Tag: Albert Einstein

 

Die Kernkraft hat Deutschlands Energieversorgung über Jahrzehnte hinweg maßgeblich geprägt. Mit dem Atomausstieg im April 2023 endete diese 62-jährige Ära.

Damit verzichtet die Bundesrepublik sowohl auf die Vorteile als auch auf die Nachteile dieser Kraftwerksart. Einerseits bietet sie die derzeit bei Weitem höchste Energiedichte. Keine andere Stromerzeugungsart ist so material- und flächeneffizient. Andererseits kann die davon ausgehende Radioaktivität im Unglücksfall katastrophale Folgen haben.

Der erste deutsche Kernreaktor nahm Anfang der 1960er-Jahre seinen kommerziellen Betrieb auf. Doch zuvor wollte erst einmal die Kernspaltung entdeckt werden. Das geschah mehr als zwei Jahrzehnte zuvor, im Jahr 1938, am Berliner Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie.

Zu den Kernpionieren gehörten der Chemiker Otto Hahn, auch als „Vater der Kernchemie“ bezeichnet, sowie sein Mitarbeiter Fritz Straßmann, ebenfalls Chemiker. In ihrem Labor bestrahlten sie damals Uran – das schwerste natürliche Element – mit Neutronen.

Hahn erwartete, dass die Neutronen die Uranatome instabil werden lassen und zu Radiumatomen zerfallen würden. Allerdings offenbarte die chemische Analyse nach dem Experiment, dass das Endprodukt eher Barium glich und nicht Radium.

Radium hat nur vier Protonen und Elektronen sowie fünf Neutronen weniger als Uran, sie sind im Periodensystem also nicht weit voneinander entfernt. Die Anzahl dieser Atombausteine in Barium hingegen ist jedoch nur knapp halb so groß wie beim Uran.

Das Ergebnis verwunderte Hahn. Zunächst dachte er, ihm sei ein Fehler unterlaufen. Obwohl er der zur damaligen Zeit führende Radiochemiker war, fand er auch Monate danach mit weiteren Untersuchungen keine Erklärung.

Ende 1938 teilte er seine offenen Fragen schließlich mit seiner ehemaligen langjährigen Kollegin, der Physikerin Lise Meitner. Aufgrund der Herrschaft der Nationalsozialisten war die jüdische österreichische Kernphysikerin nach Stockholm ausgewandert. Der Brief erreichte sie und ihren Neffen, den Kernphysiker Otto Frisch. Hahn schrieb:

Anhand von Hahns Resultaten blickten Meitner und Frisch in eine neue Welt. Sie erkannten, dass sich der Kern des Uranatoms nicht nur leicht verändert, sondern gespalten hatte. Die Wissenschaftsgemeinde musste daraufhin das bisherige Konzept des Atomkerns sowie seiner inneren Energien neu definieren. Meitner erkannte weiter, dass sich die Uranatome durch den Neutronenbeschuss tatsächlich in Bariumatome aufspalteten. Dabei wurde eine hohe Energiemenge freigesetzt, die sich auch mit der Energieberechnung des Physikers Albert Einstein erklären ließen.

Was Hahn und Meitner nicht erkannt haben: Bei der Kernspaltung werden weitere Neutronen freigesetzt, die ihrerseits Kernspaltungen auslösen können. Eine unkontrollierte Kettenreaktion könnte folgen.

Zu dieser Zeit tobte der Zweite Weltkrieg. In den USA entstand neben dem ersten funktionierender Kernreaktor, Chicago Pile 1 im Jahr 1942, unter Hochdruck und auf dem Prinzip der Kettenreaktion aufbauend, die wohl schrecklichste Waffe, die die Menschheit bisher entwickelt hat: die Atombombe.

Die Vereinigten Staaten und einige Wissenschaftler – darunter auch Einstein – wollten verhindern, dass die Nationalsozialisten diese Waffe in Händen halten könnten. Nach Deutschlands Kapitulation warfen die USA schließlich über Hiroshima und Nagasaki die neue Superwaffe ab. Ohne die Entdeckung der Kernspaltung wäre sie nicht möglich gewesen. Im Jahr 1946 erhielt Hahn für seine Entdeckung den Chemie-Nobelpreis.

Während des Kalten Kriegs entwickelten mehrere Industrienationen auch starkes Interesse an der friedlichen Nutzung der Kernenergie. Die hohe Energieausbeute versprach, viele Energieprobleme zu lösen und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren.

