mini|Abb. 1: Schematische Darstellung einer Kernspaltung des schweren Elements Uran-235 – Die Reaktion ist die Grundlage vieler kerntechnischer Anwendungen. Im Mittel werden bei der Spaltung von spaltbaren Isotopen etwa 190 MeV Energie pro Kernspaltung frei. Im Moment der Spaltung werden etwa 2 bis 3 Neutronen frei, welche weitere Kerne spalten können (Kettenreaktion). Ebenfalls zu erkennen sind die beiden Spaltprodukte, eine von vielen möglichen Kombinationen (Ausbeute). Die Kerntechnik oder Nukleartechnik (), auch Kerntechnologie, Kernenergetik oder umgangssprachlich (seltener) Atomtechnik genannt, ist eine technische Disziplin, die sich mit der Nutzung von Kernreaktionen, speziell der Kernspaltung, und anderer Eigenschaften der Radioaktivität für verschiedene technische und medizinische Zwecke (siehe Teilgebiete) befasst.
Einleitung Die Kerntechnik basiert auf der naturwissenschaftlichen Basis der Kernphysik, -chemie, Radioaktivität, ionisierender Strahlung usw. Genauer gesagt befasst sich Kerntechnik mit der Entwicklung und Erprobung von technischen Geräten, Anlagen und Verfahren. Dies umfasst die Konzeption und Auslegung von Kernanlagen (speziell Kernreaktoren), die Herstellungsverfahren von z. B. Kernbrennstoffen und Brennelementen, die Sicherheitstechnik und Steuerung der Anlagen, die Wiederaufarbeitung oder Entsorgung von benutzten Brennelementen, sowie die Dekommissionierung und der Rückbau ausgedienter Anlagen.
Kerntechnik ist eine regulierte Technologie. Dies gilt sowohl für die friedliche (kommerzielle), als auch für die militärische Anwendung. Sie unterliegt in Deutschland dem Atomgesetz und wird von Atomaufsichtsbehörden überwacht und kontrolliert. Dies gilt auch für andere Länder, beispielsweise die Nuclear Regulatory Commission (NRC) in den USA.
Die Kerntechnik grenzt sich von der Uranwirtschaft ab, welche primär die Beschaffung (Exploration, Gewinnung), die technischen (Prozesschemie) und ökonomischen (Handel) Aspekte im Bereich der nuklearen Grundmaterialien (z. B. Yellowcake) im Kernbrennstoffkreislauf abdeckt. Die Kernenergiewirtschaft, der kommerzielle Betrieb von Kernkraftwerken, ist Teil der Energiewirtschaft. Die verschiedenen Bereich werden umgangssprachlich unter der Bezeichnung Atomindustrie oder Nuklearindustrie zusammengefasst. Zur Kerntechnik zählen im erweiterten Sinne auch Technologien, z. B. aus den Materialwissenschaften, für die Entwicklung der Fusionsenergie.
Geschichte
mini|Abb. 2: Hauptquartier der Internationalen Atomenergie-Organisation (IAEO, englisch: IAEA) in Wien, Österreich. (Fotov on 2010) Die wissenschaftliche Geschichte der Kerntechnik beginnt mit der Entdeckung der Kernspaltung und der Erforschung der Atomkerne. In den 1940er Jahren standen militärische Zwecke im Vordergrund. Ab dem Ende des 2. Weltkrieges bzw. ab den 1950er Jahren wurde durch die „Atoms for Peace“-Rede, durch die Genfer Atomkonferenzen und die Gründung 1957 der Internationalen Atomenergie-Organisation (IAEO bzw. IAEA) der Übergang zur friedlichen und kommerziellen Nutzung der Kernenergie geebnet. In Europa wurde 1957 die Euratom gegründet. Andere Länder, wie z. B. Indien, haben ebenfalls seit den 1950er Jahren ihre Kernenergieprogramme weiterentwickelt.
Im ehemaligen Westdeutschland (Bundesrepublik Deutschland, BRD) wurde ab den 1950er Jahren die Kerntechnik primär an der Kernforschungsanlage Jülich (KFA) und dem Kernforschungszentrum Karlsruhe (KfK) erforscht, entwickelt und erprobt. Die Deutsche Atomkommission beriet das damalige Bundesministeriums für Atomfragen. In der ehemaligen Deutschen Demokratischen Republik (DDR) beginnt die Kernforschung ab 1956 und wird vom Amt für Kernforschung und Kerntechnik (AKK) geleitet. Das zentrale Kernforschungsinstitut ist das Zentralinstitut für Kernphysik (ZfK), später genannt Zentralinstitut für Kernforschung (ZfK).
Ebenfalls begann in der Schweiz die Geschichte der Kerntechnik mit dem kritisch-werden des Forschungsreaktors SAPHIR in Würenlingen im Jahr 1957. Die Kerntechnik beginnt in Österreich Ende der 1950er Jahre mit dem ASTRA-Reaktor.
