1. Aufbau eines Kernreaktors

1.1 Worum geht es?

Blick auf den Standort Isar

Von außen betrachtet fallen an einem Kernkraftwerk als Erstes häufig große Kühltürme ins Auge. Sie geben technisch nicht nutzbare Wärme an die Umwelt ab. Typisch für Druckwasserreaktoren ist die große Kuppel aus Stahlbeton, die den eigentlichen Reaktor umschließt. Bei Siedewasserreaktoren sind dies quader- oder zylinderförmige Bauwerke (im Bild links vom Kühlturm). Sie gehören zur Sicherheitseinrichtung, die verhindern soll, dass radioaktive Stoffe aus dem Reaktorinneren in die Umwelt austreten.

1.2 Das „Brennmaterial“

 

Brennstäbe sind Metallröhren, oft aus Zirkaloy, einer Zirkonium-Legierung. Bei heute üblichen Siedewasserreaktoren können sie rund vier Meter lang sein, bei einem Außendurchmesser von rund 10 Millimetern und einer Wandstärke von einem knappen Millimeter. Eine Feder hält die Pellets aus Urandioxid darin als Säule zusammen und schafft so zugleich Raum für Gase und flüchtige Spaltprodukte, die bei der Spaltung entstehen.

Mehrere Brennstäbe werden zu Brennelementen zusammengefasst. Im Bild ist ein Teil eines Brennelementes dargestellt, das in Druckwasserreaktoren zum Einsatz kommt.

1.3Ein Moderator für Neutronen

Voraussetzung dafür ist jedoch, dass die Atomkerne Neutronen einfangen können. Und das geht am Besten, wenn die Neutronen langsam sind. Sonst ist die Wahrscheinlichkeit nur gering, dass sich Neutron und Kern für eine ausreichend lange Zeit nahe genug kommen.

Allerdings sind die Neutronen, die bei der Spaltung von Kernen frei werden, meistens zu schnell: Sie besitzen große Bewegungsenergie. Ein „Moderator“ muss daher die schnellen Spaltneutronen so weit abbremsen, dass sie für den nächsten Spaltprozess zur Verfügung stehen und auf diese Weise die Kettenreaktion in Gang bleibt.


Neutronen: Einteilung nach der Energie

Man teilt Neutronen je nach Geschwindigkeit (bzw. Bewegungsenergie) in drei Gruppen ein:

 1. langsame (thermische) Neutronen (unter 10 eV)

 2. mittelschnelle Neutronen (10 eV bis 0,1 MeV)

 3. schnelle Neutronen (mehr als 0,1 MeV)

Bei der Spaltung eines Kerns Uran-235 werden neben anderen Spaltprodukten auch schnelle Neutronen frei. Meistens beträgt ihre Energie rund 0,7 MeV, im Mittel liegt sie bei etwa 1,5 MeV. 

 Neutronen einfangen

Weil jede Spaltung von Uran-235 mehr Neutronen freisetzt, als für die nächste Spaltung gebraucht werden, würde eine ungebremste Kettenreaktion in einer Explosion enden.

Um die Kettenreaktion unter Kontrolle zu halten, werden daher im Kernreaktor mit Hilfe so genannter Steuerstäbe überzählige Neutronen weggefangen. So kann die Kettenreaktion über sehr lange Zeit in Gang bleiben. Als Neutronenfänger arbeiten dabei zum Beispiel bestimmte Metalllegierungen. Sie „schlucken“ die Neutronen besonders gut. Mit Hilfe der Steuerstäbe kann man den Zustand des Reaktors einstellen.

1.4 Neutronen    einfangen

Steuerstäbe

Überzählige Neutronen fängt man mit Hilfe von Stoffen ein, deren Atomkerne gerne die Neutronen aufnehmen. Dazu gehören vor allem Metalle wie Bor, Indium, Silber oder Cadmium.

Mit Steuerstäben aus solchen Metallen – zum Beispiel aus Boral, einer Legierung aus Aluminium und Borcarbid –, die in den Reaktor hineingeschoben und herausgezogen werden, kann man den Neutronenfluss regeln und den Zustand des Reaktors einstellen.

