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Kernreactor
Kern eines Forschungsreaktors. Das blaue Leuchten um die mittleren Brennelemente ist auf is . zurückzuführen Cherenkov-Strahlung.
Kernkraftwerk Civaux

EIN Kernreaktor ist eine Installation, in der a nukleare Kettenreaktion von Kernspaltung findet unter kontrollierten und stabilen Bedingungen statt. EIN Kernkraftwerk enthält einen Kernreaktor, der Wärme für die Erzeugung von Elektrizität, Beheizung von Häusern und Industrien und Entsalzungsanlagen. Kernreaktoren werden auch für die Antrieb von Schiffen und U-Boote. Darüber hinaus haben sie viele weitere Anwendungen, beispielsweise als Neutronenquelle für Forschungszwecke oder zur Herstellung verschiedener radioaktivIsotope vor dem Nuklearmedizin oder industrielle Nutzung.

Während der Begriff "Kernreaktor" auch für a Fusionsreaktor, wird dies in der Regel nicht gemacht und bezieht sich nur auf Kernspaltungsreaktoren.

Kernspaltung

Bei der Kernspaltung wird der Kern eines schweren Elements wie Uran eine langsame Bewegung ('thermisch') Neutron, wird daher instabil und spaltet sich spontan in zwei kleinere Atomkerne auf. Bei der Spaltung eines Urankerns entstehen zwei leichtere Kerne, zwei bis drei schnelle Neutronen und viel kinetische Energie. Energie die in Wärme umgewandelt wird. Die leichteren Kerne sind radioaktiv und zerfallen auch, wodurch noch mehr Energie freigesetzt wird.

Kettenreaktion

Bei der Uranspaltung entstehen mehr Neutronen als verbraucht wird. Dadurch kann sich die Reaktion grundsätzlich aufrechterhalten und sogar verstärken (nukleare Kettenreaktion). Die durch die Spaltung von . erzeugten Neutronen 235SIE sind jedoch zu schnell, um wiederum eine Spaltung auszulösen und müssen daher verlangsamt werden (Mäßigung), zum Beispiel mit Graphit oder Wasser. Um zu vermeiden, dass zu viele langsame Neutronen erzeugt werden, kann der Überschuss mit Materialien wie z Cadmium und bohren; durch Kontrollstäbe dieser Materialien in den Kern kann der Prozess werden regelmäßig.

Not-Halt

Im Notfall kann die nukleare Kettenreaktion innerhalb von Sekunden mit a . gestoppt werden Not-Halt (scram). Die Steuerstäbe werden in wenigen Sekunden vollständig in den Kern eingeschoben. Dies geschieht bei Störungen im Normalbetrieb, beispielsweise bei Ausfall der Stromversorgung der Kühlsysteme oder bei starken Erschütterungen wie einem Erdbeben. Das Material produziert dann jedoch noch einige Zeit Wärme aufgrund der radioaktiver Zerfall der im Reaktor vorhandenen Spaltprodukte. Diese Wärme muss abgeführt werden und kann bei vielen (insbesondere älteren) Reaktortypen nur durch aktive Kühlung des Systems erfolgen. So führte beispielsweise der Ausfall der Notkühlsysteme zu großen Problemen in der Kernkraftwerk Fukushima I in Japan, nach dem Erdbeben und Tsunami 2011. Bei unzureichender Kühlung können die Kernbrennelemente im Reaktorkern schmelzen (Kernschmelze oder Kernschmelze).

Wärmeübertragung und Stromerzeugung

In den allermeisten Kernreaktoren wird die bei der Spaltung der Urankerne erzeugte Wärme in entmineralisiertem Wasser aufgenommen und als Dampf aus dem Reaktor geleitet Siedewasserreaktoren (wobei Dampf im Reaktorbehälter selbst entsteht) oder als sehr heißes Wasser (305 Grad .) Celsius) unter hohem Druck (ca. 155 Bar) im Druckwasserreaktoren.

In Druckwasserreaktoren wird 305 °C heißes Wasser unter 155 bar Druck im Primärkreislauf verwendet, um Wärme an einen Sekundärkreislauf zu übertragen, in dem dann Dampf erzeugt wird.

In beiden Fällen entsteht Hochdruckdampf (ca. 60 bar), mit dem Dampfturbine eine elektrische Turbogenerator damit es läuft. Auf diese Weise wird die Wärme des Kernreaktors möglichst effizient in Arbeit umgewandelt, die zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird.

