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Ein Kernkraftwerk (KKW) oder Atomkraftwerk (AKW) ist ein Elektrizitätswerk zur Gewinnung elektrischer Energie durch Kernspaltung in Kernreaktoren.

Die Erzeugung elektrischer Energie geschieht indirekt. Die Wärme, die bei der Kernspaltung entsteht, wird auf ein Kühlmedium übertragen, wodurch dieses erwärmt wird. Im Normalfall besteht das Kühlmittel aus Wasser; bei der Erwärmung wird Wasserdampf erzeugt, der dann eine Dampfturbine antreibt. In den meisten Fällen besteht ein Kernkraftwerk aus mehreren Blöcken, die für sich völlig unabhängig voneinander elektrischen Strom erzeugen. Anfang 2006 waren weltweit 442 Kernkraftwerke am Netz. Weltweit geplant ist der Bau von 120 bis 140 neuen Kernkraftwerken in den nächsten 10 Jahren.

Auch ein künftiger Fusionsreaktor wäre ein Kernkraftwerk. Jedoch ist die Energiegewinnung aus Kernfusion im technischen Maßstab bislang erst Gegenstand von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten und von der industriellen Nutzung noch weit entfernt (Stand: 2006).

Einleitung und Wortherkunft


KKW_Grafenrheinfeld.jpg Physikalische Grundlage eines Kernkraftwerkes ist die Energie, die bei der Spaltung von Atomkernen freigesetzt wird, da die Kernbindungsenergie pro Nukleon im Spaltstoff vor der Spaltung geringer ist als die Summe der Kernbindungsenergieen der Spaltprodukte nach der Spaltung.

Für die bei Kernreaktionen und radioaktiven Umwandlungen frei werdende Energie wurde 1899 der Begriff Atomenergie von Hans Geitel geprägt; damals fehlten allerdings die Kenntnisse über den Aufbau von Atomen. Aufgrund dieser Erkenntnisse, insbesondere das Wissen über die Existenz des Atomkerns, ist der heutige korrekte naturwissenschaftliche Fachbegriff Kernenergie. Daraus abgeleitet entstanden die synonymen Begriffe Kernkraftwerk (KKW) und Atomkraftwerk (AKW). Der Begriff Atomkraftwerk wurde 1960 für das Versuchsatomkraftwerk Kahl benutzt. 1966 wurde (analog beispielsweise zur englischen Bezeichnung Nuclear Power Plant – NPP) für die Kraftwerke Rheinsberg und Gundremmingen A die Bezeichnung Kernkraftwerk verwendet.

Reaktortypen und Funktionsweise


In Kernkraftwerken werden unterschiedliche Reaktortypen eingesetzt, die sich im Wesentlichen durch die verwendeten Kernbrennstoffe, Kühlkreisläufe und Moderatoren unterscheiden. Die wichtigsten sind:
  • Leichtwasserreaktor (LWR): Als Reaktorkühlmittel wird hier leichtes Wasser verwendet, welches das in der Natur am häufigsten vorkommende Wasser ist, gebildet mit dem leichten Wasserstoff-Isotop 1H. Das leichte Wasser dient gleichzeitig als Moderator. Als Brennstoff geeignet ist angereichertes Uran mit einem U-235-Massenanteil zwischen etwa 1,5 und 6 Prozent. Der LWR wird ausgeführt als
    • Druckwasserreaktor (DWR):Kernkraftwerk_Druckwasserreaktor_n.png Das Reaktorkühlmittel transportiert die Kernspaltungswärme in einem geschlossenen Kreislauf, dem Primärkreislauf, vom Reaktordruckbehälter zu mehreren Dampferzeugern, mit denen in einem sekundären Kreislauf der Dampf zum Antrieb der Turbinen erzeugt wird. Dieser Sekundärkreislauf ist nicht mehr Teil des Kontrollbereichs. Die Turbinen bleiben frei von radioaktiver Verunreinigung. Zum Typ der Druckwasserreaktoren gehört auch der European Pressurized Water Reactor (EPR).
    • Siedewasserreaktor (SWR): Das Reaktorkühlmittel wird im Reaktordruckbehälter verdampft und direkt den Turbinen zugeführt. Der gesamte Wasser-Dampfkreislauf ist damit Teil des Kontrollbereichs. Vorteilhaft gegenüber dem DWR sind der etwas bessere Wirkungsgrad und der einfachere, kostengünstigere Aufbau, nachteilig die radioaktive Verunreinigung im Dampfsystem und die technische Komplikation durch das Zweiphasengemisch aus Wasser und Dampfblasen im Reaktor selbst.

  • Schwerwasserreaktor (HWR): Schweres Wasser (D2O) als Reaktorkühlmittel wird mit schwerem Wasserstoff, dem Deuterium, gebildet, das Neutronen weniger stark absorbiert. Deshalb kann als Brennstoff Natur-Uran mit einem Massenanteil an U-235 von etwa 0,7 Prozent verwendet werden.

  • RBMK: Der RBMK ist ein Reaktor sowjetischer Bauart, der Graphit als Moderator und Wasser als Kühlmittel verwendet, daher kann zum Betrieb Uran mit der natürlichen Isotopenverteilung verwendet werden. Die Bauart macht den Betrieb dieser Reaktoren sehr unsicher, deswegen werden sie nach der Katastrophe von Tschernobyl nicht mehr gebaut. Allerdings sind auf dem Gebiet der ehemaligen Sowjetunion noch einige Reaktoren dieser Bauart mit einigen technischen Verbesserungen weiterhin in Betrieb.

  • Flüssigmetallgekühlter Brutreaktor (Schneller Brüter): Der Brutreaktor erzeugt während des Betriebs spaltbares Plutonium aus dem sonst nicht verwertbaren Uranisotop 238. Flüssiges Natrium, das Neutronen nicht abbremst ("moderiert"), wird als Reaktorkühlmittel eingesetzt und erwärmt über einen Zwischen-Wärmetauscher einen zweiten, radioaktivitätsfreien Natriumkreislauf. Dieser erzeugt im Dampferzeuger den Dampf für die Turbine. Der Sinn der technisch anspruchsvollen Brutreaktortechnologie ist die ca. 30 mal bessere Ausnutzung des Urans, die sich im Verbund von Brutreaktoren, Wiederaufarbeitung und Leichtwasserreaktoren erzielen ließe.

  • Hochtemperaturreaktor (HTR): Dieser Reaktortyp benutzt Heliumgas als Kühlmittel und Graphit als Moderator. Der primäre Spaltstoff ist 235U, daneben tragen erbrütete Spaltstoffe zur Energieerzeugung bei. Die Brennelemente sind in Graphitkugeln eingeschlossen und bilden im Reaktorkern einen Kugelhaufen - daher auch die Bezeichnung Kugelhaufenreaktor. Bei einem Hochtemperaturreaktor entsteht eine relativ hohe Nutzungstemperatur von 300 bis 950 °C, daher auch sein Name. Der Thorium-Hochtemperaturreaktor (THTR) diente als Prototyp für dieses System.

Der wichtigste Bestandteil eines Kernkraftwerks ist der Kernreaktor. In ihm finden die Spaltungsprozesse statt. Viele Kernkraftwerke werden mit mehreren Kernreaktoren gebaut, die je ihre eigenen Dampferzeuger, Turbine und Generator treiben. In einem solchen Fall spricht man von mehreren Reaktorblöcken.

Niederdruck-Turbinenläufer.jpg

Brennstoff

Als Kernbrennstoff wird in den meisten heute betriebenen Kernkraftwerken angereichertes Uran (U-235-Anteil ca. 3%-4%) eingesetzt. Es gibt weltweit viele Kraftwerke mit einer Nutzungslizenz für MOX-Brennelemente, so auch in Deutschland. Mischoxid (MOX) ist ein Gemisch aus Uranoxid und Plutoniumoxid. Plutonium hat als Brennstoff eine höhere Energieausbeute, ist also effizienter als Uran. Die Verwendung von höheren Plutoniumanteilen (Pu-239) im MOX ist allerdings sowohl aufgrund der Waffenfähigkeit des Plutoniums als auch wegen der höheren Sicherheitsanforderungen eines mit Plutonium betriebenen Reaktors, z.B. Brutreaktor, umstritten.

