Ein Kernreaktor (oder Atomreaktor) ist eine Anlage, die Kernenergie in Wärmeenergie umwandeln kann. Die Reaktoren verfügen über die Kapazität, die nuklearen Kettenreaktionen, die im Kern dieser Anlage ablaufen, auszulösen, zu steuern und aufrechtzuerhalten.
In einem gewöhnlichen Kernkraftwerk werden Kernreaktoren zur Erzeugung von Wärmeenergie und zur Erzeugung von Wasserdampf verwendet, um die Dampfturbinen anzutreiben, mit denen dieser gewonnen wird.
Grundbetrieb
Ein Kernreaktor erzeugt Energie durch Kernspaltung, einen Prozess, bei dem die Kerne schwerer Atome wie Uran-235 oder Plutonium-239 beim Beschuss mit Neutronen in kleinere Fragmente zerfallen. Bei dieser Spaltung wird eine enorme Energiemenge in Form von Wärme freigesetzt.
Der Reaktor enthält einen Kern mit Kernbrennstoff, meist in Form von Brennstäben. Die auslösenden Neutronen kollidieren mit den Brennstoffatomen, wodurch diese sich spalten und mehr Neutronen und Energie freisetzen. Diese freigesetzten Neutronen verursachen in einer kontrollierten Kettenreaktion weitere Spaltungen.
Um diese Reaktion zu steuern, verfügt der Reaktor über Steuerstäbe aus neutronenabsorbierenden Materialien wie Bor oder Cadmium. Durch Anpassen der Position dieser Balken können Sie die Kettenreaktion beschleunigen, verlangsamen oder stoppen.
Die im Reaktorkern erzeugte Wärme erhitzt ein Kühlmittel, typischerweise Wasser, das durch den Kern zirkuliert. Dieses Kältemittel überträgt Wärme an einen Dampferzeuger, wo Hochdruckdampf erzeugt wird. Der Dampf treibt eine Turbine an, die an einen elektrischen Generator angeschlossen ist und Strom erzeugt.
Wozu dient ein Kernreaktor?
Ein Kernreaktor wird hauptsächlich zur Erzeugung elektrischer Energie durch einen Prozess namens kontrollierte Kernspaltung verwendet. Kernkraftwerke sind Anlagen, die dazu bestimmt sind, Kernreaktoren zu diesem Zweck zu nutzen.
Atomreaktoren dienen jedoch auch anderen Zwecken. Hier sind einige Einsatzmöglichkeiten und Vorteile von Kernreaktoren:
Stromerzeugung
Kernreaktoren sind eine kontinuierliche Quelle elektrischer Energie. Bei der Kernspaltung entsteht eine große Menge Wärme, die zur Dampferzeugung und zum Antrieb von Turbinen genutzt wird, die wiederum Strom erzeugen.
Einer der Hauptvorteile von Atomreaktoren besteht darin, dass sie über lange Zeiträume ohne Unterbrechung betrieben werden können. Auf diese Weise können sie eine konstante Basisenergiequelle zur Deckung des Strombedarfs bereitstellen.
Radioisotopenproduktion
Kernreaktoren werden auch zur Herstellung von Radioisotopen verwendet, die in der Medizin, Forschung und Industrie eingesetzt werden.
Einige Radioisotope verfügen über einzigartige Eigenschaften, die bei medizinischen Diagnosen und Behandlungen verwendet werden, beispielsweise bei der diagnostischen Bildgebung und Strahlentherapie.
Wissenschaftliche und technologische Forschung
Kernreaktoren spielen eine entscheidende Rolle in der wissenschaftlichen Forschung und technologischen Entwicklung.
Forschungsreaktoren dienen dazu:
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Studieren Sie die Physik der Atomkerne.
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Führen Sie Forschungen zu Kernmaterialien durch.
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Simulieren Sie extreme Bedingungen.
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Analysieren Sie die Sicherheit.
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Verbessern und entwickeln Sie neue Reaktordesigns.
Teile eines Kernreaktors
Ein Kernreaktor besteht aus folgenden Komponenten:
1. Kern
Es besteht aus Brennstäben. Der Reaktorkern hat eine charakteristische geometrische Form. Der Kern wird durch eine Flüssigkeit, meist Wasser, gekühlt.
In einigen Kernreaktoren befindet sich der Kern in einem etwa 10 bis 12 Meter tiefen Wasserbecken oder in einem Druckbehälter aus Stahl.
2. Brennstäbe
Sie sind der physische Ort, an dem der Kernbrennstoff eingeschlossen ist. Einige Brennstäbe enthalten Uran gemischt mit Aluminium in Form flacher Platten. Diese Bleche sind durch einen bestimmten Abstand voneinander getrennt, der die Zirkulation der wärmeableitenden Flüssigkeit ermöglicht.
Die Blätter werden in eine Art Box gelegt, die als Unterlage dient.
Kernbrennstoff ist ein Material, das ausreichend spaltungsfähig ist, um eine kritische Masse zu erreichen. Das heißt, um eine nukleare Kettenreaktion aufrechtzuerhalten. Es ist so platziert, dass die bei dieser Kernreaktion erzeugte Wärmeenergie schnell entnommen werden kann.
In Kernkraftwerken werden feste Kernbrennstoffe verwendet. Kernbrennstoffe variieren je nach Reaktortyp, im Allgemeinen werden jedoch Uranderivate verwendet.
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 so den Reaktivitätskoeffizienten zu erhöhen.
Damit ein Kernreaktor über einen bestimmten Zeitraum betrieben werden kann, muss er über eine überschüssige Reaktivität verfügen, die bei frischem Brennstoff maximal ist und mit der Lebensdauer abnimmt, bis sie beseitigt wird. In diesem Moment wird das Nachladen des Kernbrennstoffs durchgeführt.
3. Kontrollleisten
Steuerstabbündel bieten eine schnelle Möglichkeit, Kettenreaktionen zu kontrollieren. Diese Balken ermöglichen schnelle Leistungsänderungen im Kernreaktor und dessen eventuelle Abschaltung im Notfall.
Steuerstäbe bestehen aus neutronenabsorbierenden Materialien und haben normalerweise die gleichen Abmessungen wie die Brennelemente.
Der Kernreaktivitätskoeffizient erhöht oder verringert sich durch Anheben oder Absenken der Steuerstäbe. Durch Anheben oder Absenken wird das Vorhandensein des darin enthaltenen neutronenabsorbierenden Materials im Kern verändert.
Im Normalbetrieb eines Kernreaktors sind die Steuerstäbe ganz oder teilweise aus dem Kern entfernt.
Kernkraftwerke sind so konstruiert, dass sie bei einem Ausfall eines Sicherheits- oder Steuerungssystems des Reaktors immer in Richtung maximaler Sicherheit wirken und alle Steuerstäbe vollständig in den Reaktorkern einführen.
Durch diese Aktion kommt der Kernreaktor in wenigen Sekunden sicher zum Stillstand.
4. Atommoderator
Die bei einer Kernspaltungsreaktion entstehenden Neutronen haben eine hohe kinetische Energie. Je höher ihre Geschwindigkeit, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie andere Atome spalten. Daher ist es ratsam, diese Geschwindigkeit zu verringern, um neue Kettenreaktionen zu fördern.
Die Funktion des Moderators besteht darin, die kinetische Energie der Neutronen durch elastische Stöße der Neutronen mit den Kernen des Moderators selbst zu reduzieren.
Zu den am häufigsten verwendeten Moderatoren zählen leichtes Wasser, schweres Wasser und Graphit.
5. Limonade
Um die bei Kernspaltungsreaktionen freigesetzte Wärmeenergie zu nutzen, wird ein Kühlmittel verwendet. Die Funktion des Kältemittels besteht darin, diese Wärmeenergie aufzunehmen und zu transportieren.
Das Kühlmittel muss korrosionsbeständig sein, eine hohe Wärmekapazität aufweisen und darf keine Neutronen absorbieren.
Die gebräuchlichsten Kältemittel sind:
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Gase wie Kohlendioxid und Helium
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Flüssigkeiten wie leichtes Wasser und schweres Wasser.
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Es gibt sogar einige organische Verbindungen und flüssige Metalle wie Natrium, die ebenfalls für diese Funktion verwendet werden.
6. Reflektor
Bei einer nuklearen Kettenreaktion besteht die Tendenz, dass eine bestimmte Anzahl von Neutronen aus dem Bereich, in dem sie auftritt, entweicht. Dieses Neutronenleck kann durch die Existenz eines reflektierenden Mediums minimiert werden, das sie zurück in den Reaktionsbereich lenkt.
Das den Kern umgebende reflektierende Medium muss einen geringen effektiven Einfangbereich haben, um die Anzahl der Neutronen nicht zu verringern und möglichst viele davon zu reflektieren.
7. Abschirmung
Beim Betrieb des Kernreaktors entsteht eine große Menge Strahlung . Abschirmungen dienen dem Schutz und der Isolierung von Anlagenarbeitern vor der durch Spaltprodukte verursachten Radioaktivität.
Daher wird um den Reaktor herum ein biologischer Schutzschild angebracht, um diese radioaktiven Emissionen abzufangen.
Die am häufigsten verwendeten Materialien zum Bau dieser Abschirmung sind Beton, Wasser und Blei.
Arten von Reaktoren
Es gibt verschiedene Arten von Kernreaktoren, darunter:
- Druckwasserreaktor (PWR): In einem PWR wird Wasser als Kühlmittel und Moderator verwendet. Hochdruckwasser zirkuliert durch den Reaktorkern, um die durch Kernreaktionen erzeugte Wärme zu übertragen. Es ist der häufigste Reaktortyp in kommerziellen Kernkraftwerken.
- Siedewasserreaktor (SWR): In einem SWR wird Wasser sowohl als Kühlmittel als auch als Moderator verwendet. Im Kern kocht Wasser und der erzeugte Dampf treibt Turbinen zur Stromerzeugung an.
- Unter Druck stehender Schwerwasserreaktor (CANDU): In diesen Reaktoren ist der Moderator schweres Wasser (Deuteriumoxid) und das Kühlmittel leichtes Wasser. Sie sind bekannt für ihre Flexibilität und die Fähigkeit, natürliches Uran als Brennstoff zu nutzen.
- Schmelzsalzreaktor (MSR): In einem MSR wird Kernbrennstoff in einer Salzschmelze gelöst, die als Kühlmittel dient. Sie sind bekannt für ihre inhärente Sicherheit und ihre Fähigkeit, bei hohen Temperaturen zu arbeiten.
- Metallgekühlter schneller Reaktor (LMFR): Diese Reaktoren verwenden flüssige Metalle wie Natrium oder Blei als Kühlmittel und arbeiten mit höheren Neutronengeschwindigkeiten. Sie sind effizient darin, Atommüll umzuwandeln und mehr Brennstoff zu produzieren.
- Schwerwasser-Graphitreaktor (HWGCR): Dieser Reaktortyp verwendet Graphit als Moderator und schweres Wasser als Kühlmittel. Sie sind für ihren Einsatz bei der Herstellung von Plutonium bekannt.
- Schneller Neutronenreaktor (FNR): Schnelle Neutronenreaktoren arbeiten mit schnellen statt mit mäßigen Neutronen. Sie sind effizient bei der Nutzung von Brennstoffen und der Produktion von neuem Kernmaterial.