Siedewasserreaktoren und Druckwasserreaktoren sind auch Leichtwasserreaktoren weil sie einfach Wasser als Moderator für die Neutronen verwenden. In allen bisherigen Leichtwasserreaktoren wird dieses Wasser auch dazu verwendet, bei der Stromerzeugung die Wärme vom Reaktor auf die Dampfturbine zu übertragen. Bei anderen Reaktorkonstruktionen erfolgt die Wärmeübertragung durch schweres Wasser (Deuteriumoxid) unter Druck in a Schwerwasserreaktor, ein Gas wie Helium oder Kohlendioxid in einem gasgekühlten Reaktor mit a Gasturbine, eine Salzmischung in a Schmelzsalzreaktor oder ein flüssiges Metall wie Natrium, führen oder Wismut.

Zykluszeit

Die im Kernbrennstoffreservoir des Reaktors vorhandene Energiemenge wird oft in der Anzahl der Tage (von 24 Stunden) ausgedrückt, die der Reaktor mit voller Leistung betrieben werden kann. Die Anzahl der „Vollleistungstage“ des Betriebszyklus eines Reaktors (zwischen den notwendigen Stillstandszeiten zum Nachfüllen des Brennstoffs) hängt von der Menge an spaltbarem ab 235U im Bestand an Kernbrennstoffen zu Beginn eines Zyklus vorhanden. Bei einem höheren Prozentsatz 235U im Kern zu Beginn eines Zyklus vorhanden ist, kann der Reaktor über mehrere Tage mit voller Leistung betrieben werden.

Gegen Ende eines Zyklus ist der Brennstoff einiger Brennelemente „ausgebrannt“ und wird entfernt und durch neue (frische) Brennstäbe ersetzt. Der Anteil der Brennelemente, die bei einem solchen Betrieb ausgetauscht werden, beträgt in der Regel ein Viertel bei einem Siedewasserreaktor und ein Drittel bei einem Druckwasserreaktor.

Effizienz

Die Energiemenge, die den Brennstäben während ihrer Lebensdauer entzogen wird, wird als „Abbrand“ bezeichnet und wird in Form der erzeugten Wärmeenergie pro Menge des anfänglichen Brennstoffgewichts ausgedrückt. Eine übliche Einheit sind Megawatt-Tage thermisch pro Tonne Schwermetall am Ausgangswert. (In diesem Fall wird nicht die Stromproduktion, sondern die Wärmeproduktion als Maß genommen, um Unterschiede in der Effizienz der Stromerzeugung nicht zu berücksichtigen).

Reaktortypen

Reaktorkern

Es wurden verschiedene Reaktortechnologien entwickelt, bei denen im Hinblick auf die Geschwindigkeit der eingesetzten Neutronen zwei Grundtypen unterschieden werden können.

Thermische (langsame) Reaktoren langsame Neutronen verwenden. Die meisten Stromerzeugungsreaktoren sind von diesem Typ. Sie verwenden einen Moderator, um die Neutronen auf niedrige Geschwindigkeiten zu verlangsamen, um ein unerwünschtes Einfangen von Neutronen durch zu vermeiden 238SIE verhindern. Sie bestehen auch aus Brennstoff (spaltbarem Material), Gehäusen, Druckbehältern, Strahlungsschilden und Instrumenten zur Überwachung und Steuerung der Reaktorsysteme. Die ersten Reaktoren zur Herstellung von Plutonium waren thermische Reaktoren, die Graphit als Moderator verwendeten.

Schnelle Reaktoren schnelle Neutronen verwenden. Dies erfordert hochangereicherten Brennstoff (manchmal sogar in einer Qualität, die auch für Atomwaffen verwendet werden kann, Waffengrad), aber kein Moderator. Der Kraftstoff ist so stark angereichert, dass wenig 238Sie bekommen mehr hinein, die sonst schnelle Neutronen fangen würden. Dieser Reaktortyp wird in mobilen Installationen verwendet, bei denen der Platzbedarf eine wichtige Rolle spielt (denken Sie daran, Atom-U-Boote) und zur Herstellung von Plutonium (sehen Brutreaktor).

Reaktoren zur thermischen Stromerzeugung lassen sich wiederum in drei Typen einteilen, je nachdem, ob sie Druckkühlkanäle, einen großen Druckbehälter oder eine Gaskühlung verwenden.