Ende Juni 1954 speiste erstmals ein Kernkraftwerk Strom in ein öffentliches Stromnetz ein: in Obninsk in der damaligen Sowjetunion, rund 100 Kilometer südwestlich von Moskau. Im Oktober folgte die Inbetriebnahme der ersten Kernreaktoren zur kommerziellen Stromerzeugung in Großbritannien. Die Leistung der Reaktorblöcke von Calder Hall leisten insgesamt 800 Megawatt (MW).

Anfang 1960 trat das Atomgesetz in Kraft, das die gesetzliche Grundlage für die Nutzung der Kernenergie in Deutschland darstellte. Mit dem Versuchsatomkraftwerk Kahl ging im Juni 1961 der erste Kernreaktor auf deutschem Boden nach drei Jahren Bauzeit ans Netz. Der Reaktor hatte eine Nennleistung von lediglich 16 MW. Die Anlage war bis 1985 in Betrieb. Dieser Reaktor läutete die Ära der Kernkraft in Deutschland ein.

Noch in den 1960er-Jahren gingen hierzulande sechs weitere Reaktoren in Betrieb, darunter Gundremmingen A, Lingen und Obrigheim. Doch das war nur der Beginn: Insgesamt entstanden in Ost- und Westdeutschland 37 Kernreaktoren, die kommerziell Strom erzeugten. Die meisten davon waren Druck- und Siedewasserreaktoren.

Darüber hinaus entstanden zahlreiche Forschungsreaktoren. Ihre Betreiber erzeugten damit keinen Strom für die öffentlichen Stromnetze. Diese Anlagen sollten wissenschaftliche, technische und medizinische Zwecke erfüllen – und tun dies teils noch heute.

Die meisten Reaktoren entstanden in den 1970er und 1980er Jahren. Das Kernkraftwerk Biblis galt zu seiner Zeit, 1975, als eines der größten der Welt. Die beiden realisierten Reaktoren hatten zusammen eine Nennleistung von rund 2.400 MW.

Mit immer mehr Meilern stieg auch der Anteil der Kernenergie im deutschen Strommix an. Den Höhepunkt erreichte diese Kraftwerksart im Jahr 1997. Hier lag der Anteil am Stromverbrauch bei 30,9 Prozent. Weltweit lag er zu diesem Zeitpunk bei rund 17 Prozent und ist seither auf unter zehn Prozent gesunken. Nicht, weil Kernkraftwerke weniger Strom liefern, sondern, weil die Stromerzeugung insgesamt erheblich gestiegen ist.

Während die Kernkraft zahlreiche Befürworter hatte, bildete sich jedoch auch ein immer stärkerer Widerstand. Die bundesweite Anti-Atom-Bewegung hatte ihren symbolischen Startschuss 1975 durch die sogenannten Wyhl-Proteste in Baden-Württemberg. In der Gemeinde am Kaiserstuhl haben rund 28.000 Demonstranten den Bauplatz für einen geplanten Kernreaktor besetzt. Mit Erfolg: Der Bau wurde verhindert. Diesem Exempel folgten weitere Proteste und Besetzungen an anderen Standorten. Ebenso erfolgte die Gründung der Partei der Grünen im Jahr 1980, deren Agenda der Atomausstieg Deutschlands war.

Grundlage für diesen Widerstand war vor allem die Reaktorkatastrophe von Tschernobyl 1986. Eine Beschleunigung des Atom-Aus ereignete sich kurz nach der Reaktorkatastrophe von Fukushima 2011, verursacht durch einen rund 15 Meter hohen Tsunami und bereits Jahre zuvor bekannte, jedoch nicht behobene bauliche Mängel.

Bis zur Jahrtausendwende und danach setzten sich die Proteste gegen die Kernenergie fort. Einen Meilenstein konnten die Grünen in ihrer Regierungsposition mit der damaligen rot-grünen Koalition erzielen. Im Jahr 2001 verkündete Bundeskanzler Gerhard Schröder (SPD) den Ausstieg Deutschlands aus der Kernkraft. Der Beschluss folgte im darauffolgenden Jahr.

Direkt nach dem Reaktorunfall von Fukushima beschleunigte die damalige Bundeskanzlerin Angela Merkel (CDU) den Ausstieg. Von den 17 noch in Betrieb befindlichen Reaktoren gingen acht Kernkraftwerke kurz darauf vom Netz.

Wie eingangs erwähnt, gingen mit Isar 2, Emsland und Neckarwestheim 2 die letzten drei Reaktoren am 15. April 2023 endgültig vom Netz. Die deutsche Kernkraft-Ära brachte bis dato rund 5.600 Terawattstunden (TWh) Strom hervor. Das entspricht rund dem Elffachen des jährlichen Gesamtverbrauchs in Deutschland.

