doc - Technische Universität Chemnitz
Werbung
Name Klasse 10c Aufbau und Funktionsweise eines Kernkraftwerks Kernkraftwerke sind Alternativen zur Energiegewinnung. Sie wandeln Kernenergie in elektrischen Strom um. Doch wie geschieht das? 1. Schematischer Aufbau eines Kernkraftwerks (KKW) KKW mit Kühlturm Reaktordruckbehälter Der Reaktordruckbehälter wird aus hochwertigem Edelstahl hergestellt und mehrfach geprüft, da ein kleiner Fehler verheerende Folgen haben könnte. Er wiegt bis zu 100 Tonnen. Es gibt vier verschiedene Reaktortypen: den Druckwasserreaktor, den Siedewasserreaktor, den Brutreaktor und den Thorium-Hochtemperaturreaktor. 2. Prinzipielle Funktionsweise eines Kernreaktors Ein Kernreaktor besteht hauptsächlich aus fünf Bestandteilen: 1. Spaltbares Material in Form von Brennstäben: Der Brennstab ist zylinderförmig aufgebaut. Die Hülle besteht aus einer Zirkonium-Legierung, die den Brennstoff vom Kühlmittel des Primärkreislaufes trennt. Im Inneren sind UranOxid-Tabletten eingebaut, die den eigentlichen Brennstoff darstellen. 72 solcher Brennstäbe werden zu einem so genannten Brennelement zusammengefasst, wovon sich jeweils wieder ca. 800 Stück in einem Reaktor befinden. 2. Stoff zur Neutronenbremsung (Moderator) Da die bei der Kernspaltung entstehenden Neutronen sehr schnell sind, jedoch zur weiteren Spaltung nur langsame Neutronen verwendet werden können, muss ihre Geschwindigkeit verringert werden. Dazu wird der Moderator, für den meistens Wasser benutzt wird, verwendet. 3. Medium zur Wärmeabführung (Kühlmittel) Um die beim Reaktionsablauf entstehende Wärmeenergie abzuführen, wird ein Kühlmittel benötigt. Dazu wird meistens Wasser verwendet, das auch gleichzeitig den Moderator bildet. Es transportiert die Wärmeenergie der Brennstäbe zur Turbine, wo sie in mechanische Energie umgewandelt wird. 4. Steuerungseinrichtungen (Steuer-, Regelstäbe) Der Ablauf der Kettenreaktion ist prinzipiell einfach zu steuern. Regelstäbe werden gehoben oder gesenkt, um Neutronen aufzunehmen und so die Reaktion und die produzierte Hitze zu regulieren. 5. Barrieren und Maßnahmen für den Strahlenschutz Zur Verhinderung, dass gefährliche Stoffe und Strahlungen in die Umwelt gelangen. Das Prinzip des Kernreaktors ist, eine anhaltende atomare Kettenreaktion zu schaffen, damit große Mengen Energie freigesetzt werden. Die im Atomkern gespeicherte Kernenergie wird zunächst in Wärmeenergie, dann in potentielle Energie, in der Turbine in Bewegungsenergie und schließlich im Generator in elektrische Energie umgewandelt. 3. Arbeitsweise eines Kernkraftwerkes Der Reaktordruckbehälter (1) hat im Inneren seinen Reaktorkern, dieser besteht aus tausenden Brennstäben (3). Sie sind über 4 Meter lang, aber nur so dicke wie ein Bleistift (ca. 2cm). 72 Stück sind jeweils zu einem Brennelement (2) zusammengefasst. In ihnen ist der Brennstoff enthalten, welcher aus Uranoxid besteht. Es ist aber kein reines Uran-235 enthalten, sondern angereichertes Uran. Es besteht zu 97% aus Uran-238, das nicht gespalten werden kann und zu 3% spaltbaren Uran235. Diese Brennstoffe befinden sich in den Brennstäben, als Tabletten gepresst. Bei dieser Mischung ist die Kettenreaktion kontrollierter. Das Uran wird durch die Kernspaltung stark erhitzt, dadurch glühen die Brennstäbe. Normaler Weiße siedet Wasser bei 100°C, da aber die Turbinen wegen technischen und physikalischen Gründen nur bei hohen Temperaturen gut arbeiten, wird ein Druck von 60 bar hergestellt, der über einen Druckhalter (5) reguliert wird. So bringt man die