4.1Worum geht es?
Wer das Modul „Aufbau eines Reaktors“ durchgearbeitet hat, der weiß bereits, aus welchen Teilen ein Kernkraftwerk im Prinzip besteht. Doch mit Kernkraftwerken ist es so ähnlich wie mit Autos, die alle einen Motor und vier Reifen besitzen. Erst wenn man genau hinsieht, dann entdeckt man, dass manche Autos mit Benzin fahren und andere mit Diesel, und dass bei einigen Autos der Motor dort steckt, wo bei anderen der Kofferraum ist. Genauso gibt es eine Reihe unterschiedlicher Kernreaktor-Typen, und die wirst Du alle im folgenden ModCars are Cars
Alle gleich und doch nicht gleich: Kernkraftwerke gleichen sich nur äußerlich, so wie Autos. Es gibt eine ganze Reihe verschiedener Kernkraftwerks-Typen, von denen in diesem Modul nur die gängigsten und technisch interessantesten vorgestellt werden.
In Deutschland sind zurzeit 17 Kernkraftwerke in Betrieb, davon sind 11 Druckwasserreaktoren und 6 Siedewasserreaktoren.
ul kennenlernen. Außerdem erfährst Du einiges über die ferne Zukunft der Kerntechnik.
Sieden oder nicht Sieden
Um Reaktortypen grob zu unterscheiden, kann man zunächst darauf gucken, womit der Reaktorkern gekühlt wird. Dieses Kühlmittel kann Natrium sein (Schneller Brüter) oder Heliumgas (Thorium-Hochtemperaturreaktor). Solche Reaktoren lernst Du später kennen.
Wasser marsch!
Jetzt soll es erst mal um die Reaktoren gehen, die mit Wasser - genauer H2O - gekühlt werden: die „Leichtwasserreaktoren“. Das Wasser umspült die Brennstäbe im Reaktorkern. Leichtwasserreaktoren kann man noch mal unterscheiden, und zwar danach, ob das Wasser in ihnen verdampft (Siedewasserreaktoren) oder nicht (Druckwasserreaktoren).
In beiden Fällen wird das Wasser im Betrieb ähnlich heiß: Bei Siedewasserreaktoren, in denen das Kühlwasser verdampfen kann, liegt die Wassertemperatur bei 290 °C, bei Druckwasserreaktoren, in denen das Wasser flüssig bleibt, liegt sie bei rund 320 °C.
Moment mal – wie kann denn das sein? Wenn man Wasser heiß macht, dann verdampft es doch immer? Die Antwort lautet: Nein, nicht unbedingt.
Und was hat das jetzt mit Kernkraftwerken zu tun?
Wenn man den Druck im Reaktorbehälter erhöht, dann bleibt das Wasser flüssig, auch wenn die 100-Grad-Grenze bereits weit überschritten ist. Das Wasser wird dabei wie in einem Schnellkochtopf unter Druck gehalten – nur unter einem viel höherem: Im Kochtopf herrscht ein Druck von 1,5 bar – in einem Druckwasserreaktor ist es mit knapp 160 bar mehr als das Hundertfache!
Der Siedewasserreaktor
Der prinzipielle Aufbau eines Siedewasserreaktors ist nicht kompliziert: Die Brennstäbe geben die Wärme direkt an das Wasser ab, das sie umgibt. Dieses beginnt dadurch zu sieden – daher der Name. Der entstehende Dampf wird direkt an die Turbinen weitergeleitet, gelangt von dort in einen Kondensator, wo er wieder zu flüssigem Wasser abkühlt. Und von hier geht es wieder zurück in den Reaktor.
Aufbau
In der Animation siehst Du den Reaktorbehälter, zu rund 2/3 angefüllt mit Wasser. Im oberen Bereich sammelt sich der Dampf, der an die Turbine weitergeleitet wird, und nach dem Kondensieren wieder als Wasser in den Reaktor zurückkehrt.
Der Siedewasser-Druckröhrenreaktor
Statt einen großen Druckbehälter zu bauen, kann man das Wasser auch durch viele dünne und druckfeste Röhren am Reaktorkern vorbei leiten. Weil dabei aber den Reaktor weniger Wasser umgibt als in einem Siedewasser- oder Druckwasserreaktor, benötigt man einen zusätzlichen Moderator, in der Regel Graphit. Der Reaktorunfall von Tschernobyl hat aber gezeigt, dass diese Konstruktion schwere Sicherheitsrisiken birgt.
