Grundlagen der Atomkraft: Spaltung von Atomkernen und Energiegewinnung in Atomkraftwerken

Atomkraft, auch Kernkraft genannt, ist eine wichtige Energiequelle, die auf den grundlegenden Prinzipien der Kernphysik beruht.

Die Spaltung von Atomkernen:

Die Grundlage der Atomkraft liegt in der Spaltung von Atomkernen. Dieser Prozess wird durchgeführt, indem ein schwerer Atomkern, in der Regel ein Uran-235-Kern, mit einem Neutron beschossen wird. Die Aufnahme des Neutrons durch den Kern führt dazu, dass er instabil wird und in zwei kleinere Kerne zerfällt. Dieser Zerfallsprozess geht mit der Freisetzung von enormer Energie einher.

Die Freisetzung von Energie:

Die bei der Kernspaltung freigesetzte Energie manifestiert sich in Form von Wärme und Strahlung. Diese Energie ist äußerst intensiv und kann zur Erzeugung von Elektrizität genutzt werden. Die dabei freigesetzte Wärme wird in einem Reaktorkern erzeugt und kann dazu verwendet werden, Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen.

Nutzung der Energie in Atomkraftwerken

Atomkraftwerke sind so konzipiert, dass sie die bei der Kernspaltung erzeugte Wärme in elektrische Energie umwandeln. Dies geschieht in mehreren Schritten:

  1. Kernreaktion: In einem Atomkraftwerk wird die Kernspaltung in einem Reaktorkern kontrolliert durchgeführt. Die freigesetzte Wärme erhitzt das in direktem Kontakt stehende Kühlwasser.

  2. Dampfproduktion: Das erhitzte Wasser wird in einen separaten Wasserkreislauf geleitet, in dem es zu Dampf umgewandelt wird. Dieser Dampf ist hochenergetisch und wird unter Druck gehalten.

  3. Dampfturbine: Der erzeugte Dampf treibt eine Turbine an, die mit einem Generator verbunden ist. Wenn die Turbine rotiert, wird mechanische Energie erzeugt.

  4. Elektrizitätserzeugung: Der Generator wandelt die mechanische Energie in elektrische Energie um, die dann in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird und zur Versorgung von Haushalten und Industrie genutzt wird.

 

Überblick der verschiedenen Reaktortypen in Kernkraftwerken

Atomreaktoren sind in verschiedenen Ausführungen und Designs erhältlich, um den spezifischen Anforderungen und Zielen von Kernkraftwerken gerecht zu werden.

1. Leichtwasserreaktoren (LWR):

  • Druckwasserreaktor (DWR): In einem DWR wird Wasser als Kühlmittel und Moderator verwendet. Das Wasser bleibt unter hohem Druck, um ein Sieden zu verhindern.
  • Siedewasserreaktor (SWR): Im SWR wird Wasser sowohl als Kühlmittel als auch als Moderator verwendet. Der erzeugte Dampf direkt zur Turbine geleitet.

2. Schnelle Brüter:

  • Schnelle Brüter sind Reaktoren, die schnelle Neutronen zur Kernspaltung nutzen. Sie können mehr spaltbares Material erzeugen, als sie verbrauchen, und sind daher effiziente Brennstoffproduzenten.

3. Hochtemperaturreaktor (HTR):

  • Hochtemperaturreaktoren arbeiten bei wesentlich höheren Temperaturen als herkömmliche Reaktoren. Sie eignen sich besonders gut für die Erzeugung von Prozesswärme und Wasserstoff.

4. Brutreaktor:

  • Ein Brutreaktor ist ein spezieller Typ von Reaktor, der nicht nur Energie erzeugt, sondern auch neue Spaltmaterialien (wie Plutonium) produziert. Sie maximieren die Brennstoffausnutzung.

5. RBMK-Reaktor:

  • Dieser sowjetische Reaktortyp, bekannt geworden durch das Tschernobyl-Unglück, verwendet Graphit als Moderator und Wasser als Kühlmittel.

6. Schwerwasserreaktoren:

  • Schwerwassermoderierter Reaktor (CANDU): Ein CANDU-Reaktor verwendet schweres Wasser (Deuteriumoxid) sowohl als Moderator als auch als Kühlmittel.
  • Schwerwasser-Druckröhrenreaktor (PHWR): Diese Art von Reaktor ist ähnlich wie der CANDU-Reaktor, verwendet aber leichtes Wasser als Kühlmittel.

