Ein Kernreaktor ist ein Gerät, in dem eine kontrollierte nukleare Kettenreaktion abläuft und Energie freigesetzt wird. Kernreaktoren werden in Kernkraftwerken zur Stromerzeugung und auch für den Antrieb von Schiffen oder U-Booten eingesetzt.

Es gibt auch Reaktoren, die Isotope für medizinische und industrielle Zwecke produzieren, Reaktoren für die Produktion von waffenfähigem Plutonium, und andere Reaktoren werden rein für die Forschung eingesetzt.

Energie wird in Kernreaktoren in Form von Wärme freigesetzt. Diese Wärme kann in eine Form von Energie umgewandelt werden, die von der Gesellschaft genutzt werden kann. In einem typischen Kernkraftwerk kann dies so einfach sein wie das Kochen von Wasser zur Dampferzeugung, der Turbinen antreibt, um elektrische Generatoren zu betreiben.

Das erste kommerzielle Kernkraftwerk wurde 1956 in Sellafield, England eröffnet und hatte eine Anfangskapazität von 50 MW. Die folgende Abbildung zeigt die Hauptkomponenten eines typischen Kernkraftwerks: Legende: (A) Sicherheitsbehälter, (B) Regelstäbe, (C) Reaktordruckbehälter, (D) Dampferzeuger, (E) Dampfleitung, (F) Dampfturbine, (G) Generator, (H) Strom zu Verbrauchern, (I) Kondensator, (J) Sprühkühlung, (K) Wasserdampf, (L) Kühlturm.

Die Kettenreaktion in einem Kernreaktor ist genau kritisch, sodass im Durchschnitt nur ein Neutron von jedem spaltenden Kern zur Spaltung in einem anderen Kern führt. Um dies zu ermöglichen, enthält der Reaktorkern mehrere Komponenten, die zur Aufrechterhaltung der Kritikalitätsbedingungen verwendet werden.

Bei der Spaltung freigesetzte Neutronen haben etwa 1-2 MeV Energie. Solche schnellen Neutronen haben eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit, die Spaltung von ²³⁵U zu verursachen, und diese Neutronen werden an sehr vielen Kernen vorbeigehen, bevor sie von einem von ihnen absorbiert werden und Spaltung auslösen. Eine Lösung besteht darin, sie zu verlangsamen, sodass sie Energien in der Größenordnung eines Bruchteils von eV haben.

Man kann die höhere Wahrscheinlichkeit als daraus entstehend betrachten, dass langsame Neutronen mehr Zeit in Kontakt mit dem Urankern verbringen. Wir nennen solche Neutronen thermische Neutronen, weil ihre kinetischen Energien nahe an den kinetischen Energien der Moleküle in der uns umgebenden Luft liegen. Um Neutronen in einem Spaltungsreaktor zu verlangsamen, füllt man beispielsweise die Hohlräume zwischen dem Spaltmaterial mit einem sogenannten Moderator, z.B. Wasser oder Graphit.

Ein Reaktor, der mit thermischen Neutronen läuft, heißt thermischer Reaktor. Das Diagramm rechts zeigt die Hauptkomponenten (1-3) und Prozesse (A-D) in einem thermischen Reaktor: (1) Brennstab, (2) Moderator, (3) Regelstab, (A) Spaltung, (B) Moderation, (C) Absorption im Regelstab, (D) Einfang im Spaltmaterial.

Wenn ein Neutron mit einem Kern kollidiert, kann das Neutron in jede Richtung gestreut werden, auch aus dem aktiven Bereich heraus. Daher erhöht das Umgeben des Spaltmaterials mit einer nicht absorbierenden Substanz, die die Neutronen zurückstreut, die Anzahl der möglichen Kollisionen.

Ein solches Material, das das Spaltmaterial in Kernreaktoren umgibt, wird als Reflektor bezeichnet. Ein Neutronenreflektor kann eine ansonsten unterkritische Masse aus Spaltmaterial kritisch machen.

