Kernreaktoren
Projekt-Arbeit Physik
Nutzung der Kernenergie (technische Betrachtung)
Kernreaktoren
Gliederung:
1.Kurze Einleitung
2. Definition
3. Reaktortypen
a) Druckwasserreaktor
b) Siedewasserreaktor
4. Sicherheitsmaßnahmen gegen radioaktive Strahlung
5. Allgemeine Beschreibung des Reaktordruckgefäßes
6.
Vergleich von Druckwasserreaktor und Siedewasserreaktor
7. Eigene Beurteilung des Themas
8. Quellenverzeichnis
1. Kurze Einleitung
Die ersten großen Kernreaktoren wurden 1944 in den USA zur Gewinnung von Plutonium für den Bau von Atombomben errichtet. In diesen Anlagen war der Brennstoff natürliches Uran. Dort wurde durch die Verbindung von Neutronen und Uran-238 das Element Plutonium gewonnen.
Die Wärme, die dabei entstand, wurde damals noch nicht genutzt.
2. Definition
Kernreaktoren sind Vorrichtungen, in denen eine gesteuerte Kernreaktion abläuft. Ihr Hauptverwendungszweck liegt in der Energieerzeugung.
3. Reaktortypen
a) Druckwasserreaktor
Der Druckwasserreaktor ist ein wassergekühlter und wassermoderierter Kernreaktor.
Durch diesen Kernreaktor fließt entweder normales Wasser oder Deuterium (schweres Wasser). Dieses Wasser transportiert die Energie und ist somit der so genannte Moderator. Da das Wasser durch Uranstäbe [2] auf 320°C erwärmt wird, enthält es radioaktive Spuren und darf in keinen natürlichen Kreislauf mehr gelangen. Deswegen fließt es in einem eigenen Kreislauf. Der Druckhalter [5] sorgt dafür, dass das Wasser nicht siedet, in dem er den Druck konstant bei 150 bar hält.
Dieses erwärmte Wasser des ersten Kreislaufes gibt seine Wärme in dem Dampferzeuger [6] an das Wasser des zweiten Kreislaufes ab.
Dabei verdampft das Wasser aufgrund seines niedrigen Drucks und der hohen Temperatur. Mit Hilfe des Dampfes wird eine Turbine [9;10] betrieben, an die ein Drehstromgenerator [11] angeschlossen ist. Im Kondensator [12] wird der Dampf, der aus der Turbine austritt, wieder verflüssigt. Es fließt dann wieder in den Dampferzeuger und der Vorgang wiederholt sich. Zum Abkühlen des Dampfes im Kondensator wird kaltes Wasser aus Gewässern genutzt.
b) Siedewasserreaktor
Der Aufbau des Siedewasserreaktors ähnelt im Bereich der Brennstäbe [4] dem des Druckwasserreaktors.
Durch den geringen Druck innerhalb des Reaktorkerns siedet das Wasser schon innerhalb des Druckbehälters [3]. Da ein zweiter Kreislauf fehlt, gelangen radioaktive Stoffportionen mit dem Dampf [6] direkt in die Turbinen [9;10]. Aus der Turbine gelangt der Wasserdampf in den Kondensator [12], der es abkühlt und wieder verflüssigt. Das Wasser fließt zurück in den Druckbehälter, vermischt sich dort mit dem nicht verdampften Wasser und wird von den Pumpen [2] umgewälzt. Somit gelangt das Wasser an die Brennstäbe und der Vorgang wiederholt sich.
4.
Sicherheitsmaßnahmen gegen radioaktive Strahlung
Zur Absorbierung von α- und β-Strahlung genügt das Kühlwasser. γ-Strahlen hingegen können durch das Reaktordruckgefäß nur verringert werden. Durch eine 2m dicke Stahlbetonmauer werden die Strahlen abgeschirmt. Das Reaktorgebäude schützt vor Reststrahlung.
