nukleare-brennstoffe-header-wikipedia-net4energy
hero-bg

Nukleare Brennstoffe

Über diesen Artikel

Lesezeit

5 Minuten

Veröffentlichung

11.11.2021

Letztes Update

11.11.2021

  • Wiki
  • N
  • Nukleare Brennstoffe

 

Nukleare Brennstoffe: Energiegewinnung und nukleare Sicherheit

Inhalt des Wiki-Artikels

Nukleare Brennstoffe werden auch Kernbrennstoffe genannt. Es handelt sich dabei um Brennstoffe, mit denen durch die Verschmelzung leichter Atomkerne, der sogenannten Fusion, oder durch Spaltung schwerer Atomkerne, der sogenannten Spallation, nutzbare Energie gewonnen wird. Eine Kernfusion erfolgt zum Beispiel bei der Energiegewinnung in Sternen, während in Kraftwerken die Spaltung von Atomkernen gängig ist.

Beispiele für Kernbrennstoffe

Welche Isotope zur Erzeugung von Energie genutzt werden, ist davon abhängig, ob sie durch Fusion oder Spallation gewonnen wird. Bei der Kernfusion sind hauptsächlich Wasserstoffisotope beteiligt, während bei der Kernspaltung vorwiegend Uran- und Plutoniumisotope zum Einsatz kommen. Das spaltbare Material wird in andere Materialien eingebettet, etwa in metallische – auch die Einbettung in oxidiertes Material ist möglich.

Energiegewinnung mit nuklearen Brennstoffen

Die Energiegewinnung mit nuklearen Brennstoffen ist ein umfassender Prozess, der mit Risiken einhergeht. Deshalb gelten in Atom- bzw. Kernkraftwerken besondere Sicherheitsvorschriften. Für den Umgang mit Kernbrennstoffen sind gesetzliche Regelungen vorgeschrieben. In Deutschland beispielsweise sind diese im „Gesetz über die friedliche Verwendung der Kernenergie und den Schutz gegen ihre Gefahren“, kurz Atomgesetz, festgehalten – denn nukleare Brennstoffe können nicht nur zur Energieerzeugung, sondern auch als Waffen eingesetzt werden. Um nutzbare Energie zu gewinnen, wird in Atomkraftwerken die Spallation genutzt.

Abhängig vom Kernbrennstoff muss dieser gegebenenfalls zunächst angereichert oder wiederaufbereitet werden. Zur Energieerzeugung dienen von einer stabförmigen Hülse umschlossene nukleare Brennstoffe, die sogenannten Brennstäbe. Damit ist ein Aufbau zu Brennelementen möglich: gebündelte Brennstäbe, die dann als Ganzes zur Gewinnung von Energie eingesetzt werden. Der Kernbrennstoff wird bei der Spallation mit Neutronen beschossen, dadurch wird die Kernspaltung ausgelöst. Eine Kettenreaktion tritt in Gang, denn durch den ausgelösten Prozess werden wiederum Neutronen freigesetzt. Ein schwerer Atomkern spaltet sich zunächst in zwei leichtere Kerne auf, die instabil sind und deshalb weiter radioaktiv zerfallen. Durch den Spaltungsprozess wird Energie in Form von Wärme frei, die zum Antrieb einer Strom erzeugenden Dampfturbine genutzt wird. Da nukleare Brennstoffe eine wesentlich höhere Energiedichte als fossile Brennstoffe wie beispielsweise Braunkohle haben, ist für die Erzeugung der gleichen Menge Wärme deutlich weniger Brennstoff erforderlich.

Nukleare Sicherheit

Da die Nutzung von nuklearen Brennstoffen mit Risiken verbunden ist, gibt es hohe Sicherheitsanforderungen. Paragraf 6 des deutschen Atomgesetzes regelt die Lagerung von Kernbrennstoffen. Demnach dürfen nukleare Brennstoffe nur dann gelagert werden, wenn eine entsprechende Lagergenehmigung vorliegt oder sie in einer nach Paragraf 7 genehmigten Anlage wie einem Atomkraftwerk genutzt werden. In anderen Fällen, wie zum Beispiel bei Grenzkontrollen sichergestellten nuklearen Brennstoffen, ist der Staat für die sichere Verwahrung zuständig. Diese Aufgabe obliegt seit Ende Juli 2016 dem Bundesamt für die Sicherheit der nuklearen Entsorgung (BASE).

Für mehr nukleare Sicherheit sorgt auch Deutschlands Ausstieg aus der Kernenergie. Bis Ende 2022 sollen die letzten Reaktoren abgeschaltet sein. Vorwiegend erneuerbare Energien sollen in Zukunft den Strombedarf decken. Beachtet werden muss, dass die Anlagen noch jahrelang nach der Stilllegung ein Gefahrenpotenzial bergen, so dass weiterhin ein hohes Sicherheitsniveau erforderlich ist. Das BASE nutzt den Austausch in nationalen und internationalen Gremien, um die nukleare Sicherheit zu erhalten und weiterzuentwickeln. Die Umstellung von Kernbrennstoffen auf regenerative Energieträger bringt den Vorteil mit sich, dass Störfälle in Atomkraftwerken und nukleare Katastrophen wie in Fukushima vermieden werden.

Was ist die Kernbrennstoffsteuer?

Die Kernbrennstoffsteuer war eine durch das Bundesgesetz geregelte Verbrauchssteuer, die vom 11. Januar 2011 bis zum 31. Dezember 2016 galt. Besteuert wurden nukleare Brennstoffe, die zur Stromerzeugung genutzt wurden. Zu den nuklearen Brennstoffen, die von der Kernbrennstoffsteuer betroffen waren, zählen die Folgenden:

  • Plutonium 239
  • Plutonium 241
  • Uran 233
  • Uran 235

Außerdem galt die Kernbrennstoffsteuer auch für Verbindungen, Legierungen, keramische Erzeugnisse sowie Mischungen aus diesen, die die entsprechenden nuklearen Brennstoffe enthielten. Nach Paragraf 3 des Kernbrennstoffsteuergesetzes betrug der Steuertarif für ein Gramm Kernbrennstoff 145 Euro.

Das Gesetz war umstritten und die Betreiberin eines Atomkraftwerks klagte dagegen. Von der Bundesregierung und dem Bundesministerium der Finanzen wurde die Kernbrennstoff- als Verbrauchssteuer eingestuft. Das Bundesverfassungsgericht urteilte allerdings 2017, dass die Kernbrennstoffsteuer mit dem Grundgesetz unvereinbar ist, da sie keine Verbrauchssteuer nach Artikel 1 Absatz 1 Nummer 2 des Grundgesetzes darstelle.

Dies hatte nicht nur das Ende der Kernbrennstoffsteuer zur Folge, sondern auch, dass Bundesregierung und das Bundesministerium der Finanzen ankündigten, die rechtswidrig eingenommenen Steuern zurückzuerstatten. Dabei handelte es sich um einen Betrag von rund 6,285 Milliarden Euro. Das Geld sollte für die sehr kostspielige Sanierung von Atommülllagern genutzt werden. Nun muss die Allgemeinheit dafür aufkommen.

Fusionskraftwerke für die Zukunft?

Theoretisch wäre die Energieerzeugung über die Verschmelzung leichter Atomkerne möglich. Als geeignete nukleare Brennstoffe werden Deuterium und Lithium gehandelt. Dass kommerziell Strom durch eine Kernfusion erzeugt wird, ist allerdings noch Zukunftsmusik, denn der Prozess kann technisch bislang nicht realisiert werden. Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik geht davon aus, dass Fusionskraftwerke in frühestens 50 Jahren wirtschaftlich nutzbaren Strom erzeugen könnten, falls die Forschungen nach Plan laufen. Ein Demonstrationsfusionskraftwerk wird in Frankreich in Cadarache gebaut. Es trägt den Namen ITER.