Zu beachten ist, dass Deutschland, sowie einige anderer Staaten, zwischen 1940 und 1950 ihr Potential in Sachen Kerntechnik nicht voll entwickeln konnten. Bis etwa 1965 wurde die Nachfrage an Primärenergie exklusiv durch fossile Energieträger gedeckt. Ab diesem Zeitpunkt wurden vereinzelt Kernkraftwerke ans Netz gebracht. Das erste Kernkraftwerk Westdeutschlands war das Kernkraftwerk Kahl, welches Anfang der 1960er Jahre seinen Betrieb aufnahm. Im Jahr 1985 lag der Anteil der Kernenergie an der Stromerzeugung bei rund 35 Prozent. Deutscher „Atomstrom“ war über Jahrzehnte bis zum unilateralen Atomausstieg stabil verfügbar (vgl. der Nutzungsfaktor weiter unten). Zum Vergleich: In den USA gingen die meisten Atomkapazitäten bis etwa 1990 ans Netz und liefern seitdem ca. 20 % des Stroms. China hat ab den 2010er Jahren seine nuklearen Kapazitäten drastisch erhöht. Das Land erforscht die Kerntechnik jedoch schon sein etwa 1950 und beherrscht sie vollumfänglich.
Eckdaten zur Kernenergie Die folgende Aufzählung gibt einen groben Überblick über die Kernenergie mit verschiedenen physikalischen, technischen und wirtschaftlichen Eckdaten. Die Daten erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder Richtigkeit. Der Abriss ist nur modellhaft und stellt keine exakte Berechnung dar. In der Realität müssten viele weitere Parameter berücksichtigt werden. Es werden aber einige wichtige Punkte angesprochen.
Kernspaltung von Uran
Wie in dem Schema einer Kernreaktion (Abbildung 1: Kernspaltung) aufgezeigt, bleiben unter Abzug von 11 MeV Verlusten in Form von Neutrinos, ca. 190 MeV (Millionen Elektronvolt) als Energie pro Spaltvorgang zur Verfügung. Nach Einstein's Masse-Energie Beziehung gehen bei der Spaltung von Uran-235 ca. 0,215u (Atomare Masseneinheit) verloren. Mit 1u = 1,66 × 10−27 kg folgt aus E = m × c2 = (0,215 × 1,66 × 10−27 kg × (3 × 108 m/s)2) 3 × 10−11J pro Spaltung ( 190 MeV). Von der o. g. Spaltenergie ( 190 MeV) sind ca. 175 MeV sofort verfügbar und 15 MeV verzögerte Energie ( Zerfälle der radioaktiven Spaltprodukte über verschiedene Zeiträume), das heißt, ein Kernreaktor produziert auch nach der Abschaltung noch Restwärme. Um eine nukleare Kettenreaktion in Gang zu halten, kann natürliches Uran (1 Teil Uran-235 zu 137 Teile Uran-238, viz. 0,73 % spaltbarer Anteil) als Kernbrennstoff unter Verwendung eines Neutronenmoderator und geeigneter Größe des Reaktors verwendet werden; häufiger wird aber schwach-angereichertes Uran (< 5 %) verwendet, um Kernspaltung gegenüber Neutroneneinfang zu gewährleisten; beide Elemente sind Grundvoraussetzung für den Bau eines Kernreaktors. Ein weiteres Element zum kontrollierten Betrieb eines Reaktors sind die verzögerte Neutronen. Die Steuerstäbe und der Reaktivitätskoeffizient ist für die Sicherheit von großer Bedeutung. Die Spaltfragmente geben ihre kinetische Energie unmittelbar auf einer Reichweite von 10−3 mm an die umliegenden Atome im Kernbrennstoff ab (Rückstoßenergie); es entsteht thermische Wärme. Diese Wärme wird zu elektrischer Energie durch einen Clausius-Rankine-Kreisprozess und Turbosatz gewandelt. Moderne Kernkraftwerke (KKW), vgl. auch Leistungsreaktoren, werden mit keramischem Kernbrennstoff (UO2) beladen, wobei das Uran-235 auf ca. 3 bis 5 % angereichert wurde; dies bedingt damit sog. Anreicherungskapazitäten weltweit; das Laden/Entladen findet zwischen 12 und 18 Monaten statt. In modernen Kernreaktoren befindet sich über 80.000 kg Kernbrennstoff, eingehüllt in Rohre aus Zirconium, genauer aus einer Zr-Legierung, die die sogenannten Brennstäbe bilden; beispielsweise war das KKW Philippsburg 2 mit 193 Brennstäben × 854 kg 160.000 kg beladen, davon 100 Tonnen Uran. 2/3 der kommerziellen weltweiten Reaktorflotte (vgl. die IAEA Datenbank PRIS) sind Leichtwasserreaktoren; davon sind ebenfalls ca. 2/3 bereits über 30 Jahre in Betrieb; weltweit sind ca. 414 GWe Kapazität installiert, davon wiederum über 2/3 in G7-Staaten. Moderne