5. Allgemeine Beschreibung des Reaktordruckgefäßes
Das Reaktordruckgefäß besteht aus einem Druckbehälter, Steuerstäben und Brennelementen, die aus dem radioaktiven Stoff Uran bestehen.
Steuerstäbe, die eine Schicht aus neutronenabsorbierendem Material besitzen, können bei einer Schnellabschaltung des Reaktors hydraulisch eingefahren werden. Die Steuerstäbe können aber auch für langsame bzw. langfristige Regelvorgänge in das Reaktorkühlwasser geführt werden.
Durch die abgestoßenen Neutronen findet mit dem Uran eine Kernspaltung statt, welche Wärmeenergie erzeugt.
Durch den Reaktorkern fließt das Wasser, das den Namen Moderator erhält. Es dient ebenfalls als Kühlmittel.
Im Falle eines Austretens des Kühlwassers können die Brennelemente so heiß werden, dass ihre Hüllen schmelzen. Die Wärme, die auch ohne Kernspaltung in den Brennelementen freigesetzt wird, ist die so genannte Nachwärme. Sie entsteht durch den radioaktiven Zerfall der Spaltprodukte und deren Zerfallsprodukte. Dabei können so hohe Temperaturen entstehen, dass der Reaktorkern schmilzt. Dieses wäre eine Kernschmelze.
Damit eine Kernschmelze nicht passiert, gibt es das so genannte Notkühlsystem, es hält den Reaktorkern auf einer bestimmten Temperatur, bei der er nicht zerstört wird, bis die Temperatur auf ein erträgliches Maß gesunken ist oder die Lecks im ersten Kreislauf geschlossen sind.
6. Vergleich von Druckwasserreaktor und Siedewasserreaktor
Beide Reaktortypen sind Leichtwasser-Reaktoren, sie verwenden leichtes Wasser als Moderator und Kühlmittel. Sie besitzen Druckbehälter, in denen sich Brennelemente befinden. Die Turbinen und der Kondensator funktionieren nach demselben Prinzip.
Jedoch gelangt der radioaktive Dampf beim Siedewasserreaktor in die Turbinen, was somit gefährlicher ist. Außerdem müssen die Turbinen deswegen öfter gewechselt werden, was teuer ist.
Um diese Gefahr zu vermeiden, besitzt der Druckwasserreaktor einen ersten und einen zweiten Kreislauf. Er hat im ersten Kreislauf mehr Druck, weswegen das Wasser nicht siedet, wie im Siedewasserreaktor.
Im Siedewasserreaktor wälzt eine Pumpe das nicht verdampfte Wasser und das Kühlmittel um.
7. Eigene Beurteilung des Themas
Auf den ersten Blick erschien uns das Thema als leicht überschaubar. Doch bei näherer Betrachtung fiel uns auf, dass dieses ein sehr umfangreiches und komplexes Thema ist.
Wir sind der Meinung, Kernkraftwerke sind ein oft diskutiertes Thema, und somit war es recht einfach, Informationen auch aus dem Internet zu finden. Andererseits gab es einen sehr geballten Informationsüberschuss, aus dem wir uns das Kernthema heraussuchen mussten. Interessant fanden wir, dass wir die Gefahren eines Kernkraftwerkes durch die Kernreaktoren erkennen konnten.
Eines unserer Hauptprobleme bestand darin, dass wir nicht wussten, ob wir die richtigen Informationen für den Vortrag ausgewählt hatten. Dadurch, dass viele wichtige Unterthemen möglich sind, mussten wir viele Gebiete streichen.
Da Kernreaktoren festgelegte Gegenstände sind, war es leicht, konkrete Hintergrund- informationen herauszufinden.
8. Quellen
www.energieinfo.de
www.wikipedia.de
www.
bglerch.asn-ktn.ac.at
www.hamburger-bildungsserver.de
www.
kfue-sh.de
Physikbücher (Kuhn, Cornelsen)
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