Ein Kernkraftwerk funktioniert größtenteils wie ein klassisches Wärmekraftwerk. Die Wärme wird allerdings durch die Kernspaltung produziert und nicht durch das Verbrennen von Steinkohle, Erdgas oder Biomasse. Die Wärme, die durch die Kernspaltung freigesetzt wird, wird in Dampf umgesetzt, die eine Turbine antreibt und so einen Wechselstromgenerator antreibt. Der Wechselstromgenerator setzt die mechanische Energie in elektrische Energie um.

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Kernspaltung

Alle Materie ist aus Atomen aufgebaut. Atome haben einen Kern, um den Elektronen kreisen.  Dieser Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. In einem Kernreaktor wird thermische Energie freigesetzt durch die Spaltung schwerer Atomkerne, z. B. Urankerne. Dies geschieht durch die Beschießung mit Neutronen. Jede Kernspaltung setzt 2 oder 3 Neutronen frei. Diese lösen wiederum neue Spaltungen aus, wodurch eine Kettenreaktion zustande kommt.

Es ist wichtig, dass die Kettenreaktion in einem Kernreaktor kontrolliert verläuft. Nach jeder Spaltung darf nur ein freigesetztes Neuton eine neue Spaltung verursachen. Der Überschuss an Neutronen in einem Reaktor muss daher absorbiert werden. Das kann man machen, indem man dem Wasser Borsäure hinzufügt, und indem Steuerstäbe in den Reaktordruckbehälter herabgelassen werden. Wenn man alle Steuerstäbe gleichzeitig runterlässt, stoppt die Reaktion innerhalb von 1,3 Sekunden.

Wie funktioniert ein Kernkraftwerk?

Ein Kernkraftwerk mit Druckwasserreaktor (oder Hochdruckreaktor) wie in Doel und Tihange verfügt über drei vollständig getrennte Wasserkreisläufe:

• Ein Primärkreislauf
• Ein Sekundärkreislauf
• Ein Tertiärkreislauf

In den Kernkraftwerken von Doel und Tihange wird Uran als Brennstoff verwendet.  Uran ist in der Natur in drei Formen vorzufinden: 99 % Uran-238, 0,7 % Uran-235 und eine kleine Menge an Uran-234. Der Kern von Uran-235 ist spaltbar, der Kern von Uran-238 nicht. Die Uranmischung, die in den Minen gewonnen wird, wird angereichert, bis es circa 4 % Uran-235 enthält. Das ist die ideale Konzentration für eine Kettenreaktion.

Der Reaktordruckbehälter ist ein großer Stahlkessel mit dicken Wänden, in dem sich die Brennstoffstäbe befinden. Diese sind mit kleinen Brennstofftabletten aus Uranoxid gefüllt. Die Stäbe werden gebündelt im Reaktor platziert. Die Wärme, die bei der Spaltung von Urankernen freigesetzt wird, wird vom Wasser des Primärkreislaufs aufgenommen. Das Wasser wird dadurch auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt. Im Druckhalter bleibt alles unter hohem Druck, sodass das Wasser nicht anfängt zu kochen oder Dampf entsteht. Daher kommt die Bezeichnung Hochdruckreaktor.

Das warme Wasser wird anschließend zu einem Wärmetauscher geführt, dem sogenannten Dampferzeuger. Dabei handelt es sich um einen zylinderförmigen Behälter mit Tausenden Rohren mit einer umgedrehten U-Form. Das Wasser läuft durch diese Rohre und gibt die Wärme an das Wasser des Sekundärkreislaufs ab, das an der Außenseite der Rohren entlang strömt. Diese erwärmt sich und verdampft. Wenn das Wasser des Primärkreislaufs seine Wärme abgegeben hat, staut eine Pumpe es zurück zum Reaktor.

Der aus den Dampferzeugern stammende Dampf treibt eine oder mehrere Dampfturbinen an. Diese bestehen aus Schaufeln, die auf eine Achse montiert sind. Durch den großen Druck des Dampfs dreht sich die Achse sehr schnell. Die Turbine treibt so einen Wechselstromgenerator an, der letztlich Strom produziert. Das entspricht der Arbeitsweise eines Fahrraddynamos. Transformatoren fördern die Spannung zum Ausgang des Wechselstromgenerators, um den Strom mit so wenig Verlust wie möglich zum Verbraucher zu bringen.

Was passiert mit dem Dampf, der aus den Turbinen kommt? Dieser passiert einen Kondensator. Dabei handelt es sich um einen Wärmetauscher mit Tausenden Röhrchen. Durch diese Röhrchen strömt das Kühlwasser des Tertiärkreislaufs. Das Kühlwasser in Doel stammt aus der Schelde und in Tihange aus der Maas. Der Dampf gibt seine Wärme an das Kühlwasser ab und kondensiert wieder zurück ins Wasser. Dieses wird wieder zum Dampferzeuger geführt, um es erneut verdampfen zu lassen.

Das erhitzte Kühlwasser wird wiederum zum Kühlturm geführt. Dort kühlt es wieder durch den Kontakt mit dem aufsteigenden Luftstrom ab. Das ist der natürliche Schornsteineffekt. Der größte Teil dieses Wassers wird in einem Becken unter dem Kühlturm gesammelt und anschließend wieder zurück zum Kondensator geführt. Nur ein kleiner Teil (1,5 %) verlässt den Kühlturm als Wasserdampf.