19.7: Atomkraft

Zur Stromerzeugung werden kontrollierte Kernspaltungsreaktionen genutzt. Jeder Kernreaktor, der Strom durch die Spaltung von Uran oder Plutonium durch Beschuss mit Neutronen erzeugt, besteht aus sechs Komponenten: Kernbrennstoff, der aus spaltbarem Material besteht, einem Kernmoderator, einer Neutronenquelle, Steuerstäben, Reaktorkühlmittel sowie einem Schild- und Eindämmungssystem.

Kernbrennstoffe

Kernbrennstoff besteht aus einem spaltbaren Isotop wie Uran-235, das in ausreichender Menge vorhanden sein muss, um eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion auszulösen. In den meisten Druckwasserreaktoren besteht jedes Brennelement aus Brennstäben, die viele hülsengroße, mit Keramik umhüllte Brennstoffpellets aus angereichertem Uran (normalerweise UO₂) enthalten. Moderne Kernreaktoren können bis zu 10 Millionen Brennstoffpellets enthalten.

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

Atommoderatoren

Durch Kernreaktionen erzeugte Neutronen bewegen sich zu schnell, um zuverlässig eine U-235-Spaltung auszulösen. Sie müssen zunächst abgebremst werden, damit sie vom Brennstoff absorbiert werden und weitere Kernreaktionen hervorrufen. Ein Kernmoderator ist eine Substanz, die die Neutronen auf eine Geschwindigkeit verlangsamt, die niedrig genug ist, um eine Spaltung auszulösen. Frühe Reaktoren verwendeten hochreinen Graphit als Moderator. Moderne Reaktoren verwenden typischerweise 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 erhebliche Menge an kinetischer Energie. Schweres Wasser ist ein besserer Moderator, da Deuterium bereits über ein Neutron verfügt und wahrscheinlich kein weiteres Neutron absorbiert, wie dies manchmal bei Wasserstoff-1 der Fall ist. 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 spalten, ist der Prozess unvorhersehbar und diese intrinsischen Quellen erzeugen nur sehr wenige Neutronen. Daher benötigt ein Reaktor einen Neutronenemitter, um die Spaltkettenreaktion auszulösen. Eine Neutronenquelle wie Beryllium-9 gepaart mit einem Alpha-Strahler wie Americium-249 oder Plutonium-239 wird in einen Reaktor eingebaut, um Neutronen für die Auslösung der Kettenreaktion zu erzeugen.

Kontrollstäbe

Das Leistungsniveau des Reaktors wird durch den Neutronenmultiplikationsfaktor beschrieben, der mit k bezeichnet wird. Es ist das Verhältnis der Anzahl der durch Spaltung in einer Generation erzeugten Neutronen zur Anzahl der durch Spaltung in der vorherigen Generation erzeugten Neutronen.

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

Kernreaktoren verwenden Steuerstäbe, um die Spaltungsrate 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 Neutronen absorbieren können.

Wenn Steuerstabanordnungen in das Brennelement im Reaktorkern eingeführt werden, absorbieren sie einen größeren Anteil der langsamen Neutronen, wodurch die Geschwindigkeit der Spaltreaktion verlangsamt und die erzeugte Leistung verringert wird. Wenn umgekehrt die Steuerstäbe entfernt werden, werden weniger Neutronen absorbiert und die Spaltungsrate und die Energieproduktion steigen. Im Notfall kann die Kettenreaktion abgebrochen werden, indem alle Steuerstäbe vollständig in den Kernkern zwischen den Brennstäben eingeführt werden.

Reaktorkühlmittel

In einem Druckwasserreaktor wird das Reaktorkühlmittel dazu verwendet, die durch die Spaltungsreaktion erzeugte Wärme zu einem externen Kessel und einer Turbine zu transportieren, wo sie in Elektrizität umgewandelt wird. Um die Übertragung von verunreinigtem Kühlmittel zur Dampfturbine und zum Kühlturm zu verhindern, werden häufig zwei wärmetauschende Kühlmittelkreisläufe eingesetzt. Am häufigsten wird Wasser als Kühlmittel verwendet. Andere Kühlmittel in Spezialreaktoren sind geschmolzenes Natrium, Blei, eine Blei-Wismut-Mischung oder geschmolzene Salze. Ein großer, hyperboloider Kühlturm kondensiert den Dampf im sekundären Kühlkreislauf und befindet sich oft in einiger Entfernung vom eigentlichen Reaktor.

Schild- und Eindämmungssystem

Druckwasserreaktoren sind mit einem Eindämmungssystem (oder Schild) ausgestattet, das typischerweise aus drei Teilen besteht: (i) einem Stahlmantel mit einer Dicke von 3–20 Zentimetern; Der Moderator innerhalb der Hülle absorbiert einen Großteil der vom Reaktor erzeugten Neutronenstrahlung. (ii) ein Hauptschild aus 1–3 Metern hochdichtem Beton, der γ- und Röntgenstrahlen absorbiert; (iii) zusätzliche Abschirmung, um einfallende Strahlung aus den Abschirmungsprozessen von (i) und (ii) zu absorbieren. Darüber hinaus sind Druckwasserreaktoren oft mit einer Stahl- oder Betonkuppel abgedeckt, die dafür ausgelegt ist, alle radioaktiven Stoffe aufzunehmen, die bei einem Reaktorunfall freigesetzt werden könnten.