Allerdings zweifeln zahlreiche Expertinnen und Experten an, dass es jemals möglich sein wird, per Kernfusion kommerziell Strom zu erzeugen. Der Physiker Michael Dittmar von der ETH Zürich hat eine Zusammenfassung der ungelösten Probleme der Fusion erstellt. Er nennt in seinem Gutachten vier zentrale Problemfelder:

  • Länge der Fusionsprozesse
  • Innerste Reaktorschicht
  • Versorgung mit Tritium
  • Wirtschaftliche Stromerzeugung

Im Rahmen von ITER ist geplant, Fusionsprozesse von maximal sieben bis acht Minuten durchzuführen. Für eine kommerzielle Energieerzeugung müsste der Fusionsprozess aber über mehrere Stunden aufrecht erhalten werden. Es gibt bisher keine Lösung dafür, wie das Plasma über einen so langen Zeitraum stabil gehalten werden kann.

Beim Fusionskraftwerk ITER wird Beryllium für die innerste Schicht des Reaktors verwendet. Dieses Material wird der Beanspruchung in einem kommerziellen Reaktor aber nicht standhalten. Einer der Verantwortlichen des Projekts, Michel Claessens, hat in einem Interview zugegeben, dass bislang keine Lösung für das Material der inneren Schicht in Sicht sei. Er vertritt die Meinung, man müsse noch mehr Geld als bisher investieren, um neue Materialien für Fusionsreaktoren finden. So lange bleibt ungewiss, ob bzw. wann ein geeignetes Material gefunden wird.

Ferner ist bislang nicht geklärt, wo das für die Fusion notwendige Tritium herkommen soll. Das Isotop ist in der Natur kaum vorhanden. ITER nutzt Tritium, das beim Betrieb von Kernkraftwerken entsteht, die Schwerwasserreaktoren vom Typ Candu nutzen. Davon gibt es jedoch nur noch 28 und es werden immer weniger. Lange gelagert werden kann Tritium nicht, denn das radioaktive Isotop zerfällt in einer Halbwertzeit von zwölf Jahren. Zukünftige Fusionskraftwerke müssten das benötigte Tritium selbst erzeugen. Nur wie das gehen soll, kann bisher keiner sagen. Es gibt zwar eine Theorie, die laut Dittmar aber allein auf Hoffnungen, Fantasien, Missverständnissen und sogar bewussten Falschdarstellungen basiert. Entsprechende Tests sind beim Projekt ITER geplant, doch eine Lösung für die kommerzielle Stromerzeugung gibt es bisher noch nicht. Fakt ist dagegen, dass das Projekt nahezu die gesamten globalen Vorräte an Tritium aufzehren wird.

Der Fusionsreaktor von ITER ist lediglich dafür geeignet, etwa eineinhalbmal so viel Strom zu liefern, wie für den Fusionsprozess zugeführt werden muss. Für die kommerzielle Stromerzeugung ist das deutlich zu wenig. Damit der Reaktor eines Fusionskraftwerks so viel Strom erzeugt wie ein herkömmliches Atomkraftwerk oder ein Kohlekraftwerk, müsste er sehr viel größer sein als ITER. Das bringt nicht nur technische Schwierigkeiten, sondern auch immens hohe Kosten mit sich. Preislich werden Fusionskraftwerke deshalb nicht mit erneuerbaren Energien konkurrieren können, der von ihnen erzeugte Strom wäre um ein Vielfaches teurer als Ökostrom, denn der Bau eines Fusionskraftwerkes würde einen zweistelligen Milliardenbetrag kosten.

Selbst in der Wissenschaft Tätige, die hinter dem Projekt ITER stehen, haben Dittmars zentrale Aussagen bestätigt. Es besteht also durchaus die Möglichkeit, dass das überaus kostspielige Projekt in einer Sackgasse endet. Zu dessen Beginn waren 5,5 Milliarden Euro für ITER angesetzt, inzwischen wird geschätzt, dass sich die Kosten insgesamt auf 30 Milliarden Euro belaufen werden.

nukleare-brennstoffe-hybridauto-e-book-guide-net4energy
Du möchtest mehr über die Solarthermie erfahren? Lade dir jetzt unseren Essential Guide herunter!
Jetzt downloaden