Temperatur des Wassers auf ca. 300°C, ohne das es verdampft. Kühlmittel (meist Wasser), das von unten nach oben durch den Reaktorkern strömt, umgibt die Brennstäbe. Dies kühlt die Brennelemente ab und nimmt die Wärme auf. Erst dadurch ist eine Kettenreaktion möglich. Zwischen den Heizstäben sind Regelstäbe aus Cadmium oder Bor angeordnet, die die Neutronen einfangen. Bei der Spaltung werden Neutronen frei, da aber nur langsame Neutronen Uran-235 spalten können, werden die Neutronen durch den Zusammenprall mit anderen Atomen gebremst. Deshalb stellt man sehr dünne Brennstäbe her, damit viele Neutronen freiwerden und ins Wasser gelangen können. Stoffe, die Neutronen abbremsen sollen, bezeichnet man als Moderator (meist Wasser). Die Umwälzpumpe oder Kühlmittelpumpe (7) hält den primären Kreislauf aufrecht. Mit ca. 300°C fließt das Wasser in den Dampferzeuger (6), indem sich vorgewärmtes Wasser befindet und gibt dort die Energie (Wärme) des primären Kreislaufs ab, indem es das Wasser des sekundären Kreislaufes zum verdampfen bringt. (durch die zwei Kreisläufe wird erreicht, dass die im ersten Kreislauf auftretenden radioaktiven Stoffe auf diesen beschränkt bleiben und nicht in die Turbine und den Kondensator gelangen können). Jetzt befindet sich Dampf im sekundären Kreislauf (8). Im oberen Teil des Druckbehälters wird eine Dampf-Wasser-Trennung durchgeführt. Danach wird der Stattdampf mit hoher Temperatur und hohem Druck in die Turbine geführt. Das Wasser, das im Druckbehälter nicht verdampft ist, fließt zurück in den Ringraum zwischen Druckbehälter und Reaktorkern, dabei vermischt es sich mit dem aus dem Kondensator zurück gepumpten Speisewasser. Durch den Dampf wird die Turbine (10/11) angetrieben, indem das "Laufrad" mechanische Arbeit in Bewegungsenergie umsetzt. Der Generator (12) erzeugt aus der Bewegung der Turbine elektrische Energie, mithilfe eines großen Elektromagneten. Der Kondensator (14) führt, durch Niederschlagen des Abdampfs von der Dampfmaschine und Turbine, zur Verringerung des Gegendrucks. Der Kondensator ist ein Kessel und hat ein eingebautes Röhrensystem das von Kühlwasser (15) durchströmt wird. An der Oberfläche der Röhren kondensiert der Abdampf. Hier wird der aus der Turbine austretende Dampf verflüssigt. Im Kühlturm wird das Wasser abgekühlt. Dort verdampft ein Teil des Wassers und der andere Teil gelangt in ein Auffangbecken, wo das abgekühlte Wasser wieder zurück in den Kondensator gepumpt wird. In der Vorwärmanlage (17) wird das Speisewasser auf eine höhere Temperatur gebracht und dem Reaktor wieder zugefügt. Dies geschieht damit im Reaktor das Wasser nicht zu stark erhitzt werden muss. Die Speisewasserpumpe (16) ist ein Teil der Vorwärmanlage. Sie pumpt das erwärmte Speisewasser zurück in den Reaktor. Zusammenfassung Alle Kraftwerke funktionieren nach dem gleichen Prinzip, nur die Art der Wärmeerzeugung ist unterschiedlich. Im KKW wird die Hitze durch die Spaltung des Uran-235 erzeugt. Diese Wärme wird in Dampf umgewandelt. Durch den Dampf wird eine Turbine angetrieben, die wiederum einen Generator betreibt. So wird Strom erzeugt. Durch Kernkraft wird mehr Strom erzeugt, als bei einer Verbrennung. Da radioaktive Strahlung sehr gefährlich ist wird in einem KKW Sicherheit groß geschrieben. Doch Deutschland ist im Bereich der Sicherheit eines der führenden Länder. Verwendete Quellen: - Lehrbuch Physik Sekundarstufe 1 - Internet: www.8ung.at/kilian.regau/kernkraftwerk www.users.odn.de www.ghse.hn.schule-bw.de www.comasu-rpg.de/wbb2/kkw.php www.poweron.ch
