Ein Kernreaktor ist eine Anlage, die Kernenergie in Wärmeenergie umwandeln kann. Die Reaktoren können die im Kern dieser Anlage auftretenden Kernkettenreaktionen initiieren, steuern und aufrechterhalten.
In einem gemeinsamen Kernkraftwerk werden Kernreaktoren zur Erzeugung von Wärmeenergie und zur Erzeugung von Wasserdampf verwendet. Mit dem Dampf werden Turbinen verwendet, um elektrische Energie zu gewinnen.
Für den Bau eines Kernreaktors ist ausreichend Kernbrennstoff erforderlich, den wir als kritische Masse bezeichnen. Eine ausreichende kritische Masse bedeutet, dass genügend spaltbares Material in einem optimalen Zustand vorhanden ist, um eine Kernspaltungskettenreaktion aufrechtzuerhalten.
Die Anordnung von Neutronenabsorbern und Steuerstäben ermöglicht die Steuerung der Kettenreaktion sowie des Abschaltens und Startens des Kernreaktors.
Die Kernkettenreaktion wird im Kern des Reaktors erzeugt und aufrechterhalten, um das Wasser zu erwärmen, das zum Antrieb der Turbinen der Anlage verwendet wird.
Was sind die Teile eines Kernreaktors?
Ein Kernreaktor besteht aus folgenden Komponenten:
Kern des Kernreaktors
Es besteht aus den Brennstäben. Der Reaktorkern hat eine charakteristische geometrische Form. Der Kern wird durch eine Flüssigkeit, normalerweise Wasser, gekühlt.
In einigen Kernreaktoren befindet sich der Kern in einem etwa 10 bis 12 Meter tiefen Wasserbecken oder in einem Druckbehälter aus Stahl.
Kernbrennstäbe
Sie sind der physische Ort, an dem Kernbrennstoff eingeschlossen ist. Einige Brennstäbe enthalten in Aluminium gemischtes Uran in Form von flachen Blechen. Diese Bleche sind durch einen bestimmten Abstand voneinander getrennt, der die Zirkulation von Kühlkörperflüssigkeit ermöglicht.
Die Blätter befinden sich in einer Art Box, die als Träger dient.
Brennbare Atomkraft
Kernbrennstoff ist ein Material mit der Fähigkeit, sich ausreichend zu spalten, um eine kritische Masse zu erreichen. Das heißt, eine nukleare Kettenreaktion aufrechtzuerhalten. Es ist so positioniert, dass die Wärmeenergie, die diese Kernreaktion erzeugt, schnell extrahiert werden kann.
Natürliches Uran wird aus Uranminen gewonnen, ist jedoch nicht radioaktiv genug, um direkt in einem Reaktor verwendet zu werden. Natürliches Uran wird einem Anreicherungsprozess unterzogen, um instabilere Isotope zu erhalten und den Reaktivitätskoeffizienten zu erhöhen.
Damit ein Kernreaktor über einen bestimmten Zeitraum arbeiten kann, muss er einen Überschuss an Reaktivität aufweisen, der bei frischem Brennstoff maximal ist und mit seiner Lebensdauer abnimmt, bis er aufgehoben wird. In diesem Moment wird die Kernbrennstoffaufladung durchgeführt.
Kontrollstäbe
Steuerstabbündel bieten eine schnelle Möglichkeit zur Überwachung von Kettenreaktionen. Diese Balken ermöglichen schnelle Änderungen der Reaktorleistung und deren eventuelle Abschaltung im Notfall.
Die Steuerstäbe bestehen aus Neutronen absorbierenden Materialien und haben normalerweise die gleichen Abmessungen wie die Brennelemente.
Der Kernreaktivitätskoeffizient wird durch Anheben oder Absenken der Steuerstäbe erhöht oder verringert. Durch Anheben oder Absenken wird das Vorhandensein von Neutronen absorbierendem Material im Kern modifiziert.
Im normalen Betrieb werden bei einem Kernreaktor die Steuerstäbe ganz oder teilweise vom Kern entfernt.
Kernkraftwerke sind so ausgelegt, dass sie bei einem Ausfall eines Reaktorsicherheits- oder Steuerungssystems immer im Sinne maximaler Sicherheit wirken und alle Steuerstäbe vollständig in den Reaktorkern einführen.
Diese Aktion bringt den Kernreaktor in wenigen Sekunden zu einem sicheren Abschalten.
Nuklearmoderator
Die aus einer Kernspaltungsreaktion resultierenden Neutronen haben eine hohe kinetische Energie. Je höher ihre Geschwindigkeit ist, desto weniger wahrscheinlich ist es, dass sie andere Atome spalten. Daher ist es zweckmäßig, diese Geschwindigkeit zu verringern, um neue Kettenreaktionen zu stimulieren.
Die Funktion des Moderators besteht darin, die kinetische Energie der Neutronen durch elastische Kollisionen der Neutronen mit den Kernen des Moderators selbst zu reduzieren.
Zu den am häufigsten verwendeten Moderatoren gehören leichtes Wasser, schweres Wasser und Graphit.
Reaktorkühlmittel
Um die durch Kernspaltungsreaktionen abgegebene Wärmeenergie zu nutzen, wird ein Kühlmittel verwendet. Das Kältemittel hat die Funktion, diese Wärmeenergie aufzunehmen und zu transportieren.
Das Kühlmittel muss korrosionsbeständig sein, eine hohe Wärmekapazität aufweisen und darf keine Neutronen absorbieren.
Die häufigsten Kältemittel sind:
Gase wie Kohlendioxid und Helium
Flüssigkeiten wie leichtes und schweres Wasser.
Es gibt sogar einige organische Verbindungen und flüssige Metalle wie Natrium, die ebenfalls für diese Funktion verwendet werden.
Neutronenreflektor
Bei einer nuklearen Kettenreaktion entweicht eine bestimmte Anzahl von Neutronen aus der Region, in der sie produziert werden. Dieses Austreten von Neutronen kann durch das Vorhandensein eines Reflektormediums minimiert werden, das sie innerhalb des Reaktionsbereichs umleitet.
Das reflektierende Medium, das den Kern umgibt, muss einen geringen effektiven Einfangabschnitt aufweisen, um die Anzahl der Neutronen nicht zu verringern, und dass so viele wie möglich von ihnen reflektiert werden.
Kernreaktorschild
Wenn der Reaktor in Betrieb ist, wird eine große Menge an Strahlung erzeugt. Die Abschirmung dient zum Schutz und zur Isolierung der Mitarbeiter der Einrichtung vor Radioaktivität durch Spaltprodukte.
Daher wird ein biologischer Schutzschild um den Reaktor gelegt, um diese radioaktiven Emissionen abzufangen.
Die am häufigsten verwendeten Materialien für diesen Schild sind Beton, Wasser und Blei.
