19.7: Atommacht

Zur Stromerzeugung werden kontrollierte Kernspaltungsreaktionen eingesetzt. Jeder Kernreaktor, der Strom durch die Spaltung von Uran oder Plutonium durch Neutronenbeschuss erzeugt, besteht aus sechs Komponenten: Kernbrennstoff, der aus spaltbarem Material besteht, einem Kernmoderator, einer Neutronenquelle, Steuerstäben, Reaktorkühlmittel sowie einem Abschirm- und Sicherheitssystem.

Kernbrennstoffe

Kernbrennstoff besteht aus einem spaltbaren Isotop wie Uran-235, das in ausreichender Menge vorhanden sein muss, um eine selbsterhaltende Kettenreaktion auszulösen. In den meisten Druckwasserreaktoren besteht jedes Brennelement aus Brennstäben, die viele fingerhutgroße, keramikummantelte, angereicherte Uranpellets (normalerweise UO₂) enthalten. Moderne Kernreaktoren können bis zu 10 Millionen Brennstoffpellets enthalten.

Uran-235 ist ein nützlicher Brennstoff, da es im Durchschnitt mehr als ein Neutron pro Spaltung erzeugt, aber seine natürliche Häufigkeit beträgt etwa 0,7 Gewichtsprozent. Bei den meisten Leistungsreaktoren muss der Brennstoff auf mindestens 3 bis 5 Gewichtsprozent Uran-235 angereichert werden.

Nukleare Moderatoren

Neutronen, die durch Kernreaktionen erzeugt werden, bewegen sich zu schnell, um eine U-235-Spaltung zuverlässig zu verursachen. Sie müssen zunächst abgebremst werden, um vom Brennstoff absorbiert zu werden und zusätzliche Kernreaktionen hervorzurufen. Ein nuklearer Moderator ist eine Substanz, die die Neutronen auf eine Geschwindigkeit abbremst, die niedrig genug ist, um eine Spaltung zu verursachen. Frühe Reaktoren verwendeten hochreinen Graphit als Moderator. Moderne Reaktoren verwenden in der Regel schweres Wasser oder leichtes Wasser als Moderatoren.

Da Neutronen eine ähnliche Größe wie Wasserstoffkerne haben, verlieren sie beim Auftreffen auf die Wasserstoffatome in Wassermolekülen eine beträchtliche Menge an kinetischer Energie. Schweres Wasser ist ein besserer Moderator, da Deuterium bereits ein Neutron hat und es unwahrscheinlich ist, dass es ein anderes Neutron absorbiert, wie es Wasserstoff-1 manchmal tut. Moderatoren wie Wasser und Graphit fungieren auch als Neutronenreflektor, um die Neutronen im Kern gleichmäßig zu verteilen.

Neutronenquelle

Obwohl Uran-238 und Uran-235 spontan gespalten werden, ist der Prozess unvorhersehbar, und diese intrinsischen Quellen erzeugen nur sehr wenige Neutronen. Ein Reaktor benötigt also einen Neutronenemitter, um die Spaltkettenreaktion auszulösen. Eine Neutronenquelle wie Beryllium-9, gepaart mit einem Alpha-Emitter wie Americium-249 oder Plutonium-239, wird in einem Reaktor installiert, um Neutronen für die Einleitung der Kettenreaktion zu erzeugen.

Steuerstäbe

Die Leistungsstärke des Reaktors wird durch den Neutronenmultiplikationsfaktor beschrieben, der mit k bezeichnet wird. Es ist das Verhältnis der Anzahl der Neutronen, die durch Spaltung in einer Generation erzeugt wurden, zur Anzahl der Neutronen, die durch Spaltung in der vorherigen Generation erzeugt wurden.

Wenn k kleiner als 1 ist, ist der Reaktor unterkritisch und die Energieabgabe nimmt ab; wenn k gleich 1 ist, ist die Drossel kritisch und die Energieabgabe konstant; und wenn k größer als 1 ist, ist die Drossel überkritisch und die Energieabgabe nimmt zu.

Kernreaktoren verwenden Steuerstäbe, um die Spaltgeschwindigkeit des Kernbrennstoffs zu steuern, indem sie die Anzahl der vorhandenen langsamen Neutronen anpassen, um die Geschwindigkeit der Kettenreaktion auf einem sicheren Niveau zu halten. Steuerstäbe bestehen aus Bor, Cadmium, Hafnium oder anderen Elementen, die in der Lage sind, Neutronen zu absorbieren.

Wenn Steuerstabbaugruppen in das Brennelement im Reaktorkern eingesetzt werden, absorbieren sie einen größeren Teil der langsamen Neutronen, wodurch die Geschwindigkeit der Spaltreaktion verlangsamt und die erzeugte Leistung verringert wird. Werden hingegen die Steuerstäbe entfernt, werden weniger Neutronen absorbiert und die Spaltrate und die Energieproduktion steigen. Im Ernstfall kann die Kettenreaktion abgeschaltet werden, indem alle Steuerstäbe vollständig in den Kernkern zwischen den Brennstäben eingeführt werden.

Kühlmittel für Reaktoren

In einem Druckwasserreaktor wird das Reaktorkühlmittel verwendet, um die durch die Spaltreaktion erzeugte Wärme zu einem externen Kessel und einer Turbine zu transportieren, wo sie in Strom umgewandelt wird. Häufig werden zwei wärmeaustauschende Kühlmittelkreisläufe verwendet, um den Übergang von verunreinigtem Kühlmittel auf die Dampfturbine und den Kühlturm zu verhindern. Am häufigsten wird Wasser als Kühlmittel verwendet. Andere Kühlmittel in spezialisierten Reaktoren sind geschmolzenes Natrium, Blei, ein Blei-Wismut-Gemisch oder geschmolzene Salze. Ein großer, hyperboloider Kühlturm kondensiert den Dampf im Sekundärkühlkreislauf und befindet sich oft in einiger Entfernung vom eigentlichen Reaktor.

Abschirm- und Rückhaltesystem

Druckwasserreaktoren sind mit einem Sicherheitssystem (oder einer Abschirmung) ausgestattet, das in der Regel aus drei Teilen besteht: (i) einer Stahlhülle mit einer Dicke von 3 bis 20 Zentimetern; der Moderator innerhalb der Hülle absorbiert einen Großteil der vom Reaktor erzeugten Neutronenstrahlung; (ii) eine Hauptabschirmung von 1 bis 3 Metern aus Beton mit hoher Dichte, die γ Strahlen und Röntgenstrahlen absorbiert; iii) zusätzliche Abschirmung zur Absorption der einfallenden Strahlung aus den Abschirmvorgängen nach i) und ii). Darüber hinaus sind Druckwasserreaktoren oft mit einer Stahl- oder Betonkuppel bedeckt, die so ausgelegt ist, dass sie alle radioaktiven Materialien aufnehmen kann, die bei einem Reaktorunfall freigesetzt werden könnten.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 21.4: Transmutation und Kernenergie.