Kernreaktor funktioniert reibungslos und genau. Ansonsten wird es, wie Sie wissen, Ärger geben. Aber was ist drinnen los? Versuchen wir, das Funktionsprinzip eines Kernreaktors kurz, klar und mit Stopps zu formulieren.

Im Wesentlichen läuft dort der gleiche Prozess ab wie bei einer nuklearen Explosion. Nur die Explosion geschieht sehr schnell, und im Reaktor dehnt sich alles aus lange Zeit. Dadurch bleibt alles sicher und wir erhalten Energie. Nicht so sehr, dass alles in der Umgebung auf einmal zerstört würde, aber völlig ausreichend, um die Stadt mit Strom zu versorgen.

Bevor Sie verstehen, wie eine kontrollierte Kernreaktion abläuft, müssen Sie wissen, was es ist. Kernreaktion überhaupt.

Kernreaktion ist der Prozess der Umwandlung (Spaltung) von Atomkernen, wenn sie mit ihnen interagieren Elementarteilchen und Gammastrahlen.

Kernreaktionen können sowohl bei der Absorption als auch bei der Freisetzung von Energie auftreten. Der Reaktor nutzt die zweiten Reaktionen.

Kernreaktor ist ein Gerät, dessen Zweck darin besteht, eine kontrollierte Kernreaktion unter Freisetzung von Energie aufrechtzuerhalten.

Oftmals wird ein Kernreaktor auch als Atomreaktor bezeichnet. Beachten wir, dass es hier keinen grundsätzlichen Unterschied gibt, aber aus wissenschaftlicher Sicht ist es korrekter, das Wort „nuklear“ zu verwenden. Mittlerweile gibt es viele Arten von Kernreaktoren. Hierbei handelt es sich um riesige Industriereaktoren zur Energieerzeugung in Kraftwerken, Kernreaktoren von U-Booten und kleine Versuchsreaktoren für wissenschaftliche Experimente. Es gibt sogar Reaktoren zur Meerwasserentsalzung.

Die Geschichte der Entstehung eines Kernreaktors

Der erste Kernreaktor wurde im nicht allzu fernen Jahr 1942 in Betrieb genommen. Dies geschah in den USA unter der Führung von Fermi. Dieser Reaktor wurde „Chicago Woodpile“ genannt.

1946 nahm der erste sowjetische Reaktor, der unter der Führung Kurtschatows in Betrieb genommen wurde, seinen Betrieb auf. Der Körper dieses Reaktors war eine Kugel mit einem Durchmesser von sieben Metern. Die ersten Reaktoren hatten kein Kühlsystem und ihre Leistung war minimal. Der sowjetische Reaktor hatte übrigens eine durchschnittliche Leistung von 20 Watt und der amerikanische nur 1 Watt. Zum Vergleich: Durchschnittsleistung Die Leistung moderner Leistungsreaktoren beträgt 5 Gigawatt. Weniger als zehn Jahre nach der Inbetriebnahme des ersten Reaktors wurde in der Stadt Obninsk das weltweit erste industrielle Kernkraftwerk eröffnet.

Das Funktionsprinzip eines Kernreaktors

Jeder Kernreaktor besteht aus mehreren Teilen: Kern Mit Kraftstoff Und Moderator , Neutronenreflektor , Kühlmittel , Kontroll- und Schutzsystem . Isotope werden am häufigsten als Brennstoff in Reaktoren verwendet. Uran (235, 238, 233), Plutonium (239) und Thorium (232). Der Kern ist ein Kessel, durch den normales Wasser (Kühlmittel) fließt. Unter anderen Kühlmitteln werden „schweres Wasser“ und flüssiger Graphit seltener verwendet. Wenn wir über den Betrieb von Kernkraftwerken sprechen, dann wird ein Kernreaktor zur Wärmeerzeugung genutzt. Die Stromerzeugung selbst erfolgt auf die gleiche Weise wie in anderen Kraftwerkstypen: Dampf dreht eine Turbine und die Bewegungsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt.

Unten finden Sie ein Diagramm des Betriebs eines Kernreaktors.

Wie wir bereits gesagt haben, entstehen beim Zerfall eines schweren Urankerns leichtere Elemente und mehrere Neutronen. Die dabei entstehenden Neutronen kollidieren mit anderen Kernen, wodurch diese ebenfalls gespalten werden. Gleichzeitig wächst die Zahl der Neutronen lawinenartig.

Es sollte hier erwähnt werden Neutronenmultiplikationsfaktor . Wenn dieser Koeffizient also einen Wert von eins überschreitet, kommt es zu einer nuklearen Explosion. Ist der Wert kleiner als eins, sind zu wenig Neutronen vorhanden und die Reaktion stirbt ab. Wenn Sie jedoch den Wert des Koeffizienten gleich eins halten, wird die Reaktion lange und stabil ablaufen.

Die Frage ist, wie macht man das? Im Reaktor befindet sich der Brennstoff im sogenannten Brennelemente (TVELach). Dabei handelt es sich um Stäbchen, die in Form kleiner Tabletten enthalten: Kernbrennstoff . Brennstäbe sind in sechseckigen Kassetten verbunden, von denen es in einem Reaktor Hunderte geben kann. Kassetten mit Brennstäben sind vertikal angeordnet und jeder Brennstab verfügt über ein System, mit dem Sie die Eintauchtiefe in den Kern einstellen können. Dazu gehören neben den Kassetten selbst auch Kontrollstäbe Und Notfallschutzstangen . Die Stäbe bestehen aus einem Material, das Neutronen gut absorbiert. Dadurch können die Steuerstangen abgesenkt werden verschiedene Tiefen im Kern und reguliert so den Neutronenvervielfachungsfaktor. Notstangen dienen dazu, den Reaktor im Notfall abzuschalten.

Wie wird ein Kernreaktor gestartet?

Wir haben das Funktionsprinzip selbst herausgefunden, aber wie startet man den Reaktor und bringt ihn zum Laufen? Grob gesagt ist es hier - ein Stück Uran, aber die Kettenreaktion beginnt darin nicht von alleine. Tatsache ist, dass es in der Kernphysik ein Konzept gibt kritische Masse .

Die kritische Masse ist die Masse an spaltbarem Material, die erforderlich ist, um eine nukleare Kettenreaktion auszulösen.

Mit Hilfe von Brennstäben und Steuerstäben wird im Reaktor zunächst eine kritische Masse an Kernbrennstoff erzeugt und anschließend der Reaktor in mehreren Stufen zum Leben erweckt optimales Niveau Leistung.

In diesem Artikel haben wir versucht, Ihnen einen allgemeinen Überblick über den Aufbau und das Funktionsprinzip eines Kernreaktors zu geben. Wenn Sie Fragen zum Thema haben oder ein Problem in der Kernphysik an der Universität gestellt wurde, wenden Sie sich bitte an an die Spezialisten unseres Unternehmens. Wie gewohnt sind wir bereit, Ihnen bei der Lösung dringender Fragen rund um Ihr Studium behilflich zu sein. Und wenn wir schon dabei sind, hier ist ein weiteres Lehrvideo für Ihre Aufmerksamkeit!

Der Kernreaktor arbeitet reibungslos und effizient. Ansonsten wird es, wie Sie wissen, Ärger geben. Aber was ist drinnen los? Versuchen wir, das Funktionsprinzip eines Kernreaktors kurz, klar und mit Stopps zu formulieren.

Im Wesentlichen läuft dort der gleiche Prozess ab wie bei einer nuklearen Explosion. Nur die Explosion geschieht sehr schnell, aber im Reaktor zieht sich das alles über einen langen Zeitraum hin. Dadurch bleibt alles sicher und wir erhalten Energie. Nicht so sehr, dass alles in der Umgebung auf einmal zerstört würde, aber völlig ausreichend, um die Stadt mit Strom zu versorgen.

Wie funktioniert ein Reaktor? Kühltürme von Kernkraftwerken
Bevor Sie verstehen, wie eine kontrollierte Kernreaktion abläuft, müssen Sie wissen, was eine Kernreaktion im Allgemeinen ist.

Eine Kernreaktion ist der Prozess der Umwandlung (Spaltung) von Atomkernen bei der Wechselwirkung mit Elementarteilchen und Gammastrahlen.

Kernreaktionen können sowohl bei der Absorption als auch bei der Freisetzung von Energie auftreten. Der Reaktor nutzt die zweiten Reaktionen.

Ein Kernreaktor ist ein Gerät, dessen Zweck darin besteht, eine kontrollierte Kernreaktion unter Freisetzung von Energie aufrechtzuerhalten.

Oftmals wird ein Kernreaktor auch als Atomreaktor bezeichnet. Beachten wir, dass es hier keinen grundsätzlichen Unterschied gibt, aber aus wissenschaftlicher Sicht ist es korrekter, das Wort „nuklear“ zu verwenden. Mittlerweile gibt es viele Arten von Kernreaktoren. Hierbei handelt es sich um riesige Industriereaktoren zur Energieerzeugung in Kraftwerken, Kernreaktoren von U-Booten und kleine Versuchsreaktoren für wissenschaftliche Experimente. Es gibt sogar Reaktoren zur Meerwasserentsalzung.

Die Geschichte der Entstehung eines Kernreaktors

Der erste Kernreaktor wurde im nicht allzu fernen Jahr 1942 in Betrieb genommen. Dies geschah in den USA unter der Führung von Fermi. Dieser Reaktor wurde Chicago Woodpile genannt.

1946 nahm der erste sowjetische Reaktor, der unter der Führung Kurtschatows in Betrieb genommen wurde, seinen Betrieb auf. Der Körper dieses Reaktors war eine Kugel mit einem Durchmesser von sieben Metern. Die ersten Reaktoren hatten kein Kühlsystem und ihre Leistung war minimal. Der sowjetische Reaktor hatte übrigens eine durchschnittliche Leistung von 20 Watt und der amerikanische nur 1 Watt. Zum Vergleich: Die durchschnittliche Leistung moderner Leistungsreaktoren beträgt 5 Gigawatt. Weniger als zehn Jahre nach der Inbetriebnahme des ersten Reaktors wurde in der Stadt Obninsk das weltweit erste industrielle Kernkraftwerk eröffnet.