Die meisten kommerziellen Reaktoren und Antriebsreaktoren verwenden einen großen Druckbehälter, in dem der vom Reaktor erzeugte Dampf gesammelt wird. Dieses Gefäß dient auch als Hülle für den Reaktor und als Strahlungsschild.

Das RBMK- und CANDUReaktortypen verwenden unter Druck stehende Kanäle. Solche Druckkanalreaktoren können auch im laufenden Betrieb mit neuem Brennstoff versorgt werden, was Vor- und Nachteile hat, die unter CANDU wird besprochen.

Gasgekühlte Reaktoren werden durch einen Kreislauf mit zirkulierendem Inertgas gekühlt, in der Regel Helium aber auch Stickstoffgas und Kohlendioxid werden verwendet. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Wärme effektiv zu nutzen. Einige Reaktoren arbeiten bei einer so hohen Temperatur, dass das Gas direkt verwendet werden kann Gasturbine fahren. Ältere Konstruktionen leiten das Heißgas meist durch einen Wärmetauscher und erzeugen daraus Dampf für eine Dampfturbine.

Die am weitesten verbreitete moderne gasgekühlte Ausführung ist die Kieselbettreaktor. Dieser Reaktortyp kann so ausgelegt werden, dass er auch bei Ausfall aller Regeleinrichtungen sicher bleibt. Wenn der Kern heißer wird, nimmt die Energieproduktion im Reaktorkern ab. Da die Brennelemente aus keramischem Material bestehen, kann ihnen auch hohe Hitze nichts anhaben. Kugelbettreaktoren wurden sowohl für schnelle und langsame Neutronen als auch für neue spaltbare Isotope generieren. Darüber hinaus können alle bestehenden Reaktorkonzepte für Kugelbettreaktoren nachgefüllt werden, ohne die Energieerzeugung unterbrechen zu müssen.

Die meisten schnellen Reaktorkonstruktionen verwenden geschmolzenes Metall für ihre Kühlung, normalerweise Natrium, aber auch führen oder Wismut. Es gibt auch zwei Arten davon, Kreislaufreaktoren und Poolreaktoren. Die Kreislaufdrossel älterer Bauart enthält drei getrennte Kühlkreisläufe. Beim neueren Beckentyp befinden sich der primäre und der sekundäre flüssige Natriumkreislauf in einem gemeinsamen Becken mit flüssigem Natrium.

auf dem amerikanischen Atomwaffentestgebiet in Nevada Ein ungeschirmter Kernreaktor auf einem 500 Meter hohen Turm wurde verwendet, um die Auswirkungen der Radioaktivität zu messen.

Aktuelle Reaktorfamilien

Veraltete Typen, die noch in Betrieb sind

Fortschrittliche Reaktoren

Mehr als ein Dutzend moderner Reaktortypen befinden sich in unterschiedlichen Entwicklungsstadien. Manche leiten sich von PWR-, BWRT- und CANDU-Typen ab, andere gehen neue Wege. Ein Beispiel für ersteres ist der 'erweiterte SWR' (ABWR), von denen zwei in Betrieb sind und weitere im Bau sind. Das bekannteste radikale neue Design ist das Modularer Kieselbettreaktor (PBMR), ein gasgekühlter Hochtemperaturreaktortyp.

Wiederaufbereitungszyklus für Kernbrennstoffe

Alle Kernreaktoren benötigen zum Betrieb spaltbares Material. Uran hat einen Energiegehalt pro Kilo, der etwa eine Million Mal höher ist als der von Öl. Wenn die nachgewiesenen Uranreserven an Land erschöpft wären, würde das Meerwasser immer noch genug Uran enthalten, um den derzeitigen Energieverbrauch der Industriewelt bis zum Sonne verwandelt sich in ein roter Riese. Im Japan Ein Projekt zur Gewinnung von Uran aus Meerwasser ist im Gange, um die Abhängigkeit des Landes von Energieimporten aus dem Ausland zu verringern.

Thermische Reaktoren benötigen normalerweise gereinigtes und angereichertes Uran. Einige Kernreaktoren können mit einer Mischung aus Uran und Plutonium betrieben werden. Der Prozess, bei dem Uranerz gewonnen, aufbereitet, angereichert, verwendet, möglicherweise wiederverwendet und entsorgt wird, wird als Kernbrennstoffkreislauf fuel.

Es gibt auch Thoriumreaktoren gebaut mit denen Thorium-232 im Uran-233 umgestellt werden kann. Thorium kommt in der Erdkruste etwa dreimal häufiger vor als Uran.

