsamen und so die Fortsetzung der Kettenreaktion zu ermöglichen. Als Moderatoren werden in verschiedenen Reaktortypen Wasser, Graphit und schweres Wasser verwendet.

Aufgrund der Art des verwendeten Brennstoffs (d. h. der Konzentration von U-235, siehe unten) kann der Brennstoff bei einer größeren, nicht behobenen Fehlfunktion in einem Reaktor überhitzen und schmelzen, aber er kann nicht wie eine Bombe explodieren.
Ein typischer 1000-Megawatt-Reaktor (MWe) kann genug Strom für eine moderne Stadt mit bis zu einer Million Einwohnern liefern.

Grohnde: das leistungsstärkste Kernkraftwerk der Welt

Grohnde

Das Kernkraftwerk Grohnde in Niedersachsen ist seit seiner Inbetriebnahme Mitte der 1980er Jahre weltweit das leistungsstärkste Kraftwerk seiner Größe.

Nach neun Jahren Bauzeit ging das Kernkraftwerk Grohnde in Niedersachsen 1985 endlich ans Netz und machte sich schnell daran, Rekorde zu brechen. In sechs der nächsten zwölf Jahre produzierte der einzelne Druckwasserreaktor netto mehr Strom als jede andere Atomanlage der Welt.

Grohnde hat kürzlich einen neuen Meilenstein erreicht und während seiner 32-jährigen Betriebsdauer eine Energieleistung von 350 Milliarden kWh erreicht, was es zum produktivsten kommerziellen Kernkraftwerk der Welt macht. Mit nur einem Reaktor auf einer einzigen Quadratmeile Land ist es das produktivste Kraftwerk seiner Größe, Punkt.

Angesichts seiner herausragenden Leistung und der Tatsache, dass es jährlich zehn Milliarden kWh Grundlastkapazität bereitstellt, hat die Entscheidung, Grohnde Jahrzehnte vor seiner Nutzungsdauer abzuschalten – als Teil der schrittweisen Abschaltung der deutschen Kernkraftwerke bis 2022 – viele Analysten und Analysten der Energiebranche verblüfft hat die hitzige Debatte über die wirtschaftliche Tragfähigkeit der Anti-Atom-Politik von Bundeskanzlerin Andrea Merkel neu entfacht.

In einem Bericht der deutschen Bundesnetzagentur und Netzbehörde Bundesnetzagentur (BNetzA) wird die Netzstabilität neben der Erzeugungs- und Übertragungskapazität als Hauptanliegen genannt, da das Land seinen als Energiewende bekannten Übergang zu erneuerbaren Energien wie Sonne und Wind fortsetzt.

“Deutschland hat ungewöhnlich große Fehler gemacht … Atomkraft so schnell abzuschaffen, ist Wahnsinn.”

mächtiges Kernkraftwerk

„Die historisch einzigartige gleichzeitige Abschaltung von Kraftwerken in Höhe von 5.000 MW Leistung und der dauerhafte Ausfall von rund 8.500 MW Leistung bringen die Übertragungsnetze an den Rand ihrer Belastbarkeit“, stellte die BNetzA nach der Katastrophe von Fukushima 2011 fest. “Folglich gibt es viele Stunden, in denen ein sicherer Netzwerkbetrieb unmöglich ist, was bedeutet, dass es anfällig für einen einzelnen Ausfall ist.”

Ein im November 2015 von The Economist veröffentlichter Sonderbericht wies darauf hin, dass französische Haushalte etwa halb so viel für Strom zahlen wie deutsche, und stellte die Geschwindigkeit der deutschen Revolution für saubere Energie in Frage. „Deutschland hat ungewöhnlich große Fehler gemacht. Es war unklug, Solarparks langfristig mit enormen Subventionen zu unterstützen – so schnell die Atomkraft abzuschaffen, ist Wahnsinn“, heißt es darin.
Ist angesichts dieser Kritik die Entscheidung zur Stilllegung von Grohnde verfrüht und welche Lehren kann die Energiewirtschaft in Deutschland und darüber hinaus aus dem langfristigen Erfolg dieser Atomanlage ziehen?

Ein Druckwasserreaktor

Der einzige Siemens/KWU-Reaktor von Grohnde verwendet sowohl angereichertes Uran als auch MOX-Brennstoff und produziert im Bereich von 1.400 MW elektrische Leistung, etwa 40 % mehr als ein durchschnittliches Kernkraftwerk.
Die Anlage verwendet ein Druckwassersystem, bei dem die durch die Kernspaltung freigesetzte Wärme vom Wasser im Primärkreislauf absorbiert wird, das unter Druck gesetzt wird, um ein Sieden des Wassers zu verhindern. Der Primärkühlkreislauf überträgt die im Hauptreaktor erzeugte Wärme an Dampferzeuger, die an den Wasser-Dampf- oder Sekundärkreislauf angeschlossen sind. Die Dampferzeuger bilden eine Barriere zwischen Primär- und Sekundärkreislauf und verhindern so den Austritt radioaktiver Stoffe aus dem Primärkreislauf.