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1 Einleitung
1.1
Geschichte der Entdeckung der Kernspaltung
Nach vielen Experimenten waren die Chemiker Otto Hahn (Otto Hahn , ein deutscher Chemiker und Pionier auf dem Gebiet der Radioaktivität und Radiochemie) und Fritz Strassmann (Friedrich Wilhelm “Fritz” Strassmann war ein deutscher Chemiker, der Anfang 1939 mit Otto Hahn arbeitete,
identifizierte Barium im Rückstand nach dem Beschuss von Uran mit Neutronen, Ergebnisse, die, wenn sie bestätigt wurden, das bisher unbekannte Phänomen der Kernspaltung zeigten) 1938 angenommen, dass Radiumisotope durch Kernzerfall während der Bombardierung von Uran mit Neutronen gebildet wurden. Kurz darauf wurde ihnen klar, dass es sich in Wirklichkeit nicht um Radiumisotope, sondern um Barium und Krypton handelt (Krypton ist ein chemisches Element mit dem Symbol Kr und der Ordnungszahl 36).
1939 erschien ein Artikel von Hahn und Strassmann in der Zeitschrift “Der Wissenschaftler”, in dem folgende Aussage gemacht wurde: “Unsere Radiumisotope haben die Eigenschaften von Barium; als Chemiker müssten wir sagen, dass die neun Körper kein Radium sind (Radium ist ein chemisches Element mit Symbol Ra und Ordnungszahl 88), sondern Barium (Barium ist ein chemisches Element mit Symbol Ba und Ordnungszahl 56)”. Dies bewies die Kernspaltung . s. (1) S.28]
1.2 Die Funktion der Kernspaltung Bei der
Kernspaltung in einem Siede- oder Druckwasserreaktor wird da
s Natururan (Natururan bezieht sich auf Uran mit dem gleichen Isotopenverhältnis wie in der Natur) Isotop (Isotope sind Varianten eines bestimmten chemischen Elements, die sich in der Neutronenzahl unterscheiden) U-235 durch Beschuss mit Neutronen gespalten. Diese müssen langsame Neutronen mit einer Geschwindigkeit von ca. 3000 m/s sein, da sonst beim U-235 keine Spaltung stattfindet.
1.3 Die Kettenreaktion (Eine Kettenreaktion ist eine Folge von Reaktionen, bei denen ein reaktives Produkt oder Nebenprodukt zusätzliche Reaktionen hervorruft).
Da bei der Spaltung von Uran mindestens zwei Neutronen freigesetzt werden (Uran ist ein chemisches Element mit dem Symbol U und der Ordnungszahl 92), kann eine selbsttragende Kettenreaktion der Kernspaltung eingeleitet werden (In der Kernphysik und Kernchemie ist die Kernspaltung entweder eine Kernreaktion oder ein radioaktiver Zerfallsprozess, bei dem der Kern eines Atoms in kleinere Teile zerfällt).
Die Schale besteht aus einer Zirkoniumlegierung (Zirkoniumlegierungen sind feste Lösungen aus Zirkonium oder anderen Metallen, eine gemeinsame Untergruppe mit dem Markenzeichen Zircaloy) die den Brennstoff vom Kühlmittel des Primärkreislaufs trennt. Uranoxid (Uranoxid ist ein Oxid des Elements Uran) im Inneren sind Tabletten eingebaut. Sie sind der eigentliche Brennstoff. Abb. 5 Verzögerung schneller Neutronen durch einen Moderator[siehe (1) S. 39]. Wenn ein schnelles Neutron (die Neutronendetektionstemperatur, auch Neutronenenergie genannt, zeigt die kinetische Energie eines freien Neutrons an, die normalerweise in Elektronenvolt angegeben wird) auf einen Atomkern trifft (der Atomkern ist der kleine, dichte Bereich, der aus Protonen und Neutronen im Zentrum eines Atoms besteht, der 1911 von Ernest Rutherford basierend auf dem 1909er Geiger-Marsden-Goldfolien-Experiment entdeckt wurde) des Moderators, springt er davon ab und wird abgelenkt. Dadurch verliert es kinetische Energie und verlangsamt sich. Je mehr Kollisionen stattfinden, desto langsamer wird das Neutron und desto besser funktioniert die Spaltung. Da die Intensität der Verzögerung von der Temperatur des Moderators abhängt, wird eine gewisse Selbstkontrolle der Kettenreaktion erreicht. Verdunstet der Moderator bei einem Unfall (Wasser ), werden die Neutronen nicht mehr gebremst und die Kettenreaktion wird dadurch stark eingeschränkt. Werden Neutronen aus dem Prozess entnommen, finden weniger Kernspaltungen statt. Im Extremfall kommt die Kettenreaktion zum Stillstand. Die Neutronenextraktion erfolgt mit Steuerstäben aus Neutronen (Das Neutron ist ein subatomares Teilchen, Symbol oder, ohne elektrische Nettoladung und mit einer etwas größeren Masse als ein Proton) -absorbierendes Material (z.B. Bor (Bor ist ein chemisches Element mit Symbol B und Ordnungszahl 5) oder Cadmium (Cadmium ist ein chemisches Element mit Symbol Cd und Ordnungszahl 48) ). Abb. 6[siehe (1) S. 42]. Sie transportiert die Wärmeenergie (in der Thermodynamik bezeichnet man die in einem System aufgrund ihrer Temperatur vorhandene innere Energie) der Brennstäbe zur Turbine, wo sie in mechanische Energie umgewandelt wird. Auf diese Systeme wird hier jedoch nicht näher eingegangen.
Dazu muss die im Atomkern gespeicherte Kernenergie zunächst in Wärmeenergie umgewandelt werden, dann in potentielle Energie (in der Physik ist potentielle Energie die Energie, die ein Körper aufgrund seiner Lage zu anderen besitzt, Spannungen in sich selbst, elektrische Ladung und andere Faktoren), in der Turbine in kinetische Energie (in der Physik ist die kinetische Energie eines Objekts die Energie, die er aufgrund seiner Bewegung besitzt) und schließlich im Generator in elektrische Energie. Typisch sind die längliche Form des Reaktordruckbehälters und die Anordnung der Steuerstäbe unter dem Druckbehälterboden. Hier wird das Wasser im zu 2/3 gefüllten Reaktordruckbehälter mit Kernenergie erhitzt und auf den Siedepunkt gebracht. Der Dampf hat eine Temperatur von ca. 283 Grad und einen Druck von ca. 67 bar. Es wird direkt der Turbine zugeführt, wo es expandiert wird.
Der nun expandierte und gekühlte Wasserdampf wird nun im Kondensator weiter abgekühlt und in den flüssigen Aggregatzustand zurückgeführt. Die Kondensationswärme wird an einen Fluss oder über Kühltürme an die Umgebungsluft abgegeben. In einer Vorwärmanlage wird das Wasser auf ca. 215 Grad zurückgeführt und dem Reaktor zugeführt. Hier ist das Energieumwandlungssystem jedoch komplexer. Das Wasser des Primärkreises wird zunächst auf ca. 326 Grad erhitzt. Da sie auf einem Druck von ca. 158 bar gehalten wird und nicht verdampft, wird die Wärme über einen Wärmetauscher einem zweiten Kreislauf zugeführt. Nur im Sekundärkreis wird das Wasser verdampft und treibt die Turbinen ähnlich dem Siedewasserreaktor an. siehe (4) S. 551]. 3,5