Leistungsreaktoren liefern 3 GWth thermische Energie oder ca. 1 GWe elektrische Energie mittels Turbosatz (vgl. auch Kraftwerkstechnik). Die Effizient liegt damit bei 33 %, ähnlich wie bei Kohlekraftwerken. Entscheidend für den Langzeitbetrieb eines KKW ist jedoch der Nutzungsgrad (das Verhältnis zwischen der tatsächlichen Nettoleistung über einen bestimmten Zeitraum und der Nettoleistung), wenn die Anlage im selben Zeitraum mit ihrer Nennleistung (oder Höchstleistung) betrieben worden wäre. Typischerweise sollte der Nutzungsfaktor > 60 % sein; in Deutschland lag dieser Wert in dem Jahr 2004 bei 90 % (7.886 von 8.784 Stunden) für die damals 18 in Betrieb befindlichen KKWs. Wirtschaftlich stehen Kernkraftwerke in Konkurrenz zu Kohlekraftwerken und auch Gaskraftwerken. Sie werden zu den Grundlastkraftwerken gezählt. KKWs zum Zwecke der Stromerzeugung kosten mehrere Milliarden Euro. Diese Aspekte (Kosten, Vertrieb) fallen in den Bereich der Ökonomie der Kernenergie oder Kernenergiewirtschaft. Die Kosten zur Energieherstellung (viz. Strom) mittels Kernenergie lass sich grob auf in Erzeugung, Übertragung und Verteilung aufteilen. Die Erzeugungskosten bei einem Anteil von 60 % und darin enthalten sind 70 % Investitionsgüter (Land, Rechte, Gebäude, Reaktor, Turbosatz, Sicherheitstechnik, uvm.), 25 % für den Brennstoffkreislauf (Uranbeschaffung, Brennelementeherstellung oder Bezug, Wiederaufarbeitung usw.) und 5 % Betrieb und Wartung. Ausführliche Investitionsmodelle oder -rechnungen müssen Zinseszins, die Rückzahlung von geliehenem Geld, Kapitalrendite und viele weitere Parameter berücksichtigen. In Europa wird Strom an der Leipziger Börse als Ware bzw. Commodity gehandelt. Dort lag zwischen dem Jahr 2000 und 2024 der Großkundenpreis für 1 MWh elektrische Energie bei 50 € im Durchschnitt. Der Preis ist signifikant zwischen den Jahren 2021 und 2023 durch die Energiekrise auf weit über 100 € bis zu dem Wert von 460 € pro MWh im August 2022 geklettert. Für Kleinkonsumente finden sich jedoch andere Preise. Für weitere Details dazu, siehe auch der Artikel Strompreis.
Genauere Details zur Energiegewinnung durch Kernspaltung
1 g Uran-235 enthält 2,6 × 1021 Atome; 1 kg enthält etwa 2,6 × 1024 Atome usw. Pro Watt-Sekunde (Ws) kommt es zu 3 × 1010 Kernspaltungen mittels thermischer Neutronen bzw. 1 Watt 3 × 1010 Kernspaltungen/Sekunde; (Der aufmerksame Leser kann die Anzahl der Spaltungen für z. B. 100 Megawatt thermisch oder mehr leicht berechnen). Man findet, dass 1 g Uran-235 gespalten 23.000 kWh thermische Energie liefert; und 1 kg liefert 23.000.000 kWh usw. Per Definition ist 1 MWd = 1 Megawatt × 24 h = 24.000 kWh.
Damit findet man, dass 1 g Uran-235 gespalten 1 MWd 24.000 kWh thermische Energie liefert. Oder, 1 kg Uran-235 gespalten 24.000 MWh/kg. Frage: Wie viel Strom benötigt ein Mensch? Der Bedarf per capita also pro Kopf ist ca. 5,5 MWh pro Jahr (Deutschland; Stand 2025), d. h. theoretisch würden ca. 0,25 g Uran pro Jahr pro Person benötigt; (Siehe auch Bedarf an elektrischer Energie und Endenergieverbrauch). Geht man von einem Kilo natürlichem Uran aus, liefert dieses aufgrund seines Isotopenverhältnis jedoch nur 168 MWh bzw. 168 MWh/kg. Es gilt ferner die Beziehung 1 kWh = 3,6 MJ. Hinweis: Die Kennzahlen gelten für den Idealfall einer 100-prozentigen Wahrscheinlichkeit der Spaltungen. In der Realität ist dies jedoch nicht der Fall, das heißt, es wird mehr als 1 g Uran-235 benötigt bzw. es wird mit einem geringeren Ergebnis von z. B. 22.000 MWh/kg oder 23.000 MWh/kg gerechnet.
Andere Energieträger Man betrachtet die folgenden (idealen) Reaktionsgleichungen:
Spaltung von Uran: n + U_235 -> SP1 + SP2 + (2,5)n + \gamma + Q1 Verbrennung von Kohle: C + O2 -> CO2 + Q2 Verbrennung von Methan (Erdgas): CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O + Q3 Verbrennung von Wasserstoff: H2 + 1/2 O2 -> H2O + Q4
Pro Kilogramm wird die folgende Wärme in Megajoule (MJ/kg) erzeugt, absteigend sortiert: