Stellen Sie sich vor, Sie könnten in das Herz eines Kernreaktors blicken und die komplexen Prozesse verstehen, die dort ablaufen. Dieses Buch öffnet Ihnen die Tür zu dieser faszinierenden Welt und entschlüsselt die Geheimnisse der Kernspaltung. Es erklärt auf leicht verständliche Weise die Funktionen und Zusammenhänge von Brennstäben, Moderatoren und Steuerstäben, den essentiellen Komponenten, die für die Energiegewinnung in Kernkraftwerken unerlässlich sind. Tauchen Sie ein in die Materialwissenschaft der Zirkoniumlegierungen und Urandioxid-Pellets, lernen Sie, wie Moderatoren die Neutronenenergie beeinflussen und wie Steuerstäbe die Kettenreaktion präzise regulieren. Erfahren Sie, warum Deuterium ein idealer, aber teurer Moderator ist und welche Rolle Graphit in Reaktoren vom Tschernobyl-Typ spielt. Entdecken Sie die Bedeutung des Dampfblasenkoeffizienten und die Sicherheitsmechanismen, die Leistungsanstiege kontrollieren. Von der Funktionsweise von Siedewasserreaktoren bis hin zu den Besonderheiten von Schnellen Brütern – dieses Buch bietet einen umfassenden Einblick in die Kerntechnik. Es beleuchtet die Herausforderungen der Wärmeableitung durch Kühlmittel wie Wasser, die Notwendigkeit des Austauschs von Steuerstäben aufgrund von Gasdruck und Materialermüdung und die innovative Anordnung von Steuerelementen in modernen Reaktoren. Perfekt für alle, die ihr Wissen über Kernenergie erweitern möchten, von Studenten und Fachleuten bis hin zu interessierten Laien, die die Grundlagen dieser Technologie verstehen wollen. Dieses Buch ist Ihr Schlüssel zum Verständnis der Kernenergie, einem wichtigen Baustein unserer Energieversorgung. Es bietet fundiertes Wissen über Kernspaltung, Kernreaktoren, Brennelemente, Neutronen, Moderatoren, Steuerstäbe und die Sicherheit von Kernkraftwerken.
Gliederung
1. Brennstab
2. Moderator
3. Steuerstab
Brennstab
Der Name „Brennstab“ ist irreführend, weil man dann gleich an Verbrennung denkt. Eine Verbrennung ist eine chemische Reaktion mit Sauerstoff. So eine Reaktion findet aber in Brennstäben nicht statt.
In Siedewasser-Druckröhrenreaktoren (Reaktortyp Tschernobyl) sind die Brennstäbe 3,65m lang. In Siedewasserreaktoren sind sie 4,17m lang und haben einen äußeren Durchmesser von 11mm. Der Mantel besteht aus Leichtmetalllegierungen, z.B. aus Zirkaloy, einer Zirkoniumlegierung. Der Mantel hat eine Wandstärke von 0,65mm.Er verhindert, dass die Spaltprodukte in das Kühlmittel gelangen und er trennt den Kernbrennstoff vom Kühlmittel. Außerdem soll der Mantel mechanische Festigkeit besitzen, korrosions- und hitzebestänig sein und kaum Neutronen absorbieren.
Der Kernbrennstoff ist Urandioxid (Die Kernspaltung betrifft nur die Kerne, chemische Verbindungen betreffen nur die Elektronen der äußeren Schalen).Das Urandioxid wird in Pellets ins Rohr eingebracht. Als Pellets bezeichnet man das zusammengepresste und geschliffene Urandioxid. Eine Endkappe verschließt das Rohr, damit eine Druckfeder auf die Pellets drücken kann und diese so zusammenhält. Oberhalb des Kernbrennstoffes entsteht dann ein sogenannter Spaltgasraum.In diesen Spaltgasraum gelangen die bei der Kernspaltung entstehenden Edelgase und andere leicht flüchtige Spaltprodukte, damit der Gasdruck im Brennstoff bei einer starken Erwärmung nicht anwächst.
Mehrere Brennstäbe werden mit Hilfe von Abstandhaltern zu einem Brennelement zusammen-gefasst.Im Kernkraftwerk Kümmel werden zum Beispiel 72 Brennstäbe zu einem Brennelement zusammengefasst und im Kernreaktor befinden sich 840 Brennelemente, also gibt es dort im Kernreaktor insgesamt 60480 Brennstäbe.
Das Kühlmittel Wasser strömt von unten an die erhitzten Brennstäbe vorbei und führt die Wärme ab.
Moderator
Bei der Spaltung von den U235-Kernen entstehen immer 2-3 schnelle Neutronen. Diese schnellen Neutronen können die U235-Kerne nur mit geringer Wahrscheinlichkeit spalten. Also müssen die schnellen Neutronen durch geeignete Bremsmittel gebremst werden, weil langsame Neutronen die U235-Kerne sehr leicht spalten können. Die Bremsmittel nennt man Moderatoren. Wenn Moderatoren eingestetzt werden, reicht der Anteil von 0,7% U-235 im natürlichen Uran aus.
Moderatoren sollen die schnellen Neutronen durch wenige Stöße abgebremsen.(Bei den Stößen verlieren die schnellen Neutronen ihre Energie). Die schnelle Abbremsung hat den Vorteil, dass die schnellen Neutronen nicht vom U-238 absorbiert werden.Durch diese Absorbtion gehen die Neutronen für weitere Kernspaltunge verloren. Moderatoren, die etwa die gleiche Masse wie die Neutronen haben, können sie durch wenige Stöße abbremsen.
Außerdem soll der Moderator eine geringe Neigung zum Einfang der Neutronen besitzen, sonst gehen diese Neutronen für weitere Kernspaltungen verloren.Deuterium (in Form von schwerem Wasser) ist der beste Moderator, aber seine Herstellung ist sehr teuer, weil es so selten in der Natur vorkommt.Auch Graphit wird als Moderator eingesetzt, weil es gute thermische und mechanische Eigenschaften besitzt (Schmelztemperatur 3550° C) . Wasserstoff (in Form von leichtem Wasser) ist das beste Bremsmittel, aber es fängt sehr leicht Neutronen ein, wobei Deuterium entsteht. Die Neutronen gehen zwar für weitere Kernspaltungen verloren, aber es ist preiswert und kann gleichzeitig als Moderator und als Kühlmittel eingesetzt werden. Der Neutronenverlust wird ausgeglichen, indem man den Anteil von U-235 von 0,7% auf 2-4% erhöht. Man erhält also mehr Spaltungen und auch mehr Neutronen.
Die Wirksamkeit des Moderators ist von der Temperatur abhängig. Bei Volllast sind die Brennstäbe innen 800°C heiß, was sich auf den Moderator auswirkt.
In Reaktoren vom Typ Tschernobyl (Siedewasser-Druckröhrenreaktor) ist Graphit der Moderator und Wasser Kühlmittel. Wenn die Anzahl der Kernspaltungen ansteigt, verdampft mehr Wasser, es entstehen mehr Dampfblasen.Wasserdampf enthält pro m³ weniger Moleküle als flüssiges Wasser, also werden weniger Neutronen absorbiert.So kann der Moderator Graphit mehr Neutronen abbremsen und so steigt die Anzahl der Kernspaltungen. Durch die höhere Anzahl an Kernspaltungen entstehen auch mehr Dampfblasen, der sogenannte Dampfblasenkoeffizient des Moderators ist positiv. Sicherheitseinrichtungen verhindern, dass der Leistungsanstieg außer Kontrolle gerät.
In Leichtwasserreaktoren ist Wasser Kühlmittel und Moderator.Wenn die Anzahl der Kernspaltungen zunimmt, verdampft mehr Wasser (der Dampfblasenanteil nimmt zu).Dadurch, dass das Wasser auch Moderator ist, bedeutet ein höherer Dampfblasenanteil eine „Verdünnung“ des Moderators. Es werden zwar weniger Neutronen absorbiert, aber es werden noch weniger Neutronen abgebremst. So sinkt die Anzahl der Kernspaltungen von selbst.Der Dampfblasen-koeffizient ist negativ.
Für alle Reaktortypen gilt, dass U-238 bei höherer Temperatur mehr Neutronen absorbiert, der Effekt wirkt dem Anstieg freier Neutronen und dem Amstieg von Kernspaltungen entgegen.
Bei Schnellen Brutreaktoren wird sogar kein Moderator verwendet.Dort werden die schnellen Neutronen, die bei der Kernspaltung entstehen, vom U-238 aufgenommen und es wandelt sich in zwei Schritten zu Pu-239 um, welches sich durch schnelle Neutronen leicht spalten lässt.
Steuerstab
Steuerstäbe oder auch Regelstäbe werden eingesetzt, um die Kettenreaktion zu kontrollieren und die Leistung zu regeln. Stoffe, die eine große Neigung zum Einfang von Neutronen besitzen, werden als Steuerstäbe genutzt. Diese Stoffe sind zum Beispiel Bor, Indium, Silber, Boral (Legierung aus Aluminium und Borcarbit) oder Cadmium.Je tiefer die Steuerstäbe in die Spaltzone geschoben werden, desto mehr Neutronen werden absorbiert.