Reaktorabfälle sind gefährlich, aber auch kompakt. Ein Kernreaktor erzeugt nur wenige Kubikmeter Abfall pro Gigawattjahr. Nach 600 Jahren ist Reaktormüll nicht radioaktiver als einige natürliche Erze. Die langfristigen Gesundheitsrisiken bestehen hauptsächlich in der Toxizität von Schwermetalle und ionisierende Strahlung, die beide bereits in anderen Industriebereichen der technologischen Zivilisation thematisiert und kontrolliert werden.

Das Hauptproblem bei der aktuellen Speicherung von radioaktiver Müll Im Moment ist es nach Ansicht vieler Experten nicht der Abfall selbst, sondern dass er aufgrund schleppender und schwerfälliger Vorschriften und Bürgerproteste derzeit in Kühlbädern über Tage neben Atomkraftwerken aufbewahrt wird, die einer umfangreichen Überwachung bedürfen und Kontrolle, anstatt tief unter der Erde, in viel sichereren, geologisch stabilen Lagerbereichen.

Geschichte

Der Russe EisbrecherJamal. Es verfügt über zwei Kernreaktoren mit je 171 MW.

Enrico Fermic und Leo Szilard baute den ersten Kernreaktor, den Chicago-Stapel 1, in dem am 2. Dezember 1942 die erste kontrollierte gecontroleerd nukleare Kettenreaktion fand statt. 1955 eine gemeinsame Patent über den vom Patentamt der USA.

Die ersten Kernreaktoren wurden zur Herstellung von Plutonium für die Herstellung von Atomwaffen verwendet. Darüber hinaus setzte die US-Marine Kernreaktoren ein. Mitte der 1950er Jahre wurden beide Sovietunion da die USA ihr Nuklearprogramm auf nichtmilitärische Anwendungen der Atomenergie ausweiten. Wie bei der militärischen Forschung wurde jedoch ein Großteil dieser Forschung im Geheimen durchgeführt. Am 27. Juni 1954 wurde der erste Strom von einem Atomkraftwerk erzeugt, ohne dass es im Westen bekannt wurde. Laut der Uraninstitut in London war der erste Reaktor zur kommerziellen Stromerzeugung Obninski in Russland. Das erste kommerzielle amerikanische Kernkraftwerk stand in Shippingport, Pennsylvania. Es wurde 1953 bestellt und 1957 in Betrieb genommen.

In den 1960er Jahren wurden viele weitere Atomkraftwerke gebaut. Das Ölkrise machte die Welt auf die Verwundbarkeit der westlichen Industrie aufgrund ihrer Abhängigkeit von Öl zur Energiegewinnung aufmerksam.

Nach dem – zumindest öffentlich – sehr wichtigen Unfall bei eingeschaltetem Reaktor Three Mile Island (Harrisburg, Pennsylvania) im März 1979 geriet auch der US-Atommarkt als erster ins Stocken. (Obwohl 200.000 Menschen evakuiert wurden, gab es keine Personenunfälle und es entging so wenig Strahlung, dass Langzeitfolgen nicht zu befürchten waren). Seitdem sind in den USA keine neuen Atomkraftwerke mehr geplant.

Der schwere Unfall in Tschernobyl in dem Sovietunion 1986 hatte weitreichende Folgen für die gesamte Nuklearindustrie. Bevölkerung und Regierungen zögerten weitgehend, Atomenergie zu nutzen und neue Kraftwerke zu bauen. Nach dem Atomkatastrophe von Fukushima 2011 hat sich dieser Effekt wieder verstärkt. Deutschland beschleunigte die Stilllegung seiner Kernkraftwerke.

Die unmittelbare Zukunft der Kernenergie scheint heute in vielen Ländern höchst ungewiss, mit Ausnahmen von Frankreich, Japan, China und Indien. Die drei letztgenannten entwickeln immer noch aktiv sowohl schnelle als auch thermische Technologien, wobei Südkorea an thermischen Reaktoren und Südafrika an modularen Kieselbettreaktoren arbeitet.

Vor-und Nachteile

sehen Atomenergie-Debatte für den Hauptartikel zu diesem Thema.

Die Kernenergie hat gegenüber der Verbrennung fossiler Brennstoffe eine Reihe von Vor- und Nachteilen, die im Folgenden aufgeführt sind.