Reaktorregelung

(s. auch Kritikalität) Brennelement-Kernkraftwerk.jpg Je nach Reaktortyp gibt es verschiedene Verfahren, die thermische Leistung zu regulieren. Hierzu zählen zum Beispiel das schrittweise Einfahren der Steuerstäbe und die Regulierung der Borkonzentration im Primärkreislauf. Der Reaktor kann über seinen Neutronenfluss geregelt, angefahren und abgeschaltet werden, indem man Neutronen-absorbierende Stoffe wie etwa Cadmium, Gadolinium oder Bor in den Reaktorkern gibt, bzw. neutronenverlangsamende Stoffe (sogenannte Moderatoren) wie Graphit, Wasser, oder Schwerwasser zugibt oder entfernt. Dies geschieht z. B. kurzfristig mit Hilfe der Steuerstäbe und bei Druckwasserreaktoren längerfristig durch Zugabe bzw. Entzug von Borsäure im Reaktorkühlkreislauf. In der Praxis wird die vom Generator zu erzeugende elektrische Leistung am Turbinenregler vorgegeben und die thermische Leistung des Reaktors automatisch nachgeführt.

Geschichte


Das erste zivile Kernkraftwerk der Welt wurde 1954 im russischen Obninsk erfolgreich in Betrieb genommen, es hatte eine elektrische Leistung von 5 MW. Fast zeitgleich wurde im Jahr 1955 in Calder Hall (England) ein weiteres Kernkraftwerk errichtet, welches 1956 mit einer Leistung von 55 MW ans Netz ging und daher auch als erstes kommerzielles Kernkraftwerk der Welt bezeichnet wird. In den meisten frühen Kernkraftwerken kamen Siedewasserreaktoren zum Einsatz, da diese einfacher zu konstruieren und zu regeln sind. Inzwischen sind dagegen Druckwasserreaktoren üblicher, die höhere Leistungsdichten besitzen und bei denen der Kontrollbereich kleiner ist. Das erste Kernkraftwerk Deutschlands war das unter Lizenz von GE von der AEG gebaute Versuchsatomkraftwerk (VAK) Kahl (16 MWe) mit einem Siedewasserreaktor, der zuerst am 13. November 1960 kritisch wurde. Es folgten der Mehrzweckforschungsreaktor (MZFR) Karlsruhe (29. September 1965, 57 MWe) und der KKR Rheinsberg in Brandenburg (damals DDR). Es wurde am 9. Mai 1966 das erste Mal ans Netz geschaltet und war bis 1990 in Betrieb. Das nächste war (KRB A) in Gundremmingen (14. August 1966, 250 MWe) und schließlich ein Kraftwerk mit einen Druckwasserreaktor 1968 in Obrigheim in Baden-Württemberg (357 MWe).

Alle noch im Betrieb befindlichen deutschen Kernkraftwerke wurden von der Siemens AG oder deren ehemaliger Tochter, der Kraftwerk Union (KWU), gebaut. Ausnahmen bilden die Kraftwerke mit Siedewasserreaktoren (Brunsbüttel, Isar I, Philippsburg I und Krümmel). Sie wurden von der AEG begonnen und von der KWU fertiggebaut, nachdem die Kernkraftsparte der AEG in der KWU aufging.

Im April 1986 ereignete sich der bislang schwerste Störfall in einem Kernkraftwerk im ukrainischen Prypjat im Reaktor Tschernobyl, bei dem der Block 4 explodierte und erhebliche Mengen radioaktiver Nuklide in die Atmosphäre gerieten. Die Explosion des Reaktors ist auf menschliches Versagen sowie bauartbedingte Mängel (vor allem auf das Fehlen technischer Einrichtungen, die die leichtfertige Fehlbedienung verhindert hätten) zurückzuführen. Der Störfall wurde zunächst tagelang vertuscht, bis man auch in Skandinavien stark erhöhte Radioaktivitätswerte messen konnte und die sowjetische Regierung durch den enormen öffentlichen Druck gezwungen war, die Havarie einzugestehen. Der Störfall selbst und die durch ihn freigesetzte Radioaktivität forderten nach neuesten (2005) UN-Angaben ("Chernobyl's Legacy: Health, Environmental and Sozio-economic Impact and Recommendations to the Governments of Belarus, The Russian Federation and Ukraine") bisher 56 Menschenleben (47 "Liquidatoren" und 9 Kinder mit Schilddrüsenkrebs), und es könnten noch bis zu 3.940 Tote als Spätfolgen dazukommen. Die davon gravierend abweichende Schätzungen von IPPNW Artikel auf IPPNW: Bereits 50.000 Liquidatoren gestorben, dass von den rund 800.000 nach der Katastrophe eingesetzten Hilfskräften inzwischen fast 50.000 verstorben sind, ist möglicherweise dadurch zu erklären, dass hier alle (auch normale) Todesursachen mit berücksichtigt wurden. Der Unfall verursachte enorme wirtschaftliche Schäden und rief in der ganzen Welt ein Misstrauen gegen die Kernenergie hervor.