Durch eine Kernreaktion werden Neutronen von Bor oder Cadmium eingefangen, wobei eine Sekundärstrahlung ausgesandt wird.
Das entstehende Lithium gelangt zum Teil ins Kühlmittel, werden aber durch eine Kühlmittel-reinigungsanlage entfernt. Die Alphateilchen wandeln sich in Heliumatome um, nachdem sie Elektronen aufgenommen haben.Die Heliumatome erzeugen in den Röhrchen der Steuerstäbe einen beachtlichen Gasdruck.Der Gasdruck und die Abnahme der Borkonzentration begrenzen die Lebensdauer eines Steuerstabs, sodass die Steuerstäbe etwa alle 6 Jahre ausgetauscht werden müssen.
In Siedewasserreaktoren werden einzelne Steuerstäbe zu einem Steuerelement mit kreuzförmigen Querschnitt zusammengefügt.Steuerelemente werden von einer stählernden Hülle umschlossen und sie werden nicht zwischen die Brennelemente gefahren, sondern es gibt ein Steuerelement für 4 Brennelemente.
Häufig gestellte Fragen
Was ist ein Brennstab und wie ist er aufgebaut?
Ein Brennstab enthält Urandioxid-Pellets in einem Rohr aus Leichtmetalllegierungen wie Zirkaloy. Er dient dazu, die Spaltprodukte vom Kühlmittel fernzuhalten und den Kernbrennstoff zu schützen. Mehrere Brennstäbe werden zu einem Brennelement zusammengefasst.
Warum ist die Bezeichnung "Brennstab" irreführend?
Die Bezeichnung ist irreführend, da im Brennstab keine Verbrennung (chemische Reaktion mit Sauerstoff) stattfindet.
Welche Funktion hat der Mantel eines Brennstabs?
Der Mantel verhindert, dass Spaltprodukte in das Kühlmittel gelangen, trennt den Kernbrennstoff vom Kühlmittel, bietet mechanische Festigkeit, ist korrosions- und hitzebeständig und absorbiert kaum Neutronen.
Was ist ein Spaltgasraum im Brennstab?
Der Spaltgasraum befindet sich oberhalb des Kernbrennstoffes und dient dazu, die bei der Kernspaltung entstehenden Edelgase und andere leicht flüchtige Spaltprodukte aufzunehmen, um einen zu starken Druckanstieg im Brennstoff zu verhindern.
Was ist ein Moderator und welche Aufgabe hat er?
Ein Moderator ist ein Bremsmittel, das schnelle Neutronen abbremst, damit diese leichter U-235-Kerne spalten können. Langsame Neutronen haben eine höhere Wahrscheinlichkeit, eine Kernspaltung auszulösen.
Welche Eigenschaften sollte ein guter Moderator haben?
Ein guter Moderator sollte die schnellen Neutronen durch wenige Stöße abbremsen, eine geringe Neigung zum Einfang von Neutronen besitzen und idealerweise eine ähnliche Masse wie die Neutronen haben.
Welche Moderatoren werden in Kernreaktoren verwendet?
Häufig verwendete Moderatoren sind schweres Wasser (Deuterium), Graphit und leichtes Wasser (Wasserstoff).
Was ist der Dampfblasenkoeffizient und wie beeinflusst er die Reaktorleistung?
Der Dampfblasenkoeffizient beschreibt den Einfluss von Dampfblasen im Kühlmittel auf die Reaktorleistung. Ein positiver Dampfblasenkoeffizient bedeutet, dass mehr Dampfblasen zu einer Leistungssteigerung führen, während ein negativer Dampfblasenkoeffizient eine Leistungsabnahme bewirkt.
Was sind Steuerstäbe und wie funktionieren sie?
Steuerstäbe werden eingesetzt, um die Kettenreaktion zu kontrollieren und die Reaktorleistung zu regeln. Sie bestehen aus Stoffen, die eine hohe Neigung zum Einfang von Neutronen haben, wie z.B. Bor, Indium, Silber oder Cadmium. Je tiefer die Steuerstäbe in die Spaltzone geschoben werden, desto mehr Neutronen werden absorbiert und desto geringer wird die Reaktorleistung.
Warum müssen Steuerstäbe regelmäßig ausgetauscht werden?
Steuerstäbe müssen ausgetauscht werden, da durch die Absorption von Neutronen und die Bildung von Helium ein Gasdruck entsteht und die Borkonzentration abnimmt, was ihre Effektivität verringert.
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- Lisa Behnke (Author), 2006, Kernphysik - Brennstab, Steuerstab, Moderator, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/110121
