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  Referat ueber kernkraftwerke

1. Einführung 1.1 Geschichtliches über die Entdeckung der Kernspaltung Die Chemiker Otto Hahn und Fritz Strassmann nahmen nach vielen Versuchen 1938 an, dass beim Beschuss von Uran mit Neutronen Radium-Isotope durch Kernzerfall entstehen. Kurz darauf stellten sie fest, dass es in Wirklichkeit keine Radium-Isotope waren, sondern Barium und Krypton. 1939 erschien in der Zeitschrift "Der Wissenschaftler" ein Artikel von Hahn und Strassmann, in dem folgende Aussage präsentiert wurde: "Unsere Radium-Isotope haben die Eigenschaften des Bariums; als Chemiker müssten wir sagen, bei den neuen Körpern handelt es sich nicht um Radium, sondern um Barium." Damit war die Kernspaltung nachgewiesen.

[siehe (1) S.28] 1.2 Die Funktionsweise der Kernspaltung Bei der Kernspaltung im Siede- oder Druckwasserreaktor wird das natürliche Uran-Isotop U-235 durch Beschuss mit Neutronen gespaltet. Hierbei muss es sich um langsame Neutronen mit einer Geschwindigkeit von ca. 3000 m/s handeln, da beim U-235 sonst keine Spaltung auftritt. [siehe (2) S.

162] 1.3 Die Kettenreaktion Da bei der Spaltung von Uran mindestens zwei Neutronen freigesetzt werden, kann eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion von Kernspaltungen in Gang gesetzt werden. Diese funktioniert folgendermaßen: 2. Die Nutzung der Kernenergie 2.1 Prinzipieller Aufbau u. Funktion eines Kernreaktors Ein Kernreaktor besteht hauptsächlich aus fünf Komponenten: - Spaltbares Material in Form von Brennstäben - Stoff zur Neutronenbremsung (Moderator) - Medium zur Wärmeabführung - Steuerungseinrichtungen (Steuerstäbe) - Barrieren und Maßnahmen für den Strahlenschutz Abb.

3 Prinzip eines Kernreaktors [siehe (1) S. 36] 2.1.1 Das Brennelement Der Brennstab ist zylinderförmig aufgebaut. Die Hülle besteht aus einer Zirkonium-Legierung, die den Brennstoff vom Kühlmittel des Primärkreislaufes trennt. Im Inneren sind Uran-Oxid-Tabletten eingebaut.

Sie stellen den eigentlichen Brennstoff dar. 72 solcher Brennstäbe werden zu einem sogenannten Brennelement zusammengefasst, wovon sich jeweils wieder ca. 800 Stück in einem Reaktor befinden Abb. 4 Schnitt durch Brennstäbe [siehe (1) S. 23] 2.1.

2 Der Moderator Da die bei der Kernspaltung entstehenden Neutronen sehr schnell sind, jedoch zur weiteren Spaltung nur langsame Neutronen verwendet werden können, muss ihre Geschwindigkeit verringert werden. Dazu wird der Moderator, für den meistens Wasser benutzt wird, verwendet.Abb. 5 Abbremsung schneller Neutronen durch einen Moderator [siehe (1) S. 39] Trifft ein schnelles Neutron auf einen Atomkern des Moderators, so prallt es von ihm ab und wird abgelenkt. Dadurch verliert es an Bewegungsenergie, es wird langsamer.

Je mehr Zusammenstöße stattfinden, desto langsamer wird das Neutron und desto besser funktioniert die Spaltung. Dadurch, dass die Stärke der Abbremsung von der Temperatur des Moderators abhängt, wird im bestimmten Maße eine Selbststeuerung der Kettenreaktion erreicht. Wenn der Moderator im Falle eines Unfalls verdampft (Wasser), werden die Neutronen nicht mehr gebremst und die Kettenreaktion dadurch stark eingeschränkt. Abb. 5a Temperaturabhängigkeit der Bremsung [siehe (1) S. 40] 2.

1.3. Die Steuereinrichtungen Der Ablauf der Kettenreaktion ist prinzipiell einfach zu steuern. Entnimmt man dem Vorgang Neutronen, so finden weniger Kernspaltungen statt. Im äußersten Fall kommt die Kettenreaktion zum Erliegen. Die Neutronenentnahme wird mit Steuerstäben aus neutronenabsorbierendem Material (z.

B. Bor oder Cadmium) verwirklicht. Abb. 6 [siehe (1) S. 42] Links: Anfahren / Rechts: Abschalten d. Reaktors Fährt man die Steuerstäbe weit zwischen die Brennelemente, so werden viele Neutronen absorbiert und die Leistung sinkt.

Sind die Stäbe dagegen weit heraußen, so werden wenig Neutronen aufgenommen und die Leistung steigt. 2.1.4 Das Kühlmittel Um die beim Reaktionsablauf entstehende Wärmeenergie abzuführen, wird ein Kühlmittel benötigt. Dazu wird meistens Wasser verwendet, das auch gleichzeitig den Moderator bildet. Es transportiert die Wärmeenergie der Brennstäbe zur Turbine, wo sie in mechanische Energie umgewandelt wird.

1.1.5. Die Sicherheitsbarrieren Ein Kernkraftwerk besitzt Sicherheitsmaßnahmen und -systeme, die verhindern, dass gefährliche Stoffe und Strahlungen in die Umwelt gelangen. Auf diese Systeme wird jedoch hier nicht näher eingegangen. 2.

2 Energieumwandlung im Kernkraftwerk Abb.7 Energieumwandlung im Kernkraftwerk [siehe (1) S. 21] Kernkraftwerke werden zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Dazu muss die im Atomkern gespeicherte Kernenergie zunächst in Wärmeenergie, dann in potentielle Energie, in der Turbine in Bewegungsenergie und schließlich im Generator in elektrische Energie umgewandelt werden. 3. Reaktortypen3.

1 Der Siedewasserreaktor (SWR) Abb. 8 Siedewasserreaktor [siehe (1) S. 48] Der Siedewasserreaktor wird bis zu einer elektrischen Leistung von etwa 1300 MW gebaut. Typisch sind die langgestreckte Form des Reaktordruckgefäßes und die Anordnung der Steuerstäbe unter dem Druckgefäßboden. Hier wird im 2/3 gefüllten Reaktordruckbehälter das Wasser durch die Kernenergie erhitzt und zum Sieden gebracht. Der Dampf hat die Temperatur von ca.





283 Grad und einen Druck von ca. 67 bar. Er wird direkt der Turbine zugeführt und dort entspannt. Der nun entspannte und abgekühlte Wasserdampf wird im Kondensator nun weiter abgekühlt und wieder in den flüssigen Aggregatszustand zurückversetzt. Die Kondensationswärme wird an einen Fluss oder über Kühltürme an die Umgebungsluft abgegeben. In einer Vorwärmeanlage wird das Wasser wieder auf ca.

215 Grad gebracht und dem Reaktor zugeführt. [siehe (3) S. 35] 3.2 Der Druckwasserreaktor (DWR) Abb. 9 Druckwasserreaktor [siehe (1) S. 50] Druckwasserreaktoren findet man ebenfalls mit einer Leistung von ca.

1,3 - 1,4 GW. Hier ist allerdings das Energieumwandlungs-system aufwendiger gebaut. Das Wasser des Primärkreislaufes wird zunächst auf ca. 326 Grad erhitzt. Da es bei einem Druck von ca. 158 bar gehalten wird und damit nicht verdampft, wird die Wärme einem zweiten Kreislauf über einen Wärmetauscher zugeführt.