Der neueste Auftrag (2004) für einen EPR Druckwasserreaktor von 1,6 GW Leistung wurde vom finnischen Energieversorgungsunternehmen Teollisuuden Voima Oy (TVO) für den Standort Olkiluoto an Framatome ANP erteilt. Der privat finanzierte Reaktor (3 Milliarden Euro) soll im Jahr 2009 an das Netz gehen.

Den Bau des ersten schwimmenden Atomkraftwerks planen Russland und die Volksrepublik China. Der Reaktorblock soll von Russland, und die Außenhülle soll von China gebaut werden. Die Kosten für das Projekt betragen über 86 Millionen US-Dollar. Das Atomkraftwerk, das zum Vergleich mit einem Haus neun Stockwerke hoch sein wird, befindet sich dann auf einem 140 Meter langen und 30 Meter breiten schwimmenden Block mit einer Wasserverdrängung von 21.000 Tonnen. Der Bau des Atomkraftwerks soll 2011 abgeschlossen sein und zunächst für das russische Rüstungsunternehmen Sewmasch in Sewerodwinsk in der Region Archangelsk Energie liefern. Geplant ist eine Leistung von 70 Megawatt.

Kernkraftwerke in Europa


In Europa nutzen 18 Länder Kernkraftwerke zur Energiegewinnung. Nur zwei Länder - Finnland und Bulgarien - bauen derzeit je ein neues Kernkraftwerk. Mit Italien existiert bereits ein Land, welches aus der Atomstromerzeugung ausgestiegen ist, und 4 stillgelegte Kernkraftwerke aufweist. Die 25 EU-Staaten erzeugten 2004 insgesamt 935.809 GWh Atomstrom. Das ist eine Zunahme von 14.450 GWh im Vergleich zu 2000. 1992 betrug die Atomstromproduktion dieser Staaten noch 817.428 GWh.

Atomstromerzeugung in Europa nach Anzahl der Kernkraftwerke
Zahlen per 2004

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Rang Land in Betr. stillg. Erzeugte Energie
in GWh
Anteil an
Ges.prod.

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1. Frankreich 59 11 426.800 78 %
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2. Russland 31 12 133.017 16 %
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3. Großbritannien 23 22 73.680 19 %
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4. Deutschland 17 19 158.390 26 %
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5. Ukraine 15 4 81.813 51 %
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6. Schweden 10 3 75.039 52 %
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7. Spanien 9 1 60.888 23 %
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8. Belgien 7 1 44.857 55 %
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9. Tschechien 6 0 24.817 32 %
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10. Slowakei 6 1 15.624 55 %
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11. Schweiz 5 0 25.432 40 %
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12. Finnland 4 + 1 0 21.779 27 %
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13. Bulgarien 4 + 1 2 15.598 42 %
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14. Ungarn 4 0 11.209 34 %
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15. Litauen 1 1 13.917 72 %
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16. Rumänien 1 0 5.144 10 %
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17. Slowenien 1 0 5.204 39 %
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18. Niederlande 1 1 3.605 4 %

Kernkraftwerke in Deutschland

2003 waren in Deutschland 19 Kernkraftwerke in Betrieb und produzierten 165 Terawattstunden Strom. Das entspricht 27,7 Prozent der gesamten Bruttoerzeugung (Quelle: Statistisches Bundesamt).