Leistungen:

  • weniger Kohlendioxidemissionen im Vergleich zu den meisten fossilen Kraftwerken (siehe Treibhauseffekt);
  • viel weniger Abfall (in Bezug auf Masse);
  • Rohstoffe (insbesondere Thorium) in größeren Mengen erhältlich;

Nachteile:

  • der Bau und die Stilllegung von Kernkraftwerken ist aufgrund von Sicherheitsmaßnahmen sehr teuer;
  • der thermische Wirkungsgrad eines Kernkraftwerks ist in der Regel geringer als der eines konventionellen Kraftwerks, was bedeutet, dass bei gleicher Leistung mehr Kühlung benötigt wird;
  • Abfälle können nicht einfach wiederverwendet oder unschädlich gemacht werden;
  • Abfall ist über einen unüberschaubar langen Zeitraum gefährlich und die Verarbeitung und Lagerung daher problematisch und teuer;
  • Atomkraftwerke und (Abfall-)Produkte könnten bei Terroranschlägen missbraucht werden;
  • Produkte können als Rohstoff für die Herstellung von Atomwaffen (dies wird von einigen Regimen als Vorteil wahrgenommen, um ihre internationale Machtposition zu erhalten oder zu stärken);
  • die Gewinnung von Rohstoffen belastet die Umwelt stark;
  • Unfälle können enorme Umweltschäden verursachen.

Die Emissionen konventioneller Kraftwerke bestehen nicht nur aus Kohlendioxid, sondern auch aus sauren Gasen wie Schwefeldioxid und Stickoxiden, Flugasche, Schwermetallen (insbesondere Quecksilber, aber auch radioaktiven Metallen) und festen Abfallprodukten wie Asche. Einige von ihnen mögen Stickoxide sind auch selbst Treibhausgase. Kernkraft erzeugt keine dieser Stoffe außer festen abgebrannten Kernbrennstoffen. Das Abfallvolumen eines Atomkraftwerks ist etwa eine Million Mal kleiner als das eines fossilen Kraftwerks. Da dieses Volumen jedoch radioaktiv ist, ist es pro Gewichtseinheit ein größeres Problem.

Risiken

Es gibt verschiedene Methoden, um Risikoabzuschätzen, wie unter anderem Risikoanalyse. Die Höhe eines Risikos hängt vom Grad der Exposition, der Wahrscheinlichkeit, dass etwas schief geht, und den Folgen ab.

Der Soziologe pro Zeile weist in seiner Theorie der Systemabstürze Beachten Sie jedoch, dass Unfälle nie ausgeschlossen werden können und dass nicht die Wahrscheinlichkeit, dass etwas schief geht, im Vordergrund stehen sollte, sondern die Folgen. Das Gesellschaft muss sich dann fragen, ob sie die Konsequenzen tragen kann und wird. Das können Opferzahlen sein, aber auch ein Areal rund um das Kraftwerk, das für lange Zeit aufgegeben werden muss. Die Bereitschaft dazu wird sich verschieben, wenn die Alternativen zur Kernenergie an Attraktivität verlieren. Bis zur Nuklearkatastrophe von Fukushima lag der Schwerpunkt in der Praxis eher auf der Einschätzung der Wahrscheinlichkeit als auf den Folgen. Seitdem ist in verschiedenen Ländern eine Verschiebung zu beobachten, die auch bei früheren Katastrophen zu sehen war. Die Wirkung lässt mit der Zeit oft nach.

Risikowahrnehmung

Die Risikowahrnehmung geht aus der Forschung vor allem von Slowenisch stark beeinflusst von Vorlieben und Abneigungen gegenüber einer bestimmten Technologie.[1] Obwohl das Risiko einer Technologie nicht mit anderen Vor- und Nachteilen zusammenhängt, scheinen es ihre Befürworter und Gegner sehr unterschiedlich einzuschätzen. Aufgrund dieser Wirkung von was beeinflussen Heuristiken Wie bereits erwähnt, sind Atomkraftgegner der Ansicht, dass jeder Umweltvorteil die Risiken und andere Nachteile wie die Gesamtkosten für den Bau und die spätere Stilllegung von Kernkraftwerken, die Lagerung und Verarbeitung von Atommüll in den Schatten stellt. Befürworter spielen die Risiken eher herunter.

Kernreaktoren in den Niederlanden

sehen Kernkraftwerke in den Niederlanden für den Hauptartikel zu diesem Thema.

Kernreaktoren in Belgien

Siehe auch

Externer Link

Nüsse

  1. ↑Daniel Kahnemann, Denken, schnell und langsam, Pinguin, London, 2011, p. 138-140
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