Das Kernkraftwerke Grohnde hält bis heute den Weltrekord der höchsten Einspeisung – gefolgt Isar 2, Emsland und weiteren deutschen Kernkraftwerken. Unter den zehn Kraftwerken mit der höchsten Einspeisemenge befindet sich mit Tihange in Belgien (Rang 9) lediglich eine nichtdeutsche Anlage.

Überlebt haben hierzulande nur die Forschungsreaktoren, wovon aktuell noch sechs in Betrieb sind. Hauptaugenmerk liegt bei den Forschungsreaktoren nicht auf der bei der Kernspaltung entstehenden Wärmeenergie, relevant ist hier die Neutronenstrahlung. Die Forscher verwenden die erzeugten Neutronen für verschiedene Zwecke im Bereich von Technik und Medizin.

Zu den Anwendungsgebieten zählen unter anderem Analysen zum Verhalten von neuen Materialien sowie medizinische Anwendungen in der Strahlentherapie. Ebenso können dort Studenten und das in der Nukleartechnik tätige (Nachwuchs-)Personal aus- und weitergebildet werden.

Heute verbietet das Atomgesetz den kommerziellen Betrieb von Kernreaktoren zur Stromerzeugung in Deutschland. Im März dieses Jahres bezeichnete die EU-Kommissionspräsidentin Ursula von der Leyen den Atomausstieg von Deutschland als „strategischen Fehler“. Das bestätigte anschließend auch Bundeskanzler Friedrich Merz (CDU).

Eine Reaktivierung der stillgelegten Großanlagen kommt für die amtierende schwarz-rote Regierung jedoch nicht infrage. Der Rückbau dieser Anlagen läuft daher ungebremst weiter – und wird bei manchen Meilern noch Jahrzehnte andauern.

Allerdings schließen manche Regierungspolitiker wie Markus Söder (CSU) eine Rückkehr zur Kernenergie an sich nicht vollständig aus. Denkbar wäre der Neubau sogenannter modularer Mini-Kernkraftwerke (Small Modular Reactor, SMR). Konkrete Pläne existieren hierzu allerdings nicht. Sollte die in den Umfragen führende AfD bei der nächsten Bundestagswahl in eine Regierungsposition kommen, wäre aus politischer Sicht eine Rückkehr zu den alten Meilern möglich. Ob dies auch aus technischer Sicht noch möglich wäre, gilt es dann zu prüfen.

Auch andere als Zwecke als der „Betrieb von Anlagen zur Spaltung von Kernbrennstoffen zur gewerblichen Erzeugung von Elektrizität“, etwa zur Wärmegewinnung, sind rechtlich und technisch denkbar.

Martin Pache, Sprecher des Verbands KernD, hält es zudem für realistisch, dass ein SMR hierzulande etwa 2035 in Betrieb gehen kann. Im Gegensatz zu großen Kernreaktoren haben SMR weniger Leistung, also statt 1 bis 1,6 Gigawatt (GW) nur bis rund 300 MW. Dadurch seien sie besser in die Netzinfrastruktur integrierbar, erklärt Pache.

Allerdings fallen die Investitionskosten laut dem Sprecher bei SMR-Anlagen höher als bei Großanlagen. Diesen Kostennachteil könnten die Mini-Kernkraftwerke wiederum mit der Zeit durch eine angedachte Serienfertigung ausgleichen.

An mehreren Standorten der stillgelegten Kernkraftwerke entstehen aktuell Batterieparks oder sind in Planung. Die Betreiber nutzen die dort bereits vorhandenen, großdimensionierten Netzanschlusspunkte, um die hohen Stromkapazitäten der Energiewende zu transportieren. Batterieparks sollen die wetterabhängige Stromproduktion von Windkraft- und Solaranlagen harmonisieren und netzdienlicher machen. Dazu muss der Überschussstrom, der bei viel Wind und Sonnenschein entsteht und nicht im Moment der Erzeugung benötigt wird, zwischengespeichert werden.

Nach Philippsburg, Brokdorf und Gundremmingen folgt nun auch der niedersächsische Ortsteil Grohnde diesem Plan. Bis 2028 soll dort einer der größten Stromspeicher der Bundesrepublik entstehen.

Aktuell liegt die Speicherkapazität aller bundesweiten Großspeicher bei knapp 6 Gigawattstunden (GWh). Mit der Realisierung der geplanten Projekte wird sich diese Zahl deutlich erhöhen. 6 GWh würden für die Haushalte einer Stadt wie Magdeburg mit knapp 250.000 Einwohner für rund 12 Stunden reichen. Industrie und Gewerbe sind hierbei nicht berücksichtigt. Eine deutschlandweite Versorgung ist damit derzeit technisch nicht möglich. Rechnerisch würden 6 GWh Deutschland im Sommer für knapp 10 Minuten versorgen können, im Winter für rund 6 Minuten.

