Grundlagen der Kernspaltung und Kernreaktoren

Die Nutzung der bei Kernspaltungsreaktionen freigesetzten Energie für praktische Zwecke ist aufgrund verschiedener Tatsachen bemerkenswert:

• Diese Reaktionen ermöglichen die Aufrechterhaltung einer Kettenreaktion.
• Freigesetzte Neutronen hoher Energie sind nicht geeignet, um eine Kernspaltung auszulösen. Es ist notwendig, sie abzubremsen und ihre Energie auf etwa 0,02 eV zu verringern. Dies wird erreicht, indem die Neutronen wiederholt gegen leichte Stoffe stoßen, die als Moderatoren bezeichnet werden.
• Die erzeugten Neutronen können:
  • aus dem spaltbaren Material entweichen, ohne eine Reaktion auszulösen;
  • durch Verunreinigungen absorbiert werden;
  • von Kernen absorbiert werden, ohne eine Spaltung zu verursachen.

Merkmale eines Kernreaktors

Der zentrale Teil des Reaktors, der sogenannte Kern, enthält das Brennmaterial sowie die notwendigen Elemente zur Erzeugung und Steuerung der Kernspaltung. Dies sind das Moderatormaterial und die Steuerstäbe.

Der Brennstoff, der in unterschiedlichsten Größen und Formen vorliegt, ist in der Regel mit einer Schutzschicht versehen (meist metallische Hüllrohre). Diese isoliert ihn nach außen, um chemische Reaktionen zu vermeiden und den Austritt hochreaktiver Spaltprodukte zu verhindern.

Zum Starten wird eine Neutronenquelle verwendet, die meist vom Moderator umgeben ist.

Um den Kern herum befindet sich normalerweise ein Reflektor aus einem Material, das dem des Moderators ähnelt, um das Entweichen von Neutronen zu verhindern. Zum Schutz der Umwelt vor der Neutronenstrahlung, die sowohl während der Kernspaltung als auch danach entsteht, umgibt eine Abschirmung aus mehrere Meter dickem Beton den Reaktor, welche die Strahlung abbremst.

Verschiedene Typen von Atomreaktoren

Leistungsreaktoren: Dies sind jene Anlagen in Kernkraftwerken, in denen Wärmeenergie mittels einer Turbine in elektrische Energie umgewandelt wird, nach einem Verfahren, das konventionellen Wärmekraftwerken ähnelt.

Forschungsreaktoren: Hierzu gehören Anlagen, in denen Neutronen als Quelle hoher Intensität genutzt werden, um Radioisotope zu produzieren.

Brutreaktoren: Diese wandeln brütbares Material in spaltbares Material um.

Kernkraftwerke

Kernkraftwerke sind jene Anlagen, welche die Energie aus der Kernspaltung in elektrische Energie umwandeln.

• Im Inneren des Kernreaktors wird Energie in Wärme umgewandelt.
• In der Turbine wird die aus dem Kühlmittel extrahierte Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt.
• Der Generator wandelt die mechanische Energie in elektrische Energie um.

Die im Reaktor infolge der Kernspaltungsreaktionen entstehende Wärme erhitzt das zirkulierende Kühlmittel, das unter hohem Druck durch Rohre geleitet wird. Diese bilden den Primärkreislauf. Nach der Wärmeabgabe an die Dampferzeuger kehrt das Kühlmittel durch die Pumpenleistung in den Reaktor zurück.

In den Dampferzeugern wandelt die Wärme das Wasser im Sekundärkreislauf in Dampf um. Dieser wird zum Turbinengebäude geleitet, wo er die Schaufeln der Hoch- und Niederdruckturbinen antreibt. Anschließend gelangt der Dampf in den Kondensator, wo er durch die Einwirkung eines Kühlsystems verflüssigt wird. Das Kühlwasser wird einem Fluss oder dem Meer entnommen und anschließend dorthin zurückgeführt.

Das Kondensat wird erneut zum Dampferzeuger geleitet, wodurch sich der Zyklus wiederholt.