Grundlagen der Kernspaltung 1. Neutronen müssen langsam sein
Werbung
Oberthema: Thema: Atom- und Kernenergie Kernkraftwerke (nach Lehrbuch Dorn-Bader zusammengestellt) Datum:24.05.2009 Seite: 2 von 6 Grundlagen der Kernspaltung 1. Neutronen müssen langsam sein! Warum müssen kernspaltende Neutronen langsam sein? Viele Neutronen, die bei Kernreaktionen entstehen, sind jedoch sehr schnell. Sie haben Geschwindigkeiten von ca. 10000 Für das Experiment benötigten sie aber langsame Neutronen; denn je langsamer diese sind, desto länger halten sie sich im Bereich eines Kerns auf. Die Wahrscheinlichkeit für eine Kernreaktion wird dadurch größer. Wie aber kann man Neutronen abbremsen? Was macht die Neutronen langsam? Dies geschieht am wirkungsvollsten, indem man sie auf gleich schwere Teilchen stoßen lässt. Dafür schickt man die Neutronen z. B. durch Wasser Durch viele Stöße mit den leichten Wasserstoffkernen des Wassers werden die Neutronen schließlich so „langsam" wie Gasmoleküle, die infolge ihrer Teilchenbewegung im Gas eine Geschwindigkeit von ca. 2 km/s haben. 2. Langsame Neutronen spalten Urankerne U-235-Kerne zerplatzten durch die Aufnahme eines langsamen Neutrons in zwei etwa gleich große Bruchstücke und einige Neutronen. Als radioaktive Spaltprodukte entstehen z.B. ein Kryptonkern Kr-89, ein Bariumkern Ba-144 sowie 3 Neutronen. Dabei wird viel mehr Energie frei als das Neutron mitgebracht hat. Diese Energie kommt aus dem Kern. Man bezeichnet sie deshalb als Kernenergie. Für das genannte Beispiel gilt die Reaktionsgleichung: 3. Was geschieht mit der Kernenergie? Die Bruchstücke einer Kernspaltung fliegen als energiereiche Geschosse mit hoher Geschwindigkeit auseinander. Sie haben Bewegungsenergie. Auf ihrem Weg stoßen sie mit anderen Atomen zusammen. Bei jedem Stoß geben sie einen Teil ihrer Bewegungsenergie ab. Die angestoßenen Atome schwingen dafür heftiger, d. h. die umgebende Materie bekommt eine größere innere Energie und damit eine höhere Temperatur. Speicherort: D:\00_Schule\Physik\90_Homepages\Ph_SekI\9g\Kernenergie\Kernkraftwerk\Kernkraftwerk.doc Oberthema: Thema: Atom- und Kernenergie Kernkraftwerke (nach Lehrbuch Dorn-Bader zusammengestellt) Datum:24.05.2009 Seite: 3 von 6 Kernkraftwerke 1. Wie funktioniert ein Reaktor? Soll von einem Reaktor eine bestimmte Leistung über einen längeren Zeitraum erbracht werden, so muss die Zahl der Spaltungen je Sekunde konstant sein. Eine kontrollierte Kettenreaktion ist notwendig. Dabei darf von den 2 bis 3 bei einer Spaltung entstehenden schnellen Neutronen nur noch genau eines eine neue Spaltung herbeiführen. 2. Wie wird die Kettenreaktion kontrolliert? Zwischen den Brennstäben befindet sich Wasser (H20). Das Wasser soll die bei den Kernspaltungen entstehenden schnellen Neutronen abbremsen; denn hauptsächlich langsame Neutronen können weitere Kernspaltungen in U-235-Kernen hervorrufen. Wasser hat hier die Funktion des Moderators. In Bild 4 ist die Bahn von Neutronen schematisch dargestellt. Rasche Abbremsung der Neutronen ist wichtig, denn das zu 97% in den Brennstäben vorhandene, nicht spaltbare U-238 absorbiert besonders die schnellen Neutronen durch Neutroneneinfang. Würde das Wasser durch einen technischen Defekt aus dem Reaktorbehälter auslaufen, so würden die Neutronen nicht mehr abgebremst: Die Kettenreaktion wäre automatisch unterbrochen. Der Kernreaktor kann also nie wie eine Atombombe explodieren. Zwischen den Brennstäben befinden sich auch noch Regelstäbe. Sie enthalten Bor oder Cadmium. Die Kerne beider Elemente können langsame Neutronen einfangen und sie so dem Spaltungsprozess entziehen. Man regelt die Kettenreaktion, indem man die Regelstäbe mehr oder weniger weit in den Reaktorkern einfährt. Ist der Reaktor abgeschaltet, so befinden sich die Regelstäbe vollständig im Kern. Zieht man sie langsam heraus, so nimmt die Zahl der Spaltungen pro Sekunde zu. Die Leistung des Reaktors lässt sich auf diese Weise in einem gewissen Bereich regeln. Das Wasser dient außerdem als Kühlmittel. Es zirkuliert im Primärkreislauf und besorgt den Energietransport. Die Brennstäbe werden nämlich durch die Kernspaltungen sehr stark erhitzt. Im Druckwasserreaktor erreicht das Wasser eine Temperatur von ca. 300 °C. Trotzdem siedet es nicht, da es unter einem Druck von 150 bar steht. In einem Wärmetauscher gibt das heiße Wasser seine Energie an den Sekundärkreislauf ab. Das von Radioaktivität freie Wasser im Sekundärkreislauf verdampft. Der Wasserdampf treibt die Turbinen an. Speicherort: D:\00_Schule\Physik\90_Homepages\Ph_SekI\9g\Kernenergie\Kernkraftwerk\Kernkraftwerk.doc Oberthema: Thema: Atom- und Kernenergie Kernkraftwerke (nach Lehrbuch Dorn-Bader zusammengestellt) Datum:24.05.2009 Seite: 4 von 6 2. Kernkraftwerke sind Wärmekraftwerke Ein Kernkraftwerk ist ein Wärmekraftwerk (Bild 2). Die hohe Temperatur wird durch Kernspaltung erzeugt. Im Wärmetauscher des Sekundärkreises entsteht heißer, unter hohem Druck stehender Dampf. Er führt die Energie aus dem Reaktor nach außen zu einer Dampfturbine, die einen Generator antreibt. Im Kondensator kondensiert der Dampf mithilfe von Kühlwasser. Das Wasser pumpt man wieder in den Wärmetauscher zurück. Speicherort: D:\00_Schule\Physik\90_Homepages\Ph_SekI\9g\Kernenergie\Kernkraftwerk\Kernkraftwerk.doc Oberthema: Thema: Atom- und Kernenergie Kernkraftwerke (nach Lehrbuch Dorn-Bader zusammengestellt) Datum:24.05.2009 Seite: 5 von 6 Sicherheitsbarrieren und aktive Sicherheitselemente im Kernkraftwerk 1. 2. Sicherheitsbarrieren Aktive Sicherheitselemente Außer den Sicherheitsbarrieren gibt es aktive Sicherheitselemente. Zu ihnen gehören • die Regelstäbe, die im Notfall durch ihr Eigengewicht automatisch zwischen die Brennelemente fallen und die Kettenreaktion stoppen (Bild 4), • Notkühlsysteme, die Kühlmittel in den Reaktordruckbehälter hineinpumpen (Bild 3) • das Boreinspeisesystem. Durch zusätzliche Einspeisung von Bor in das Wasser des Druckbehälters kann der Reaktor schnell abgeschaltet werden. • Alle sicherheitstechnischen Elemente des Reaktors sind mehrfach vorhanden und verfügen über eine eigene Notstromversorgung. Speicherort: D:\00_Schule\Physik\90_Homepages\Ph_SekI\9g\Kernenergie\Kernkraftwerk\Kernkraftwerk.doc Oberthema: Thema: Atom- und Kernenergie Kernkraftwerke (nach Lehrbuch Dorn-Bader zusammengestellt) Datum:24.05.2009 Seite: 6 von 6 Aufgabe 1 a) Die Abb. 1 stellt einen Siedewasserreaktor und Abb. 2 einen Druckwasserreaktor schematisch dar. Arbeite den Unterschied zwischen beiden Reaktortypen heraus. b) Untersuche die Vor- und Nachteile beider Typen hinsichtlich dieses Unterschieds heraus. c) Beschreibe die Energieumwandlungen im Kernkraftwerk durch ein sEnergieflussdiagramm Abb. 1 (entnommen aus: http://de.wikipedia.org/wiki/Siedewasserreaktor) Abb. 2 (entnommen aus: http://de.wikipedia.org/wiki/Druckwasserreaktor) Speicherort: D:\00_Schule\Physik\90_Homepages\Ph_SekI\9g\Kernenergie\Kernkraftwerk\Kernkraftwerk.doc