Dieser Text wurde angepasst von Openstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.

Bei der Kernspaltung wird eine große Menge an thermischer Energie freigesetzt, die die Stromerzeugung aus einer Dampfturbine ermöglicht.

Kernbrennstoff ist in der Regel ein spaltbares Nuklid wie Uran-235, das im Durchschnitt mehr als ein Neutron pro Spaltung erzeugt. Schnelle Neutronen, die bei der Spaltung freigesetzt werden, müssen durch Neutronenmoderatoren abgebremst werden, da thermische Neutronen Kettenreaktionen im spaltbaren Brennstoff am effizientesten in Gang setzen.

Wasser ist ein guter Moderator, da Wasserstoffkerne und Neutronen vergleichbare Größen haben, was dafür sorgt, dass Neutronen bei der Kollision erhebliche kinetische Energie verlieren. Schweres Wasser ist sogar noch besser, da Deuterium bereits ein Neutron besitzt und es unwahrscheinlich ist, dass es ein weiteres absorbiert.

Moderatoren fungieren auch als Neutronenreflektor, um die Neutronen im Kern gleichmäßig zu verteilen.

Da die spontane Spaltung von Uran-235 oder 238 unvorhersehbar ist, wird eine Neutronenquelle in einem Reaktor installiert, um eine kontrollierte Initiierung der Kettenreaktion zu gewährleisten.

Der Status der Kettenreaktion wird durch den Neutronenmultiplikationsfaktor k beschrieben: das Verhältnis der Anzahl der Neutronen, die durch Spaltung in einer Generation erzeugt werden, zu der Anzahl der Neutronen, die durch Spaltung in der vorherigen Generation erzeugt werden.

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

Die Kettenreaktion wird mit Steuerstäben aus neutronenabsorbierenden Materialien wie Bor oder Cadmium gesteuert. Vollständig eingesetzte Steuerstäbe absorbieren eine große Anzahl von Neutronen, wodurch der Reaktor unterkritisch bleibt. Durch das Zurückziehen der Steuerstäbe kommt es zu immer mehr Spaltungen.

Kühlmittel, wie z. B. Wasser, leitet Wärme vom Reaktorkern weg, um Dampf für die Turbine zu erzeugen. Wenn sich der Reaktor aufheizt, bewegen sich die Neutronen schneller und es ist weniger wahrscheinlich, dass sie Spaltungen verursachen, was dazu beiträgt, eine Überhitzung zu vermeiden.

Der Kern wird durch Materialien wie Wasser und dicke Betonschichten abgeschirmt. Sowohl das Gesamtdesign des Kerns als auch die Containment-Struktur hängen vom jeweiligen Reaktortyp ab.

• Nuclear Fuel - Fissionable material used in a nuclear reactor to generate power (e.g., uranium-235).
• Nuclear Moderator - Substance that slows down the neutrons in nuclear reactors (e.g., heavy water).
• Neutron Source - Emitter to initiate fission chain reactions (e.g., beryllium-9).
• Control Rods - Absorb neutrons to control fission rate and maintain safe power levels (e.g., boron).
• Reactor Coolant - Used to carry the heat produced by fission to an external boiler and turbine (e.g., water).
• Shield and containment system - Designed to contain any radioactive materials that might be released by a reactor accident.

• Define Nuclear Fuel - Explain the composition and function of nuclear fuel (e.g., uranium-235).
• Contrast Control Rods vs Reactor Coolants - Distinguish their roles in maintaining safe nuclear reactions and power generation (e.g., boron rod vs. water).
• Explore Nuclear Reactors - Describe the setup and working of nuclear reactors (e.g., sequence of components).
• Explain Uranium-235 Fission - Overview of how uranium undergoes fission in reactors to generate energy.
• Apply in Context - Illustrate how factors like control rods and coolants help maintain safe chain reactions in nuclear reactors.

• [Question 1] What is nuclear fuel and how is it used in nuclear reactors?
• [Question 2] What are control rods and how do they maintain safe fission rates?
• [Question 3] How does a moderator like heavy water contribute to nuclear reactor functionality?

• Students - Understanding key concepts about nuclear reactors can build a foundation for understanding nuclear physics and chemistry.
• Educators - Provides a clear framework to teach about nuclear energy, fission process, and components of a nuclear reactor.
• Researchers - A comprehensive understanding of nuclear reactors supports development and enhancement of nuclear technologies.
• Science Enthusiasts - Offers insights into the fascinating world of nuclear power generation and associated technologies.