Schon beim ersten, von Enrico Fermi und seinem Team errichteten, Kernreaktor der Welt verwendete man solche Steuerstäbe    


1.5Natürliche und technische Kernreaktoren

Nukleare Kettenreaktionen laufen in der Natur ständig ab: Zum Beispiel in den Sternen, dort allerdings nicht als Kernspaltungsreaktionen sondern als Kernfusionsreaktionen. Und auch auf unserer Erdoberfläche gab es einen natürlichen Kernspaltungs-Reaktor. Im „Naturreaktor von Oklo“, einer Uranerzlagerstätte in Gabun (Westafrika), waren vor mehr als zwei Milliarden Jahren Kettenreaktionen für mehrere hunderttausend Jahre in Gang.

Man kann nukleare Kettenreaktion auch in technischen Anlagen in Gang halten, in „technischen Kernreaktoren“. In ihnen werden gerade so viele Atomkerne gespalten, dass nicht zu viel thermische Energie freigesetzt wird (was zur Zerstörung des Reaktors führen würde). Aber auch nicht zu wenig, denn das ließe die Kettenreaktion erlöschen. 

Der Naturreaktor in Oklo

Vor rund zwei Milliarden Jahren betrieb Mutter Natur über mehrere Hundertausend Jahre natürliche Kernreaktoren, die gehörig Wärme freisetzten. Der Naturreaktor in Oklo (Gabun, Westafrika) hatte eine Leistung von etwa 100 kW und heizte sich vermutlich bis zu 450 °C auf.

Wie funktioniert ein Naturreaktor? Vorhanden sein muss eine ausreichende Menge und Konzentration spaltbarer Isotope sowie ausreichend Wasser, das als Modetaor dient. Außerdem darf das Gestein und das Uranerz selbst nur sehr wenige Materialien enthalten, die Neutronen absorbieren. Für den Naturreaktor in prähistorischer Zeit diente vermutlich Regenwasser, das durch Ritzen in den Erdboden eingedrungen war, als Moderator.

Heute, Milliarden Jahre später, sind solche Prozesse in Uranlagerstätten ausgeschlossen. Durch den Zerfall steckt im Uranerz heute zu wenig Uran-235, als dass mit dem Moderator Regenwasser eine Kettenreaktion stattfinden könnte. Der Moderator löst die Kettenreaktion nicht aus, er sorgt nur für die Abbremsung der Neutronen.

1.6 Moderne Kernreaktoren –
technische Umsetzung

die Grundbestandteile, aus denen alle Kernreaktoren – egal welchen Typs – bestehen:

• Das spaltbare Material (z. B. in Form von Brennelementen).
• Den Stoff zum Abbremsen der schnellen Neutronen (Moderator).
• Vorrichtungen zum Einfangen von Neutronen (meistens Steuerstäbe).

Zusätzlich enthält ein Kernreaktor

• einen Stoff, der die Wärme abführt (das „Kühlmittel“).
• Sicherheitseinrichtungen für den Strahlenschutz und zur Rückhaltung radioaktiver Stoffe.

Diese Elemente kann man in fast jedem Kernreaktor finden, auch wenn sie manchmal nicht auf den ersten Blick auffallen.

Blick in die Geschichte

Dieser erste Kernreaktor war im Vergleich zu modernen Kernreaktoren technisch recht einfach aufgebaut. Er bestand aus 22.000 Blöcken aus Urandioxid (insgesamt 36.500 kg) und 5.600 kg metallischem Uran als Spaltstoff. Dazwischen wurden als Moderator rund 350.000 kg Graphit geschichtet. Als Strahlenabschirmung dienten Beton und Bleiplatten. Der Reaktor stand unterhalb der Tribüne des (heute abgerissenen) „Stagg Field Stadium“ der University of Chicago.

Am 2. Dezember 1942 starteten der Physiker Enrico Fermi und seine Kollegen hier eine Kettenreaktion, indem sie einen hölzernen Steuerstab, der mit Cadmium-Folie umhüllt war, aus dem Reaktor zogen. Die Kettenreaktion wurde für rund 28 Minuten in Gang gehalten und lieferte eine Leistung von rund 200 Watt.