Atomreaktoren II
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Atomphysik NWA Klasse 9 Das Atomkraftwerk In Deutschland werden die AKW bis 2022 alle abgeschaltet. Welche Vorteile und Nachteile hat dieser Kraftwerkstyp? Wie funktioniert ein AKW? Das AKW ist ein Wärmekraftwerk, dessen Ofen ein Atomreaktor ist. Dieser arbeitet oft mit Urankernspaltung und Wasser als Moderator. Diese Reaktoren nennen wir Druckwasserreaktoren. Betrieben werden sie mit „angereichertem Uran“: Uran wird im Bergbau z.B. als Uranerz gefunden. Dieses enthält ca. 4% Uran-238 und Uran-235. Dieses Erz wird aufgearbeitet, also das Uran vom Gestein getrennt. Natururan besteht nur zu 0,7% aus Uran -235, dem Brennstoff für das AKW. In einem chemisch-physikalischen Verfahren, der „Anreicherung“, wird es so bearbeitet, dass es mehr als 2,8% Uran-235 enthält. Wie funktioniert ein AKW? Das angereicherte Uran wird in Diese werden in ca. 4m langen Hüllrohren aus einer Zirkoniumlegierung „Brennstofftabletten“ gefüllt. Die Hüllrohre sind am Ende gepresst. verschlossen, damit keine radioaktiven Stoffe das Rohr verlassen können. Wie funktioniert ein AKW? Etwa 100 Brennstäbe werden dann zu einem Brennelement zusammengefasst. Diese „Bündelung vereinfacht vor allem den Transport des noch schwach radioaktiven Materials. Außerdem können später in die Zwischenräume die Regelstäbe eingeführt werden. Wie funktioniert ein AKW? Diese Brennelemente werden dann in den Reaktor eingesetzt. (Brennstoff) Der Reaktor ist mit Wasser gefüllt (Moderator und Kühlmittel) Wie funktioniert ein AKW? Die Regelstäbe werden direkt zwischen die Brennstäben platziert und reichen durch das gesamte Brennelement. Die Regelstäbe bestehen aus einem Material, welches Neutronen absorbieren kann, z.B. Bor oder Cadnium. Wie funktioniert ein AKW? Im Kernreaktor setzt nun die Kernspaltung ein. Neutronen spalten Uran-235 zu Barium und Krypton. Außerdem entstehen 3 schnelle Neutronen und Wärme. Die Neutronen werden im Wasser auf „Spaltgeschwindigkeit“ abgebremst. Treffen sie dann wieder auf einen Brennstab, so können sie ein weiteres Uranatom spalten. Treffen sie allerdings auf einen Regelstab, so werden sie von diesem eingefangen. Je weiter der Regelstab aus dem Reaktor gezogen wird, um so mehr Uran wird gespalten, um so mehr Energie wird abgegeben. Wie funktioniert ein AKW? Wie funktioniert ein AKW? Im Reaktorgebäude befindet sich noch ein Wärmetauscher, in diesem überträgt das radioaktive Reaktorwasser seine Wärme auf das nicht radioaktive Turbinenwasser. Der Dampf aus dem Wärmetauscher treibt die Turbine mit hohem Druck an, wird anschließend wieder verflüssigt durch Abkühlung in den Kühltürmen und zurück in den Wärmetauscher gepumpt. Der Rest funktioniert wie in einem Radioaktive Materialien dürfen wäh- herkömmlichen Wärmekraftwerk! rend des Betriebs das Reaktorgebäude nicht verlassen! Es gibt also einen „Primärkreislauf“ und einen „Sekundärkreislauf“ für Kühlwasser! Der Schutz vor radioaktiver Strahlung Das 6-Barrieren-System Kernkraftwerke besitzen eine Reihe von Barrieren, die zwei Funktionen erfüllen. Sie schirmen die Direktstrahlung ab und sie verhindern wirksam das Austreten radioaktiver Stoffe. Alpha- und Beta- und Neutronenstrahlen werden durch das Kühlwasser vollständig abgeschirmt. Das Reaktordruckgefäß verringert die Gammastrahlung auf den 100 000sten Teil der Strahlung im Reaktorkern. ● ● ● ● ● ● Kristallgitter des Brennstoffes Metallumhüllung der Brennstäbe Reaktordruckbehälter mit dem angeschlossenen Rohrsystem des Primärkühlkreises Betonabschirmung Sicherheitsbehälter mit Dichthaut Stahlbetonhülle