Ein Kernkraftwerk ist eine Stromerzeugungsanlage, die die bei Kernreaktionen freigesetzte Energie zur Stromerzeugung nutzt. Im Wesentlichen handelt es sich um eine Art Wärmekraftwerk, das die Kernspaltung als Wärmequelle anstelle von fossilen Brennstoffen wie Kohle oder Gas nutzt.
Der grundlegende Betrieb eines Kernkraftwerks ähnelt dem anderer Wärmekraftwerke: Aus einer Energiequelle wird Wärme erzeugt, die zur Dampferzeugung und zum Antrieb einer Turbine verwendet wird, die an einen elektrischen Generator angeschlossen ist.
Was ist ein Kernkraftwerk?
Ein Kernkraftwerk, auch Kernkraftwerk genannt, ist eine Art Wärmekraftwerk, dessen Energiequelle aus Kernreaktionen, insbesondere dem Kernspaltungsprozess, stammt.
Diese Anlagen sind darauf ausgelegt, ständig große Mengen Strom zu erzeugen und dabei die enorme Energiemenge zu nutzen, die im Atomkern enthalten ist.
Obwohl ihr Betrieb dem anderer Wärmekraftwerke ähnelt – bei denen eine Wärmequelle zur Dampferzeugung und zum Antrieb einer an einen Stromgenerator angeschlossenen Turbine genutzt wird – zeichnen sich Kernkraftwerke durch die Verwendung radioaktiver Stoffe wie Uran-235 oder Plutonium aus -239 als Kraftstoff.
Wozu dient ein Atomkraftwerk?
Der Hauptzweck eines Kernkraftwerks besteht darin, effizient und kontinuierlich Strom zu erzeugen. Durch den Prozess der Kernspaltung erzeugen diese Anlagen Wärme, die zur Erzeugung von Dampf genutzt wird, der dann Turbinen antreibt, die an elektrische Generatoren angeschlossen sind, um Strom zu erzeugen.
Ein weiterer Zweck von Kernkraftwerken ist die Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Im Vergleich zu Kraftwerken, die fossile Brennstoffe wie Kohle und Erdgas verbrennen, stoßen Kernkraftwerke bei der Stromerzeugung nur sehr geringe Mengen Kohlendioxid (CO 2 ) aus.
Neben der Stromerzeugung werden einige Kernkraftwerke auch für wissenschaftliche und medizinische Forschung genutzt. Sie produzieren beispielsweise radioaktive Isotope, die in der Medizin zur Diagnose und Behandlung von Krankheiten sowie für die Forschung in der Kernphysik eingesetzt werden.
Teile eines Kernkraftwerks
Kernkraftwerke können in verschiedene Komponenten unterteilt werden. Die wichtigsten Elemente eines Atomkraftwerks sind die folgenden:
Reaktor nuklear
Der Reaktor ist der zentrale Bestandteil der Anlage, in dem die Spaltungsreaktion stattfindet. Seine Hauptbestandteile sind:
- Kernbrennstoff : Im Allgemeinen angereichertes Uran in Form von Brennstäben.
- Moderator : Stoff, der die Geschwindigkeit von Neutronen verringert, um die Kettenreaktion aufrechtzuerhalten. Normalerweise handelt es sich um leichtes Wasser, schweres Wasser oder Graphit.
- Steuerstäbe : Mechanismen, die Neutronen absorbieren, um die Kernreaktion zu regulieren oder zu stoppen.
- Kühlmittel : Flüssigkeit, die die im Reaktor erzeugte Wärme abführt.
Dampferzeuger
In Druckwasserreaktoren (PWR) überträgt diese Komponente Wärme vom Primärkühlmittel an den Sekundärkreislauf, wo Dampf zum Antrieb der Turbinen erzeugt wird.
Turbine und Generator
Dies sind die Elemente, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln.
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Turbine : Wandelt die thermische Energie von Dampf in mechanische Energie um.
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Generator : Wandelt mechanische Energie in nutzbaren Strom um.
Kondensator
Der Kondensator kühlt den in den Turbinen verwendeten Dampf und wandelt ihn zur Rückführung wieder in Wasser um.
Kühlsystem
Dieses System gewährleistet die Abführung der Restwärme aus Reaktor und Kondensator mithilfe von Kühltürmen oder natürlichen Gewässern.