Betriebsdruck in bar 158 70 Die höhere Brennstoffanreicherung in den Brennelementen des Druckwasserreaktors ist natürlich kostenintensiver als im Siedewasserreaktor. Durch den hohen Anteil an Uran 235 wird jedoch mehr Energie pro Tonne Uran umgesetzt. Auch die Konstruktion des Reaktordruckbehälters des DWR ist teurer und komplexer. Der Betriebsdruck ist hier deutlich höher, was stärkere Materialien und bessere Dichtungsmöglichkeiten erfordert. Zudem ist allein die Auslegung des zweiten Kühlmittelkreislaufs sehr aufwändig und aufwendig. Dieser Zyklus ist jedoch äußerst vorteilhaft für die Sicherheit der Kraftwerke . Da sich der mit radioaktiv kontaminiertem Wasser gefüllte Primärkreislauf in der Betonabschirmung um den Reaktordruckbehälter herum befindet, besteht auch bei einem Unfall ein geringeres Risiko, dass radioaktive Stoffe oder Strahlung austreten. Im Siedewasserreaktor muss das Turbinenhaus jedoch mit speziellen Strahlenschutzmaßnahmen ausgestattet werden, da das kontaminierte Wasser direkt aus dem Reaktor in die Turbinen und damit in das Turbinenhaus geleitet wird. Da es jedoch recht schwierig ist, Turbinen, Generatoren und Kondensatoren so röntgendicht zu bauen, ist es nicht möglich, ein so hohes Maß an Sicherheit mit wirtschaftlichen Mitteln zu erreichen3.1 Der Siedewasserreaktor (SWR)3.1 Abb. 8 Siedewasserreaktor[siehe (1) S. 48]. Der Siedewasserreaktor ist auf eine elektrische Leistung von ca. 1300 MW ausgelegt.
Typisch sind die längliche Form des Reaktordruckbehälters und die Anordnung der Steuerstäbe unter dem Druckbehälterboden. Hier wird das Wasser durch Kernenergie im 2/3 gefüllten Reaktordruckbehälter erhitzt und auf Siedepunkt gebracht (Der Siedepunkt einer Substanz ist die Temperatur, bei der der Dampfdruck der Flüssigkeit gleich dem Druck ist, der die Flüssigkeit umgibt und die Flüssigkeit in einen Dampf übergeht). Der Dampf hat eine Temperatur von ca. 283 Grad und einen Druck von ca. 67 bar. Es wird direkt der Turbine zugeführt, wo es expandiert wird.
Der nun expandierte und gekühlte Wasserdampf (Wasserdampf, Wasserdampf oder Wasserdampf, ist die Gasphase des Wassers) wird nun im Kondensator weiter gekühlt (in Systemen mit Wärmeübertragung ist ein Kondensator eine Vorrichtung oder Einheit, mit der ein Stoff aus seinem gasförmigen in seinen flüssigen Zustand durch Abkühlen kondensiert wird) und in den flüssigen Aggregatzustand zurückgeführt. Die Kondensationswärme wird an einen Fluss oder über Kühltürme an die Umgebungsluft abgegeben. In einer Vorwärmanlage wird das Wasser auf ca. 215 Grad zurückgeführt und dem Reaktor zugeführt. Hier ist das Energieumwandlungssystem jedoch komplexer. Das Wasser des Primärkreises wird zunächst auf ca. 326 Grad erhitzt. Da sie auf einem Druck von ca. 158 bar gehalten wird und nicht verdampft, wird die Wärme über einen Wärmetauscher einem zweiten Kreislauf zugeführt (Ein Wärmetauscher ist ein Gerät zur Wärmeübertragung zwischen einem festen Gegenstand und einer Flüssigkeit oder zwischen zwei oder mehr Flüssigkeiten). Nur im Sekundärkreis wird das Wasser verdampft und treibt die Turbinen ähnlich dem Siedewasserreaktor an. siehe (4) S. 551]. 3,5
Betriebsdruck in bar 158 70 Die höhere Brennstoffanreicherung in den Brennelementen des Druckwasserreaktors ist natürlich kostenintensiver als im Siedewasserreaktor. Aufgrund des hohen Anteils von Uran 235 (Uran-235 ist ein Isotop von Uran, das etwa 0,72% des natürlichen Urans ausmacht) wird jedoch mehr Energie pro Tonne umgewandelt (die britische Tonne, die der metrischen Tonne in den Vereinigten Staaten entspricht, ist eine nicht-SI-Masseeinheit, die 1.000 Kilogramm entspricht; oder ein Megagramm ; sie entspricht etwa Pfund oder 0,984 langen Tonnen ) von Uran. Auch die Konstruktion des Reaktordruckbehälters des DWR ist teurer und komplexer. Der Betriebsdruck ist hier deutlich höher, was stärkere Materialien und bessere Dichtungsmöglichkeiten erfordert. Zudem ist allein die Auslegung des zweiten Kühlmittelkreislaufs sehr aufwändig und aufwendig. Dieser Zyklus ist jedoch äußerst vorteilhaft für die Sicherheit der Kraftwerke . Da sich der mit radioaktiv kontaminiertem Wasser gefüllte Primärkreislauf in der Betonabschirmung um den Reaktordruckbehälter herum befindet (ein Reaktordruckbehälter in einem Kernkraftwerk ist der Druckbehälter mit dem Kernreaktorkühlmittel, dem Kernmantel und dem Reaktorkern), besteht auch bei einem Unfall ein geringeres Risiko, dass radioaktive Stoffe oder Strahlung austreten. Im Siedewasserreaktor muss das Turbinenhaus jedoch mit einem speziellen Strahlenschutz ausgestattet sein (Strahlenschutz, auch Strahlenschutz genannt, wird von der Internationalen Atomenergiebehörde als “Schutz des Menschen vor schädlichen Einwirkungen ionisierender Strahlung und die Mittel dazu” definiert) Maßnahmen, da das kontaminierte Wasser direkt aus dem Reaktor in die Turbinen und damit in das Turbinenhaus geleitet wird. Da es jedoch recht schwierig ist, Turbinen, Generatoren und Kondensatoren strahlendicht zu bauen, ist es nicht möglich, mit wirtschaftlichen Mitteln ein so hohes Maß an Sicherheit zu erreichen wie bei Druckwasserreaktoren. Ein Nachteil des Siedewasserreaktors ist, dass die Steuerstäbe gegen die Schwerkraft in den Kern geschoben werden müssen.
Um auf der sicheren Seite zu sein, sind zwei Laufwerke installiert, aber der zweite könnte irgendwann ausfallen. Die Sicherheit des DWR ist dagegen höher, da die Steuerstäbe über den Brennelementen angeordnet sind und sich im Notfall leicht zwischen den Elementen bewegen lassen. Schließlich bietet der Siedewasserreaktor (der Siedewasserreaktor ist eine Art Leichtwasserkernreaktor zur Stromerzeugung) einen weiteren funktionalen Vorteil: Durch seine kompakte Bauweise kann er auf Schiffen oder U-Booten eingesetzt werden.
Besonders auf U-Booten ist es sehr nützlich, da lange Tauchgänge durch nahezu unbegrenzte Energiereserven möglich sind. Da das Problem der Endlagerung noch nicht gelöst ist und wir die radioaktiven Abfälle nur künftigen Generationen überlassen, ist es unsere oberste Priorität, neue Energiequellen für eine saubere und sichere Zukunft unserer Kinder zu entwickeln. Erneuerbare Energie (Erneuerbare Energie ist Energie, die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wird, die auf natürlicher Zeitskala wie Sonnenlicht, Wind, Regen, Gezeiten, Wellen und Erdwärme wieder aufgefüllt werden) Quellen wie Sonne , Wind, Wasser und Biomasse (Biomasse ist ein Fachbegriff für die Energiegewinnung durch Holzverbrennung, und andere organische Materie) sind nur der Anfang einer nachhaltigen Lösung zusätzlich zu den bisherigen Erkenntnissen der Kernfusion (In der Kernphysik ist die Kernfusion eine Reaktion, bei der zwei oder mehr Atomkerne nahe genug kommen, um einen oder mehrere verschiedene Atomkerne und subatomare Teilchen zu bilden). Trotz viel Forschung im Energiesektor halte ich es nach wie vor für das Wichtigste, unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden und mit der verfügbaren Energie verantwortungsvoll umzugehen.