Atomausstieg
Das Kernkraftwerk Stade bei Hamburg wurde im Dezember 2003 aufgrund des so genannten „Atom-Konsens-Vertrages“ abgeschaltet und befindet sich derzeit in der Stilllegungsphase (siehe Artikel Rückbau). Am 11. Mai 2005 wurde auch das Kernkraftwerk Obrigheim abgeschaltet. Sein Abbau soll bis 2023 dauern. Somit sind derzeit (Stand 2005) noch 17 Atomreaktoren in Betrieb. Diese sollen nach Erreichen zugeteilter Reststrommengen ebenfalls abgeschaltet werden. Damit ginge nach derzeitigem Stand im Jahre 2022 der Block 2 des AKW Neckarwestheim als letzter vom Netz. In den Koalitionsverhandlungen im Herbst 2005, die dann zur Bildung der großen Koalition führten, konnte keine Einigung über die Forderung der CDU/CSU zur Laufzeitverlängerung erzielt werden. Allerdings hält der Koalitionsvertrag fest, dass der Konsensvertrag und die entsprechenden Regelungen des Atomgesetzes nicht geändert werden sollen. Beide Parteien haben angekündigt, über das Thema während der Legislaturperiode weiter zu verhandeln.

Nichtnukleare Besonderheiten
Das Kernkraftwerk Neckarwestheim (Block 1) liefert als einziges Kernkraftwerk der Welt auch einphasigen Bahnstrom. Beim Kernkraftwerk Stade sowie beim früher einzigen (ost)deutschen Kernkraftwerk wurde auch die Abwärme genutzt. Im Kernkraftwerk Greifswald wurden in den Blöcken 1-4 jeweils 75 MW thermisch ausgekoppelt und zur Wärmeversorgung der Stadt benutzt. 1984 bis 1990 (Stilllegung Block 1–4) wurde Anzapfdampf der Turbinen genutzt. Bis 1994 erzeugte ein Öl-Heizhaus die Wärme. Die Anlage wurde 1994 außer Betrieb genommen. (Daten: Heiznetz Vorlauf 180 °C, Rücklauf 80 °C, Umwälzmenge bis zu 4 x 800 /h, 25 km (Lubmin-Greifswald) Fernwärmerohr DN800 PN40, drei Streckenschieberstationen, Netzinhalt etwa 25000 m³ Deionat)

Technische Daten ausgewählter Kernkraftwerke


Kernkraftwerk Land Inbetrieb- setzung Typ Nenn- leistung Betriebs- arbeit *) Zeit- verfüg- barkeit Zeit- ausnut- zung Arbeits- verfüg- barkeit Arbeits- Nichtverfügbarkeit **) Arbeits- ausnut- zung **)
(brutto) (brutto) **) geplant ungeplant ****)
***) disponi- bel nicht disponi- bel
in MW in GWh in % in % in % in % in % in % in %
Biblis A D 26.02.1975 DWR 1225 10217,1 95,6 95,6 95,2 0,3 4,5 0 94,1
Biblis B D 31.01.1977 DWR 1300 9283 83,2 83,2 82,5 16,7 0,3 0,5 80,5
GKN-I Neckar D 01.12.1976 DWR 840 6405,1 94,2 94,2 89,7 6 0 4,3 86
GKN-II Neckar D 15.04.1989 DWR 1365 11200,1 93 93 92,9 6,1 0 1 93,9
KBR Brokdorf D 22.12.1986 DWR 1440 11615,4 94,8 94,8 94,7 4,7 0 0,7 91,8
KKB Brunsbüttel D 09.02.1977 SWR 806 5073,1 74,5 74 73,3 5,7 0,4 20,5 72
KKE Emsland D 20.06.1988 DWR 1400 11762,8 96,3 96,3 96,1 3,2 0 0,7 95,5
KKG Grafenrheinfeld D 17.06.1982 DWR 1345 10673,4 91,8 91,8 91,6 6,7 0 1,7 90,4
KKI-1 Isar D 21.03.1979 SWR 912 7047,5 90,9 90,9 89,1 7,6 0,6 2,7 87,8
KKI-2 Isar D 09.04.1988 DWR 1475 12239,5 95,6 95,6 95,4 4,1 0 0,6 94,3
KKK Krümmel D 28.03.1984 SWR 1316 10052,7 89,1 89,1 87,7 6,1 0,4 5,8 87
KKP-1 Philippsburg D 26.03.1980 SWR 926 6631,9 84,5 84,5 83,5 13,1 0,5 2,8 81
KKP-2 Philippsburg D 18.04.1985 DWR 1458 10863,8 87 87 86,9 8,2 0 5 84,2
KKU Unterweser D 06.09.1979 DWR 1410 10220 87,8 87,8 87,4 10,4 2 0,2 82,3
KRB-B Gundremmingen D 19.07.1984 SWR 1344 10810,6 93,4 93,4 91,3 8,3 0,2 0,1 91,2
KRB-C Gundremmingen D 18.01.1985 SWR 1344 8892,3 76,8 76,8 74,9 5,5 0,3 19,3 74,9
KWG Grohnde D 01.02.1985 DWR 1430 11331,1 93,9 93,9 93,6 5,5 0,1 0,9 89,5
KWO Obrigheim D 01.03.1969 DWR 357 2739,9 94 94 93,8 5,8 0 0,4 86,8
OL1 Olkiluoto FIN SWR 870 7270,9 95 95 94,8 4,5 0,1 0,7 95
OL2 Olkiluoto FIN SWR 870 7340,9 96,8 96,8 96,2 2,7 1,1 0,1 96
KCB Borssele NL DWR 478 3822 91,9 91,9 91,6 6,1 0 2,3 91,4
KKB 1 Beznau CH DWR 380 2920,5 88,3 88,3 87,5 11,3 0 1,2 87,5
KKB 2 Beznau CH DWR 380 3226,6 97,3 97,3 97 3 0 0 96,7
KKG Gösgen CH DWR 1020 8458,4 94,5 94,5 94,3 5,5 0,2 0 94,4
KKL Leibstadt CH SWR 1220 9135,1 86,9 86,9 85,6 13,3 0,6 0,5 85,2
KKM Mühleberg CH SWR 372 3028,8 94,3 94,3 92,8 6,6 0,6 0,1 92,7
CNT-I Trillo E DWR 1066 8536 92,4 92,4 91,5 5,7 0 2,8 90,9
DWR: Druckwasserreaktor SWR: Siedewasserreaktor

*) Betriebsarbeit in GWh bezeichnet in diesem Fall die Arbeit die ein Kraftwerk in einem Jahr leistet. Als Basis für diesen Wert dienen 365 Tage mit zusammen 8760 Stunden. **) Auf Nettobasis ermittelte Werte (KKB 1 Beznau, KKB 2 Beznau, KKG Gösgen, KKL Leibstadt und KKM Mühleberg auf Bruttobasis)
***) geplant: Beginn und Dauer der Nichtverfügbarkeit müssen mehr als 4 Wochen vor Eintritt festgelegt sein
****) ungeplant: Der Beginn der Nichtverfügbarkeit ist nicht oder bis 4 Wochen verschiebbar

  • disponibel: Der Beginn der Nichtverfügbarkeit ist mehr als 12 Stunden bis 4 Wochen verschiebbar
  • nicht disponibel: Der Beginn der Nichtverfügbarkeit ist nicht oder bis 12 Stunden verschiebbar
Stand: 2004, Quelle: VGB PowerTech

Wirtschaft


Der weltweit größte Hersteller von Atomkraftwerksanlagen ist seit dem 6. Februar 2006 der japanische Konzern Toshiba.Pressemitteilung auf toshiba.co.jp, 6. Februar 2006, englisch Artikel auf netzeitung.de: Toshiba gewinnt Bieterstreit um Westinghouse, 6. Februar 2006 An diesem Tag kaufte Toshiba den US-Konzern Westinghouse Electric, der bisher dem staatseigenen britischen Konzern British Nuclear Plc. gehörte.

Kurioses


StGB § 328: Verursachen einer nuklearen Explosion: 5 Jahre Haft.
UrhG § 106,108a: Verbreitung von Raubkopien: 5 Jahre Haft.

Siehe auch


Übergeordnete Artikel

Kernenergie, Liste der Kernkraftanlagen, Liste der Kernreaktoren in Deutschland, Liste der Kernreaktoren in Österreich, Liste der Reaktortypen, Liste von Unfällen in kerntechnischen Anlagen, Störfälle in deutschen Atomanlagen

Weiterführende Artikel

Strahlenschutz, Atomkraftgegner, Atomausstieg, GAU, Katastrophe von Tschernobyl, Kernschmelze, Konvoi-Typ, Kernkraftbefürworter, Endlager

Artikel zum Thema

Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit

Weblinks


Quellen


Kernkraftwerk

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