Der Siedewasser-Druckröhrenreaktor
Statt einen großen Druckbehälter zu bauen, kann man das Wasser auch durch viele dünne und druckfeste Röhren am Reaktorkern vorbei leiten. Weil dabei aber den Reaktor weniger Wasser umgibt als in einem Siedewasser- oder Druckwasserreaktor, benötigt man einen zusätzlichen Moderator, in der Regel Graphit. Der Reaktorunfall von Tschernobyl hat aber gezeigt, dass diese Konstruktion schwere Sicherheitsrisiken birgt.
Der Thorium-Hochtemperaturreaktor
In einem Hochtemperaturreaktor geht es heiß her: Während in einem Leichtwasserreaktor Temperaturen von rund 350 °C herrschen, kann die Temperatur in einem Hochtemperaturreaktor leicht das Doppelte erreichen!
Hochtemperaturreaktoren wurden bislang in Deutschland nur zu Testzwecken gebaut; einer der Versuchsreaktoren wurde in Hamm 1985 in Betrieb genommen, aber 1989 aus wirtschaftlichen Gründen stillgelegt. Sowohl in Südafrika als auch in China gibt es Ansätze zur kommerziellen Nutzung von Hochtemperaturreaktoren und zum Bau von Demonstrationsanlagen.
Aufbau
Der Thorium-Hochtemperaturreaktor bei Hamm enthielt statt der Brennstäbe wie in Leichtwasserreaktoren rund 360.000 „Brennelementkugeln“. In diesen Kugeln wurden der Spaltstoff und der Moderator zusammengepackt. Zusätzlich kamen in den Reaktor auch etwa 280.000 Kugeln aus Graphit (zusätzlicher Moderator) sowie rund 35.000 Kugeln, die Bor enthielten und Neutronen absorbierten. Gekühlt wurde der Reaktorkern durch Heliumgas, das seine Wärme an Wasser abgab, wobei Dampf für Turbinen entstand.
Wie in einem Kohlenofen wurden während des Betriebs dauernd neue Brennelementkugeln nachgeliefert und verbrauchte Kugeln entnommen.
Die Graphitumgebung schluckte Neutronen. Ein Schirm aus Eisen und die Betonhülle schirmten die Umwelt vor der Gammastrahlung aus dem Reaktor ab.
Der Schnelle Brüter
Ein Reaktor, der ganz gezielt daraufhin ausgelegt ist, neuen Kernbrennstoff zu „erbrüten“, ist der „Schnelle Brüter“.
In Leichtwasserreaktoren kann von den in der Natur vorkommenden Uranisotiopen nur das Uran U 235 durch thermische Neutronen gespalten werden. Mit Schnellen Brutreaktoren kann man dagegen auch das in viel größerer Menge vorhandene Isotop U 238 nutzen, indem es mit Hilfe der bei der Kernspaltung entstehenden schnellen Neutronen in das Plutonium-Isotop Pu 239 umgewandelt wird.
So ganz nebenbei: Ein Reaktor vom Typ Schneller Brüter, der Experimental Breeder Reactor I in Arco, Idaho, USA, war weltweit der erste Reaktor, mit dem Strom aus Kernenergie erzeugt wurde; am 20. Dezember 1951.
Aufbau
Weil für die Brutprozesse im Schnellen Brüter schnelle Neutronen benötigt werden, scheidet Wasser als Kühlmittel aus – es würde die Neutronen abbremsen. Wasser könnte auch die Wärme aus dem sehr kompakten Reaktor nicht schnell genug abführen. Daher werden Schnelle Brüter üblicherweise mit flüssigem Natrium gekühlt, das dabei allerdings durch die Neutronenstrahlung radioaktiv wird.
In einem Zwischenwärmetauscher gibt das radioaktive Natrium daher seine Wärmeenergie an einen zweiten Natriumkreislauf außerhalb des Neutronenfeldes ab. Dieser zweite Natriumkreislauf verhindert, dass bei einem Störfall das radioaktive Natrium des ersten Kreislaufs mit dem Wasser des Dampfkreislaufs in Berührung kommt. Der entstehende Dampf treibt die Turbine an, und wird in einem Kondensator zu Wasser gekühlt.
Natururan-Reaktoren
Druck- und Siedewasserreaktoren benötigen wegen der größeren Neutronenabsorption im H2O (normales oder leichtes Wasser), das als Neutronenmoderator und Reaktorkühlmittel dient, als Kernbrennstoff angereichertes Uran.
Wie aber schon der von Enrico Fermi 1942 gebaute Reaktor gezeigt hat, funktioniert es auch mit Natururan, also Uran in der natürlichen Isotopenzusammensetzung mit 99,3 Prozent U-238 und 0,7 Prozent U-235. Als Neutronenmoderator müssen dann Graphit oder schweres Wasser (D2O) und als Kühlmittel zur Wärmeübertragung ein Gas (z. B. CO2) oder schweres Wasser benutzt werden. In Kernkraftwerken sind solche Natururan-Reaktoren unter dem Namen AGR und CANDU in großer Zahl im Einsatz.
GGR/AGR
Der GGR (Gas-Graphit Reaktor) und seine Weiterentwicklung, der AGR (Advanced Gas Cooled Reactor), wurde in Großbritannien entwickelt. Brennelemente aus Natururan-Metall beim GGR oder sehr gering angereichertem Urandioxid beim AGR befinden sich in zylindrischen Kanälen in dem aus einzelnen Graphitblöcken aufgebautem Reaktor. CO2-Gas durchströmt diese Kanäle als Kühlmittel und gibt seine Wärme in Wärmetauschern an einen Wasser-Dampf-Kreislauf ab. Der Brennelementwechsel ist während des Betriebs möglich.
18 GGR/AGR sind in Großbritannien in Betrieb.
Die Zukunft?
Es gibt Experten, die glauben, dass die Zukunft der Kerntechnik nicht in der Spaltung von Kernen (Fission), sondern in der Verschmelzung von Kernen (Fusion) liegt. Genaueres über die Fusion kannst Du im Physik-Modul 10 nachlesen.
Inzwischen ist der Bau eines ersten Fusionsreaktors geplant, der mehr Energie abgeben soll, als für seinen Betrieb nötig ist. Dieser Reaktor, ITER genannt, soll in einigen Jahren in Südfrankreich fertig gestellt sein.
Der Fusionsreaktor
In einem Fusionsreaktor werden leichte Atomkerne – üblicherweise ein Plasma aus den Wasserstoffsorten Deuterium und Tritium – in einem ringförmigen Magnetfeld eingeschlossen und auf hohe Temperaturen aufgeheizt (Bild). Die Atome "verschmelzen" dann zu Helium-Atomen, wobei (Wärme-)Energie frei wird.
Doch bislang gibt es nur Versuchsanlagen, die mehr Energie zur Erzeugung des Plasmazustandes und die Aufrechterhaltung des Magnetfeldes benötigen, als die Atome selbst beim Verschmelzen freigeben. In Deutschland stehen solche Versuchsanlagen z. B. in Garching und Greifswald am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik.
In Deutschland sind zurzeit 17 Kernkraftwerke in Betrieb, davon sind 11 Druckwasserreaktoren und 6 Siedewasserreaktoren.
ul kennenlernen. Außerdem erfährst Du einiges über die ferne Zukunft der Kerntechnik.
Wasser marsch!
In beiden Fällen wird das Wasser im Betrieb ähnlich heiß: Bei Siedewasserreaktoren, in denen das Kühlwasser verdampfen kann, liegt die Wassertemperatur bei 290 °C, bei Druckwasserreaktoren, in denen das Wasser flüssig bleibt, liegt sie bei rund 320 °C.
Moment mal – wie kann denn das sein? Wenn man Wasser heiß macht, dann verdampft es doch immer? Die Antwort lautet: Nein, nicht unbedingt.
Und was hat das jetzt mit Kernkraftwerken zu tun?
Wenn man den Druck im Reaktorbehälter erhöht, dann bleibt das Wasser flüssig, auch wenn die 100-Grad-Grenze bereits weit überschritten ist. Das Wasser wird dabei wie in einem Schnellkochtopf unter Druck gehalten – nur unter einem viel höherem: Im Kochtopf herrscht ein Druck von 1,5 bar – in einem Druckwasserreaktor ist es mit knapp 160 bar mehr als das Hundertfache!
Der Siedewasserreaktor
Aufbau
In der Animation siehst Du den Reaktorbehälter, zu rund 2/3 angefüllt mit Wasser. Im oberen Bereich sammelt sich der Dampf, der an die Turbine weitergeleitet wird, und nach dem Kondensieren wieder als Wasser in den Reaktor zurückkehrt.
Der Siedewasser-Druckröhrenreaktor
Der Siedewasser-Druckröhrenreaktor
Der Thorium-Hochtemperaturreaktor
In einem Hochtemperaturreaktor geht es heiß her: Während in einem Leichtwasserreaktor Temperaturen von rund 350 °C herrschen, kann die Temperatur in einem Hochtemperaturreaktor leicht das Doppelte erreichen!
Hochtemperaturreaktoren wurden bislang in Deutschland nur zu Testzwecken gebaut; einer der Versuchsreaktoren wurde in Hamm 1985 in Betrieb genommen, aber 1989 aus wirtschaftlichen Gründen stillgelegt. Sowohl in Südafrika als auch in China gibt es Ansätze zur kommerziellen Nutzung von Hochtemperaturreaktoren und zum Bau von Demonstrationsanlagen.