Das Funktionsprinzip eines Kernreaktors

Jeder Kernreaktor besteht aus mehreren Teilen: einem Kern mit Brennstoff und Moderator, einem Neutronenreflektor, einem Kühlmittel, einem Kontroll- und Schutzsystem. Isotope von Uran (235, 238, 233), Plutonium (239) und Thorium (232) werden am häufigsten als Brennstoff in Reaktoren verwendet. Der Kern ist ein Kessel, durch den normales Wasser (Kühlmittel) fließt. Unter anderen Kühlmitteln werden „schweres Wasser“ und flüssiger Graphit seltener verwendet. Wenn wir über den Betrieb von Kernkraftwerken sprechen, dann wird ein Kernreaktor zur Wärmeerzeugung genutzt. Die Stromerzeugung selbst erfolgt auf die gleiche Weise wie in anderen Kraftwerkstypen: Dampf dreht eine Turbine und die Bewegungsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt.

Unten finden Sie ein Diagramm des Betriebs eines Kernreaktors.

Diagramm des Betriebs eines Kernreaktors Diagramm eines Kernreaktors in einem Kernkraftwerk

Wie wir bereits gesagt haben, entstehen beim Zerfall eines schweren Urankerns leichtere Elemente und mehrere Neutronen. Die dabei entstehenden Neutronen kollidieren mit anderen Kernen, wodurch diese ebenfalls gespalten werden. Gleichzeitig wächst die Zahl der Neutronen lawinenartig.

Hier müssen wir den Neutronenmultiplikationsfaktor erwähnen. Wenn dieser Koeffizient also einen Wert von eins überschreitet, kommt es zu einer nuklearen Explosion. Ist der Wert kleiner als eins, sind zu wenig Neutronen vorhanden und die Reaktion stirbt ab. Wenn Sie jedoch den Wert des Koeffizienten gleich eins halten, wird die Reaktion lange und stabil ablaufen.

Die Frage ist, wie macht man das? Im Reaktor ist der Brennstoff in sogenannten Brennelementen (Brennelementen) enthalten. Dabei handelt es sich um Stäbe, die Kernbrennstoff in Form kleiner Tabletten enthalten. Brennstäbe sind in sechseckigen Kassetten verbunden, von denen es in einem Reaktor Hunderte geben kann. Kassetten mit Brennstäben sind vertikal angeordnet und jeder Brennstab verfügt über ein System, mit dem Sie die Eintauchtiefe in den Kern einstellen können. Neben den Kassetten selbst gehören dazu Steuerstangen und Notschutzstangen. Die Stäbe bestehen aus einem Material, das Neutronen gut absorbiert. Dadurch können Steuerstäbe unterschiedlich tief in den Kern abgesenkt und so der Neutronenvervielfachungsfaktor angepasst werden. Notstangen dienen dazu, den Reaktor im Notfall abzuschalten.

Wie wird ein Kernreaktor gestartet?

Wir haben das Funktionsprinzip selbst herausgefunden, aber wie startet man den Reaktor und bringt ihn zum Laufen? Grob gesagt ist es hier - ein Stück Uran, aber die Kettenreaktion beginnt darin nicht von alleine. Tatsache ist, dass es in der Kernphysik ein Konzept der kritischen Masse gibt.

KernbrennstoffKernbrennstoff

Die kritische Masse ist die Masse an spaltbarem Material, die erforderlich ist, um eine nukleare Kettenreaktion auszulösen.

Mit Hilfe von Brennstäben und Steuerstäben wird im Reaktor zunächst eine kritische Masse an Kernbrennstoff erzeugt und anschließend der Reaktor in mehreren Stufen auf das optimale Leistungsniveau gebracht.

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In diesem Artikel haben wir versucht, Ihnen einen allgemeinen Überblick über den Aufbau und das Funktionsprinzip eines Kernreaktors zu geben. Wenn Sie Fragen zum Thema haben oder ein Problem in der Kernphysik an der Universität gestellt wurde, wenden Sie sich bitte an die Spezialisten unseres Unternehmens. Wie gewohnt sind wir bereit, Ihnen bei der Lösung dringender Fragen rund um Ihr Studium behilflich zu sein. Und wenn wir schon dabei sind, hier ist ein weiteres Lehrvideo für Ihre Aufmerksamkeit!

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Als den deutschen Chemikern Otto Hahn und Fritz Strassmann 1938 erstmals die Spaltung eines Urankerns durch Neutronenbestrahlung gelang, hatten sie es nicht eilig, die Öffentlichkeit über das Ausmaß ihrer Entdeckung zu informieren. Diese Experimente legten den Grundstein für die Nutzung der Atomenergie sowohl für friedliche als auch für militärische Zwecke.

Ein Nebenprodukt der Atombombe

Otto Hahn, der vor seinem Tod im Jahr 1938 mit der österreichischen Physikerin Lise Meitner zusammenarbeitete, war sich bewusst, dass die Spaltung des Urankerns – eine unaufhaltsame Kettenreaktion – eine Atombombe bedeutete. Die Vereinigten Staaten, die Deutschland bei der Entwicklung von Atomwaffen einen Schritt voraus sein wollten, starteten das Manhattan-Projekt, ein Unternehmen von beispiellosem Ausmaß. In der Wüste Nevadas sind drei Städte entstanden. Habe hier gearbeitet tiefes Geheimnis 40.000 Menschen Unter der Führung von Robert Oppenheimer, dem „Vater der Atombombe“, entstanden in Rekordzeit rund 40 Forschungseinrichtungen, Labore und Fabriken. Der erste wurde für die Gewinnung von Plutonium geschaffen Atomreaktor unter dem Podium Fußballstadion Universität von Chicago. Hier wurde 1942 unter der Führung von Enrico Fermi die erste kontrollierte, sich selbst erhaltende Kettenreaktion gestartet. Für die entstehende Wärme konnte bisher keine sinnvolle Nutzung gefunden werden.

Elektrische Energie aus einer Kernreaktion

1954 wurde in der UdSSR das erste Kernkraftwerk der Welt in Betrieb genommen. Es befand sich in Obninsk, etwa 100 km von Moskau entfernt, und hatte eine Leistung von 5 MW. 1956 nahm der erste große Kernreaktor in der englischen Stadt Calder Hall seinen Betrieb auf. Dieses Kernkraftwerk verfügte über eine Gaskühlung, die eine relative Betriebssicherheit gewährleistete. Aber auf dem Weltmarkt haben sich druckwassergekühlte wassergekühlte Kernreaktoren, die 1957 in den USA entwickelt wurden, weiter verbreitet. Solche Stationen können mit relativ geringen Kosten gebaut werden, ihre Zuverlässigkeit lässt jedoch zu wünschen übrig. Auf Ukrainisch Kernkraftwerk Die Kernschmelze des Reaktorkerns von Tschernobyl führte zu einer Explosion, bei der radioaktive Stoffe in die Umwelt freigesetzt wurden. Die Katastrophe, die zum Tod und zur schweren Erkrankung Tausender Menschen führte, löste vor allem in Europa zahlreiche Proteste gegen die Nutzung der Atomenergie aus.

• 1896: Henri Bequerel entdeckt die radioaktiven Emissionen von Uran.
• 1919 löste Ernest Rutherford als Erster künstlich eine Kernreaktion aus, indem er Stickstoffatome mit Alphateilchen beschoss, die sich in Sauerstoff verwandelten.
• 1932: James Chadwick feuerte Alphateilchen auf Berylliumatome und entdeckte Neutronen.
• 19.38 Uhr: Otto Hahn gelingt erstmals im Labor eine Kettenreaktion, bei der er mit Neutronen einen Urankern spaltet.

Was ist ein Kernreaktor?

Ein Kernreaktor, früher auch „Kernkessel“ genannt, ist ein Gerät zur Auslösung und Steuerung einer anhaltenden nuklearen Kettenreaktion. Kernreaktoren werden in Kernkraftwerken zur Stromerzeugung und zum Schiffsantrieb eingesetzt. Die Wärme der Kernspaltung wird auf ein Arbeitsmedium (Wasser oder Gas) übertragen, das durch Dampfturbinen strömt. Wasser oder Gas setzen die Rotorblätter des Schiffes in Bewegung oder bringen elektrische Generatoren zum Drehen. Bei einer Kernreaktion entstehender Dampf kann grundsätzlich für die thermische Industrie oder für die Fernwärme genutzt werden. Einige Reaktoren werden zur Herstellung von Isotopen für medizinische und industrielle Zwecke oder zur Herstellung von waffenfähigem Plutonium verwendet. Einige davon dienen nur Forschungszwecken. Heute gibt es rund 450 Kernreaktoren zur Stromerzeugung in etwa 30 Ländern auf der ganzen Welt.

Funktionsprinzip eines Kernreaktors

So wie konventionelle Kraftwerke Strom erzeugen, indem sie die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzte Wärmeenergie nutzen, wandeln Kernreaktoren die durch die kontrollierte Kernspaltung freigesetzte Energie in Wärmeenergie zur weiteren Umwandlung in mechanische oder elektrische Formen um.

Der Prozess der Kernspaltung

Wenn eine beträchtliche Anzahl zerfallender Atomkerne (wie Uran-235 oder Plutonium-239) ein Neutron absorbieren, kann es zur Kernspaltung kommen. Ein schwerer Kern zerfällt in zwei oder mehr leichte Kerne (Spaltprodukte) und setzt dabei kinetische Energie, Gammastrahlung und freie Neutronen frei. Einige dieser Neutronen können anschließend von anderen spaltbaren Atomen absorbiert werden und eine weitere Spaltung verursachen, wodurch noch mehr Neutronen freigesetzt werden, und so weiter. Dieser Vorgang wird als nukleare Kettenreaktion bezeichnet.

Um eine solche nukleare Kettenreaktion zu kontrollieren, können Neutronenabsorber und -moderatoren den Anteil der Neutronen verändern, die in die Spaltung gehen mehr Kerne. Kernreaktoren werden manuell oder automatisch gesteuert, um die Zerfallsreaktion stoppen zu können, wenn gefährliche Situationen erkannt werden.

Häufig verwendete Neutronenflussregulatoren sind gewöhnliches („leichtes“) Wasser (74,8 % der Reaktoren weltweit), fester Graphit (20 % der Reaktoren) und „schweres“ Wasser (5 % der Reaktoren). In einigen experimentellen Reaktortypen wird vorgeschlagen, Beryllium und Kohlenwasserstoffe zu verwenden.

Wärmefreisetzung in einem Kernreaktor

Der Arbeitsbereich des Reaktors erzeugt auf verschiedene Weise Wärme:

• Die kinetische Energie der Spaltprodukte wird in thermische Energie umgewandelt, wenn die Kerne mit benachbarten Atomen kollidieren.
• Der Reaktor absorbiert einen Teil der bei der Spaltung entstehenden Gammastrahlung und wandelt deren Energie in Wärme um.
• Wärme entsteht durch den radioaktiven Zerfall von Spaltprodukten und den bei der Absorption von Neutronen freigelegten Materialien. Diese Wärmequelle bleibt auch nach der Abschaltung des Reaktors noch einige Zeit unverändert.

Bei Kernreaktionen setzt ein Kilogramm Uran-235 (U-235) etwa drei Millionen Mal mehr Energie frei als ein Kilogramm konventionell verbrannte Kohle (7,2 × 1013 Joule pro Kilogramm Uran-235 im Vergleich zu 2,4 × 107 Joule pro Kilogramm Kohle). ,

Kühlsystem für Kernreaktoren

Das Kühlmittel eines Kernreaktors – normalerweise Wasser, manchmal aber auch Gas, flüssiges Metall (z. B. flüssiges Natrium) oder geschmolzenes Salz – zirkuliert um den Reaktorkern, um die erzeugte Wärme zu absorbieren. Die Wärme wird dem Reaktor entzogen und anschließend zur Dampferzeugung genutzt. Die meisten Reaktoren verwenden ein Kühlsystem, das physisch vom Wasser isoliert ist, das siedet und den für Turbinen verwendeten Dampf erzeugt, wie ein Druckwasserreaktor. Allerdings kocht das Wasser für die Dampfturbinen in manchen Reaktoren direkt im Reaktorkern; zum Beispiel in einem Druckwasserreaktor.

Überwachung des Neutronenflusses im Reaktor

Die Leistungsabgabe des Reaktors wird durch die Steuerung der Anzahl der Neutronen reguliert, die mehr Spaltungen verursachen können.

Zur Absorption von Neutronen werden Steuerstäbe verwendet, die aus „Neutronengift“ bestehen. Je mehr Neutronen vom Steuerstab absorbiert werden, desto weniger Neutronen können eine weitere Spaltung verursachen. Wenn man also die Absorptionsstäbe tief in den Reaktor eintaucht, verringert sich dessen Ausgangsleistung, und umgekehrt erhöht sich die Ausgangsleistung durch Entfernen des Steuerstabs.

Auf der ersten Kontrollebene aller Kernreaktoren ist der Prozess der verzögerten Neutronenemission aus einer Reihe neutronenangereicherter Spaltisotope ein wichtiger physikalischer Prozess. Diese verzögerten Neutronen machen etwa 0,65 % der Gesamtzahl der bei der Spaltung erzeugten Neutronen aus, der Rest (die sogenannten „schnellen Neutronen“) entsteht unmittelbar bei der Spaltung. Die Spaltprodukte, die verzögerte Neutronen bilden, haben Halbwertszeiten im Bereich von Millisekunden bis zu mehreren Minuten. Daher dauert es sehr lange, genau zu bestimmen, wann der Reaktor den kritischen Punkt erreicht. Das Halten des Reaktors im Kettenreaktivitätsmodus, bei dem verzögerte Neutronen benötigt werden, um eine kritische Masse zu erreichen, wird mithilfe mechanischer Geräte oder menschlicher Steuerung erreicht, um die Kettenreaktion in „Echtzeit“ zu steuern. Andernfalls ist die Zeit zwischen dem Erreichen des kritischen Zustands und dem Schmelzen des Kernreaktors infolge des exponentiellen Spannungsanstiegs während einer normalen nuklearen Kettenreaktion zu kurz, um eingreifen zu können. Dieses letzte Stadium, in dem verzögerte Neutronen nicht mehr zur Aufrechterhaltung der Kritikalität erforderlich sind, wird als sofortige Neutronenkritikalität bezeichnet. Es gibt eine Skala zur Beschreibung der Kritikalität in numerischer Form, in der die anfängliche Kritikalität mit „null Dollar“, die schnelle Kritikalität mit „ein Dollar“ bezeichnet wird und weitere Punkte im Prozess in „Cent“ interpoliert werden.

In einigen Reaktoren fungiert das Kühlmittel auch als Neutronenmoderator. Der Moderator erhöht die Leistung des Reaktors, indem er bewirkt, dass die bei der Spaltung freigesetzten schnellen Neutronen Energie verlieren und zu thermischen Neutronen werden. Es ist wahrscheinlicher, dass thermische Neutronen eine Spaltung verursachen als schnelle Neutronen. Wenn das Kühlmittel auch ein Neutronenmoderator ist, können Temperaturänderungen die Dichte des Kühlmittels/Moderators und damit die Änderung der Reaktorleistung beeinflussen. Je höher die Temperatur des Kühlmittels ist, desto geringer ist seine Dichte und desto weniger wirksam ist der Retarder.

Bei anderen Reaktortypen wirkt das Kühlmittel als „Neutronengift“ und absorbiert Neutronen auf die gleiche Weise wie Steuerstäbe. Bei diesen Reaktoren kann die Leistungsabgabe dadurch gesteigert werden, dass das Kühlmittel erwärmt und dadurch weniger dicht wird. Kernreaktoren verfügen typischerweise über automatische und manuelle Systeme zum Abschalten des Reaktors im Notfall. Diese Systeme setzen große Mengen „Neutronengift“ (häufig Bor in Form) frei Borsäure) in den Reaktor, um den Spaltungsprozess zu stoppen, wenn gefährliche Zustände festgestellt oder vermutet werden.

Die meisten Reaktortypen reagieren empfindlich auf einen Prozess, der als „Xenongrube“ oder „Jodgrube“ bekannt ist. Das weit verbreitete Zerfallsprodukt Xenon-135, das bei der Spaltungsreaktion entsteht, spielt die Rolle eines Neutronenabsorbers, der dazu neigt, den Reaktor abzuschalten. Die Anreicherung von Xenon-135 kann durch die Aufrechterhaltung einer ausreichenden Menge kontrolliert werden hohes Niveau Kraft, es zu zerstören, indem es Neutronen genauso schnell absorbiert, wie es erzeugt wird. Durch die Spaltung entsteht auch Jod-135, das wiederum (mit einer Halbwertszeit von 6,57 Stunden) zu Xenon-135 zerfällt. Wenn der Reaktor abgeschaltet wird, zerfällt Jod-135 weiter zu Xenon-135, was den Neustart des Reaktors innerhalb von ein oder zwei Tagen schwieriger macht, da Xenon-135 zu Cäsium-135 zerfällt, das kein Neutronenabsorber wie Xenon ist -135, 135, mit einer Halbwertszeit von 9,2 Stunden. Dieser vorübergehende Zustand ist ein „Jodloch“. Wenn der Reaktor über genügend zusätzliche Leistung verfügt, kann er erneut gestartet werden. Je mehr Xenon-135 in Xenon-136 umgewandelt wird, desto weniger Neutronenabsorber ist, und innerhalb weniger Stunden durchläuft der Reaktor eine sogenannte „Xenon-Abbrandphase“. Zusätzlich müssen Steuerstäbe in den Reaktor eingeführt werden, um die Absorption von Neutronen auszugleichen und das verlorene Xenon-135 zu ersetzen. Die Nichtbefolgung eines solchen Verfahrens war eine der Hauptursachen für den Unfall von Tschernobyl.

Reaktoren, die in Kernkraftwerken an Bord von Schiffen (insbesondere Atom-U-Booten) eingesetzt werden, können oft nicht wie landgestützte Leistungsreaktoren kontinuierlich zur Stromerzeugung betrieben werden. Darüber hinaus müssen solche Kraftwerke über eine lange Betriebsdauer ohne Brennstoffwechsel verfügen. Aus diesem Grund verwenden viele Konstruktionen hochangereichertes Uran, enthalten jedoch einen brennbaren Neutronenabsorber in den Brennstäben. Dadurch ist es möglich, einen Reaktor mit einem Überschuss an spaltbarem Material zu konstruieren, der zu Beginn des Abbrands des Reaktorbrennstoffkreislaufs aufgrund der Anwesenheit von neutronenabsorbierendem Material, das anschließend durch herkömmliches langlebiges Material ersetzt wird, relativ sicher ist Neutronenabsorber (haltbarer als Xenon-135), die sich im Laufe der Lebensdauer des Kraftstoffs allmählich ansammeln.

Wie wird Strom erzeugt?

Die bei der Spaltung erzeugte Energie erzeugt Wärme, die teilweise in nutzbare Energie umgewandelt werden kann. Allgemeine Methode Die Nutzung dieser Wärmeenergie besteht darin, Wasser zum Kochen zu bringen und Dampf unter Druck zu erzeugen, was wiederum zur Rotation des Dampfturbinenantriebs führt, der den Generator in Rotation versetzt Wechselstrom und erzeugt Strom.

Die Geschichte der ersten Reaktoren

Neutronen wurden 1932 entdeckt. Das durch Kernreaktionen infolge der Einwirkung von Neutronen ausgelöste Kettenreaktionsschema wurde erstmals 1933 vom ungarischen Wissenschaftler Leo Sillard umgesetzt. Während seines nächsten Arbeitsjahres bei der Admiralität in London meldete er ein Patent für seine einfache Reaktoridee an. Szilards Idee beinhaltete jedoch nicht die Theorie der Kernspaltung als Neutronenquelle, da dieser Prozess noch nicht entdeckt worden war. Szilards Ideen für Kernreaktoren, die neutronenvermittelte Kernkettenreaktionen in leichten Elementen nutzen, erwiesen sich als undurchführbar.

Den Anstoß für die Entwicklung eines neuen Reaktortyps mit Uran gab die Entdeckung von Lise Meitner, Fritz Strassmann und Otto Hahn im Jahr 1938, die Uran mit Neutronen „beschossen“ (unter Verwendung der Alpha-Zerfallsreaktion von Beryllium, einer „Neutronenkanone“), um Uran zu produzieren Barium, von dem sie glaubten, dass es durch den Zerfall von Urankernen entstanden sei. Nachfolgende Forschungen Anfang 1939 (Szilard und Fermi) zeigten, dass einige Neutronen auch durch Atomspaltung erzeugt wurden, was die nukleare Kettenreaktion ermöglichte, die Szilard sechs Jahre zuvor vorgestellt hatte.

Am 2. August 1939 unterzeichnete Albert Einstein einen Brief von Szilard an Präsident Franklin D. Roosevelt, in dem er erklärte, dass die Entdeckung der Uranspaltung zur Entwicklung „extrem leistungsfähiger Bomben eines neuen Typs“ führen könnte. Dies gab der Erforschung von Reaktoren und dem radioaktiven Zerfall Impulse. Szilard und Einstein kannten sich gut und hatten viele Jahre zusammengearbeitet, aber Einstein hatte nie über diese Möglichkeit der Kernenergie nachgedacht, bis Szilard ihn zu Beginn seiner Suche darüber informierte, einen Brief an Einstein-Szilard zu schreiben, um die US-Regierung zu warnen.

