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Steuerstäbe eines Kernkraftwerks

Steuerstäbe eines Kernkraftwerks

Die Steuerstäbe von Kernkraftwerken sind die Elemente, mit denen die Leistung des Reaktors geregelt werden kann. Es ist ein wesentliches Element für die Reaktorsicherheit. Ohne sie würde die Leistung des Reaktorkerns unkontrolliert zunehmen.

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Die Kernreaktionen, die in einem Spaltreaktor stattfinden, finden in einer Kette statt. Mit anderen Worten, jedes Mal, wenn ein Atom auf ein Neutron trifft, spaltet es sich und emittiert ein oder zwei weitere Neutronen. Die freigesetzten Neutronen können andere Atome beeinflussen, so dass pro Zeiteinheit immer mehr Reaktionen stattfinden.

Die Steuerstäbe sind zylindrische Rohre aus einem Material, das Neutronen absorbiert. Dieses Material kann Borcarbid oder Legierungen aus Silber, Indium und Cadmium sein.

Die Abmessungen der Steuerstäbe sind die gleichen wie die der Kernbrennstäbe.

Wofür sind die Steuerstäbe in einem Kernreaktor?

Die Steuerstäbe von Kernreaktoren ermöglichen die Steuerung der Häufigkeit von Kernreaktionen. Die Absorption von Neutronen verhindert, dass sie mehr Brennelemente spalten.

Die Wirksamkeit hängt vom Anteil der Stäbe ab, die mit der Reaktionszone in Kontakt stehen. Je weiter es in den Reaktorkern hineinreicht, desto mehr Neutronen absorbiert es und desto weniger Reaktionen treten auf. 

Wie ist die Leistung eines Kernreaktors geregelt?

Die Steuerstäbe sind einer der Mechanismen zur Regulierung des Zustands eines Kernreaktors. Die Stäbe sind oft das wichtigste Element bei einer schnellen Abschaltung des Reaktors (sogenannter Not-Aus oder Scram).

Steuerstäbe eines KernkraftwerksIn Druckwasserreaktoren hängen die Stäbe im Reaktor und können als Sicherheitssystem fungieren. Steigungen werden mit einem Elektromagneten aufrechterhalten und fallen bei einem unvorhergesehenen Verlust der Steuerleistung automatisch in den Reaktor. Somit wird die Kernspaltungskettenreaktion gestoppt.

Bei anderen Reaktortypen, wie dem Siedewasserreaktor, ragen die Stäbe vom Boden in den Reaktor hinein. Zur Aktivierung müssen sie aktiv in den Reaktorkern gedrückt werden.

Tatsächlich ist der Reaktorsteuerungsprozess komplizierter: Der Reaktionsverlauf hängt auch von der Temperatur und Abkühlung des Reaktors sowie von der Anwesenheit bestimmter Rückstände aus dem Spaltprozess ab (die manchmal viele Neutronen absorbieren).

Wenn die Steuerstäbe vollständig eintreten (z. B. während eines Notstopps), stoppt die nukleare Kettenreaktion fast sofort. Der Reaktor soll dann unterkritisch werden. Das radioaktive Material gibt jedoch noch einige Zeit Wärme ab, die sich weiter auflösen muss. Andernfalls kann es zu einem Zusammenbruch kommen.

Bei der Nutzung der Kernenergie sind die Steuerstäbe ein sehr wichtiges Sicherheitselement, um den Kernreaktor im Alarmfall stoppen zu können.

Wie hängen Steuerstäbe mit nuklearen Unfällen zusammen?

Eines der großen Probleme mit der Kernenergie ist die Möglichkeit von nuklearen Unfällen. Einige Unfälle wurden auf Missmanagement oder Ausfall der Steuerstange zurückgeführt, einschließlich des Atomunfalls von Tschernobyl.

Neutronenabsorber wurden häufig zur Behandlung von Kritikalitätsunfällen eingesetzt. In diesen Absorptionsmitteln werden wässrige Lösungen spaltbarer Metalle verwendet. Bei mehreren dieser Unfälle wurde dem System Borax (Natriumborat) oder eine Cadmiumverbindung zugesetzt. Cadmium kann als Metall zu Salpetersäurelösungen von spaltbarem Material gegeben werden; Cadmiumkorrosion in Säure erzeugt in situ Cadmiumnitrat.

In kohlendioxidgekühlten Kernreaktoren kann Stickstoffgas in den Primärkreislauf injiziert werden, wenn die Steuerstäbe die Kettenreaktion nicht stoppen. Stickstoff hat eine höhere Neutronenabsorptionskapazität als Sauerstoff oder Kohlenstoff.

Mit zunehmender kinetischer Energie von Neutronen nimmt der Neutronenquerschnitt der meisten Isotope ab. Bor ist ein gutes Schutzmaterial gegen Neutronen. Dies ist eine weitere Möglichkeit, die Aktivierung von Material in der Nähe des Reaktorkerns zu verringern.

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Erscheinungsdatum: 10. Dezember 2009
Geändert am: 11. September 2020