Der Maschinenbau spielt eine entscheidende Rolle in der Kernenergieindustrie, wo Präzision, Sicherheit und Effizienz von größter Bedeutung sind.
In einem Kernkraftwerk wird Strom durch Kernspaltung erzeugt, ein Prozess, bei dem sich Atomkerne in kleinere Kerne aufspalten und dabei eine erhebliche Energiemenge freisetzen.
Um diese Reaktion zu kontrollieren und ihre Sicherheit zu gewährleisten, werden mehrere Mechanismen eingesetzt, die die klassische Mechanik mit der Kernphysik vereinen:
1. Kernreaktor: Einführung von Steuerstäben
Der Kernreaktor ist das Herzstück eines Kernkraftwerks. Im Inneren befinden sich die Brennstäbe, in der Regel angereichertes Uran, die bei Beschuss mit Neutronen die Kernspaltung auslösen.
Um die Reaktionsgeschwindigkeit zu kontrollieren und eine Überhitzung zu vermeiden, werden Steuerstäbe aus Materialien wie Bor oder Cadmium verwendet, die Neutronen absorbieren und die Kernaktivität regulieren.
Automatisierung
In vielen Reaktoren kann der Prozess der Einführung von Steuerstäben automatisch durch computergestützte Steuersysteme gesteuert werden, die die Kernaktivität und die Reaktortemperatur ständig überwachen.
Mechanische Elemente
Zu den mechanischen Systemen, die die Bewegung der Steuerstangen bewirken, gehören normalerweise:
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Hydraulische Aktuatoren und Systeme: Diese Aktuatoren können eine feine und präzise Steuerung ermöglichen.
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Elektromotoren: Diese Motoren können elektronisch gesteuert werden, um eine gleichmäßige und präzise Bewegung zu erreichen.
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Getriebesysteme – Getriebesysteme können verwendet werden, um Kraft vom Motor oder hydraulischen Aktuator auf die Steuerstangen zu übertragen.
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Führungen und Stützstrukturen: Diese Komponenten sorgen dafür, dass sich die Stäbe ohne unerwünschte Abweichungen in die gewünschte Richtung bewegen.
2. Kühlsystem
Die im Kernreaktor erzeugte Wärme muss kontrolliert werden, um Schäden an Komponenten zu verhindern und einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Hierzu wird ein Kühlsystem verwendet, das eine Flüssigkeit, meist Wasser, durch den Reaktor zirkuliert, um die Wärme aufzunehmen.
Aus diesem Grund spielen die Prinzipien und Gesetze der Strömungsmechanik eine grundlegende Rolle bei der Konstruktion von Pumpen, Ventilen und Rohren in diesem System.
Der Maschinenbau stellt sicher, dass diese Bauteile beständig gegen Strahlung und hohe Temperaturen sind.
Nachfolgend finden Sie eine Beschreibung der wichtigsten mechanischen Elemente des Kühlsystems:
Umwälzpumpen
Umwälzpumpen treiben das Kältemittel durch den Kältekreislauf. Diese Pumpen sind für die Förderung großer Kühlmittelmengen ausgelegt und sorgen für den notwendigen Durchfluss zur Kühlung des Reaktors und anderer Komponenten.
Mechanisch müssen sie robust und zuverlässig sein, denn der Ausfall einer Pumpe könnte schwerwiegende Folgen haben.
Wärmetauscher
Wärmetauscher dienen dazu, Wärme zwischen dem im Reaktor zirkulierenden Kühlmittel und einem anderen Medium, meist Wasser oder Dampf, zu übertragen, das zur Stromerzeugung verwendet wird.
Diese Wärmetauscher können unterschiedlicher Art sein, beispielsweise Rohr- und Rippenwärmetauscher oder Plattenwärmetauscher.
Rohre und Ventile
Das Kühlsystem nutzt ein Netzwerk aus Rohren, Ventilen und Druckschaltern, um den Kältemittelfluss zu transportieren und zu regulieren.
Rohre müssen gegen Strahlung und hohe Temperaturen beständig sein und Ventile müssen in der Lage sein, den Durchfluss präzise zu steuern.
Kondensatoren (in Systemen mit offenem Kreislauf)
In Kernkraftwerken mit offenem Kreislauf werden Kondensatoren verwendet, um Wasserdampf in Flüssigkeit umzuwandeln und dabei Wärme freizusetzen.
Kondensatoren sind mechanische Komponenten, bei denen Dampf durch eine Reihe von Rohren und Wärmeaustauschflächen geleitet wird.
Lüfter und Zusatzkühlsysteme
Um die richtige Temperatur im Kühlsystem und in der Umgebung aufrechtzuerhalten, werden Ventilatoren und Zusatzkühlsysteme eingesetzt.
Diese mechanischen Komponenten helfen dabei, die Temperatur zu regeln und das richtige Druckniveau im System aufrechtzuerhalten.
Filtersysteme
Kühlsysteme können auch mechanische Filtersysteme umfassen, um Verunreinigungen und Partikel aus dem Kältemittel zu entfernen und so Rohrverstopfungen und vorzeitigen Komponentenverschleiß zu verhindern.
3. Dampferzeuger und Turbinen
Die dem Reaktor durch das Kühlsystem entzogene Wärme wird zum Erhitzen von Wasser und zur Erzeugung von Hochdruckdampf verwendet. Dieser Dampf wird auf eine mechanische Turbine geleitet.
Dampfturbinen wandeln die kinetische Energie des Dampfes in mechanische Energie um, die dann von einem elektrischen Generator in Elektrizität umgewandelt wird.
4. Sicherheitssystem
Sicherheit in Kernkraftwerken hat Priorität. Damit die Anlage im Notfall sicher abgeschaltet und abgekühlt werden kann, sind Sicherheitsmechanismen wie Überdruckventile, Feuerlöschanlagen und Backup-Systeme installiert.