Kurz darauf, im Jahr 1939, griff Hitler-Deutschland Polen an und löste damit den Zweiten Weltkrieg aus. Weltkrieg in Europa. Die USA befanden sich noch nicht offiziell im Krieg, aber im Oktober, als der Einstein-Szilard-Brief zugestellt wurde, bemerkte Roosevelt, dass der Zweck der Studie darin bestehe, sicherzustellen, dass „die Nazis uns nicht in die Luft sprengen“. Das US-Atomprojekt begann, wenn auch mit einiger Verzögerung, weil die Skepsis (insbesondere seitens Fermi) bestehen blieb und weil die Zahl der Regierungsbeamten, die das Projekt ursprünglich beaufsichtigten, gering war.

Im folgenden Jahr erhielt die US-Regierung das Frisch-Peierls-Memorandum aus Großbritannien, in dem es hieß, dass die für die Durchführung der Kettenreaktion erforderliche Uranmenge viel geringer sei als bisher angenommen. Das Memorandum wurde unter Beteiligung des Maud-Komitees erstellt, das am Atombombenprojekt in Großbritannien arbeitete, das später unter dem Codenamen „Tube Alloys“ bekannt wurde und später in das Manhattan-Projekt einbezogen wurde.

Schließlich wurde der erste künstliche Kernreaktor namens Chicago Woodpile 1 Ende 1942 an der Universität von Chicago von einem Team unter der Leitung von Enrico Fermi gebaut. Zu diesem Zeitpunkt war das US-Atomprogramm durch den Beitritt des Landes bereits beschleunigt worden in den Krieg. Der Chicago Woodpile erreichte seinen kritischen Punkt am 2. Dezember 1942 um 15:25 Uhr. Der Reaktorrahmen bestand aus Holz und hielt einen Stapel Graphitblöcke (daher der Name) mit ineinander geschachtelten „Briketts“ oder „Pseudokugeln“ aus natürlichem Uranoxid zusammen.

Ab 1943, kurz nach der Errichtung des Chicago Woodpile, entwickelte das US-Militär eine Reihe von Kernreaktoren für das Manhattan-Projekt. Der Hauptzweck der größten Reaktoren (befindet sich im Hanford-Komplex im US-Bundesstaat Washington) bestand in der Massenproduktion von Plutonium für Atomwaffen. Fermi und Szilard reichten am 19. Dezember 1944 einen Patentantrag für die Reaktoren ein. Die Erteilung verzögerte sich aufgrund der Geheimhaltung während des Krieges um zehn Jahre.

„World’s First“ lautet die Inschrift auf dem Gelände des EBR-I-Reaktors, der heute ein Museum in der Nähe von Arco, Idaho, ist. Ursprünglich hieß dieser Reaktor Chicago Woodpile 4 und wurde unter der Leitung von Walter Sinn für das Aregon National Laboratory gebaut. Dieser experimentelle schnelle Brutreaktor wurde von der US Atomic Energy Commission betrieben. Der Reaktor erzeugte bei Tests am 20. Dezember 1951 eine Leistung von 0,8 kW und am nächsten Tag eine Leistung von 100 kW (elektrisch) bei einer Auslegungskapazität von 200 kW (elektrische Leistung).

Neben der militärischen Nutzung von Kernreaktoren gab es auch politische Gründe, die Erforschung der Atomenergie zu friedlichen Zwecken fortzusetzen. US-Präsident Dwight Eisenhower hielt am 8. Dezember 1953 vor der UN-Generalversammlung seine berühmte Rede „Atome für den Frieden“. Dieser diplomatische Schritt führte zur Verbreitung der Reaktortechnologie sowohl in den USA als auch auf der ganzen Welt.

Das erste für zivile Zwecke gebaute Kernkraftwerk war das Kernkraftwerk AM-1 in Obninsk, das am 27. Juni 1954 in der Sowjetunion in Betrieb genommen wurde. Es erzeugte etwa 5 MW elektrische Energie.

Nach dem Zweiten Weltkrieg suchte das US-Militär nach anderen Anwendungen für die Kernreaktortechnologie. Untersuchungen des Heeres und der Luftwaffe wurden nicht durchgeführt; Der US-Marine gelang jedoch ein Erfolg, indem sie am 17. Januar 1955 das Atom-U-Boot USS Nautilus (SSN-571) vom Stapel ließ.

Das erste kommerzielle Kernkraftwerk (Calder Hall in Sellafield, England) wurde 1956 mit einer anfänglichen Leistung von 50 MW (später 200 MW) eröffnet.

Der erste tragbare Kernreaktor, der Alco PM-2A, wurde 1960 zur Stromerzeugung (2 MW) für den US-Militärstützpunkt Camp Century eingesetzt.

Hauptkomponenten eines Kernkraftwerks

Die Hauptkomponenten der meisten Arten von Kernkraftwerken sind:

Kernreaktorelemente

• Kernbrennstoff (Kernreaktorkern; Neutronenmoderator)
• Ursprüngliche Neutronenquelle
• Neutronenabsorber
• Neutronenkanone (stellt eine konstante Neutronenquelle bereit, um die Reaktion nach dem Abschalten wieder zu starten)
• Kühlsystem (oft sind Neutronenmoderator und Kühlmittel dasselbe, normalerweise gereinigtes Wasser)
• Kontrollstäbe
• Kernreaktorgefäß (NRP)

Kesselwasserversorgungspumpe

• Dampferzeuger (nicht in Siedewasser-Kernreaktoren)
• Dampfturbine
• Stromgenerator
• Kondensator
• Kühlturm (nicht immer erforderlich)
• System zur Behandlung radioaktiver Abfälle (Teil der Endlagerstation für radioaktive Abfälle)
• Umladestelle für Kernbrennstoffe
• Pool für abgebrannte Brennelemente

Strahlenschutzsystem

• Rektorschutzsystem (RPS)
• Notstrom-Dieselgeneratoren
• Notfall-Reaktorkernkühlsystem (ECCS)
• Notfall-Flüssigkeitskontrollsystem (Notinjektion von Bor, nur in Siedewasser-Kernreaktoren)
• System zur Versorgung verantwortungsbewusster Verbraucher mit Prozesswasser (SOTVOP)

Schutzhülle

• Schalttafel
• Notinstallation
• Nuklearer Trainingskomplex (in der Regel gibt es eine nachgeahmte Kontrolltafel)

Klassifizierungen von Kernreaktoren

Arten von Kernreaktoren

Kernreaktoren werden auf verschiedene Arten klassifiziert; Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung dieser Klassifizierungsmethoden.

Klassifizierung von Kernreaktoren nach Moderatortyp

Eingesetzte thermische Reaktoren:

• Graphitreaktoren
  
• Druckwasserreaktoren
• Schwerwasserreaktoren(verwendet in Kanada, Indien, Argentinien, China, Pakistan, Rumänien und Südkorea).
• Leichtwasserreaktoren(LVR). Leichtwasserreaktoren (der häufigste Typ thermischer Reaktoren) verwenden normales Wasser zur Steuerung und Kühlung der Reaktoren. Wenn die Temperatur des Wassers steigt, nimmt seine Dichte ab, wodurch der Neutronenfluss so stark verlangsamt wird, dass weitere Kettenreaktionen ausgelöst werden. Das ist negativ Rückkopplung stabilisiert die Geschwindigkeit der Kernreaktion. Graphit- und Schwerwasserreaktoren erhitzen sich tendenziell stärker als Leichtwasserreaktoren. Aufgrund der zusätzlichen Erwärmung können solche Reaktoren natürliches Uran/unangereicherten Brennstoff verwenden.
• Reaktoren basierend auf Lichtelementmoderatoren.
• Reaktoren mit geschmolzenem Salz(MSR) werden durch das Vorhandensein leichter Elemente wie Lithium oder Beryllium verursacht, die in den Salzen der Kühlmittel-/Brennstoffmatrix LiF und BEF2 vorkommen.
• Reaktoren mit Flüssigmetallkühlern, bei denen das Kühlmittel eine Mischung aus Blei und Wismut ist, kann BeO-Oxid als Neutronenabsorber verwenden.
• Reaktoren auf Basis organischer Moderatoren(OMR) nutzen Biphenyl und Terphenyl als Moderator- und Kühlkomponenten.

Klassifizierung von Kernreaktoren nach Art des Kühlmittels

• Wassergekühlter Reaktor. In den Vereinigten Staaten sind 104 Reaktoren in Betrieb. Davon sind 69 Druckwasserreaktoren (DWR) und 35 Siedewasserreaktoren (SWR). Kerndruckwasserreaktoren (PWRs) machen die überwiegende Mehrheit aller westlichen Kernkraftwerke aus. Das Hauptmerkmal des RVD-Typs ist das Vorhandensein eines Kompressors, eines speziellen Hochdruckbehälters. Die meisten kommerziellen RVD-Reaktoren und Schiffsreaktoranlagen verwenden Kompressoren. Zur Zeit normale Operation Das Gebläse ist teilweise mit Wasser gefüllt und darüber wird eine Dampfblase aufrechterhalten, die durch Erhitzen von Wasser mit Tauchsiedern entsteht. Im Normalbetrieb ist der Kompressor mit dem Hochdruckreaktorbehälter (HRVV) verbunden und der Druckausgleicher sorgt für das Vorhandensein eines Hohlraums bei einer Änderung des Wasservolumens im Reaktor. Dieses Schema ermöglicht auch die Steuerung des Drucks im Reaktor durch Erhöhen oder Verringern des Dampfdrucks im Kompensator mithilfe von Heizgeräten.

