Aufbau und Funktionsweise eines Kernkraftwerks

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
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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