Die Energie in einem Kernkraftwerk wird durch Atomkernspaltung erzeugt. Dafür werden spaltbares Material und ein Moderator benötigt. Der Moderator bremst die durch die Kernspaltung frei werdenden schnellen Neutronen um weniger als ein Millionstel. Dann können die gebremsten Neutronen weitere Kerne des spaltbaren Materials zerteilen und so die
Kettenreaktion in Gang halten. Die Kontrolle der Kettenreaktion wird durch Regulierstäbe gewährleistet, welche Neutronen einfangen und sie so dem Spaltprozess entziehen. Um die ständige Vermehrung der Neutronen durch immer weitere Spaltungen kontrollieren zu können, muss man einen neutronenfressenden Stoff verwenden. Dafür werden Kadmium und Bor verwendet. Will man mit einem Reaktor Energie gewinnen, muss man ihn von einem Kühlmittel durchströmen lassen. Dieses nimmt die freiwerdende Wärme auf und leitet sie nach außen. Als Moderator werden Wasserstoff, Wasser, Deuterium (schweres Wasser) oder Kohlenstoff (von Graphit) verwendet. Die Energiegewinnung durch die Spaltung des Urans in Reaktoren wird auf verschiedene Weise verwirklicht. Sind Brennstoff und Moderator von einander getrennt, spricht man von einem heterogenen Reaktor, sind sie innig mit einander vereint, spricht man von einem homogenen Reaktor. Die im Reaktor erzeugte Wärme wird zur Dampferzeugung verwendet. Durch den gewonnenen Dampf werden Turbinen angetrieben, die einen Generator in Bewegung setzen.
Als Brennstoff dient meistens Uran, welches in der Natur vorkommt. Mit Hilfe von Neutronen werden Atomkerne gespalten. Bei der Spaltung von Atomkernen entstehen radioaktive Kernbruchstücke und weitere Neu
tronen. Heisenberg hatte schon am Anfang des Krieges darauf hingewiesen, dass man mit gewöhnlichen Wasser auskommt, wenn man das Isotop 235 U im natürlichen Uran natürlich anreichert.
Wenn schnelle Neutronen auf die Atome des gewöhnlichen Wasserstoffs stoßen, werden sie besser gebremst als beim Zusammenstoß mit irgend einem anderen Atomkern, denn beide Massen sind gleich groß, die Bremsung effektivsten. Der Wasserstoff wäre also der beste Moderator. Man kann zum Beispiel Wasser nehmen. Seine Sauerstoffatome bremsen zwar bei weitem nicht so gut wie die des Wasserstoffs, aber sie stören auch nicht allzu sehr. Doch Wasserstoffkerne können auch Neutronen aufnehmen und dann zu Deuterium reagieren. Reaktoren, die dabei mit einfachem Wasser arbeiten, heißen Leichtwasserreaktoren.
Unter Leichtwasserreaktoren gehören Siede-, Druck- und Schwerwasserreaktoren.
In einem Siedewasserreaktor treibt Dampf, der direkt mit den radioaktiven Brennelementen in Berührung gekommen ist, die Turbine an. In dem Siedewasserreaktor stehen das Wasser und der sich beim Sieden bildende Dampf unter einem Druck von etwa dem 70fachen des normalen Luftdrucks. Das Wasser des Kühlkreislaufes tritt mit etwa 215° C in den Reaktorkern ein und hat sich, nachdem es die Brennelemente umspült hat, auf Dampf von 290° C erhitzt. Dieser wird zur Turbine geleitet, so werden zum Beispiel im Kraftwerk Grundremmingen pro Sekunde 40 m³ Wasser durch den Reaktorkern gejagt. Das Kühlwasser des Kondensators ist von diesem Kreislauf getrennt.
Etwas verschieden davon, doch im Prinzip gleich, sind die Druckwasserreaktoren. Auch sie arbeiten mit leichtem Wasser. Doch bei ihnen fließt es unter doppelt so hohem Druck und bei noch höherer Temperatur durch den Reaktorkern. Der Druck sorgt dafür, dass das Wasser nicht kocht, also kein Dampf erzeugt wird. In der Abbildung ist dargestellt, wie es dann einen Dampferzeuger durchströmt, in dem von außen zugeleitetes Wasser niedrigen Druckes zum Sieden gebracht wird. Der jetzt entstehende Dampf kann eine Turbine antreiben. Der Vorteil liegt darin, dass das radioaktive Wasser in einem gehaltenen Kreislauf verbleibt und die Turbine nicht mit radioaktivem Dampf in Berührung kommt. Verschiedene Störfälle in KKWs zeigten aber, dass das radioaktive Wasser auch dann nicht immer in Bann gehalten werden kann. In beiden Reaktortypen verwendet man als Brennstoff mit 235U angereichertes Uran. Die Anreicherung muss über 3% liegen. Im Jahre 1993 lag der Preis von einem Kg Natururan bei DM 44,00, der des mit 235U angereicherten Urans bei 1551,00. Das mühevolle Anreichern will bezahlt werden. Die etwa 3,5 m langen Brennstäbe haben eine Dicke von etwa einem Zentimeter. In ihnen ist Uran in Form in Uranoxid-Tabletten in einer Hülle aus einer Speziallegierung des Elements Zirkonium, sogenanntem Zirkalloy, aufeinandergeschichtet. In Grundremmingen hat man 37000 Brennstäbe, die zu quadratischen Paketen von je 49 zusammengefasst sind. Diese 750 Brennelemente reichen vertikal in den Reaktorkern und werden vom moderierenden Kühlwasser umströmt. Pro Jahr muss man etwa 190 Brennelemente auswechseln, so dass jeweils nach drei Jahren der ganze Brennstoff ausgewechselt ist. Als Neutronenfresser sind jedem Brennelement Kontrollstäbe beigefügt. Diese müssen im Laufe der Zeit, wenn mehr und mehr spaltbarer Stoff verbraucht ist, stückweise herauszogen werden, um die Kettenreaktion auch dann im Gang zu halten, wenn sich die Rate der Spaltungen mit der Verringerung des 235U-Gehalts erniedrigt.
Wie schon in einem Druckwasserreaktor wird in einem Schwerwasserreaktor die Wärme in einem Dampferzeuger weitergeleitet. Das schwere Wasser D2O (Deuteriumoxid) dient gleichzeitig als Moderator und als Kühlmittel. Schwerer Wasserstoff ist ein besserer Moderator als leichter. Deuteriumkerne bremsen zwar nicht ganz so gut, verschlucken aber seltener Neutronen.
Der Hochtemperaturreaktor wird mit Graphit moderiert und mit einem Gas gekühlt. Als Kühlmittel wird Helium unter hohem Druck von etwa 50bar verwendet. Helium ist ein Edelgas, es reagiert chemisch nicht mit anderen Materialien und zwar auch nicht bei der relativ hohen Betriebstemperatur von etwa 700°C. Dies ist in bezug auf die Korrosion der Materialien im Reaktorkreislauf vorteilhaft. Im weiteren absorbiert Helium keine Neutronen. Der Brennstoff, meistens angereichertes Uranoxid (UO ), wird in Form von sogenannten gebraucht. Die Brennstoffteilchen bilden kleine Kügelchen, sie sind von Graphit umgeben und zusammen mit anderen solchen Partikeln in Graphit eingebettet. Der Brennstoff liegt in Form von Kugeln oder Zylindern mit einem Durchmesser von einigen Zentimetern vor; der Graphit dient auch dem Einschluss der Spaltprodukte. Graphit wird auf diese Weise gleichzeitig als Konstruktionsmaterial und als Moderator verwendet. Es zählt zu den Vorteilen des Hochtemperaturreaktors, dass sich im Reaktorkern keine Konstruktionsmaterialien befinden, die Neutronen absorbieren oder die hohe Betriebstemperatur nicht ertragen. Der Graphit selbst sublimiert bei etwa 3500°C. Bis zu dieser Temperatur bleibt die Kernstruktur also intakt und kühlfähig. Das Uranoxid wird je nach Verwendung angereichert, einige Prozente oder etwa 90%. Im Falle der hohen Anreicherung mit U-235 besteht der Brennstoff aus einer Uranoxid-Thoriumoxid-Mischung (UO -ThO ); als Spaltstoff dient U-235 und das aus Th-232 gebrütete U-233. Der Hochtemperaturreaktor kann als thermischer Brüter (THTR, Thorium-Hochtemperaturreaktor) ausgelegt werden. Die Vorteile des Hochtemperaturreaktors sind einerseits die hohe Betriebstemperatur, was einen entsprechend hohen thermischen Wirkungsgrad ermöglicht; andererseits die Möglichkeit, das verglichen mit Uran erheblich häufigere Thorium zu nutzen. Im weiteren ist der Hochtemperaturreaktor weniger Störanfällig als der Leichtwasserreaktor.
Die Brutreaktoren wurden zur besseren Ausnützung der vorhandenen Uranreserven entwickelt. Die schnellen Brutreaktoren dienen der Stromerzeugung und der Erzeugung von Kernbrennstoff. Sie erzeugen mehr Spaltstoff als sie bei der Kettenreaktion verbrauchen. Schnelle Brüter besitzen keinen Moderator, somit werden die Kernspaltungen durch schnelle Neutronen ausgelöst (daher der Name Brüter).
In Brutreaktoren wird natürliches Uran mit einem Moderator kombiniert. Dadurch wird das Uran 238 zu spaltbarem Plutonium 239. Will man alles Uran über Plutonium verbrennen hat man das Problem, dass die Kettenreaktion am besten mit langsamen Neutronen funktioniert.
Das Plutonium muss aber durch Neutronen mittlerer Schnelligkeit erzeugt werden. Der Teil in dem das Plutonium gespalten wird, nennt man Brutzone. Wasser ist als Kühlmittel nicht geeignet, da die Temperatur zu niedrig ist. Deswegen wird als Kühlmittel flüssiges Natrium genommen. Bei 500 ° C wird in einem Dampferzeuger wird Wasser zum Sieden gebracht, dessen Dampf dann die Turbinen betreiben kann.
Der erste Brutreaktor wurde im Jahr 1946 gebaut. In Schevtschenko am Kaspischen Meer steht dieser Reaktor, der Quecksilber als Kühlmittel benutzt. Der Reaktor hat eine elektrische Leistung von 600 Megawatt.
In einem Forschungszentrum in Karlsruhe hat man einen 20 Megawatt Versuchsreaktor gebaut um die Probleme der Sicherheit zu studieren, damit die folgenden Reaktoren sicher genug sind.
Als Kühlmittel wird flüssiges Natrium verwendet, welches von unten nach oben zwischen den Brennstäben durchströmt und die entstehende Wärme abführt. Natrium ist ein Metall mit einem Schmelzpunkt von etwa 100°C und einer Siedetemperatur von etwa 900°C. In flüssigem Zustand hat Natrium sehr gute Wärmeübertragungseigenschaften und zudem ist zur Überwindung des inneren Widerstandes nur ein kleiner Druck von wenigen bar notwendig; folglich ist der Reaktorkühlkreislauf fast drucklos. Natrium ist chemisch sehr gut mit Stahl verträglich. Natrium weist eine kleine Neutronenabsorption und schlechte Moderationseigenschaften auf. Die schnellen Neutronen werden also im Natrium fast nicht abgebremst und nur wenig absorbiert.
Natrium besitzt jedoch folgende Nachteile: Natrium reagiert chemisch sehr stark mit dem Sauerstoff der Luft und mit Wasser, was die Gefahr eines Natrium-Brandes mit sich bringt. Natrium wird im Reaktorkühlkreislauf radioaktiv. Als Folge dieser Eigenschaften sind eine besondere Konstruktion und spezielle Maßnahmen notwendig. Die Wärme aus dem Kern wird in einem Wärmetauscher an einen Natrium-Zwischenkreislauf abgegeben, und erst dieser Kreislauf mit nicht radioaktivem Natrium gibt die Wärme im Dampferzeuger an einen Wasser-Dampf-Kreislauf ab. So hat das radioaktive Natrium im Falle einer Dampferzeugerleckage keinen direkten Kontakt mit Wasser oder Dampf. Über dem Natrium in den Natriumbehältern befindet sich Argon, ein Edelgas. Alle Räume, in welchen sich Bauteile mit radioaktivem Natrium befinden, sind mit Stickstoff gefüllt (Loop-Bauweise). Die Betonwände sind mit Stahlblechen gasdicht ausgekleidet, da Natrium mit Beton chemisch reagiert (Beton enthält unter anderem Wasser).
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