Kernkraftwerke

 

Reaktordruckbehälter: hier findet die Spaltung der Atomkerne statt
 

 

 

 
Der Reaktorkern

 

 

 
kontrollierte Kettenreaktion

 

 
Druckwasser-Reaktor

 

Schneller Brüter

 
Hochtemperaturreaktor

In einem Kernreaktor nutzt man die Kernspaltung zur Energiegewinnung. Im Gegensatz zur Atombombe läuft beim Kernreaktor die Spaltung der Atomkerne kontrolliert ab. Nach dem Prinzip der kontrollierten Kettenreaktion im Jahr 1987 ein drittel des gesamten elektrischen Energiebedarfs der Bundesrepublik Deutschlands gedeckt. Der Unterschied zwischen Wärmekraftwerke die mit Öl oder Kohle betrieben wird und Atomkraftwerke liegt nur im nuklearen Teil. Dort ersetzt der Kernreaktor den Dampfkessel. Der Aufbau des nuklearen Bereichs ist je nach Reaktortyp unterschiedlich. Trotzdem ist das Prinzip nach dem sie arbeiten grundsätzlich ähnlich.

 

Siedewasserreaktor

Im Siedewasserreaktor benutz man U-235 als Spaltmaterial. Im Natururan sind allerdings nur 0,72% des Uran-235 enthalten. Diese geringe Menge reicht jedoch nicht für eine Kettenreaktion aus, daher wird der Anteil an Uran-235 auf 3% angereichert. Das angereicherte Uran wird dann als Uranoxid (UO­2) zu sogenannten Brennstofftabletten gepresst. Diese werden dann zu Brennstäben und dann zu Brennelementen zusammen gestellt.

Bei der Kernspaltung von Uran-235 entstehen schnelle Neutronen. Um die Kettenreaktion betreiben zu können müssen diese schnellen Neutronen abgebremst werden. Bei einem Siedewasserreaktor übernimmt diese Aufgabe der Moderator Wasser. Die Neutronen geben beim Durchdringen des Wasser einen großen Teil ihrer kinetischen Energie an die Wassermoleküle ab. Als langsames oder thermisches Neutron können weiter Uran-235-Kerne gespalten werden.

Um eine Kernspaltung kontrollieren zukönnen müssen überschüssige thermische Neutronen absorbiert werden. Die Anzahl der Neutronen kann durch Regelstäbe bestimmt werden. Sie bestehen aus Stoffen mit einem hohen Einfangquerschnitt für Neutronen, meist verwendet man Borcarbid oder Cadmium. Durch Herein- und Herausfahren der Regelstäbe in den Reaktorraum kann die Anzahl der thermischen Neutronen geregelt werden. Ein einziger der Regelstäbe reicht aus um einen Notstopp zu erreichen.

Beim Siedewasserreaktor wird die freiwerdende Energie auf das Wasser als Kühlmittel übertragen. Im nuklearen Bereich wird das Wasser verdampft und treibt dann im konventionellen Teil des Anlage eine Turbine an. Das Wasser wird nach der Turbine abgekühlt. Danach wird das kondensierte Wasser zurück in den Reaktorraum gepumpt. Als Kühlwasser dient Flusswasser, welches jedoch nicht mit dem Wasser aus dem Reaktorraum direkt in Berührung kommt. Bei Niederwasser im Fluss dient ein Kühlturm zum Abkühlen des Reaktorwasserkreislauf.

Schema eines Siedewasserreaktors: Man sieht, dass sich der Kernreaktor nur im nuklearen Teil vom Kohle- oder Gaskraftwerk unterscheidet

 

Druckwasserreaktor

Aus Sicherheitsgründen werden in den letzten Jahren in der Bundesrepublik Deutschland nur noch Druckwasserreaktoren gebaut. Die Funktionsweise des Druckreaktors ist gleich. Allerdings besitzt ein Druckwasserreaktor zwei Wasserkreisläufe. Im Primärkreislauf dient Wasser als Kühlmittel und Moderator und umspült die Brennelemente. Es steht in diesem Kreislauf unter so einem hohen Druck, dass es nicht verdampfen kann. Der Dampf wird erst im sekundären Kreislauf über einen Wärmetauscher erzeugt und betreibt dann eine Turbine. Dieser Kreislauf besitzt jedoch keine direkte Verbindung mit dem Primärkreislauf.

 

Schneller Brüter

Anders als die zuvor beschriebenen Reaktoren kann die Kettenreaktion in einem schnellen Brüter von schnellen Neutronen aufrechtgehalten werden. Als Spaltstoff wird Plutonium-239 verwendet und als Brutstoff dient Uran-238. Der Schnelle Brüter ist im Gegensatz zum Druckwasser- und Siedewasserreaktor in der Lage das häufigste Uran-Isotop zu nutzen. Im Brutvorgang reagiert es in einer (n,γ)-Reaktion zu Uran-239. Durch die nachfolgenden Beta-Zerfälle entsteht Plutonium-239. Nach theoretischen Berechnungen soll sogar mehr Plutonium-239 erbrütet werden als bei der nachfolgenden Kernspaltung verbraucht wird. Jedoch konnte dieses Ergebnis noch nicht in die Realität umgesetzt werden. In einem Schnellen Brüter werden sowohl im Primärkreislauf als auch im Sekundärkreislauf flüssiges Natrium. Erst im Dampferzeuger wird die Energie vom Sekundärkreislauf aus das Wasser übertragen mit dem dann eine Turbine betrieben werden kann.

 

Hochtemperaturreaktor

Der Hochtemperaturreaktor ist ebenso wie der Schnelle Brüter ein Brutreaktor. Als Spaltstoff verwendet man Uran-235 und als Brutmaterial Thorium-232. Aus Thorium-232 wird im Brutvorgang zunächst Thorium-233 durch Einfangen von schnellen Neutronen. Beim nachfolgenden Betazerfall entsteht dann Uran-233, welches danach wiederum gespalten wird.

Der verwendete Kernbrennstoff ist in einer Graphitkugel gasdicht eingeschlossen, welches gleichzeitig als Moderator dient. Als Kühlmittel verwendet man das Edelgas Helium, welches bei der Reaktion auf bis zu 900°C erhitzt wird. Die Energie wird dann im Dampferzeuger vom Helium auf das Wasser übertragen. Der entstehende Wasserdampf betreibt eine nachgeschaltete Turbine.

 

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