Erst im Sekundärkreislauf wird das Wasser zum Verdampfen gebracht und treibt die Turbinen ähnlich wie beim Siede-wasserreaktor an. [siehe (4) S. 551] 3.3 Vergleich zwischen Siede- und Druckwasserreaktor   Druckwasserreaktor Siedewasserreaktor Brennstoff-Anreicherung in % 3,0 2,7 Mittlerer Abbrand in GWd / t 33 27,5 Betriebsdruck in bar 158 70 Die höhere Brennstoff-Anreicherung in den Brennelementen beim Druckwasserreaktor ist natürlich kostenintensiver als beim Siedewasserreaktor. Wegen des hohen Uran-235-Anteils wird jedoch dafür mehr Energie pro Tonne Uran umgewandelt. Kostspieliger und aufwendiger ist auch die Bauweise des Reaktordruckgefäßes beim DWR.

Hier herrscht nämlich ein wesentlich höherer Betriebsdruck, was stärkere Materialien und bessere Dichtungsmöglichkeiten verlangt. [siehe (4) S. 551] Außerdem ist allein die Konstruktion des zweiten Kühlmittel-Kreislaufes sehr teuer und aufwendiger in der Konstruktion. Dieser Kreislauf ist jedoch enorm vorteilhaft in der Kraftwerkssicherheit. Da sich der mit radioaktiv verseuchtem Wasser gefüllte Primärkreislauf in der Betonabschirmung um das Reaktordruckgefäß befindet, besteht auch im Falle eines Unfalls eine geringere Gefahr, dass radioaktive Stoffe oder Strahlungen nach außen gelangen. Beim Siedewasserreaktor dagegen muss das Maschinenhaus mit besonderen Strahlenschutzmaßnahmen versehen werden, weil das verunreinigte Wasser direkt vom Reaktor in die Turbinen und damit in das Maschinenhaus geleitet wird.

Da es jedoch ziemlich schwierig ist, Turbinen, Generatoren und Kondensatoren strahlendicht aufzubauen, ist mit wirtschaftlichen Mitteln keine so große Sicherheit zu bewerkstelligen   3. Reaktortypen3.1 Der Siedewasserreaktor (SWR) Abb. 8 Siedewasserreaktor [siehe (1) S. 48] Der Siedewasserreaktor wird bis zu einer elektrischen Leistung von etwa 1300 MW gebaut. Typisch sind die langgestreckte Form des Reaktordruckgefäßes und die Anordnung der Steuerstäbe unter dem Druckgefäßboden.

Hier wird im 2/3 gefüllten Reaktordruckbehälter das Wasser durch die Kernenergie erhitzt und zum Sieden gebracht. Der Dampf hat die Temperatur von ca. 283 Grad und einen Druck von ca. 67 bar. Er wird direkt der Turbine zugeführt und dort entspannt. Der nun entspannte und abgekühlte Wasserdampf wird im Kondensator nun weiter abgekühlt und wieder in den flüssigen Aggregatszustand zurückversetzt.

Die Kondensationswärme wird an einen Fluss oder über Kühltürme an die Umgebungsluft abgegeben. In einer Vorwärmeanlage wird das Wasser wieder auf ca. 215 Grad gebracht und dem Reaktor zugeführt. 3.2 Der Druckwasserreaktor (DWR) Abb. 9 Druckwasserreaktor [siehe (1) S.

50] Druckwasserreaktoren findet man ebenfalls mit einer Leistung von ca. 1,3 - 1,4 GW. Hier ist allerdings das Energieumwandlungs-system aufwendiger gebaut. Das Wasser des Primärkreislaufes wird zunächst auf ca. 326 Grad erhitzt. Da es bei einem Druck von ca.