Sicherheitssysteme
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Eindämmung : Struktur, die den Reaktor umschließt, um die Freisetzung radioaktiven Materials in die Umwelt zu verhindern.
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Schnellstoppsystem : Ermöglicht das schnelle Einführen der Steuerstäbe, um die Reaktion zu stoppen.
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Redundante Systeme : Entwickelt, um im Fehlerfall einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.
Grundlegende Bedienung
Der Betrieb eines Kernkraftwerks kann in mehrere Phasen unterteilt werden, die alle darauf ausgerichtet sind, die bei der Kernspaltung freigesetzte Energie effizient und kontrolliert in Elektrizität umzuwandeln:
1. Kernreaktion im Reaktor
Der Reaktor ist sozusagen das Herzstück der Anlage. In diesem Teil findet der wichtigste Prozess statt: Kernbrennstoff wie Uran durchläuft einen Prozess, der Kernspaltung genannt wird . Im Grunde spalten wir große Atome in kleinere Stücke. Und was passiert, wenn wir diese Atome brechen? Nach Einsteins Feststellung geben sie große Mengen Wärme ab.
2. Wärmeübertragung
Die im Reaktor erzeugte Wärme wird an eine Kühlflüssigkeit (üblicherweise Wasser) übertragen, die im Reaktor zirkuliert. Diese Flüssigkeit wird auf extrem hohe Temperaturen erhitzt.
3. Dampferzeugung
Die erhitzte Flüssigkeit wird zur Dampferzeugung in einem Dampferzeuger (bei Druckwasserreaktoren) oder direkt im Reaktor (bei Siedewasserreaktoren) verwendet. Der erzeugte Dampf hat eine hohe kinetische Energie und wird zu den Turbinen getrieben.
4. Turbinenbewegung
Hochdruckdampf bewegt die Schaufeln einer Turbine und wandelt die thermische Energie des Dampfes in mechanische Energie um.
5. Stromerzeugung
Die Turbine ist mit einem elektrischen Generator gekoppelt, der durch das Prinzip der elektromagnetischen Induktion mechanische Energie in Elektrizität umwandelt.
6. Kondensation und Rezirkulation
Nach dem Durchgang durch die Turbinen wird der Dampf abgekühlt und mithilfe eines Kondensators zu Wasser kondensiert. Das Wasser wird in den Kreislauf zurückgeführt, um erneut erhitzt zu werden, wodurch der Kreislauf geschlossen wird.
Arten von Kernkraftwerken
Kernkraftwerke werden nach der Art des verwendeten Reaktors klassifiziert.
Es gibt verschiedene Arten von Kernreaktoren. Bei Anlagen zur Stromerzeugung handelt es sich ausschließlich um Spaltreaktoren. Die UN klassifiziert sie wie folgt:
- Der Druckwasserreaktor (PWR und WWER). Sie nutzen Hochdruckwasser, um Dampf für Dampferzeuger zu erzeugen. Sie haben drei Schaltkreise.
- Der Siedewasserreaktor (BWR): Der zweithäufigste auf der Welt. Das Wasser kocht und erzeugt Dampf direkt im Reaktorkern. Sie haben nur zwei Schaltkreise.
- Der Druck-Schwerwasserreaktor (PHWR): Verwendet Hochdruck-Schwerwasser als Neutronenmoderator und als Kühlmittel.
- Der gasgekühlte Reaktor (GCR: AGR und Magnox): Sie nutzen Graphit als Neutronenmoderator und Kohlendioxid im gasförmigen Zustand als Kühlmittel.
- Der graphitmoderierte und leicht wassergekühlte Reaktor (LGR und RBMK): Modelle russischen Ursprungs. „Leichtes Wasser“ ist normales Wasser.
- Der schnelle Reaktor (LBR oder LMFBR): Er bremst die Neutronen aus der Kettenreaktion nicht ab und wird mit flüssigem Natrium gekühlt. Sie befinden sich in der Prototypen- und Forschungsphase.
- Schmelzsalzreaktoren: Dabei handelt es sich um eine sich entwickelnde Technologie, die eine Mischung aus geschmolzenem Salz als Kühlmittel und Brennstoff verwendet.