Jeder dieser Reaktortypen hat seine eigenen Vor- und Nachteile, die von Faktoren wie Sicherheit, Brennstoffeffizienz, Wirtschaftlichkeit und technischer Komplexität abhängen.

Leichtwasserreaktoren (LWR): Druckwasserreaktor (DWR) und Siedewasserreaktor (SWR)

Leichtwasserreaktoren (LWR) sind die am häufigsten in Kernkraftwerken verwendeten Reaktortypen weltweit. Sie setzen leichtes Wasser (H2O) als Moderator und Kühlmittel ein, wodurch sie relativ effizient und sicher sind. Unter den LWRs gibt es zwei Haupttypen: den Druckwasserreaktor (DWR) und den Siedewasserreaktor (SWR). Hier erläutern wir die Eigenschaften und Funktionsweisen beider LWR-Typen:

1. Druckwasserreaktor (DWR)

Eigenschaften:

  • Beim DWR zirkuliert das Wasser in zwei getrennten Kreisläufen: dem Primärkreislauf und dem Sekundärkreislauf.
  • Im Primärkreislauf wird das Wasser unter hohem Druck (typischerweise etwa 150 bar) gehalten, um das Sieden zu verhindern und somit eine effiziente Kühlung sicherzustellen.
  • Der Druckwasserreaktor verwendet leichtes Wasser sowohl als Kühlmittel als auch als Moderator, was bedeutet, dass es die Funktion hat, die Neutronen abzubremsen, um die Kernspaltung zu unterstützen.
  • Im Sekundärkreislauf wird das Wasser im Primärkreislauf durch Wärmetauscher erhitzt, um Dampf zu erzeugen. Dieser Dampf treibt eine Turbine an, die wiederum einen Generator antreibt, um Elektrizität zu erzeugen.
  • Der Druckwasserreaktor zeichnet sich durch ein hohes Maß an Sicherheit aus, da die nuklearen Reaktionen im Primärkreislauf gehalten werden, der von den anderen Systemen getrennt ist.

Funktionsweise:

  1. Die Spaltung von Uran-235- oder Plutonium-239-Kernen erzeugt Wärme im Reaktorkern.
  2. Das im Primärkreislauf zirkulierende Wasser absorbiert diese Wärme und erhitzt sich.
  3. Das erhitzte Wasser wird durch Wärmetauscher im Sekundärkreislauf geleitet, wo es Dampf erzeugt.
  4. Der erzeugte Dampf treibt eine Turbine an, die mit einem Generator verbunden ist, um Elektrizität zu erzeugen.
  5. Das gekühlte Wasser aus dem Sekundärkreislauf wird zurück in den Primärkreislauf gepumpt, und der Kreislauf wiederholt sich.

2. Siedewasserreaktor (SWR)

Eigenschaften:

  • Im Gegensatz zum DWR verwendet der SWR nur einen Wasserkreislauf, der als Kühlmittel, Moderator und Dampferzeuger dient.
  • Das Wasser im SWR wird unter Druck gehalten, um das Sieden zu verhindern und gleichzeitig hohe Temperaturen zu erreichen.
  • Der SWR ist tendenziell einfacher aufgebaut als der DWR, da er nur einen Kühlkreislauf hat.

Funktionsweise:

  1. Auch hier erfolgt die Spaltung von Uran-235- oder Plutonium-239-Kernen, um Wärme im Reaktorkern zu erzeugen.
  2. Das Wasser im Reaktorkern wird erhitzt und verwandelt sich in Dampf.
  3. Der erzeugte Dampf wird direkt zur Turbine geleitet, die mit einem Generator verbunden ist, um Elektrizität zu erzeugen.
  4. Der Dampf wird dann kondensiert und zurück in den Reaktorkern geleitet, um den Kreislauf zu wiederholen.

Leichtwasserreaktoren, sei es der Druckwasserreaktor oder der Siedewasserreaktor, sind aufgrund ihrer bewährten Sicherheit und Effizienz weltweit weit verbreitet und liefern einen bedeutenden Beitrag zur Stromerzeugung in Kernkraftwerken.