158 bar gehalten wird und damit nicht verdampft, wird die Wärme einem zweiten Kreislauf über einen Wärmetauscher zugeführt. Erst im Sekundärkreislauf wird das Wasser zum Verdampfen gebracht und treibt die Turbinen ähnlich wie beim Siede-wasserreaktor an. [siehe (4) S. 551] 3.3 Vergleich zwischen Siede- und Druckwasserreaktor   Druckwasserreaktor Siedewasserreaktor Brennstoff-Anreicherung in % 3,0 2,7 Mittlerer Abbrand in GWd / t 33 27,5 Betriebsdruck in bar 158 70 Die höhere Brennstoff-Anreicherung in den Brennelementen beim Druckwasserreaktor ist natürlich kostenintensiver als beim Siedewasserreaktor. Wegen des hohen Uran-235-Anteils wird jedoch dafür mehr Energie pro Tonne Uran umgewandelt.

Kostspieliger und aufwendiger ist auch die Bauweise des Reaktordruckgefäßes beim DWR. Hier herrscht nämlich ein wesentlich höherer Betriebsdruck, was stärkere Materialien und bessere Dichtungsmöglichkeiten verlangt. [siehe (4) S. 551] Außerdem ist allein die Konstruktion des zweiten Kühlmittel-Kreislaufes sehr teuer und aufwendiger in der Konstruktion. Dieser Kreislauf ist jedoch enorm vorteilhaft in der Kraftwerkssicherheit. Da sich der mit radioaktiv verseuchtem Wasser gefüllte Primärkreislauf in der Betonabschirmung um das Reaktordruckgefäß befindet, besteht auch im Falle eines Unfalls eine geringere Gefahr, dass radioaktive Stoffe oder Strahlungen nach außen gelangen.

Beim Siedewasserreaktor dagegen muss das Maschinenhaus mit besonderen Strahlenschutzmaßnahmen versehen werden, weil das verunreinigte Wasser direkt vom Reaktor in die Turbinen und damit in das Maschinenhaus geleitet wird. Da es jedoch ziemlich schwierig ist, Turbinen, Generatoren und Kondensatoren strahlendicht aufzubauen, ist mit wirtschaftlichen Mitteln keine so große Sicherheit zu bewerkstelligen, wie es beim Druckwasserreaktor der Fall ist. [siehe (3) S. 35] Ein Nachteil ist auch, dass man beim Siedewasserreaktor die Steuerstäbe entgegen der Schwerkraft in den Kern schieben muss. Es sind zwar sicherheitshalber zwei Antriebe eingebaut, jedoch könnte der zweite schließlich auch ausfallen. Dagegen ist die Sicherheit beim DWR größer, weil die Steuerstäbe über den Brennelementen angeordnet sind und sie so im Notfall einfach durch die Schwerkraft zwischen die Elemente gefahren werden können.

[siehe (3) S. 35] Schließlich bietet der Siedewasserreaktor noch einen funktionellen Vorteil: Er kann wegen seiner kompakten Bauweise auf Schiffen oder U-Booten eingesetzt werden. Besonders auf U-Booten ist er sehr nützlich, da lange Tauchfahrten durch fast unbegrenzte Energievorräte ermöglicht werden. [siehe (2) S. 222] 4. Persönliche Stellungnahme Die Kernspaltung ist zwar eine billige Möglichkeit zur Erzeugung elektrischer Energie, jedoch nicht die sicherste und nachhaltigste.

Da das Problem der Endlagerung noch nicht gelöst ist und wir den radioaktiven Abfall nur nachfolgenden Generationen hinterlassen, ist es oberste Priorität, neue Energiequellen für eine saubere und sichere Zukunft unserer Kinder zu erschließen. Regenerative Energiequellen wie Sonne, Wind, Wasser und Biomasse sind neben den bisherigen Erkenntnissen in der Kernfusion nur der Anfang einer nachhaltigen Lösung. Trotz reger Forschungstätigkeiten im Bereich der Energiewirtschaft ist es meiner Meinung nach immer noch am wichtigsten, unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden und verantwortlich mit der zur Verfügung stehenden Energie umzugehen.

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