Neben dem möglichen Einsatz von Minikraftwerken erhofft sich die Bundesregierung die baldige Nutzung der Fusionsenergie. Hierbei sollen Atomkerne miteinander verschmelzen, wobei noch größerer Energiemengen frei werden. Die Bundesregierung hat im Mai 2026 angekündigt, in die weitere Fusionsforschung allein bis 2029, also in der laufenden Legislaturperiode, 2,4 Milliarden Euro zu investieren. Ziel ist es, das weltweit erste Fusionskraftwerk in Deutschland zu errichten.

Diesen Prozess technisch zu beherrschen, ist allerdings seit Jahrzehnten eine enorme Herausforderung. Erst unter gewaltiger Hitze von 100 Millionen Grad Celsius kann die Kernfusion stattfinden. Das ist etwa 6,5-mal so heiß wie im Inneren der Sonne und würde sämtliche bekannten Werkstoffe augenblicklich zerstören. Die nötigen Bedingungen müssen daher entweder durch starke Magnete oder entsprechende Lasertechnik unter Kontrolle gehalten werden.

Aktuell sind in Forschung und Entwicklung große Sprünge zu beobachten. Max-Planck-Institut für Plasmaphysik an einem Fusionskraftwerk – dem Forschungsreaktor „Wendelstein 7-X“. Hier wenden die Forscher die Magnettechnik an. Auch das Start-up „Proxima Fusion“ arbeitet an diesem Konzept und möchte bis 2031 den Prototyp Stellarator Alpha bauen.

Mit der Laserfusion beschäftigt sich hingegen unter anderem die Firma Focused Energy. In das deutsche Unternehmen sind zuletzt Investitionen in Höhe von rund 200 Millionen Euro geflossen. Diese stammen unter anderem von Privatinvestoren, Unternehmen und dem Energiekonzern RWE. Weitere Unterstützer sind die Bundesagentur für Sprunginnovationen SPRIND, der European Innovation Council Fund und die Beteiligungs-Managementgesellschaft Hessen.

„Die Fusionsenergie tritt damit in Deutschland und Europa in eine neue Ära ein“, erklärte kürzlich Thomas Forner, Firmenchef von Focused Energy. Laut dem Unternehmen positioniert Focused Energy Deutschland ins Zentrum des internationalen Wettlaufs um die kommerzielle Fusionstechnologie. Das sei vergleichbar mit der historischen Bedeutung der Halbleiter-, Luftfahrt- oder Automobilindustrie. Focused Energy habe sich innerhalb von vier Jahren vom Start-up zum weltweit führenden Laserfusionsunternehmen entwickelt.

Dabei ist sich Focused Energy sicher, dass die Industrialisierung der Fusionsenergie „keine Vision mehr“ sei. Das erhaltene Kapital soll laut Unternehmensangaben „fast vollständig im hessischen Biblis auf dem ehemaligen Kernkraftwerksgelände von RWE investiert werden“. Hier sei bereits die notwendige Infrastruktur, ein Netzanschluss sowie das Standort-Know-how von RWE vorhanden.

Laut Forner soll in Biblis ein erster Prototyp eines Fusionskraftwerks bis 2035 entstehen. Dieser soll eine Leistung von 100 oder 200 MW haben. Die kalkulierten Kosten dafür belaufen sich auf rund 7 bis 8 Milliarden Euro. Noch vor dem Jahr 2040 rechnet der Firmenchef mit einem kommerziellen Fusionskraftwerk mit einer Leistung im Gigawattbereich.

Dass die aktuellen Probleme der Fusionsenergie lösbar sind, bestätigte seinerseits Tech-Billionär Elon Musk. „Zu 100 Prozent Ja. Das ist definitiv sicher.“ Seiner Ansicht nach ist das nur eine Frage der Skalierung und des richtigen Flächen-Volumen-Verhältnisses.

Wie bei praktisch allen neuen Kraftwerksarten wird auch bei der Fusionsenergie der Strompreis zu Beginn noch hoch sein. Forner schätzt diese für das erste Kraftwerk „voraussichtlich bei 10 bis 20 Cent“ pro Kilowattstunde für die reine Stromproduktion. Später hält er auch 5 Cent für realistisch. Dieser Preis müsste sich dann mit den anvisierten 10 Cent Endkundenpreis der modernen Kernspaltung messen. Marktreif sind beide Technologien heute noch nicht.

Aktuell existiert noch eine riesige Lücke bis dorthin. Im vergangenen Jahr kostete die Erzeugung einer kWh durch Fusion in den USA rund 8,6 Millionen Euro.