• Hochdruck-Schwerwasserreaktoren gehören zu einer Art Druckwasserreaktor (PWR), der die Prinzipien der Drucknutzung und eines isolierten Wärmekreislaufs kombiniert und die Verwendung von schwerem Wasser als Kühlmittel und Moderator voraussetzt, was wirtschaftlich vorteilhaft ist.
• Siedewasserreaktor(SWR). Siedewasserreaktormodelle zeichnen sich durch das Vorhandensein von siedendem Wasser um die Brennstäbe am Boden des Hauptreaktorbehälters aus. Der Siedewasserreaktor nutzt angereichertes 235U in Form von Urandioxid als Brennstoff. Der Brennstoff wird zu Stäben zusammengesetzt, die in einem Stahlgefäß platziert werden, das wiederum in Wasser getaucht wird. Der Prozess der Kernspaltung führt dazu, dass Wasser kocht und Dampf entsteht. Dieser Dampf strömt durch Rohrleitungen in Turbinen. Die Turbinen werden mit Dampf angetrieben und erzeugen dabei Strom. Im Normalbetrieb wird der Druck durch die Wasserdampfmenge gesteuert, die vom Reaktordruckbehälter in die Turbine strömt.
• Poolreaktor
• Flüssigmetallgekühlter Reaktor. Da Wasser ein Neutronenmoderator ist, kann es nicht als Kühlmittel in einem Reaktor für schnelle Neutronen verwendet werden. Zu den flüssigen Metallkühlmitteln gehören Natrium, NaK, Blei, Blei-Wismut-Eutektikum und bei Reaktoren früherer Generationen Quecksilber.
• Natriumgekühlter Reaktor für schnelle Neutronen.
• Schneller Neutronenreaktor mit Bleikühlmittel.
• Gasgekühlte Reaktoren gekühlt durch zirkulierendes Inertgas, konzipiert durch Helium in Hochtemperaturstrukturen. Dabei, Kohlendioxid wurde zuvor in britischen und französischen Kernkraftwerken eingesetzt. Stickstoff wurde ebenfalls verwendet. Die Wärmenutzung hängt vom Reaktortyp ab. Manche Reaktoren sind so heiß, dass das Gas direkt eine Gasturbine antreiben kann. Bei älteren Reaktorkonstruktionen wurde typischerweise Gas durch einen Wärmetauscher geleitet, um Dampf für eine Dampfturbine zu erzeugen.
• Salzschmelze-Reaktoren(MSRs) werden durch zirkulierende Salzschmelze (normalerweise eutektische Mischungen von Fluoridsalzen wie FLiBe) gekühlt. In einer typischen MSR wird das Kühlmittel auch als Matrix verwendet, in der das spaltbare Material gelöst wird.

Generationen von Kernreaktoren

• Reaktor der ersten Generation(frühe Prototypen, Forschungsreaktoren, nichtkommerzielle Leistungsreaktoren)
• Reaktor der zweiten Generation(größte moderne Kernkraftwerke 1965-1996)
• Reaktor der dritten Generation(evolutionäre Verbesserungen bestehende Strukturen 1996-heute)
• Reaktor der vierten Generation(Technologien noch in der Entwicklung, unbekanntes Startdatum, möglicherweise 2030)

Im Jahr 2003 führte das französische Kommissariat für Atomenergie (CEA) während der Nucleonics Week erstmals die Bezeichnung „Gen II“ ein.

Die erste Erwähnung von „Gen III“ erfolgte im Jahr 2000 im Zusammenhang mit der Gründung des Generation IV International Forum (GIF).

„Gen IV“ wurde im Jahr 2000 vom US-Energieministerium (DOE) für die Entwicklung neuer Kraftwerkstypen erwähnt.

Klassifizierung von Kernreaktoren nach Brennstoffart

• Feststoffreaktor
• Flüssigbrennstoffreaktor
• Homogener wassergekühlter Reaktor
• Reaktor für geschmolzenes Salz
• Gasbetriebene Reaktoren (theoretisch)

Klassifizierung von Kernreaktoren nach Zweck

• Stromerzeugung
• Kernkraftwerke, einschließlich kleiner Clusterreaktoren
• Selbstfahrende Geräte (siehe Kernkraftwerke)
• Nukleare Offshore-Anlagen
• Es werden verschiedene Arten von Raketenmotoren angeboten
• Andere Formen der Wärmenutzung
• Entsalzung
• Wärmeerzeugung für Haushalt und Industrieheizung
• Wasserstoffproduktion zur Verwendung in der Wasserstoffenergie
• Produktionsreaktoren zur Elementumwandlung
• Brutreaktoren, die in der Lage sind, mehr spaltbares Material zu produzieren, als sie während einer Kettenreaktion verbrauchen (durch Umwandlung der Ausgangsisotope U-238 in Pu-239 oder Th-232 in U-233). Somit kann der Uranbrüterreaktor nach Abschluss eines Zyklus wieder mit natürlichem oder sogar abgereichertem Uran befüllt werden. Der Thorium-Brüterreaktor wiederum kann mit Thorium nachgefüllt werden. Allerdings ist eine Erstversorgung mit spaltbarem Material erforderlich.
• Entstehung verschiedener radioaktiver Isotope, wie Americium zur Verwendung in Rauchmeldern sowie Kobalt-60, Molybdän-99 und andere, die als Indikatoren und zur Behandlung eingesetzt werden.
• Herstellung von Materialien für Atomwaffen, beispielsweise waffenfähigem Plutonium
• Schaffung einer Quelle für Neutronenstrahlung (z. B. den Pulsreaktor Lady Godiva) und Positronenstrahlung (z. B. Neutronenaktivierungsanalyse und Kalium-Argon-Datierung)
• Forschungsreaktor: Typischerweise werden Reaktoren verwendet wissenschaftliche Forschung und Schulungen, das Testen von Materialien oder die Herstellung von Radioisotopen für Medizin und Industrie. Sie sind viel kleiner als Leistungsreaktoren oder Schiffsreaktoren. Viele dieser Reaktoren stehen auf Universitätsgeländen. In 56 Ländern sind etwa 280 solcher Reaktoren in Betrieb. Einige arbeiten mit hochangereichertem Uranbrennstoff. Es gibt internationale Bemühungen, gering angereicherte Kraftstoffe zu ersetzen.

Moderne Kernreaktoren

Diese Reaktoren verwenden einen Hochdruckbehälter zur Aufnahme von Kernbrennstoff, Steuerstäben, Moderator und Kühlmittel. Die Kühlung von Reaktoren und die Moderation von Neutronen erfolgt mit flüssigem Wasser unter hohem Druck. Das aus dem Hochdruckbehälter austretende heiße radioaktive Wasser durchläuft einen Kreislauf Dampfgenerator, was wiederum den sekundären (nicht radioaktiven) Kreislauf erwärmt. Diese Reaktoren bilden am meisten moderne Reaktoren. Hierbei handelt es sich um ein Heizstrukturgerät für Neutronenreaktoren. Die neuesten Geräte sind der WWER-1200, der Advanced Pressurized Water Reactor und der European Pressurized Water Reactor. Reaktoren der US-Marine gehören zu diesem Typ.

Siedewasserreaktoren ähneln Druckwasserreaktoren ohne Dampferzeuger. Siedewasserreaktoren verwenden wie Druckwasserreaktoren auch Wasser als Kühlmittel und Neutronenmoderator, jedoch bei einem niedrigeren Druck, wodurch das Wasser in einem Kessel siedet und Dampf erzeugt, der Turbinen antreibt. Im Gegensatz zu einem Druckwasserreaktor gibt es keinen Primär- oder Sekundärkreislauf. Die Heizleistung dieser Reaktoren kann höher sein, sie können einfacher aufgebaut und noch stabiler und sicherer sein. Hierbei handelt es sich um ein thermisches Neutronenreaktorgerät, die neuesten davon sind der Advanced Boiling Water Reactor und der Economical Simplified Boiling Water Nuclear Reactor.

Bei dieser kanadischen Bauart (bekannt als CANDU) handelt es sich um mit schwerem Wasser moderierte, unter Druck stehende Kühlmittelreaktoren. Anstatt wie bei Druckwasserreaktoren einen einzigen Druckbehälter zu verwenden, ist der Brennstoff in Hunderten von Hochdruckkanälen enthalten. Diese Reaktoren werden mit natürlichem Uran betrieben und sind thermische Neutronenreaktoren. Schwerwasserreaktoren können bei voller Leistung betankt werden, wodurch sie Uran sehr effizient nutzen (dadurch lässt sich die Strömung im Kern präzise steuern). Schwerwasser-CANDU-Reaktoren wurden in Kanada, Argentinien, China, Indien, Pakistan, Rumänien und Südkorea gebaut. Indien betreibt auch eine Reihe von Schwerwasserreaktoren, die oft als „CANDU-Derivate“ bezeichnet werden und gebaut wurden, nachdem die kanadische Regierung ihre nuklearen Beziehungen zu Indien nach dem Atomwaffentest „Smiling Buddha“ im Jahr 1974 beendet hatte.

Eine sowjetische Entwicklung, die sowohl Plutonium als auch Elektrizität produzieren sollte. RBMKs verwenden Wasser als Kühlmittel und Graphit als Neutronenmoderator. RBMKs ähneln CANDUs in mancher Hinsicht, da sie während des Betriebs wieder aufgeladen werden können und Druckrohre anstelle eines Hochdruckbehälters (wie in Druckwasserreaktoren) verwenden. Allerdings sind sie im Gegensatz zu CANDUs sehr instabil und sperrig, was die Reaktorhaube teuer macht. In den RBMK-Entwürfen wurden auch eine Reihe kritischer Sicherheitsmängel festgestellt, obwohl einige dieser Mängel nach der Katastrophe von Tschernobyl behoben wurden. Ihr Hauptmerkmal ist Verwendung von Licht Wasser und nicht angereichertes Uran. Im Jahr 2010 waren noch 11 Reaktoren in Betrieb, was größtenteils auf verbesserte Sicherheitsniveaus und die Unterstützung internationaler Sicherheitsorganisationen wie des US-Energieministeriums zurückzuführen ist. Trotz dieser Verbesserungen gelten RBMK-Reaktoren immer noch als eine der gefährlichsten Reaktorkonstruktionen überhaupt. RBMK-Reaktoren wurden nur in der ehemaligen Sowjetunion eingesetzt.

Sie verwenden typischerweise einen Graphit-Neutronenmoderator und CO2-Kühlmittel. Aufgrund ihrer hohen Betriebstemperaturen können sie Wärme effizienter erzeugen als Druckwasserreaktoren. Es gibt eine Reihe von in Betrieb befindlichen Reaktoren dieser Bauart, hauptsächlich im Vereinigten Königreich, wo das Konzept entwickelt wurde. Die älteren Siedlungen (z. B. Magnox Station) sind entweder geschlossen oder werden in naher Zukunft geschlossen. Verbesserte gasgekühlte Reaktoren haben jedoch eine erwartete Betriebsdauer von weiteren 10 bis 20 Jahren. Reaktoren dieser Art sind thermische Neutronenreaktoren. Die monetären Kosten für die Stilllegung solcher Reaktoren können aufgrund des großen Kernvolumens hoch sein.

Dieser Reaktor ist für die Kühlung durch flüssiges Metall ohne Moderator konzipiert und produziert mehr Brennstoff als er verbraucht. Sie gelten als „Brennstoffbrüter“, da sie durch Neutroneneinfang spaltbaren Brennstoff erzeugen. Solche Reaktoren können vom Wirkungsgrad her wie Druckwasserreaktoren funktionieren, erfordern jedoch einen Ausgleich des erhöhten Drucks, da sie flüssiges Metall verwenden, das auch bei sehr hohen Temperaturen keinen Überdruck erzeugt. BN-350 und BN-600 in der UdSSR und Superphoenix in Frankreich waren Reaktoren dieses Typs, ebenso wie Fermi-I in den Vereinigten Staaten. Der Monju-Reaktor in Japan, der 1995 durch ein Natriumleck beschädigt wurde, nahm im Mai 2010 den Betrieb wieder auf. Alle diese Reaktoren verwenden/haben flüssiges Natrium verwendet. Diese Reaktoren sind schnelle Neutronenreaktoren und gehören nicht zu den thermischen Neutronenreaktoren. Es gibt zwei Arten von Reaktoren:

Die Verwendung von Blei als flüssiges Metall bietet hervorragender Schutz vor radioaktiver Strahlung und ermöglicht das Arbeiten bei sehr hohen Temperaturen. Darüber hinaus ist Blei (größtenteils) transparent für Neutronen, sodass weniger Neutronen an das Kühlmittel verloren gehen und das Kühlmittel nicht radioaktiv wird. Im Gegensatz zu Natrium ist Blei im Allgemeinen inert, so dass die Gefahr einer Explosion oder eines Unfalls geringer ist. Derart große Mengen an Blei können jedoch hinsichtlich der Toxizität und der Abfallentsorgung Probleme verursachen. In diesem Reaktortyp können häufig eutektische Blei-Wismut-Mischungen verwendet werden. In diesem Fall stört Wismut die Strahlung kaum, da es für Neutronen nicht vollständig transparent ist und leichter in ein anderes Isotop mutieren kann als Blei. Das russische U-Boot der Alpha-Klasse nutzt einen mit Blei-Wismut gekühlten Schnellreaktor als Hauptstromerzeugungssystem.

Die meisten Flüssigmetall-Brutreaktoren (LMFBRs) sind von diesem Typ. Natrium ist relativ leicht erhältlich und leicht zu verarbeiten und trägt außerdem zur Korrosionsverhinderung bei. verschiedene Teile Reaktor darin eingetaucht. Allerdings reagiert Natrium bei Kontakt mit Wasser heftig, daher ist Vorsicht geboten, obwohl solche Explosionen nicht viel heftiger sein werden als beispielsweise Lecks überhitzter Flüssigkeit aus einem SCWR- oder RWD-Reaktor. EBR-I ist der erste Reaktor seiner Art, dessen Kern aus einer Schmelze besteht.

Sie verwenden in Keramikkugeln gepressten Brennstoff, in dem Gas durch die Kugeln zirkuliert. Das Ergebnis sind effiziente, unprätentiöse und sehr sichere Reaktoren mit kostengünstigem, standardisiertem Brennstoff. Der Prototyp war der AVR-Reaktor.

Dabei wird Kraftstoff in Fluoridsalzen gelöst oder Fluoride als Kühlmittel eingesetzt. Ihre verschiedenen Sicherheitssysteme, hohe Effizienz und hoher Energiedichte sind für Fahrzeuge geeignet. Es ist bemerkenswert, dass sie keine Teile haben, die der Witterung ausgesetzt sind hohe Drücke oder brennbare Bestandteile im Kern. Der Prototyp war der MSRE-Reaktor, der ebenfalls einen Thorium-Brennstoffkreislauf nutzte. Als Brutreaktor bereitet er abgebrannte Brennelemente wieder auf und extrahiert dabei sowohl Uran als auch transurane Elemente, so dass im Vergleich zu derzeit in Betrieb befindlichen konventionellen Uran-Leichtwasserreaktoren mit Durchlaufdurchgang nur 0,1 % des Transuranabfalls zurückbleiben. Ein weiteres Thema sind radioaktive Spaltprodukte, die nicht wiederaufbereitet werden und in konventionellen Reaktoren entsorgt werden müssen.

Diese Reaktoren verwenden Brennstoff in Form löslicher Salze, die in Wasser gelöst und mit einem Kühlmittel und einem Neutronenmoderator vermischt werden.

Innovative nukleare Systeme und Projekte

Fortgeschrittene Reaktoren

Mehr als ein Dutzend fortgeschrittene Reaktorprojekte befinden sich in unterschiedlichen Entwicklungsstadien. Einige haben sich aus RWD-, SWR- und PHWR-Reaktorkonstruktionen entwickelt, andere unterscheiden sich deutlicher. Zu ersteren gehören der Advanced Boiling Water Reactor (ABWR) (von denen zwei derzeit in Betrieb sind und weitere im Bau sind) sowie der geplante Economy Simplified Boiling Water Reactor (ESBWR) und AP1000-Anlagen (siehe Nuclear Energy Program 2010).

Integrierter Kernreaktor für schnelle Neutronen(IFR) wurde in den 1980er Jahren gebaut, getestet und getestet und dann aufgrund der Politik der nuklearen Nichtverbreitung in den Ruhestand versetzt, nachdem die Clinton-Regierung in den 1990er Jahren ihr Amt niedergelegt hatte. Die Wiederaufbereitung abgebrannter Kernbrennstoffe ist in das Design integriert und erzeugt daher nur einen Bruchteil des Abfalls aus in Betrieb befindlichen Reaktoren.

Modularer gasgekühlter Hochtemperaturreaktor Reaktor (HTGCR), ist so konzipiert, dass hohe Temperaturen reduzieren die Ausgangsleistung aufgrund der Doppler-Verbreiterung des Querschnitts des Neutronenstrahls. Der Reaktor nutzt Keramiktyp Daher liegen seine sicheren Betriebstemperaturen über dem Temperaturbereich zur Leistungsreduzierung. Die meisten Strukturen werden mit inertem Helium gekühlt. Helium kann aufgrund der Dampfausdehnung keine Explosion verursachen, ist kein Neutronenabsorber, der Radioaktivität verursachen würde, und löst keine Schadstoffe auf, die radioaktiv sein könnten. Typische Konstruktionen bestehen aus mehr Schichten passiven Schutzes (bis zu 7) als bei Leichtwasserreaktoren (normalerweise 3). Ein einzigartiges Merkmal, das die Sicherheit gewährleisten kann, besteht darin, dass die Brennstoffkugeln tatsächlich den Kern bilden und im Laufe der Zeit eine nach der anderen ausgetauscht werden. Die Konstruktionsmerkmale von Brennstoffzellen machen deren Recycling teuer.

Klein, geschlossen, mobil, Autonomer Reaktor (SSTAR) wurde ursprünglich in den USA getestet und entwickelt. Der Reaktor wurde als schneller Neutronenreaktor konzipiert und verfügt über ein passives Schutzsystem, das bei Verdacht auf Probleme aus der Ferne abgeschaltet werden kann.

Sauber und umweltfreundlich fortgeschrittener Reaktor (CAESAR) ist ein Konzept für einen Kernreaktor, der Dampf als Neutronenmoderator nutzt – ein Design, das sich noch in der Entwicklung befindet.

Der verkleinerte wassermoderierte Reaktor basiert auf dem verbesserten Siedewasserreaktor (ABWR), der derzeit in Betrieb ist. Es handelt sich nicht um einen vollständigen Reaktor für schnelle Neutronen, sondern er nutzt hauptsächlich epithermale Neutronen, deren Geschwindigkeiten zwischen thermisch und schnell liegen.

Selbstregulierendes Kernkraftmodul mit Wasserstoff-Neutronenmoderator (HPM) ist ein vom Los Alamos National Laboratory hergestellter Reaktortyp, der Uranhydrid als Brennstoff verwendet.

Unterkritische Kernreaktoren sollen sicherer und stabiler sein, sind jedoch technisch und wirtschaftlich aufwändig. Ein Beispiel ist der Energy Booster.

Reaktoren auf Thoriumbasis. In speziell dafür konzipierten Reaktoren ist es möglich, Thorium-232 in U-233 umzuwandeln. Auf diese Weise kann Thorium, das viermal häufiger vorkommt als Uran, zur Herstellung von Kernbrennstoff auf U-233-Basis verwendet werden. Man geht davon aus, dass U-233 im Vergleich zum traditionell verwendeten U-235 günstigere Kerneigenschaften aufweist, insbesondere eine bessere wohltuender Nutzen Neutronen und die Reduzierung der Menge an produziertem langlebigem Transuranabfall.

Verbesserter Schwerwasserreaktor (AHWR)- ein geplanter Schwerwasserreaktor, der die Entwicklung des PHWR-Typs der nächsten Generation darstellen wird. In Entwicklung am Bhabha Nuclear Research Center (BARC), Indien.

KAMINI- ein einzigartiger Reaktor, der das Isotop Uran-233 als Brennstoff verwendet. Gebaut in Indien im BARC Research Center und im Indira Gandhi Center for Nuclear Research (IGCAR).

Indien plant außerdem den Bau schneller Reaktoren mit dem Thorium-Uran-233-Brennstoffkreislauf. FBTR (Fast Breeder Reactor) (Kalpakkam, Indien) nutzt im Betrieb Plutonium als Brennstoff und flüssiges Natrium als Kühlmittel.

Was sind Reaktoren der vierten Generation?

Die vierte Generation von Reaktoren ist eine Sammlung verschiedener theoretischer Entwürfe, die derzeit in Betracht gezogen werden. Es ist unwahrscheinlich, dass diese Projekte bis 2030 abgeschlossen sein werden. Derzeit in Betrieb befindliche Reaktoren gelten im Allgemeinen als Systeme der zweiten oder dritten Generation. Systeme der ersten Generation wurden seit einiger Zeit nicht mehr verwendet. Die Entwicklung dieser vierten Generation von Reaktoren wurde auf der Grundlage von acht Technologiezielen offiziell auf dem Generation IV International Forum (GIF) gestartet. Die Hauptziele bestanden darin, die nukleare Sicherheit zu verbessern, die Proliferationsresistenz zu erhöhen, die Verschwendung und den Verbrauch natürlicher Ressourcen zu minimieren und die Kosten für den Bau und Betrieb solcher Anlagen zu senken.

• Gasgekühlter Reaktor für schnelle Neutronen
• Schneller Reaktor mit Bleikühler
• Flüssigsalzreaktor
• Natriumgekühlter schneller Reaktor
• Überkritischer wassergekühlter Kernreaktor
• Ultrahochtemperatur-Kernreaktor

Was sind Reaktoren der fünften Generation?

Bei der fünften Generation von Reaktoren handelt es sich um Projekte, deren Umsetzung theoretisch möglich ist, die jedoch derzeit nicht Gegenstand aktiver Überlegungen und Forschungen sind. Obwohl solche Reaktoren kurzfristig oder kurzfristig gebaut werden können, stoßen sie aus Gründen der Wirtschaftlichkeit, Praktikabilität oder Sicherheit auf wenig Interesse.

• Flüssigphasenreaktor. Ein geschlossener Kreislauf mit Flüssigkeit im Kern eines Kernreaktors, in dem das spaltbare Material in Form von geschmolzenem Uran oder einer Uranlösung vorliegt, die durch ein Arbeitsgas gekühlt wird, das durch Löcher im Boden des Vorratsbehälters injiziert wird.
• Gasphasenreaktor im Kern. Möglichkeit geschlossener Kreislauf für eine nuklearbetriebene Rakete, bei der das spaltbare Material gasförmiges Uranhexafluorid ist, das sich in einem Quarzbehälter befindet. Das Arbeitsgas (z. B. Wasserstoff) umströmt dieses Gefäß und absorbiert die bei der Kernreaktion entstehende ultraviolette Strahlung. Ein solches Design könnte als Raketentriebwerk verwendet werden, wie in Harry Harrisons Science-Fiction-Roman „Skyfall“ von 1976 erwähnt. Theoretisch würde die Verwendung von Uranhexafluorid als Kernbrennstoff (und nicht wie derzeit als Zwischenprodukt) zu geringeren Energieerzeugungskosten führen und auch die Größe der Reaktoren erheblich verringern. In der Praxis würde ein Reaktor, der mit solch hohen Leistungsdichten betrieben wird, einen unkontrollierten Neutronenfluss erzeugen, der die Festigkeitseigenschaften vieler Reaktormaterialien schwächt. Somit würde die Strömung der Strömung von Partikeln ähneln, die in thermonuklearen Anlagen freigesetzt werden. Dies wiederum würde den Einsatz von Materialien erfordern, die den Materialien ähneln, die im Rahmen des Internationalen Projekts zur Umsetzung einer Anlage zur Bestrahlung von Materialien unter thermonuklearen Reaktionsbedingungen verwendet werden.
• Elektromagnetischer Gasphasenreaktor. Wie ein Gasphasenreaktor, jedoch mit Photovoltaikzellen, die ultraviolettes Licht direkt in Elektrizität umwandeln.
• Fragmentierungsreaktor
• Hybride Kernfusion. Dabei werden die bei der Fusion und dem Zerfall des Ausgangsstoffes oder „Stoffes in der Brutzone“ emittierten Neutronen genutzt. Zum Beispiel die Umwandlung von U-238, Th-232 oder abgebrannten Brennelementen/radioaktiven Abfällen aus einem anderen Reaktor in relativ harmlose Isotope.

Reaktor mit einer Gasphase im Kern. Eine Option mit geschlossenem Kreislauf für eine nuklearbetriebene Rakete, bei der das spaltbare Material Uranhexafluoridgas ist, das sich in einem Quarzbehälter befindet. Das Arbeitsgas (z. B. Wasserstoff) umströmt dieses Gefäß und absorbiert die bei der Kernreaktion entstehende ultraviolette Strahlung. Ein solches Design könnte als Raketentriebwerk verwendet werden, wie in Harry Harrisons Science-Fiction-Roman „Skyfall“ von 1976 erwähnt. Theoretisch würde die Verwendung von Uranhexafluorid als Kernbrennstoff (und nicht wie derzeit als Zwischenprodukt) zu geringeren Energieerzeugungskosten führen und auch die Größe der Reaktoren erheblich verringern. In der Praxis würde ein Reaktor, der mit solch hohen Leistungsdichten betrieben wird, einen unkontrollierten Neutronenfluss erzeugen, der die Festigkeitseigenschaften vieler Reaktormaterialien schwächt. Somit würde die Strömung der Strömung von Partikeln ähneln, die in thermonuklearen Anlagen freigesetzt werden. Dies wiederum würde den Einsatz von Materialien erfordern, die den Materialien ähneln, die im Rahmen des Internationalen Projekts zur Umsetzung einer Anlage zur Bestrahlung von Materialien unter thermonuklearen Reaktionsbedingungen verwendet werden.

Elektromagnetischer Gasphasenreaktor. Wie ein Gasphasenreaktor, jedoch mit Photovoltaikzellen, die ultraviolettes Licht direkt in Elektrizität umwandeln.

Fragmentierungsreaktor

Hybride Kernfusion. Dabei werden die bei der Fusion und dem Zerfall des Ausgangsstoffes oder „Stoffes in der Brutzone“ emittierten Neutronen genutzt. Zum Beispiel die Umwandlung von U-238, Th-232 oder abgebrannten Brennelementen/radioaktiven Abfällen aus einem anderen Reaktor in relativ harmlose Isotope.

Fusionsreaktoren

Die kontrollierte Kernfusion kann in Fusionskraftwerken zur Stromerzeugung eingesetzt werden, ohne dass die mit der Arbeit mit Aktiniden verbundenen Komplikationen auftreten. Es bestehen jedoch weiterhin erhebliche wissenschaftliche und technologische Hindernisse. Mehrere Fusionsreaktoren wurden gebaut, aber nur in In letzter Zeit Es konnte sichergestellt werden, dass die Reaktoren mehr Energie freisetzten, als sie verbrauchten. Obwohl die Forschung bereits in den 1950er Jahren begann, geht man davon aus, dass es kommerziell ist Fusionsreaktor wird erst 2050 funktionieren. Derzeit wird daran gearbeitet, Fusionsenergie im Rahmen des ITER-Projekts nutzbar zu machen.

Kernbrennstoffkreislauf

Bei thermischen Reaktoren kommt es im Allgemeinen auf den Grad der Uranreinigung und -anreicherung an. Einige Kernreaktoren können mit einer Mischung aus Plutonium und Uran betrieben werden (siehe MOX-Brennstoff). Der Prozess, durch den Uranerz abgebaut, verarbeitet, angereichert, verwendet, möglicherweise recycelt und entsorgt wird, wird als Kernbrennstoffkreislauf bezeichnet.

Bis zu 1 % des Urans in der Natur ist das leicht spaltbare Isotop U-235. Daher beinhaltet die Konstruktion der meisten Reaktoren die Verwendung von angereichertem Brennstoff. Die Anreicherung erfolgt durch Erhöhung des U-235-Anteils und erfolgt üblicherweise durch Gasdiffusion oder in einer Gaszentrifuge. Das angereicherte Produkt wird weiter in Urandioxidpulver umgewandelt, das gepresst und zu Granulat gebrannt wird. Dieses Granulat wird in Röhrchen gegeben, die dann verschlossen werden. Diese Rohre werden Brennstäbe genannt. Jeder Kernreaktor verwendet viele dieser Brennstäbe.

Die meisten kommerziellen SWR- und PWR-Reaktoren verwenden Uran, das auf etwa 4 % U-235 angereichert ist. Darüber hinaus benötigen einige Industriereaktoren mit hoher Neutroneneinsparung überhaupt keinen angereicherten Brennstoff (das heißt, sie können natürliches Uran verwenden). Nach Angaben der Internationalen Atomenergiebehörde gibt es weltweit mindestens 100 Forschungsreaktoren, die hochangereicherten Brennstoff (Waffenqualität/90 % Urananreicherung) verwenden. Das Risiko des Diebstahls dieser Art von Brennstoff (der für die Herstellung von Atomwaffen verwendet werden könnte) hat zu einer Kampagne geführt, die einen Wechsel zu Reaktoren mit schwach angereichertem Uran (das eine geringere Gefahr für die Verbreitung darstellt) fordert.

Im Kernumwandlungsprozess werden spaltbares U-235 und nicht spaltbares U-238 verwendet. U-235 wird durch thermische (d. h. sich langsam bewegende) Neutronen gespalten. Ein thermisches Neutron bewegt sich ungefähr mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Atome um es herum. Da die Schwingungsfrequenz von Atomen proportional zu ihrer absoluten Temperatur ist, hat ein thermisches Neutron eine größere Fähigkeit, U-235 zu spalten, wenn es sich mit der gleichen Schwingungsgeschwindigkeit bewegt. Andererseits ist es wahrscheinlicher, dass U-238 ein Neutron einfängt, wenn sich das Neutron sehr schnell bewegt. Das U-239-Atom zerfällt so schnell wie möglich zu Plutonium-239, das selbst ein Brennstoff ist. Pu-239 ist ein wertvoller Brennstoff und muss auch bei der Verwendung von hochangereichertem Uranbrennstoff berücksichtigt werden. In einigen Reaktoren werden Plutonium-Zerfallsprozesse die U-235-Spaltung dominieren. Besonders nachdem das ursprünglich geladene U-235 aufgebraucht ist. Spaltt Plutonium sowohl in schnellen als auch in thermischen Reaktoren und ist daher ideal für Kernreaktoren und Atombomben.

Bei den meisten existierenden Reaktoren handelt es sich um thermische Reaktoren, die typischerweise Wasser als Neutronenmoderator (Moderator bedeutet, dass es ein Neutron auf thermische Geschwindigkeit verlangsamt) und auch als Kühlmittel verwenden. Ein Reaktor für schnelle Neutronen verwendet jedoch eine etwas andere Art von Kühlmittel, das den Neutronenfluss nicht zu sehr verlangsamt. Dadurch können Sie sich durchsetzen schnelle Neutronen, die effektiv genutzt werden kann, um den Kraftstoffvorrat ständig aufzufüllen. Durch einfaches Einbringen von billigem, nicht angereichertem Uran in den Kern verwandelt sich das spontan nicht spaltbare U-238 in Pu-239, wodurch der Brennstoff „gezüchtet“ wird.

Im Thorium-basierten Brennstoffkreislauf absorbiert Thorium-232 ein Neutron sowohl in einem schnellen Reaktor als auch in einem thermischen Reaktor. Beim Betazerfall von Thorium entsteht Protactinium-233 und anschließend Uran-233, das wiederum als Brennstoff verwendet wird. Daher ist Thorium-232 wie Uran-238 ein fruchtbares Material.

Wartung von Kernreaktoren

Die Energiemenge in einem Kernbrennstoffreservoir wird häufig in „Vollleistungstagen“ ausgedrückt. Dabei handelt es sich um die Anzahl der 24-Stunden-Zeiträume (Tage), in denen der Reaktor mit voller Leistung arbeitet, um Wärmeenergie zu erzeugen. Die Tage des Vollleistungsbetriebs in einem Reaktorbetriebszyklus (zwischen den für die Betankung erforderlichen Intervallen) hängen von der Menge an zerfallendem Uran-235 (U-235) ab, die zu Beginn des Zyklus in den Brennelementen enthalten war. Je höher der Anteil an U-235 im Kern zu Beginn des Zyklus ist, desto mehr Betriebstage bei voller Leistung ermöglichen den Betrieb des Reaktors.

Am Ende des Betriebszyklus wird der Brennstoff in einigen Brennelementen „ausgearbeitet“, entladen und durch neue (frische) Brennelemente ersetzt. Diese Reaktion der Anreicherung von Zerfallsprodukten im Kernbrennstoff bestimmt auch die Lebensdauer des Kernbrennstoffs im Reaktor. Schon lange bevor der endgültige Prozess der Brennstoffspaltung stattfindet, haben sich im Reaktor langlebige neutronenabsorbierende Zerfallsnebenprodukte angesammelt, die das Auftreten der Kettenreaktion verhindern. Der Anteil des Reaktorkerns, der während der Reaktorbetankung ausgetauscht wird, beträgt typischerweise ein Viertel bei einem Siedewasserreaktor und ein Drittel bei einem Druckwasserreaktor. Die Entsorgung und Lagerung dieser abgebrannten Brennelemente ist eine der schwierigsten Aufgaben bei der Organisation des Betriebs eines industriellen Kernkraftwerks. Solcher Atommüll ist extrem radioaktiv und stellt aufgrund seiner Toxizität eine Gefahr für Jahrtausende dar.

Nicht alle Reaktoren müssen zur Betankung außer Betrieb genommen werden; Beispielsweise ermöglichen Kernreaktoren mit Kugelbrennstoffkernen, RBMK-Reaktoren, Salzschmelze-Reaktoren, Magnox-, AGR- und CANDU-Reaktoren die Bewegung von Brennelementen während des Anlagenbetriebs. Bei einem CANDU-Reaktor besteht die Möglichkeit, einzelne Brennelemente so im Kern zu platzieren, dass der U-235-Gehalt des Brennelements angepasst wird.

Die einem Kernbrennstoff entzogene Energiemenge wird als Abbrand bezeichnet und als Wärmeenergie ausgedrückt, die durch die ursprüngliche Gewichtseinheit des Brennstoffs erzeugt wird. Der Abbrand wird üblicherweise in thermischen Megawatttagen pro Tonne Ausgangsschwermetall ausgedrückt.

Sicherheit der Kernenergie

Unter nuklearer Sicherheit versteht man Maßnahmen, die darauf abzielen, Nuklear- und Strahlenunfälle zu verhindern oder deren Folgen zu lokalisieren. Die Kernenergie hat die Sicherheit und Leistung der Reaktoren verbessert und auch neue, sicherere Reaktordesigns eingeführt (die im Allgemeinen nicht getestet wurden). Es gibt jedoch keine Garantie dafür, dass solche Reaktoren konstruiert und gebaut werden und zuverlässig funktionieren. Es kam zu Fehlern, als die Reaktorkonstrukteure im Kernkraftwerk Fukushima in Japan trotz zahlreicher Warnungen von NRG (dem nationalen Forschungsinstitut) nicht damit gerechnet hatten, dass ein durch ein Erdbeben verursachter Tsunami das Backup-System abschalten würde, das den Reaktor nach dem Erdbeben stabilisieren sollte Gruppe) und der japanischen Regierung zur nuklearen Sicherheit. Laut UBS AG wirft der Atomunfall von Fukushima I die Frage auf, ob selbst fortgeschrittene Volkswirtschaften wie Japan die nukleare Sicherheit gewährleisten können. Auch Katastrophenszenarien bis hin zu Terroranschlägen sind möglich. Ein interdisziplinäres Team des MIT (Massachusetts Institute of Technology) schätzt, dass angesichts des erwarteten Wachstums der Kernenergie zwischen 2005 und 2055 mit mindestens vier schweren Atomunfällen zu rechnen ist.

Atom- und Strahlenunfälle

Es kam zu einigen schweren Nuklear- und Strahlenunfällen. Zu den Unfällen in Kernkraftwerken zählen der SL-1-Unfall (1961), der Unfall von Three Mile Island (1979), die Katastrophe von Tschernobyl (1986) und die Atomkatastrophe von Fukushima Daiichi (2011). Zu den Unfällen auf Schiffen mit Atomantrieb zählen Reaktorunfälle auf der K-19 (1961), der K-27 (1968) und der K-431 (1985).

Kernreaktoranlagen wurden mindestens 34 Mal in die Erdumlaufbahn gebracht. Eine Reihe von Zwischenfällen mit dem sowjetischen unbemannten Atomsatelliten RORSAT führte zur Freisetzung abgebrannter Kernbrennstoffe aus der Erdumlaufbahn in die Erdatmosphäre.

Natürliche Kernreaktoren

Obwohl Spaltreaktoren oft als ein Produkt moderner Technologie angesehen werden, gibt es die ersten Kernreaktoren in natürliche Bedingungen. Ein natürlicher Kernreaktor kann unter bestimmten Bedingungen entstehen, die denen eines konstruierten Reaktors ähneln. Bisher wurden bis zu fünfzehn natürliche Kernreaktoren in drei separaten Erzlagerstätten der Uranmine Oklo in Gabun (Westafrika) entdeckt. Die bekannten „toten“ Okllo-Reaktoren wurden erstmals 1972 vom französischen Physiker Francis Perrin entdeckt. In diesen Reaktoren kam es vor etwa 1,5 Milliarden Jahren zu einer selbsterhaltenden Kernspaltungsreaktion, die mehrere Hunderttausend Jahre lang aufrechterhalten wurde und in diesem Zeitraum eine durchschnittliche Leistung von 100 kW erzeugte. Das Konzept eines natürlichen Kernreaktors wurde bereits 1956 von Paul Kuroda an der University of Arkansas theoretisch erklärt.

Solche Reaktoren können auf der Erde nicht mehr entstehen: Der radioaktive Zerfall hat in diesem riesigen Zeitraum den Anteil von U-235 im natürlichen Uran unter das für die Aufrechterhaltung einer Kettenreaktion erforderliche Niveau gesenkt.

Natürliche Kernreaktoren entstanden, als sich die reichen Uranvorkommen zu füllen begannen Grundwasser, das als Neutronenmoderator fungierte und eine erhebliche Kettenreaktion auslöste. Der Neutronenmoderator in Form von Wasser verdampfte, wodurch die Reaktion beschleunigt wurde, und kondensierte dann wieder, wodurch die Kernreaktion verlangsamt und eine Kernschmelze verhindert wurde. Die Spaltungsreaktion hielt Hunderttausende von Jahren an.

Solche natürlichen Reaktoren wurden von Wissenschaftlern, die sich für die Entsorgung radioaktiver Abfälle in einer geologischen Umgebung interessieren, eingehend untersucht. Sie schlagen eine Fallstudie darüber vor, wie radioaktive Isotope durch eine Schicht der Erdkruste wandern würden. Das Schlüsselmoment für Kritiker der geologischen Abfallentsorgung, die befürchten, dass im Abfall enthaltene Isotope in Gewässer gelangen oder in die Umwelt gelangen könnten.

Umweltprobleme der Kernenergie

Ein Kernreaktor setzt kleine Mengen Tritium, Sr-90, in die Luft und das Grundwasser frei. Mit Tritium verunreinigtes Wasser ist farb- und geruchlos. Große Dosen von Sr-90 erhöhen das Risiko für Knochenkrebs und Leukämie bei Tieren und vermutlich auch beim Menschen.

Kernreaktor (Kernreaktor).
Kernreaktor

Kernreaktor (Kernreaktor). – eine Anlage, in der eine autarke, kontrollierte Kernspaltungskettenreaktion durchgeführt wird. Kernreaktoren werden in der Kernenergie und zu Forschungszwecken eingesetzt. Der Hauptteil des Reaktors ist sein Kern, in dem die Kernspaltung stattfindet und Kernenergie freigesetzt wird. Die aktive Zone, die meist die Form eines Zylinders mit einem Volumen von Bruchteilen eines Liters bis zu vielen Kubikmetern hat, enthält spaltbares Material (Kernbrennstoff) in einer Menge, die die kritische Masse überschreitet. Kernbrennstoffe (Uran, Plutonium) werden üblicherweise in Brennelementen (Brennstäben) platziert, deren Anzahl im Kern Zehntausende erreichen kann. Brennstäbe werden in Paketen zu mehreren Dutzend oder Hunderten Stücken zusammengefasst. Der Kern ist in den meisten Fällen eine Ansammlung von Brennstäben, die in ein moderierendes Medium (Moderator) eingetaucht sind – eine Substanz, bei der durch elastische Kollisionen mit Atomen die Energie der Neutronen, die die Spaltung verursachen und begleiten, auf die Energie des thermischen Gleichgewichts mit dem reduziert wird Mittel. Solche „thermischen“ Neutronen haben eine erhöhte Fähigkeit, eine Spaltung auszulösen. Als Moderator werden üblicherweise Wasser (auch schweres Wasser, D 2 O) und Graphit verwendet. Der Reaktorkern ist von einem Reflektor umgeben, der aus Materialien besteht, die Neutronen gut streuen können. Diese Schicht führt vom Kern emittierte Neutronen zurück in diese Zone, wodurch die Geschwindigkeit der Kettenreaktion erhöht und die kritische Masse verringert wird. Um den Reflektor herum wird ein strahlenbiologischer Schutzschild aus Beton und anderen Materialien angebracht, um die Strahlung außerhalb des Reaktors auf ein akzeptables Maß zu reduzieren.
Im Kern wird durch die Spaltung enorme Energie in Form von Wärme freigesetzt. Die Entfernung aus dem Kern erfolgt mithilfe von Gas, Wasser oder einer anderen Substanz (Kühlmittel), das ständig durch den Kern gepumpt wird und dabei die Brennstäbe wäscht. Mit dieser Wärme lässt sich heißer Dampf erzeugen, der eine Kraftwerksturbine antreibt.
Um die Geschwindigkeit der Spaltkettenreaktion zu steuern, werden Steuerstäbe aus Materialien verwendet, die Neutronen stark absorbieren. Ihre Einführung in den Kern verringert die Geschwindigkeit der Kettenreaktion und stoppt sie gegebenenfalls vollständig, obwohl die Masse des Kernbrennstoffs die kritische Masse überschreitet. Wenn die Steuerstäbe aus dem Kern entfernt werden, nimmt die Neutronenabsorption ab und die Kettenreaktion kann in ein selbsterhaltendes Stadium überführt werden.
Der erste Reaktor wurde 1942 in den USA in Betrieb genommen. In Europa wurde der erste Reaktor 1946 in der UdSSR in Betrieb genommen.