 

Schnelle Brüter, Hochtemperaturreaktor (HTR), Brutreaktor und RBMK-Reaktor: Eine Übersicht

Die Welt der Kernreaktoren umfasst eine Vielzahl von Designs und Konzepten, die jeweils ihre eigenen Eigenschaften und Funktionsweisen aufweisen. Eine Übersicht über vier verschiedene Arten von Kernreaktoren: den Schnellen Brüter, den Hochtemperaturreaktor (HTR), den Brutreaktor und den RBMK-Reaktor.

1. Schneller Brüter

Eigenschaften:

  • Schnelle Brüter sind spezielle Reaktoren, die schnelle Neutronen zur Kernspaltung nutzen. Dies ermöglicht es ihnen, mehr spaltbares Material (wie Plutonium) zu produzieren, als sie verbrauchen.
  • Sie sind in der Lage, das als "Abfall" betrachtete Uran-238 in spaltbares Plutonium-239 umzuwandeln, was eine effiziente Brennstoffnutzung ermöglicht.
  • Schnelle Brüter sind in der Lage, wiederaufbereiteten Brennstoff zu verwenden, was ihre Nachhaltigkeit erhöht.
  • Die Sicherheit und die Herausforderungen der schnellen Brüter sind aufgrund der hohen Neutronenflussrate und der Verwendung von Natrium als Kühlmittel besonders anspruchsvoll.

Funktionsweise:

  1. Schnelle Brüter nutzen schnelle Neutronen, um Uran oder Plutonium zu spalten und dabei Wärme zu erzeugen.
  2. Diese Wärme wird zur Erzeugung von Dampf verwendet, der eine Turbine antreibt, um Elektrizität zu erzeugen.
  3. Gleichzeitig erfolgt die Umwandlung von Uran-238 in spaltbares Plutonium-239, was den Brennstoffzyklus nachhaltiger gestaltet.

2. Hochtemperaturreaktor (HTR)

Eigenschaften:

  • Hochtemperaturreaktoren arbeiten bei wesentlich höheren Temperaturen als herkömmliche Reaktoren, oft über 700 Grad Celsius.
  • Sie sind in der Lage, Prozesswärme und Wasserstoff effizient zu erzeugen und könnten in zukünftigen Wasserstoffwirtschaften eine wichtige Rolle spielen.
  • HTRs verwenden feste Brennstoffe wie Kugeln aus Graphit, die mit Brennstoffpartikeln gesättigt sind.

Funktionsweise:

  1. Der HTR verwendet Kernspaltungen, um Wärme zu erzeugen.
  2. Die hohe Temperatur wird verwendet, um Gas (z. B. Helium) zu erhitzen, das dann eine Turbine antreibt und Elektrizität erzeugt.
  3. Aufgrund der hohen Temperaturen können HTRs auch für industrielle Prozesswärmeanwendungen genutzt werden.

3. Brutreaktor

Eigenschaften:

  • Brutreaktoren sind darauf ausgelegt, mehr spaltbares Material zu erzeugen, als sie verbrauchen. Sie können Plutonium-239 und Uran-233 produzieren.
  • Sie maximieren die Brennstoffausnutzung und könnten helfen, das Problem der nuklearen Abfallentsorgung zu reduzieren.

Funktionsweise:

  1. Ein Brutreaktor nutzt schnelle Neutronen zur Kernspaltung und zur Produktion von mehr spaltbarem Material (z. B. Plutonium-239).
  2. Gleichzeitig erzeugt er Wärme, die zur Stromerzeugung verwendet werden kann.

4. RBMK-Reaktor

Eigenschaften:

  • Die RBMK-Reaktoren sind sowjetische Reaktoren, die für ihre spezifische Bauweise bekannt sind, die Graphit als Moderator und Wasser als Kühlmittel verwendet.
  • Sie sind bekannt geworden durch das Tschernobyl-Unglück im Jahr 1986, bei dem ein RBMK-Reaktor betroffen war.

Funktionsweise:

  1. RBMK-Reaktoren verwenden Graphit als Moderator, um die Neutronen abzubremsen und die Kernspaltung zu unterstützen.
  2. Wasser dient als Kühlmittel und transportiert die erzeugte Wärme ab.
  3. Die Funktionsweise ist ähnlich wie bei anderen Leichtwasserreaktoren, jedoch mit dem Unterschied, dass der Moderator aus Graphit besteht.

