Kernreaktoren
Einleitung:
→ der erst KR wurde 1942 in Betrieb genommen und zwar in der USA Chicago
→ heute gibt es zahllose Kernreaktoren der verschiedensten Typen und Größen
Gliederung:
1. Definition
2. nat. Kernreaktor
3. Reaktortypen
a) Druckwasserreaktoren
b) Siedewasserreaktoren
c) schneller Brüter
d) Thorium - Hochtemp.reaktor
4.
→ Kernkraftwerke in Deutschland
→ Kernkraftwerke der Erde
5. Sicherheitsmaßnahmen
a) Schutzvorrichtungen und Maßnahmen
b) Sicherheit und Politik
6. Strehlenbelastung der Umwelt
7. Quellen
1. Def.:
Kernreaktoren = Vorrichtungen, in denen eine gesteuerte Kernreaktion abläuft
→ werden nach ihrem Hauptverwendungszweck
unterteilt: . Leistungsreaktoren zur Energieerzeugung
. Forschungsreaktoren für kern- und materialtechnische
Untersuchungen
. Reaktoren zur Erzeugung radioaktiver Isotope
2.
natürliche Reaktoren:
→ Bsp. Aus der Natur
. 1972 - franz. Forscher entdeckt in Westafrika Überreste eines nat.
Kernreaktors
.vor ca. 2 Milliarden Jahren entstanden
→ nat. Anreicherung von Uran setzt Kettenreak.
In Gang
→ wurde durch das Wasser im Gestein moderiert → H2O verhinderte Atomexplosion, denn H2O bremste Neutronen bis auf die für die Kernspaltung Nötige Geschw.
→ Kettenreak. fing an
→ H2O wurde erhitzt → verdampfte
→ entwich wie bei einem Geysir aus Gestein
→ kein Moderator mehr im Gestein
→ keine Kettenreak.
→ Temp. sank
→ frisches Wasser floss nach
→ bildete neuen Moderator
. Zyklus ging über 150.000 Jahre
. verbrauchte 5 t Uran - 235
. Leistung von 100 kW
3.
Reaktortypen:
a) Druckwasserreaktor
Aufbau:
Funktionsweise:
Ø Durch Wasser wird die in Brennelementen erzeugte Wärme abgeführt
Ø im Hauptkühlkreis herrscht ein Betriebsdruck von ca. 155 bar, damit dieses Wasser nicht siedet
Ø Kühlmittel hat beim Eintritt in Reaktor 288 °C → beim Austritt 316 °C
Ø ca. 44.000 t werden pro h durch den Reaktor bewegt
Ø erhitztes Wasser gibt Wärme über 4 Dampferzeuger in das Wasser eines Sekundärkreises ab
Ø hohe Temp. des Wassers + niedriger Druck im Sek.kreis
→ Wasser verdampft
. 3592 t Sattdampf / h
↓
= Dampf dessen Temp.
der Siedetemp.
Entspricht beim entsprechenden Druck
→ hier bei 52 bar hat der Wasserdampf
eine Temp. von ca. 265 °C
Ø Zweikreissystem wird angewendet, damit sich im H2O angereicherte radioaktive Elemente nicht in die Turbine oder Kondensator gelangen
Ø Durch Dampf → Turbine angetrieben → bei einer Spannung von ≈ 21 kV
Eine Leistung von 662 Megawatt
Ø Kondensator: Verflüssigung des aus der Turbine austretenden Dampfes
→ Dazu ist Kühlwasser nötig, welches Flüssen entnommen wird
Ø Das Kondensat wieder durch eine Pumpe der Vorwärmanlage zurückgeführt → auf 207 °C erwärmt in Dampferzeuger zurückgeleitet
( Siedetemp.bestimmung unter einem best. Druck TW S.
81 + S. 17)
Ø Regelung des Reaktors:
→ Verwendung von Ag + Ln + Cd - Legierung als Absorptionssubstanz
↓
Absorption von Neutronen
→ verschieden viele Regelstäbe können in Reaktor eingefahren werden
Ø Brennelemente befinden sich in Druckbehältern aus Spezialstahl
- ist mit Primärkreislauf in ein Doppelwandiges Sicherheitssystem eingebaut
b) Siedewasserreaktor:
Ablauf:
Funktion:
Ø Brennelemente befinden sich in einem zu ⅔ mit Wasser gefüllten Druckbehälter
Ø H2O strömt von oben durch Reaktorkern
= führt dabei die entwickelte Wärme ab, dabei verdampft schon ein Teil
des Wassers
Ø im oberen Teil des Druckbehälters :
Ø Dampf - Wassertrennung → Sattdampf wird direkt der Turbine zugeführt ( unter einem Druck von 71 bar bei 286 °C)
Ø Nicht verdampftes Wasser fließt nach unten (a) → Vermischung mit Speißewasser (7)
Ø Im Behälter befinden sich Pumpen
→ wälzen Kühlmittel um
→ Pumpe ist regelbar, also auch Kühlmitteldurchlauf
è Reaktorleistung ist regelbar
(8/9)
Ø Aus Turbine austretender Dampf im Kondensator verflüssigt ( mit Hilfe von Kühlwasser)
Ø Vorwärmung des Wassers auf 215 °C → in Reaktor eingespeist
Ø Regelstäbe werden entweder elektromotorisch (bei Normalantrieb) oder hydraulisch ( bei Schnellabspalltung) von unten in Reaktor eingefahren
c) Schneller Brüter:
Ø Brutreaktor: - Kernspaltung
è Energie wird frei
- Brutvorgang
è Uran - 238 wird in Plutonium - 239 umgewandelt
Aufbau:
Reaktor besteht aus zwei Zonen
. Spaltzone innen
. Umwandlungszone außen
Funktion:
Ø Laufen mit hochkonz. spaltbarem Plutonium
Ø Wird mit schnellen Neutronen beschossen, da sie weniger zu Kernspaltung führen als langsame Neutronen
Ø Im Brutreaktor entsteht mehr Plutonium, als bei der Kernspaltung verbraucht wird
→ Überschuss an spaltbarem Materid
→ dies kann in Leichtwasserreaktoren als Spaltstoff genutzt werden
è Natururan kann hier ca. 60 mal besser genutzt werden, als in Leichtwasserreaktoren
Ø Wasser ist als Kühlmittel ungeeignet, da es die (schnellen) Neutronen zu schnell abbremsen würde
+ könnte die große Wärmeenergie nicht schnell genug abführen
è Kühlmittel: - flüssiges Natrium
(Siedepunkt erst bei 883 °C)
→ kann unter niedrigen Druck verwendet werden, da die Austrittstemp. Aus dem Reaktor nur bei 546 °C liegt
è erhält den Namen: SNR
S
↓
schneller
↓
schnelle Neutronen
N
↓
natriumgekühlter
↓
flüssiges Na als Kühlmittel
R
↓
Brutreaktor
↓
Plut. wird erbrütet (mehr als verbraucht)
Funktionsablauf:
Ø Flüssiges Na+ übergibt die im Primärkreis aufgenommene Wärme in einem Zwischenwärmetauscher (7) dem Sekundärkreislauf
Ø Wärme gelangt in einen 2.
Wärmetaucher, der als Dampferzeuger dient
Ø Treibt Turbine an
Ø 3 Kreisläufe aus Sicherheitsgründen notwendig, das Na+, welches Reaktor durchströmt, durch die freien Neutronen radioaktiv wird
Ø TW Gleichung S. 27
Ø Zerfällt zu Magnesium
Ø è sekundärer Na+ - Kreislauf → Na+ nicht radioaktiv
Ø Reaktorleistung wird über Regelstäbe kontrolliert, die wie bei Druckwasserreaktor von oben eingeschoben werden
d) Thorium - Hochtemperaturreaktor:
Aufbau:
Funktion:
Ø Entstehung von sehr hohen Temperaturen
Ø → hohe Temp. ermöglicht nicht nur die Dampfnutzung zum Antrieb von Turbinen, sondern auch die Erzeugung von Prozesswärme für z. B. die Kohlevergasung
Funktionsweise:
Ø Spaltung des Uran - 235 durch langsame Neutronen
Ø Erbrütung des Uran - 233 aus Thorium - 232
Ø è Thorium Hochtemp.reaktor erzeugt sich selbst ein Teil des Spaltstoffes
Ø Graphit als Moderator
Ø Brennelementkugeln befinden sich in einem Behälter aus Graphitblöcken → stützt Kugeln + dient als Neutronenreflektor
Ø Ist von eisernem Schild umgeben, um die auftretenden Gammastrahlen abzuschirmen
Ø Heliumkreislauf: Helium führt die Reaktorwärme nach außen
Ø He strömt in den Dampferzeuger (4) ein -> gibt Wärme ab
Ø Dampf gelangt in externes Maschinenhaus
Ø Treibt dort Turbine an
Ø H2O kühlt im Kondensator ab -> kaltes Wasser strömt in den Dampferzeuger um dort wieder aufgewärmt zu werden
Ø Weiteres zum Kühlsystem: - durch Kondensator verläuft Rohr -> nimmt Wärme aus Kondensator auf -> Rohr verläuft zu einem Naturzug-Trockenkühlturm -> gibt dort Wärme an Luft ab (Wasser im Rohr kühlt ab und fließt in Kondensator zurück)
Ø Regelung und Abschaltung des Reaktors erfolgt über Regelstäbe, die von oben eingeschoben werden
à Sicherheit: Hauptelemente (-> Bild) unter einer 5 m dicken Betonwand
-> hält extrem hohen Druck stand
-> Hält Gammastrahlung ab
Ø Beschickungsanlage dient der Zufuhr mit neuen Brennelementen und der Entnahme von abgebrannten Elementen
4.
Kernkraftwerke
Ø in Dtl. : -> siehe Kopie 1,2
Ø in der Welt : -> siehe Kopie 3
5. Sicherheitsmaßnahmen
a) Schutzvorrichtungen und Maßnahmen
Quellen der Radioaktivität: - bei Kernspaltung auftretende Gamma-
Neutronenstrahlung
- inaktive Elemente, die durch Aufnahme von
Neutronen
- bei Kernspaltung entstandene Spaltprodukte
besitzen häufig Neutronenüberschuss
Sicherheitsbarrieren gegen Austretende radioaktive Stoffe
Ø a und ß Strahlen: werden durch das Kühlwasser vollständig absorbiert
Ø g-Strahlen: 1. Verringerung der Stahlen durch das Reaktordruckgefäß
2. Abschirmung der Strahlung durch 2 m dicke Stahlbetonmauer
3.Reaktorgebäude- Schützt vor Reststrahlung
Kopie 4
Ø Brennstäbe:
- umhüllt mit Zirkaloy
-> Hält Kernbrennstoff von Kühlmittel ab
(Kopie Brennstab)
->verhindert, dass Spaltprodukte in das Kühlmittel glangen
- bei Kernsspaltung entstehen Edelgase -> damit diese nicht den Innendruck verändern werden sogenannte Pellets aus Urandioxid oberhalb des Kernbrennstoffs in die Brennstäbe eingebaut
Ø Rolle des Reaktordruckgefäßes :
- Wandstärke von 14 cm
- Gewicht von 550 t
- bildet eine weitere Barriere für die radioaktive Strahlung
Ø Sicherheitsbehälter -> Buch S.
44
-> bildet 4. Sicherheitsbarriere
-> Umschließt das Reaktordruckgefäß und meist den Primärkühlmittelkreislauf
( Arb.blatt mit Sicherheitsbehälter)
Ø Filtereinrichtungen: -Abgasaufbereitungsanlage filtert die Gase, die über
den Kamin abgegeben werden
-> Restaktivität der Luft wird durch Feinstfilter sark
herabgesetzt (S. 45)
Ø Druckdifferenzen: - Luft strömt vom Ort hohen Drucks zum Ort niedrigen Drucks -> macht man sich hier zu nutze, damit keine radioaktiven Stoffe nach Außen gelangen -> Erbauung von Unterdruckzonen im Reaktorgebäude
(BIlD 59)
-> damit die Unterdruckzonen auch beim Begehen erhalten bleiben
à Personen und Materialschleusen
(bild 61)
- sie garantieren, dass es keine direkte Verbindung zw. Innenraum des Sicherheitsbehälters und den äußeren Räumen gibt
- halten bei eventuellen Störungen maximalsten Druckbelastungen stand
Ø Kondensator
- Dampf aus der Turbine wird kondensiert -> Speisewasser zugeführt
-> Kondensator im Vakuum -> Einbruchsluft wird mit gasförmigen Spaltprodukten von einer Dampfstrahlvakuumpumpe abgesaugt
-> radioaktive Strahlung kann nicht ins Abwasser gelangen
Ø Kondensationskammer:
(Arb.blatt: 4 Bilder aufkleben)
b) Sicherheit und Politik
Ø seit den 70er Jahren gab es viele Proteste von Atomkraftgegnern um:
1.
Gefahrenpotential
2. Lagerung der radioaktiven Abfälle
Ø Politik reagierte: in 90er Jahren wurde daraufhin der Ausstieg aus der Kernkraft propagiert
Ø
Ø MOMENTAN: Umdenken weil:
1. hohe Kosten für regenerative Energiequellen
2. Versorgungsunsicherheiten bei Öl und Gas
3. Verträge bezüglich des CO2 Ausstoßes -> Hindernis für fossile Energieträger
4. wachsender Energiebedarf
Ø weitere Investitionen in Kernenergie
1.
Ru erneuert seine alten KKW
2. Fr. baut neues KKW
3. Schweden stoppt Pläne zum Atomausstieg
4. Neubauten im Iran, China und Nordkorea
Die Bilder habe ich im Internet gefunden..
.es war ganz einfach->sucht doch selbst mal!!!
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