Kernenergie: Fusion, Spaltung und Brennstoffkreislauf

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Kernfusion

Kernfusion: Reaktionen zwischen Kernen leichter Atome führen zur Bildung eines schwereren Kerns als des ursprünglichen. Dabei wird Energie freigesetzt, begleitet von der Emission von Elementarteilchen.

Kernspaltung

Kernspaltung: Reaktionen, bei denen ein schwerer Kern aufgespalten wird, in der Regel in zwei Fragmente ähnlicher Größenordnung. Dabei werden Neutronen ausgesandt und große Mengen an Energie freigesetzt.

Kernspaltung:

Ein schwerer Kern absorbiert ein Neutron und spaltet sich in zwei leichtere Kerne, die Spaltprodukte genannt werden. Dabei wird eine große Menge an Energie freigesetzt, während mehrere Neutronen emittiert werden (typisch 1–5), γ-Strahlung (Photonen) und andere kleinere Teilchen wie Neutrinos. Die Bedeutung der Kernspaltung liegt gerade in der Emission von Neutronen, denn die wesentliche Idee der Nutzung der Kernspaltung ist, dass durch die Spaltung produzierte Neutronen weitere Reaktionen induzieren können, um eine Kettenreaktion von Kernspaltungen zu propagieren.

Wenn man die Kettenreaktion der Kernspaltung stabil (steady state) halten will, d. h. sie weder wachsen noch abklingen soll, muss bei der Kernspaltung im Mittel genau ein Neutron aus jeder Spaltung eine neue Spaltung induzieren. Die durchschnittliche Energie, die bei einer Kernspaltung von ^U₂₃₅ freigesetzt wird, beträgt etwa 200 MeV. Die Zahl der Spaltungen pro Sekunde, die benötigt wird, um in einem Reaktor 1 MW Leistung zu erzeugen, ist:

Einer der wichtigsten Aspekte sind die Neutronen, die in der Reaktion emittiert werden. Die meisten der Neutronen werden in sehr kurzer Zeitintervalle freigesetzt, in der Größenordnung von 10^-17 Sekunden nach der Spaltung; diese Neutronen werden Promptneutronen genannt. Ein kleiner Bruchteil der insgesamt emittierten Neutronen (weniger als 1 %) in einem Reaktor wird mit einiger Verzögerung emittiert (im Durchschnitt etwa einige Sekunden bis zu einigen zehn Sekunden) und heißen verzögerte Neutronen; sie entstehen während des Zerfalls bestimmter Spaltprodukte.

5. Arten von Reaktoren

5.1 PWR (Druckwasserreaktor)

PWR (Druckwasserreaktor)

Moderator und Kühlmittel: Leichtes Wasser. Brennstoff: schwach angereichertes Uran als UO2. Brennelemente: quadratische Matrix mit Zirkaloy-Stäben, z. B. 16×16. Druck im Druckbehälter: ca. 17 MPa (170 bar). Kühlmitteltemperatur: 280 °C; Ein- und Austritt bis ca. 330 °C. Es gibt 1–4 Dampferzeuger. Die Steuerstäbe werden von oben in den Reaktorkern eingeführt. Zusätzlich zu den Steuerstäben kann dem Kühlmittel Bor- bzw. Borsäure (Neutronenabsorber) beigefügt werden. Dies ist ein typisches Verfahren für diesen Reaktortyp.

5.2 BWR (Siedewasserreaktor)

BWR (Siedewasserreaktor)

Das Grundprinzip des Siedewasserreaktors ist, dass die durch Kernspaltung freigesetzte Wärme das Wasser im Reaktordruckbehälter selbst zum Sieden bringt, d. h. das Wasser steht in direktem Kontakt mit dem Brennstoff. Dasselbe Wasser dient dabei auch als Moderator der Kernreaktion.

Der erzeugte Dampf gelangt in einen Trockner und dann zur Turbine. Der Druckbehälter ist in der Regel größer als beim PWR, da er den Trockner für den Dampf aufnimmt.

Druck: ca. 7 MPa (70 bar).

Temperatur: ca. 300 °C.

Die Steuerstäbe werden von unten in den Kern eingeführt. Jeweils 4 Steuerelemente werden zwischen Brennstoffblöcke eingefügt. Die Brennelemente sind häufig 8×8.

Da der Dampf direkt im Kern erzeugt wird, gibt es bei diesem Reaktortyp keinen Dampferzeuger zwischen Primär- und Sekundärkreislauf.

3. Brennstoffkreislauf

3.1 Beschaffung des Brennmaterials

3.1 Beschaffung des Brennmaterials

• 1. Bergbau (Mining).
• 2. Aufbereitung / Konzentration: Entfernen des Gesteins (steril?).
• • Chemische Aufbereitung: Lösung des Erzes in sauren oder basischen Medien.
• • Extraktionslösungsmittel.
• • Fällung des Gemisches.
• • Filtern und Trocknen der Mischung.
• • Sammlung des sogenannten yellow cake.
• 3. Auflösung: Auflösung des yellow cake in Salpetersäure und Reinigungsprozesse.
• 4. Umwandlung: Herstellung von UF4, Umwandlung zu UF6.
• 5. Anreicherung (Enrichment): UF6 wird als Gas angereichert; anschließend Umwandlung von UF6 in UO2 (Uranoxid).
• 6. Herstellung des brennbaren Materials (Brennelemente).

3.2 Herstellung von Brennelementen

3.2 Herstellung von Brennelementen

Das Uranoxid wird verarbeitet und zu Keramik-Pellets (UO2) geformt. Diese Pellets werden in Zirkaloy-Hülsen (Legierung) gesetzt. Die Hülsen werden mit dichten Deckeln verschlossen; zusammengesetzt ergeben sie die Brennelemente, die dann zum Transport zu den Reaktoren bereitgestellt werden.

3.3 Entsorgung der Brennelemente im Reaktor

3.3 Entsorgung der Brennelemente im Reaktor

Brennelemente werden in Metallhülsen innerhalb der Struktur des Reaktors eingesetzt. Jeder Brennstab bleibt etwa drei oder vier Jahre im Reaktor, bis das Uran möglichst verbraucht ist. Während seines Aufenthalts im Reaktor wird ein Element mehrfach von der Peripherie zum Zentrum umgesetzt, um die verstärkte Präsenz von Neutronen in der Mitte auszugleichen und den Rückgang des Uranbestands sowie parasitäre Absorption in der Spaltung zu kompensieren. Die abgebrannten Brennelemente werden aus dem Reaktorkern entfernt und in einem Becken (Abklingbecken) gelagert, um abzukühlen und den radioaktiven Zerfall der Spaltfragmente abwarten zu können.

3.4 Wiederaufbereitung abgebrannter Brennstoffe

3.4 Wiederaufbereitung abgebrannter Brennstoffe

Abgebrannte Brennstoffe können wiederaufbereitet werden, um noch verwertbare Brennstoffe zu separieren und Spaltprodukte für Wiederverwendung und Entsorgung zu trennen (geschlossenes System, "closed loop"). Alternativ werden die behandelten Abfälle gespeichert und in unterirdischen Lagern deponiert (offener Kreislauf). Spanien hat im Augenblick die letztere Möglichkeit gewählt.