Der Schutz vor radioaktiver Strahlung 1. Der Brennstab 2. Metallumhüllung Erste Barriere sind die keramischen Brennstofftabletten selbst, die den größten Teil der Spaltprodukte zurückhalten. Für die Kernspaltung in Leichtwasserreaktoren wird heute fast ausschließlich Uran-235 verwendet. Das ebenfalls enthaltene Uran-238 schirmt bereits einen Teil der Strahlung ab! Die Brennstäbe haben bei einem der heute üblichen Reaktoren eine Länge von 4,17 m und einen äußeren Durchmesser von ca. 11 mm. Als zweite Barriere fungiert eine Metallumhüllung, bestehend aus Zirkaloy (Zirkoniumlegierung) mit einer Wandstärke von 0,65 mm. Das Material der Brennstäbe soll den Kernbrennstoff von dem Kühlmittel des Primärkreislaufes trennen und außerdem verhindern, dass die bei der Kernspaltung entstehenden Spaltprodukte in das Kühlmittel gelangen. Der Schutz vor radioaktiver Strahlung 3. Reaktordruckbehälter 4. Betonabschirmung Das Reaktordruckgefäß mit dem angeschlossenen Rohrsystem für das Kühlmittel bildet die dritte Barriere. Das Reaktordruckgefäß eines modernen Siedewasserreaktors ist ein zylindrischer Stahlbehälter. Beim Kraftwerk Krümmel hat er eine lichte Höhe von 22,38 m und einen Innendurchmesser von etwa 6,78 m. Seine Wandstärke beträgt 17 cm und sein Leergewicht beläuft sich auf 814 t. Das Druckgefäß steht in einer Betonkammer (mit besonderer Kühlung), die die Funktion einer Strahlenabschirmung hat (so genannter biologischer Schild). Sie stellt die vierte Sicherheitsbarriere dar. Bei der Vielzahl der Brennstäbe, die in einem Kernreaktor enthalten sind, können vereinzelte Undichtigkeiten nicht ausgeschlossen werden. Ein geringer Anteil der im Brennstoff entstandenen radioaktiven Substanzen kann so in das Kühlmittel gelangen. Außerdem befinden sich im Wasser z. T. durch Neutronen aktivierte Korrosionsprodukte. Ein Austreten dieser Aktivitäten wird durch das Reaktordruckgefäß und die Wandungen des Kühlmittelkreises verhindert. Darüber hinaus wird dem Reaktorkühlkreislauf fortlaufend Wasser entnommen, von Korrosions- und Spaltprodukten befreit und dann gereinigt dem Kreislauf wieder zugeführt. Der Schutz vor radioaktiver Strahlung 5. Sicherheitsbehälter 6. Stahlbetonhülle Der Sicherheitsbehälter mit den dazugehörigen Einrichtungen, wie z. B. schnell schließende Armaturen in den aus dem Sicherheitsbehälter herausführenden Rohrleitungen, stellt die fünfte Sicherheitsbarriere in einem Kernkraftwerk dar. Er umschließt das Reaktordruckgefäß und den unmittelbar daran anschließenden Teil des Kühlmittelkreislaufes. Der stählerne Sicherheitsbehälter ist zusätzlich von einer bis zu 1,80 m dicken Hülle aus Stahlbeton umschlossen. Sie ist das eigentliche Reaktorgebäude. Dadurch soll der Reaktor gegen äußere Einwirkungen wie Flugzeugabsturz, Druckwellen eines explodierenden Flüssiggastankers und Sabotage geschützt werden. Der Schutz vor radioaktiver Strahlung Ordne die Bilder den Barrieren zu! Der GAU GAU = Größter anzunehmender Unfall Tschernobyl und Fokushima wurden durch ihre AKW weltweit bekannt. Dort fand ein GAU statt. In Tschernobyl erhitzte der Reaktor eines Blockes aufgrund eines Bedienungsfehlers und eines gleichzeitigen Defekts einer Kühlpumpe sich so stark, dass das Reaktorgefäß explodierte. Dies zerstörte das Reaktorgebäude und Radioaktivität trat aus. Durch einen Tsunami viel die Stromversorgung im ganzen AKW Fokushima aus, die Kühlpumpen konnten nicht arbeiten. Daraufhin explodierten wie in Tschernobyl gleich mehrere Reaktorgebäude mit verheerenden Folgen. Dies Ereignis wurde daher von der Presse als Super-GAU bezeichnet. Der GAU Tschernobyl Fokushima