Diese verschiedenen Reaktortypen tragen zur Vielfalt der Kernenergienutzung bei und bieten Lösungen für verschiedene energetische und technologische Anforderungen.

Schwerwasserreaktoren: CANDU und PHWR

Schwerwasserreaktoren sind eine wichtige Klasse von Kernreaktoren, die im Bereich der Kernenergie weit verbreitet sind. Es gibt zwei Haupttypen von Schwerwasserreaktoren: den Schwerwassermoderierten Reaktor (CANDU) und den Schwerwasser-Druckröhrenreaktor (PHWR). Hier erläutern wir die Eigenschaften und Funktionsweisen beider Reaktortypen:

1. Schwerwassermoderierter Reaktor (CANDU)

Eigenschaften:

  • CANDU steht für "Canada Deuterium Uranium" und ist ein kanadischer Beitrag zur Kernenergietechnologie.
  • Dieser Reaktortyp verwendet schweres Wasser (Deuteriumoxid, D2O) sowohl als Moderator als auch als Kühlmittel.
  • Im Gegensatz zu leichten Wasserreaktoren (LWR) kann ein CANDU-Reaktor natürlichen Uranbrennstoff verwenden, was seine Flexibilität erhöht und den Bedarf an aufwändiger Brennstoffanreicherung reduziert.
  • Ein CANDU-Reaktor hat eine offene Bauweise, was bedeutet, dass Brennstoffelemente während des Betriebs ausgetauscht werden können, was die Anlagenverfügbarkeit erhöht.
  • Die Sicherheitsvorkehrungen in CANDU-Reaktoren sind ausgelegt, um das Risiko einer Kernschmelze zu minimieren.

Funktionsweise:

  1. In einem CANDU-Reaktor erfolgt die Kernspaltung in schwerem Wasser, das als Moderator dient. Der Moderator verlangsamt die Neutronen, um die Wahrscheinlichkeit der Kernspaltung zu erhöhen.
  2. Das schwere Wasser dient auch als Kühlmittel und transportiert die erzeugte Wärme von den Brennstäben weg.
  3. Die Wärme wird dann verwendet, um Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen, der eine Turbine antreibt.
  4. Die Turbine treibt einen Generator an, der elektrische Energie erzeugt.
  5. Das abgekühlte Wasser wird zurück in den Reaktor geleitet, und der Kreislauf wiederholt sich.

2. Schwerwasser-Druckröhrenreaktor (PHWR)

Eigenschaften:

  • Schwerwasser-Druckröhrenreaktoren sind ähnlich wie CANDU-Reaktoren, verwenden jedoch eine andere Bauweise.
  • Sie sind weit verbreitet, insbesondere in Kanada, Indien und Pakistan.
  • PHWRs verwenden schweres Wasser als Moderator und Kühlmittel, ähnlich wie CANDU-Reaktoren.
  • Die Reaktorkerne von PHWRs können mit natürlichen Uran- oder angereichertem Uran-Brennstoff betrieben werden.

Funktionsweise:

  1. Im PHWR erfolgt die Kernspaltung im Reaktorkern, der von schwerem Wasser umgeben ist. Das schwere Wasser fungiert als Moderator und Kühlmittel.
  2. Die Wärme, die während der Kernspaltung erzeugt wird, wird durch das schwere Wasser transportiert und anschließend zur Erzeugung von Dampf verwendet.
  3. Der erzeugte Dampf treibt eine Turbine an, die mit einem Generator gekoppelt ist, um Elektrizität zu erzeugen.
  4. Das abgekühlte Wasser wird zurück in den Reaktor geleitet, um den Kreislauf fortzusetzen.

Schwerwasserreaktoren sind aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften in der Lage, natürlichen Uranbrennstoff effizient zu nutzen und bieten eine interessante Alternative zu anderen Reaktortypen. Sie haben in verschiedenen Ländern eine wichtige Rolle in der Energieerzeugung gespielt und sind auch aufgrund ihrer inhärenten Sicherheitsmerkmale von Interesse.

 

 

 

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