Sexl Physik 8, Schulbuch

Reaktortypen Die einzelnen Kernkraftwerkstypen unterscheiden sich durch die Stoffe, die als Moderator und Kühlmittel verwendet werden, und durch die Bauweise. Als Mode- rator und Kühlmittel werden leichtes bzw. schweres Wasser ( H 2 O bzw. D 2 O ) ver- wendet, als Kühlmittel auch Gase (z. B. CO 2 ). Der Leichtwasserreaktor ist der heute am weitesten verbreitete Reaktortyp. Das angereicherte Uran befindet sich in metallumhüllten Brennstäben, die zu Brenne- lementen gebündelt werden. Brennelemente, Regelstäbe und Kühlmittel befinden sich im zentralen Reaktorkern . Der Reaktorkern ist in einem Druckbehälter un- tergebracht. Das Wasser durchströmt den Reaktorkern und dient dabei einerseits als Kühl- und Transportmittel für die bei der Kernspaltung entstehende Wärme, andererseits als Moderator. Verliert der Reaktordruckbehälter Wasser, so werden die schnellen Neutronen im Reaktorkern nicht mehr abgebremst und die Kettenre- aktion kommt von selbst zum Stillstand. Trotzdem kann es zum Schmelzen des Re- aktorkerns kommen, da die in den Brennelementen vorhandenen Spaltprodukte weiterhin zerfallen und dabei Wärme produzieren. Daraus ergibt sich die Notwen- digkeit eines Notkühlsystems zur Abfuhr der Nachzerfallswärme. Zur Energiegewinnung sind heute zwei Arten von Leichtwasserreaktoren im Ein- satz: Siedewasser- und Druckwasserreaktoren. Im Siedewasserreaktor siedet das Wasser. Der entstehende Wasserdampf wird ei- ner Turbine zugeführt, die einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. In einem Kondensator wird der Dampf gekühlt und wieder dem Reaktorkern zugeführt. 56.4 Schema eines Druckwasserreaktors Die meisten Leichtwasserreaktoren sind Druckwasserreaktoren (  56.4 ). Der Druck im Reaktordruckbehälter des Primärkreislaufes wird auf ca. 140bar einge- stellt. Damit wird erreicht, dass das Wasser trotz der hohen Temperatur nicht sie- det. Durch Pumpen wird das Wasser einem Wärmetauscher zugeführt, wo es seine Energie an einen zweiten Wasserkreislauf abgibt. In diesem Sekundärkreislauf herrscht geringerer Druck, so dass dort das Wasser verdampfen kann und der Dampf mittels Dampfturbinen Generatoren antreibt. Ein Vorteil ist, dass der Primärkreislauf keine direkte Verbindung mit den Turbinen und dem Reaktor- druckbehälter hat und diese damit keiner direkten Strahlung ausgesetzt sind. Die Dampftemperatur bei Kernreaktoren beträgt etwa 280 °C , daher ist der thermo- dynamische Wirkungsgrad rund 30% (vgl. Physik 5, S. 122). Kernkraftwerke sind Wärmekraftwerke. Die bei der Spaltung freiwerdende Energie dient zur Erzeugung von Wasserdampf, mit dem Dampfturbinen angetrieben werden. Der thermodynamische Wirkungsgrad liegt bei etwa 30%. Die Brennstoffenergie wird nur zu etwa einem Drittel zur Strom­ erzeugung genutzt, zwei Drittel werden als Wärme an die Umgebung abgegeben. Dampf- erzeuger Primärkreis Druckwasserreaktor Dampf Transfor- mator Luft und Wasserdampf Luft Kühlturm Pumpe Generator Turbine Fluss Regel- stäbe Brenn- elemente Luft Sekundärkreis Pumpe Kondensator 56.1 Prognose des Anteils der verschiedenen Energieträger an der Deckung des Primär­ energiebedarfs in Europa bis zum Jahr 2050. (EU Reference Scenario 2016) 56.2 Die Gesamtleistung der 452 Kernkraft­ werke betrug 2019 etwa 400 GW (IAEA 2019). Steuerung Regelstäbe Brennstäbe Moderator (Wasser) Kühlwasser (kalt) Reaktordruck- gefäß Kühlwasser (heiß) 56.3 Schnitt durch den Reaktordruckbehälter. Der Ablauf der Kettenreaktion kann durch eine geeignete Anordnung von Moderator und Uranstäben gesteuert werden.  56 Kernphysik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv