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Aufbau eines Kernreaktors

Ein Kernreaktor ist eine technische Anlage, in der Atomkerne kontrolliert gespalten werden. Die frei werdende Energie lässt sich z. B. mit Turbinen und Generatoren in elektrische Energie umwandeln. Auf den folgenden Seiten geht es um die wichtigsten Bestandteile eines Kernreaktors: Den Brennstoff, Vorrichtungen zum Abbremsen schneller Neutronen und zum Einfangen von Neutronen. Weiterhin enthalten Reaktoren auch Kühl- und Sicherheitseinrichtungen.

Dann geht es um einen natürlichen Kernreaktor, der lange vor den ersten Menschen, vor Milliarden von Jahren, „in Betrieb“ war: den Naturreaktor im afrikanischen Oklo. Zuletzt erfährt man in diesem Abschnitt, dass das physikalische Prinzip der Kernspaltung weltweit in Kernreaktoren umgesetzt wird.

Blick auf den Standort Isar


Kernkraftwerk Isar - Bildquelle: Jahresbericht "Kernenergie in Deutschland" 2006 / DAtF

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.

Das "Brennmaterial"

Als Ausgangsmaterial für die Spaltung dient bei fast allen Reaktortypen der gleiche „Brennstoff“: Uran-235. Aber: In der Natur vorkommendes Uran enthält mit nur rund 0,7 Prozent nicht genug von diesem Uran-Isotop für den Betrieb z. B. in Leichtwasserreaktoren. Um den Anteil auf die benötigten 3,5 bis 4,5 Prozent zu heben, muss man das Uran-235 anreichern. Hierfür gibt es verschiedene Verfahren. Anschließend wird das angereicherte Uran zu Tabletten gepresst und in Brennstäbe gefüllt. Diese fasst man wiederum zu Brennelementen zusammen.

Wie Uran angereichert wird

Als Spaltmaterial wird in deutschen Kernkraftwerken Uran-235 (und manchmal auch Plutonium-239) verwendet. Das Uran muss dazu angereichert werden. Wie macht man das?

Üblich ist zum Beispiel, das Uran zunächst in eine gasförmige Verbindung umzuwandeln – in Uranhexafluorid (UF6). Dieses Gas schickt man 10 bis 30-mal durch hintereinandergeschaltete Gaszentrifugen – im Prinzip Karussells für Gasmoleküle. Beim Herumschleudern werden schwere Moleküle stärker nach außen getrieben als leichte. So lassen sich die leichteren U-235F6- von den etwas schwereren U-238F6-Gasmolekülen trennen. Das so mit Uran-235 angereicherte Gas wird anschließend in Urandioxid-Pulver umgewandelt und zu Tabletten, sogenannten „Pellets”, gepresst.

Bei den meisten Kernkraftwerkstypen werden diese Pellets in Metallröhren gefüllt, die Brennstäbe.

Außerdem kann Uran-238 durch Aufnahme eines Neutrons über mehrere Zwischenstufen in Plutonium-239 umgewandelt werden. Dieses lässt sich anschließend durch schnelle Neutronen im „Schnellen Brüter” spalten.

Die Brennstäbe


Bildquelle: AREVA (Titel der Fachzeitschrift atw 11/2005)

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.

Die Brennelemente


Bildquelle: Kernenergie Basiswissen

Mehrere Brennstäbe werden zu Paketen, sogenannten Brennelementen, zusammengefasst. Im Kernkraftwerk Gundremmingen B besteht ein solches Element zum Beispiel aus 96 Stäben. Insgesamt befinden sich dort 784 Brennelemente im Reaktorkern, was rund 136 Tonnen Urandioxid entspricht.

 

Ein Moderator für Neutronen

Ohne Neutronen geht im Kernreaktor gar nichts. Denn erst die Neutronen regen das Zerfallen großer Atomkerne an, die sogenannte „induzierte Kernspaltung“.

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:

langsame (thermische) Neutronen (unter 10 eV)

mittelschnelle Neutronen (10 eV bis 0,1 MeV)

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.

Was ist ein Moderator?

Ein Moderator ist ein Stoff, in dem schnelle Neutronen, wie sie in Spaltprozessen entstehen, durch Stöße langsamer werden. So stehen sie für weitere Spaltreaktionen zur Verfügung.

Welche Eigenschaften sollte ein guter Moderator wohl besitzen? 

… und welcher Stoff eignet sich gut als Moderator?

Ein guter Moderator hat mehrere wichtige Eigenschaften:

Die Atomkerne dieser Stoffe sollten eine ähnliche Masse wie die Neutronen besitzen, denn dadurch wird die meiste Energie bei den Stößen weitergegeben. Warum, beschreiben wir auf der nächsten Seite.

Der Stoff sollte die Neutronen möglichst nicht „einfangen“ und „verschlucken“. Schließlich will man sie nur abbremsen und dann weiter verwenden!

Es dürfen den Neutronen nicht zu wenige Atomkerne begegnen. Die Abbrems-Wirkung wäre dann zu schwach. Das heißt: Die Dichte des Moderators darf nicht zu gering sein. Und die Dichte hängt wiederum von der Temperatur des Moderators ab.

 

Das „schwere Wasser“ (D2O), eine Verbindung aus schwerem Wasserstoff (Deuterium) und Sauerstoff, eignet sich hervorragend als Moderator. Es verschluckt kaum Neutronen, und die Kerne haben fast dieselbe Masse wie die Neutronen.

Normales Wasser, also H2O (im Gegensatz zum "schweren" Wasser in der Reaktortechnik auch "leichtes" Wasser genannt) ist ebenfalls ein guter Moderator, auch wenn es mehr Neutronen einfängt als schweres Wasser. Aber dafür ist es viel billiger.

Ein anderer guter Moderator ist Kohlenstoff (Graphit).

Moderator-Masse


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Wenn man sich ein wenig mit Impuls- und Energieerhaltung auskennt, dann kann man das auch in Formeln berechnen.

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Moderator-Masse in Formeln

Im Kugelspiel steckt ähnlich wie im Zusammenprall von Neutronen mit den Atomkernen des Moderators die Impuls- und die Energieerhaltung. Gesamtimpuls und Gesamtenergie vor und nach dem Stoß bleiben jeweils gleich. Auch die Massen ändern sich nicht: es handelt sich um einen elastischen, zentralen Stoß.

Wie sieht das in Formeln aus?

Der Impulserhaltungssatz liefert:
m1 • v1 vorher = m1 • v1 nachher + m2 • v2 nachher

Der Energieerhaltungssatz liefert:

½ • m1 • v1 vorher= ½ • m1 • v1 nachher² + ½ • m2 • v2 nachher²

Es kann vorausgesetzt werden, dass eine der Kugeln vorher in Ruhe ist und der Stoß zentral erfolgt. 

Diese beiden Gleichungen kann man ineinander setzen:

v1 nachher = v1 vorher • (m1 - m2) / (m1 + m2)

Das heißt: Wenn die Masse m1 der ersten Kugel (also des Neutrons) viel kleiner ist als die der zweiten Kugel (also des angestoßenen Atoms oder Moleküls des Moderators), dann wird ihre Geschwindigkeit einfach ins Negative umgekehrt: „Sie prallt ab und fliegt zurück“. Beim umgekehrten Verhältnis bewegt sie sich nahezu ungebremst weiter. Sind die Massen m1und m2 dagegen gleich, dann ist

v1 nachher = 0 und v2 nachher = v1 vorher

Anders ausgedrückt: Das Neutron gibt beim Stoß seine ganze Bewegungsenergie ab – es verliert seine Geschwindigkeit.

Temperaturabhängigkeit des Moderators

Die Wirkung eines Moderators ist abhängig von seiner Temperatur. Bei welcher Temperatur arbeiten Wassermoleküle wohl besser als Moderator?

a) bei hoher Temperatur

Falsch:

Bei den Temperaturen im Reaktor gilt: Je heißer das Wasser wird, desto niedriger ist seine Dichte; dasselbe Volumen enthält also weniger Moleküle. Das heißt wiederum: Die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenpralls ist bei geringeren Temperaturen größer als höheren. Wasserdampf ist sogar ein ganz schlechter Moderator, weil seine Dichte extrem niedrig ist: Er enthält viel weniger Moleküle pro Volumen als flüssiges Wasser.

b) bei tiefer Temperatur

Richtig!

Bei den Temperaturen im Reaktor gilt: Je heißer das Wasser wird, desto niedriger ist seine Dichte. Die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenpralls sinkt übrigens noch weiter, wenn das Wasser verdampft, weil dann seine Dichte drastisch abnimmt.

 

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 sogenannter 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.

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.

Zustand des Reaktors

Den Zustand eines Reaktors kann man durch die Anzahl der Spaltprozesse beschreiben, die gerade stattfinden, im Vergleich zur Anzahl der Spaltprozesse einer Generation davor. Setzt man beides ins Verhältnis zueinander, dann erhält man den „Multiplikationsfaktor”

Der Faktor k beschreibt das Verhalten des Reaktors. Ist k größer als 1, dann wächst die Anzahl der Neutronen mit jedem Spaltprozess. Das ist zum Beispiel beim Anfahren des Reaktors nötig, damit die Zahl der Kernreaktionen ansteigt (man spricht dann vom „überkritischen Reaktor”).

Hat der Reaktor ein bestimmtes Leistungsniveau erreicht, dann hält man k auf dem Wert 1. Man nennt das einen „kritischen Reaktor”.

Beim Abschalten eines Reaktors wird k auf einen sehr kleinen Wert verringert („unterkritischer Reaktor").

 

Natürliche 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 Moderator 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.

 

Moderne Kernreaktoren - technische Umsetzung

Bekannt sind nun schon 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

Vorrichtung zum Einfangen von Neutronen (meistens Steuerstäbe

 

Zusätzlich enthält ein Kernreaktor

einen Stoff, der die Wärme abführt (das Kühlmittel) und

Sicherheitseinrichtungen für den Strahlenschutz und zur Rückhaltung radioaktiver Stoffe.

 

Diese Elemente findet man in fast jedem Kernreaktor, 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.

Reaktoraufbau - Zusammenfassung

Nun sind die wichtigsten Elemente von Kernreaktoren bekannt – vom Brennstoff über den Moderator bis zum Steuerstab. Weltweit finden sich diese Bauelemente in Kernkraftwerken.

So wird nach demselben physikalischen Prinzip seit rund 60 Jahren Uran gespalten, um mit der freiwerdenden Energie Wasser zu erhitzen. Der Dampf wird anschließend – genau wie in Kohle-, Öl- oder Gas-Kraftwerken – in Turbinen eingeleitet, um die thermische Energie in kinetische Energie und anschließend in Generatoren in elektrische Energie umzuwandeln.

Dennoch: Kernkraftwerke unterscheiden sich technisch zum Teil gehörig. Wie? Das ist eine neue Geschichte und die kann im Modul 4 "Reaktortypen" nachgelesen werden...

Was sind die Grundelemente eines Kernkraftwerks?


Bildquellen: Fachzeitschrift atw Ausgaben 7/1999, 10/2000, 4/2001 und 11/2005

 

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