Stahl, Beryllium oder Graphit sind gängige Reflektormaterialien. Ein Reflektor aus einem leichten Material wie Graphit oder Beryllium wirkt auch als Neutronenmoderator, der die kinetische Energie der Neutronen reduziert, während ein schweres Material wie Blei weniger Einfluss auf die Energie der Neutronen hat.

Die Animation links illustriert die Wirkung eines Reflektormaterials.

Wir wollen die Energieproduktion so effizient wie möglich gestalten. Wenn die Effizienz jedoch zu hoch ist, könnte es zu einer nuklearen Explosion kommen – eine Situation, die zu vermeiden ist! Kernreaktoren sind so gebaut, dass eine nukleare Explosion nicht möglich ist. Um dieses Ziel zu erreichen, muss es die Möglichkeit geben, eine Kettenreaktion zu hemmen, wenn sie sich zu schnell entwickelt. Dies wird erreicht, indem das Spaltmaterial in Massen unterteilt wird, die kleiner als die sogenannte kritische Masse sind, sodass die Neutronen nicht so leicht Spaltungskerne finden. Die betreffenden Uranstücke werden dann als unterkritisch bezeichnet.

Neutronen können leicht aus den Uranoberflächen entweichen, bevor ein gefährlicher Energieaufbau möglich ist. Zusätzlich können zwischen den Blöcken aus Spaltmaterial sogenannte Regelstäbe positioniert werden, die Neutronen stark absorbieren. Je tiefer die Regelstäbe zwischen dem Spaltmaterial (Brennstäben) eingeführt werden, desto schwieriger ist es für bei der Spaltung produzierte Neutronen, mit einem anderen Urankern zu kollidieren, was zu einer begrenzenderen Kettenreaktion und einer Verringerung der Energieproduktion führt.

Die Animation rechts illustriert die Wirkung von Cadmium-Kontrollstäben in einem Spaltungsreaktor.

Die meisten thermischen Kernreaktoren verwenden ²³⁵U als Brennstoff. Jedoch macht seine geringe natürliche Häufigkeit (0,72% des natürlichen Urans, überwiegend ²³⁸U) die Kettenreaktion unmöglich, wenn natürliches Uran selbst verwendet wird. Daher muss der Reaktorbrennstoff mit ²³⁵U angereichert werden. Der Anreicherungsgrad in Kernkraft- und Forschungsreaktoren variiert von etwa 2% bis etwa 40%. In Reaktoren älterer Typen, insbesondere in U-Booten, kann die Anreicherung sogar 90% übersteigen.

Der Brennstoff kann in Form von Pellets aus UO₂, einige Zentimeter dick, hergestellt werden. Diese Pellets werden in Form von Brennstäben angeordnet. Man kann auch verschiedene Legierungen von Uran mit anderen Metallen, zum Beispiel Aluminium, verwenden. Ein neuerer Vorschlag ist die Verwendung speziell gestalteter sphärischer Kernbrennstoffelemente.

Es gibt auch Reaktoren, die schnelle Neutronen verwenden. In solchen Reaktoren führt die Absorption eines Neutrons durch ²³⁸U zur Bildung von spaltbarem ²³⁹Pu. Dieses Plutoniumisotop kann aus verbrauchtem Brennstoff extrahiert und zur Herstellung von sogenanntem MOX-Brennstoff verwendet werden, der die beiden spaltbaren Materialien, ²³⁵U und ²³⁹Pu, enthält.

Bei weitem die beliebtesten Reaktoren verwenden Wasser als Moderator und Kühlmittel. Der Druckwasserreaktor (PWR oder seine russische Version VVER) ist von diesem Typ. Genau wie der Druck in einem Schnellkochtopf den Siedepunkt von Wasser erhöht, geschieht das auch in einem PWR... außer dass der Druck enorm ist, etwa 15 MPa, sodass das Wasser im primären Kühlsystem Temperaturen von bis zu 600 K erreicht, ohne zu kochen! Was in den Dampferzeugern kocht, ist das Wasser aus einem Sekundärkreislauf, auf den die Wärme aus dem Primärkreislauf übertragen wird. Eine andere Version des Reaktors, der schwerwassermoderierte Druckwasserreaktor (PHWR), verwendet schweres Wasser (D₂O) als Moderator. Es gibt auch sogenannte Siedewasserreaktoren (BWR), bei denen Wasser direkt im Reaktor kocht.

Es gibt andere Typen von Reaktoren, die thermische Neutronen nutzen:

Gasgekühlte Reaktoren, bei denen Kohlendioxid (CO₂) oder Helium zur Kühlung verwendet wird. Das Gas wird durch Kanäle im Graphitmoderator gepumpt.

Kanadischer Schwerwasser-Uran-Reaktor (CANDU), bei dem schweres Wasser die Rolle von Moderator und Kühlmittel spielt. Aufgrund der unbedeutenden Neutronenverluste in D₂O können solche Reaktoren natürliches Uran als Brennstoff verwenden.

Schema eines CANDU-Reaktors: 1 – Brennstoffbündel, 2 – Reaktorkern, 3 – Regelstäbe, 4 – D₂O-Drucktank, 5 – Dampferzeuger, 6 – Wasserpumpe, 7 – D₂O-Pumpe, 8 – Brennstoffwechselservos, 9 – D₂O-Moderator, 10 – Druckrohr, 11 – Dampf zur Turbine, 12 – Kaltwasser von Turbine, 13 – Sicherheitsbehälter (Bildnachweis: Creative Commons)

Hochleistungs-Druckröhrenreaktoren (RBMK) mit Graphitmoderatoren waren in der ehemaligen Sowjetunion beliebt, weil sie zur Produktion von waffenfähigem Plutonium (²³⁹Pu) genutzt werden konnten. Dieser Reaktortyp war an dem Tschernobyl-Unfall 1986 beteiligt.

Kernreaktoren können schnelle Neutronen mit Energien von 50-100 keV nutzen. Solche Reaktoren haben typischerweise keine Moderatoren und können effektiv spaltbares ²³⁹Pu produzieren, das dann als Brennstoff wiederverwendet werden kann. Sie können entweder mit Helium oder flüssigem Natrium gekühlt werden und können recht kompakt hergestellt werden, beispielsweise für den Einsatz in U-Booten. Ein Beispiel für ein Kernkraftwerk mit einem Schnellneutronenreaktor war SUPERPHENIX, das von 1985 bis 1997 in Frankreich betrieben wurde. Ein anderer Reaktor ähnlichen, aber nicht identischen Brütertyps (d.h. Reaktor, der seinen eigenen Brennstoff produziert) ist seit 1981 in Swerdlowsk in Russland in Betrieb.

Die meisten der heute betriebenen Reaktoren sind der II. Generation. Sehr sichere Reaktoren der III. Generation wurden kürzlich entwickelt, und Reaktoren der IV. Generation sind bereits geplant. In der letzten Kategorie kann man sowohl gasgekühlte als auch wassergekühlte Reaktoren erwarten, sowie eine Vielzahl von Reaktoren, die mit schnellen Neutronen arbeiten.

Ein besonders interessantes Projekt umfasst einen hochtemperaturgas-gekühlten Reaktor mit einem Kern aus 330.000 sphärischen Brennstoffelementen, 60 mm im Durchmesser, die jeweils aus etwa 15.000 Körnern aus UO₂ bestehen.

Jedes Korn, 0,5 mm im Durchmesser, ist mit einer Anzahl von hochdichten Schichten bedeckt, einschließlich einer Siliziumgraphit-Keramikschicht zum Stoppen von Spaltfragmenten. Der Neutronenfluss, die Wärmeleistungsverteilung und die Temperatur in einem solchen Reaktorkern werden durch etwa 100.000 Graphitkugeln bestimmt, die mit den Brennstoffelementen gemischt sind. Während heutige Reaktoren typischerweise bei etwa 600 K betrieben werden, würden die in einem solchen Reaktor verwendeten Materialien viel höhere Temperaturen ermöglichen. In diesem Fall wäre das Reaktorkühlmittel Helium. Sobald es eine Temperatur von 1200 K erreicht, würde das fließende Heliumgas die Gasturbine und den elektrischen Stromgenerator mit einer Effizienz von etwa 40% antreiben. Das gesamte Reaktordesign ist viel einfacher als das der derzeit betriebenen Reaktoren. Außerdem ermöglichen die hohen Temperaturen, bei denen sie arbeiten, die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser oder anderen Materialien ohne Verursachung von Luftverschmutzung. Vorgeschlagene Konstruktionsmaterialien können Temperaturen von bis zu 1900 K standhalten, was aus Reaktorsicherheitsgesichtspunkten sehr wichtig ist.

Darüber hinaus bieten wassergekühlte Reaktoren der IV. Generation auch neue Sicherheitsmerkmale. Westinghouse Electric hat die Idee eines „internationalen Reaktors innovativ und sicher" (IRIS in Kurzform) entwickelt. In einem solchen Reaktor wird der gesamte Primärkühlkreislauf im Reaktor untergebracht, sodass ein schwerwiegender Kühlmittelverlust praktisch unmöglich ist. Man könnte auch daran denken, den Reaktor bei einer Temperatur und einem Druck oberhalb des kritischen Punktes für Wasser zu betreiben, d.h. unter Bedingungen, bei denen kein Unterschied zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit besteht. Die ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit von Wasser in einem solchen Zustand würde eine Effizienz von 45% ermöglichen und durch die bei hohen Temperaturen durchgeführte Arbeit Wasserstoffkraftstoff produzieren.

Es werden auch Brüterreaktoren, die von Flüssigmetallen mit hoher Wärmeleitfähigkeit gekühlt werden, in Betracht gezogen. Das Kühlmittel würde in diesem Fall unter Atmosphärendruck gehalten, sodass eine gewaltsame Freisetzung des Kühlmittels im Falle eines Primärsystembruchs ausgeschlossen ist. Die technischen Schwierigkeiten beim Umgang mit Flüssigmetallen haben jedoch die Entwicklung dieser Reaktoren behindert. Sie bleiben jedoch ein starker Kandidat für einen zukünftigen nachhaltigen Kernbrennstoffkreislauf.

Als einige einfache Regeln, um einen Reaktor sicher zu halten, muss man:
  1) In der Lage sein, ihn bei Bedarf abzuschalten
  2) Den Kern mit Wasser bedeckt halten
  3) Den Sicherheitsbehälter intakt halten
Um diese allgemeinen Prinzipien in die Praxis umzusetzen, nutzen wir die Naturgesetze der Physik. Wenn mechanische Vorrichtungen verwendet werden, muss man mindestens zwei Arten von Vorrichtungen bereitstellen, damit nicht derselbe Fehler gleichzeitig in beiden auftreten kann.

Das Bild illustriert passive Sicherheitsvorrichtungen: 1 – natürliche Konvektionsluftauslass, 2 – Schwerkraft-Wassertank, 3 – Wasserfilmverdunstung, 4 – Stahl-Sicherheitsbehälter, 5 – automatisches Druckentlastungsventil, 6 – schwerkraftgespeister Nachkühlwassertank, 7 – Kühlung mit Außenluft (Bildnachweis: Westinghouse 2011). Bei einem Stromausfall wird Notkühlwasser durch Schwerkraft in den Reaktorkern geleitet und durch passive Konvektion und Kondensation rezirkuliert.

Kernreaktoren haben mehrere und redundante Sicherheitsschichten. Der biologische Schutzschild um den Reaktor schützt Menschen gegen die im Reaktorkern erzeugte ionisierende Strahlung. Das Wasser in PWR- oder PHWR-Reaktoren wird sorgfältig gereinigt (destilliert), da Verunreinigungen im Wasser während des Betriebs des Reaktors radioaktiv werden könnten. Der Reaktor selbst ist typischerweise von schwerem, dickem Beton umgeben und befindet sich in einer zweckgebauten Halle, deren Wände dem Druckwellenstoß des Dampfes standhalten können, der sich bei einem schwerwiegenden Unfall bilden würde. Darüber hinaus hat das Gebäude, das die Reaktorhalle beherbergt, wiederum schwere, dicke Wände. Die Dächer, oft halbkugelförmig, sind stark genug, um einem Flugzeugabsturz standzuhalten. Besondere Aufmerksamkeit wird der Mechanik und Steuerung des Kühlsystems gewidmet.

Reaktorsicherheitssysteme sind oft dreifach, was die Wahrscheinlichkeit eines gleichzeitigen Ausfalls aller Systeme praktisch auf null reduziert. Deshalb gab es so wenige Unfälle in der Geschichte der Kernkraft. Die Unfälle bei Three Mile Island in den USA, Tschernobyl in der ehemaligen UdSSR und Fukushima Daiichi in Japan sind tatsächlich Ausnahmen, bei denen Ketten mehrfacher Systemausfälle kombiniert mit menschlichem Versagen oder Naturkatastrophen die bestehenden Sicherheitssysteme überwältigt haben.

Nicht zuletzt wird besondere Sorgfalt auf die Kernabfälle und das spaltbare Material gelegt, das nahe dem Reaktor gelagert wird, um es vor Diebstahl und Missbrauch des Materials (z.B. für Kernwaffen) zu schützen.

Es gibt einen grundlegenden Unterschied zwischen der Explosion einer Atombombe und einer Explosion in einem Kernreaktor! Tatsächlich sind nukleare Explosionen in einem Kernreaktor eigentlich unmöglich, obwohl gewöhnliche thermische (vom Dampf) und chemische (vom Wasserstoff, der mit Sauerstoff reagiert) Mechanismen zu den nuklearen Vorfällen in Tschernobyl und Fukushima geführt haben. Die Hauptfolge einer Reaktorexplosion ist die Freisetzung radioaktiven Materials in die Atmosphäre, das dann radioaktiven Fallout bildet. Die Verteilung des Fallouts hängt von den Wetterbedingungen ab (Wind und Regen insbesondere).

Die Tschernobyl- und Fukushima-Vorfälle zeigten, dass im Falle einer nuklearen Katastrophe die Kontamination des Bodens sich über große Gebiete ausbreiten kann, wo die Strahlenbelastung dann auf einen Bruchteil des natürlichen Niveaus fallen würde und keine schwerwiegenden Folgen haben könnte. Dies unterscheidet sich vom Fall einer nuklearen Explosion, bei der weite Gebiete über tödlichen Strahlenwerten kontaminiert werden können.

Was ist mit den Folgen eines terroristischen Flugzeugangriffs auf ein Kernkraftwerk? Der Sicherheitsbehälter würde bei einem solchen Ereignis keinen großen Schaden erleiden, und sicherlich sollte der Reaktorkern nicht betroffen sein. Jedoch könnten die Kühl- und Stromversorgungssysteme leiden, wenn sie getroffen werden. Trotz der derzeitigen Sicherheitsvorrichtungen könnte diese Art von Schaden in einem schlimmsten Szenario zu einer Überhitzung und zum Schmelzen des Reaktorkerns führen. Selbst in einem solchen Fall würden die radioaktiven Materialien jedoch im Druckbehälter des Reaktors verbleiben. Was gefährlicher sein kann, ist ein erfolgreicher Angriff auf das hochradioaktive Abfalllager am Kernkraftwerk. Obwohl ein solcher Angriff schwierig wäre aufgrund der relativ kleinen Abmessungen dieser Lager, ist er dennoch nicht unmöglich. Man kann vorhersehen, dass die radioaktiven Materialien anschließend verstreut würden, obwohl das Problem auf lokale Ausmaße beschränkt bliebe.