Aufbau
Der Thorium-Hochtemperaturreaktor bei Hamm enthielt statt der Brennstäbe wie in Leichtwasserreaktoren rund 360.000 „Brennelementkugeln“. In diesen Kugeln wurden der Spaltstoff und der Moderator zusammengepackt. Zusätzlich kamen in den Reaktor auch etwa 280.000 Kugeln aus Graphit (zusätzlicher Moderator) sowie rund 35.000 Kugeln, die Bor enthielten und Neutronen absorbierten. Gekühlt wurde der Reaktorkern durch Heliumgas, das seine Wärme an Wasser abgab, wobei Dampf für Turbinen entstand.
Wie in einem Kohlenofen wurden während des Betriebs dauernd neue Brennelementkugeln nachgeliefert und verbrauchte Kugeln entnommen.
Die Graphitumgebung schluckte Neutronen. Ein Schirm aus Eisen und die Betonhülle schirmten die Umwelt vor der Gammastrahlung aus dem Reaktor ab.
Der Schnelle Brüter
In Leichtwasserreaktoren kann von den in der Natur vorkommenden Uranisotiopen nur das Uran U 235 durch thermische Neutronen gespalten werden. Mit Schnellen Brutreaktoren kann man dagegen auch das in viel größerer Menge vorhandene Isotop U 238 nutzen, indem es mit Hilfe der bei der Kernspaltung entstehenden schnellen Neutronen in das Plutonium-Isotop Pu 239 umgewandelt wird.
So ganz nebenbei: Ein Reaktor vom Typ Schneller Brüter, der Experimental Breeder Reactor I in Arco, Idaho, USA, war weltweit der erste Reaktor, mit dem Strom aus Kernenergie erzeugt wurde; am 20. Dezember 1951.Aufbau
Weil für die Brutprozesse im Schnellen Brüter schnelle Neutronen benötigt werden, scheidet Wasser als Kühlmittel aus – es würde die Neutronen abbremsen. Wasser könnte auch die Wärme aus dem sehr kompakten Reaktor nicht schnell genug abführen. Daher werden Schnelle Brüter üblicherweise mit flüssigem Natrium gekühlt, das dabei allerdings durch die Neutronenstrahlung radioaktiv wird.
In einem Zwischenwärmetauscher gibt das radioaktive Natrium daher seine Wärmeenergie an einen zweiten Natriumkreislauf außerhalb des Neutronenfeldes ab. Dieser zweite Natriumkreislauf verhindert, dass bei einem Störfall das radioaktive Natrium des ersten Kreislaufs mit dem Wasser des Dampfkreislaufs in Berührung kommt. Der entstehende Dampf treibt die Turbine an, und wird in einem Kondensator zu Wasser gekühlt.
Natururan-Reaktoren
Wie aber schon der von Enrico Fermi 1942 gebaute Reaktor gezeigt hat, funktioniert es auch mit Natururan, also Uran in der natürlichen Isotopenzusammensetzung mit 99,3 Prozent U-238 und 0,7 Prozent U-235. Als Neutronenmoderator müssen dann Graphit oder schweres Wasser (D2O) und als Kühlmittel zur Wärmeübertragung ein Gas (z. B. CO2) oder schweres Wasser benutzt werden. In Kernkraftwerken sind solche Natururan-Reaktoren unter dem Namen AGR und CANDU in großer Zahl im Einsatz.
GGR/AGR
Der GGR (Gas-Graphit Reaktor) und seine Weiterentwicklung, der AGR (Advanced Gas Cooled Reactor), wurde in Großbritannien entwickelt. Brennelemente aus Natururan-Metall beim GGR oder sehr gering angereichertem Urandioxid beim AGR befinden sich in zylindrischen Kanälen in dem aus einzelnen Graphitblöcken aufgebautem Reaktor. CO2-Gas durchströmt diese Kanäle als Kühlmittel und gibt seine Wärme in Wärmetauschern an einen Wasser-Dampf-Kreislauf ab. Der Brennelementwechsel ist während des Betriebs möglich.
Die Zukunft?
Inzwischen ist der Bau eines ersten Fusionsreaktors geplant, der mehr Energie abgeben soll, als für seinen Betrieb nötig ist. Dieser Reaktor, ITER genannt, soll in einigen Jahren in Südfrankreich fertig gestellt sein.
Der Fusionsreaktor
Doch bislang gibt es nur Versuchsanlagen, die mehr Energie zur Erzeugung des Plasmazustandes und die Aufrechterhaltung des Magnetfeldes benötigen, als die Atome selbst beim Verschmelzen freigeben. In Deutschland stehen solche Versuchsanlagen z. B. in Garching und Greifswald am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik.