Ein Siedewasserreaktor (BWR ) ist ein Kernreaktortyp, der in Kernkraftwerken auf der ganzen Welt weit verbreitet ist und nach dem Druckwasserreaktor (PWR) der zweithäufigste ist. Es macht etwa 22 % der weltweit in Kernkraftwerken installierten Reaktoren aus.
Der SWR ist in erster Linie für die Stromerzeugung konzipiert und verwendet leichtes Wasser sowohl als Neutronenmoderator als auch als Kernkühlmittel. Eine seiner Besonderheiten besteht darin, dass er mit einem einzigen Wasserkreislauf arbeitet, im Gegensatz zu PWR-Reaktoren, die getrennte Primär- und Sekundärkreisläufe benötigen.
Da der SWR außerdem bei niedrigeren Drücken arbeitet, benötigt er kein so robustes Gehäuse wie der PWR, was einige Aspekte seiner Konstruktion vereinfacht. Im Gegensatz zum PWR verfügt der SWR jedoch nicht über einen Dampferzeuger, was seine Konfiguration und seinen Betrieb beeinflusst.
Schema des Betriebs eines Siedewasserreaktors
Im Reaktorkern wird die Energie des Siedewasserreaktors erzeugt. Im Kern des Reaktors werden Kernspaltungsreaktionen des Brennelements zur Gewinnung thermischer Energie erzeugt.
Die Leistung des Reaktors wird durch das Einführen oder Entfernen von Steuerstäben aus dem Kern reguliert, wo nukleare Kettenreaktionen stattfinden.
Im SWR-Reaktor wird als Wasser Leichtwasser (Leitungswasser) verwendet. Dieser Kernreaktortyp verwendet einen einzigen Kühlkreislauf. Leichtes Wasser zirkuliert durch den Kern, wo es die Wärme der Kernreaktionen auffängt, bis es Siedetemperatur erreicht und Dampf erzeugt wird.
Der im Reaktorkern erzeugte Dampf tritt oben aus. An diesem Punkt behandeln Dampftrockner und Wasserabscheider den Dampf, der den Reaktor verlässt. Anschließend geht es direkt zu den Turbinen.
Die Turbinen werden für den Betrieb des Stromgenerators und die Stromerzeugung verantwortlich sein.
Schließlich durchläuft der Dampf einen Kondensator, um ihn wieder in flüssiges Wasser umzuwandeln und den Kreislauf von neuem zu beginnen.
Der Siedewasserreaktor verwendet einen einzigen Kühlkreislauf, sodass der Dampf, der die Turbine antreibt, aus Wasser besteht, das durch das Innere des Reaktors geströmt ist. Aus diesem Grund muss das Turbinengebäude geschützt werden, um radioaktive Emissionen zu vermeiden.
Hauptmerkmale eines Reaktors (SWR)
Direkte Dampferzeugung
Im Gegensatz zu anderen Reaktortypen, wie zum Beispiel dem Druckwasserreaktor (PWR), wird beim SWR das Wasser direkt im Reaktorkern erhitzt, bis es seinen Siedepunkt erreicht. Das bedeutet, dass der Dampf, der die Turbinen zur Stromerzeugung antreibt, direkt aus dem Reaktorinneren kommt.
Dieses Design macht einen Sekundärkreislauf überflüssig und vereinfacht die Wärmeübertragung.
Verwendung von Wasser als Kühlmittel und Moderator
Der Reaktor nutzt leichtes Wasser (H₂O) für zwei wesentliche Funktionen:
- Kühlmittel: Absorbiert die bei der Kernspaltung entstehende Wärme.
- Moderator: Reduziert die Geschwindigkeit von Neutronen, sodass diese effektiver neue Kernspaltungen verursachen können.
Dadurch wird sichergestellt, dass die Kettenreaktion nachhaltig und kontrolliert abläuft.
Relativ niedriger Betriebsdruck
Wasser siedet im Reaktor bei einem niedrigeren Druck als in anderen Reaktoren wie dem PWR. Dies führt zu sichereren Betriebsbedingungen und geringeren Anforderungen an die Baumaterialien.
Direkte Wechselwirkung von Dampf mit Turbinen
Der im Kern erzeugte Dampf gelangt über einen Kreislauf direkt zu den Turbinen. Dort wird seine Bewegungsenergie in mechanische Energie und anschließend mithilfe eines Generators in elektrische Energie umgewandelt.
Da es keinen zwischengeschalteten Wärmeaustausch gibt, weist das System weniger Energieverluste auf.
Leistungskontrollsystem
Die Reaktorleistung wird reguliert durch:
- Die Bewegung der Steuerstäbe, die Neutronen absorbieren, um die Kettenreaktion zu verlangsamen.
- Regulierung des Wasserflusses durch den Kern, was sich auf die erzeugte Dampfmenge auswirkt.
- Dieses System ermöglicht eine schnelle und präzise Regulierung der erzeugten Energie.
Radioaktive Kontamination im Primärkreislauf
Da der Dampf direkt aus dem Reaktorkern stammt, kann er geringe Mengen radioaktiven Materials enthalten. Aus diesem Grund muss der gesamte Kreislauf, der den Dampf transportiert, sorgfältig abgeschirmt und überwacht werden.
Fortschrittliches Sicherheitsdesign
Obwohl SWRs einfacher aufgebaut sind als andere Reaktoren, verfügen sie über mehrere Sicherheitssysteme, wie Notkühlsysteme sowie Primär- und Sekundärbehälter, um die Freisetzung radioaktiver Stoffe zu verhindern.
Vor- und Nachteile des Siedewasserreaktors
Im Vergleich zu anderen Arten von Leistungsreaktoren weisen SWRs die folgenden Stärken und Schwächen auf:
Vorteile
- Der Kernbrennstoff des Kernreaktors besteht aus zwischen 2 % und 4 % angereicherten Uranoxiden.
- Der Siedewasserreaktor verwendet weder Dampferzeuger noch Druckkompensatoren.
- Der erste Reaktorkreislauf arbeitet bei einem Druck von 70 Atmosphären im Vergleich zu 160 Atmosphären, die bei PWR-Reaktoren (Druckwasserreaktoren) verwendet werden.
- Erfordert niedrigere Betriebstemperaturen, auch in den Brennstäben.
- Aufgrund der Unterdrückung der Neutronenabsorption im Bor und einer etwas schwächeren Neutronenmoderation (aufgrund von Dampf) wird die Betriebszeit von Plutonium in einem solchen Reaktor länger sein als im PWR.
- Der Druckbehälter ist einer geringeren Strahlung ausgesetzt als in einem Druckwasserreaktor. Aus diesem Grund wird es mit zunehmendem Alter nicht so brüchig.
Nachteile
- Es ist unmöglich, Kernbrennstoff nachzuladen, ohne den Kernreaktor anzuhalten.
- Komplizierteres Management.
- Die Steuerleisten müssen von unten eingeführt werden. Im Falle eines Stromausfalls könnten sie nicht durch die Schwerkraft in den Reaktor fallen und der Reaktor würde nicht stoppen.
- Bedarf an einer größeren Anzahl von Feedback-Sensoren.
- Es ist ein Reaktorbehälter erforderlich, dessen Volumen etwa doppelt so groß ist wie das eines PWR vergleichbarer Leistung.
- Obwohl es für niedrigere Drücke ausgelegt ist, ist es schwieriger herzustellen und zu transportieren.
- Turbinenverunreinigung mit Wasseraktivierungsprodukten: kurzlebiges N-17 und Spuren von Tritium. Dies erschwert die Wartungsarbeiten erheblich.
- Sobald die Steuerstäbe vollständig eingedrungen sind, stoppt die Reaktion. Allerdings gibt Kernbrennstoff immer noch Wärme ab. Das bedeutet, dass nach der Abschaltung des Reaktors aus Sicherheitsgründen noch ein bis drei Jahre lang Kühlmittel nachgepumpt werden muss.
Ausgewählte Beispiele
Einige bemerkenswerte Beispiele für nukleare Siedewasserreaktoren (BWRs) sind:
1. Kernkraftwerk Fukushima Daiichi (Japan)
Das für den Atomunfall von 2011 berüchtigte Kraftwerk Fukushima Daiichi nutzte SWR-Reaktoren von General Electric. Mit sechs in Betrieb befindlichen SWR-Reaktoren war es vor der Katastrophe eine der wichtigsten Nuklearanlagen Japans.
Diese Anlage verfügte über sechs in Betrieb befindliche SWR-Reaktoren: Die Leistung des Reaktors betrug 460 MW, während die durchschnittliche Leistung der Reaktoren 2–6 zwischen 784 und 1.100 MW lag.
2. Kernkraftwerk Browns Ferry (USA)
Das in Alabama gelegene Kraftwerk ist hinsichtlich der Erzeugungskapazität eines der größten Kernkraftwerke der Welt und betreibt drei SWR-Reaktoren. Auch diese Reaktoren wurden von General Electric gebaut.
Diese Anlage verfügt über 3 Reaktoren:
- Reaktor 1: 1.065 MW, in Betrieb seit 1974.
- Reaktor 2: 1.113 MW, in Betrieb seit 1975.
- Reaktor 3: 1.113 MW, in Betrieb seit 1977
3. Kernkraftwerk Oskarshamn (Schweden)
Das Kraftwerk Oskarshamn beherbergt einen der größten SWR-Reaktoren der Welt, gemessen an der Erzeugungskapazität, der Schweden und die umliegenden Gebiete mit Strom versorgen soll.
4. Kernkraftwerk Laguna Verde (Mexiko)
Es ist das einzige Kernkraftwerk Mexikos, liegt im Bundesstaat Veracruz und betreibt zwei SWR-Reaktoren. Es trägt wesentlich zur Erzeugung elektrischer Energie im Land bei
5. Kernkraftwerk Kashiwazaki-Kariwa (Japan)
Kashiwazaki-Kariwa gilt als eines der größten Kernkraftwerke der Welt und verfügt über sieben Reaktoren, von denen einige vom Typ SWR und andere vom Typ ABWR (Advanced Siedewasserreaktoren) sind.