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Kernkraftwerk - Referat
Kernkraftwerk
Ein Kernkraftwerk (Abkürzung KKW) oder Atomkraftwerk (Abkürzung AKW) ist eine Anlage zur Gewinnung von elektrischer Energie durch Kernspaltung. Die Erzeugung elektrischer Energie geschieht indirekt: Die Wärme, die bei der Kernspaltung entsteht, wird auf ein Kühlmedium übertragen, wodurch dieses erwärmt wird und Dampf erzeugen oder direkt Turbinen antreiben kann.
Genau genommen ist die Bezeichnung Atomkraftwerk falsch. Die Energie, die bei einer Kernspaltung frei wird und zur Energiebereitstellung dient, kommt aus dem Kern der zu spaltenden Elemente, d. h. aus der frei werdenden Kernbindungsenergie und nicht aus Reaktionen in der Atomhülle. Man spricht daher physikalisch korrekt von Kernenergie und Kernkraftwerk, da es eine "Atomkraft" nicht gibt.
Reaktortypen und Funktionsweise
• Leichtwasserreaktor (LWR): Als Reaktorkühlmittel wird hier leichtes Wasser verwendet, welches das in der Natur am häufigsten vorkommende Wasser ist, gebildet mit dem leichten Wasserstoff-Isotop 1H. Das leichte Wasser dient gleichzeitig als Moderator. Als Brennstoff geeignet ist angereichertes Uran mit einem U-235-Massenanteil zwischen etwa 1,5 und 6 Prozent. Der LWR wird ausgeführt als
o Druckwasserreaktor (DWR): Das Reaktorkühlmittel transportiert die Kernspaltungswärme in einem geschlossenen Kreislauf, dem Primärkreislauf, zu einem Dampferzeuger, mit dem der Dampf zum Antrieb der Turbinen in einem sekundären Kreislauf erzeugt wird. Dieser Sekundärkreislauf ist nicht mehr Teil des Kontrollbereichs.
o Siedewasserreaktor (SWR): Das Reaktorkühlmittel wird im Reaktordruckbehälter verdampft und direkt den Turbinen zugeführt. Der gesamte Wasser-Dampfkreislauf ist damit Teil des Kontrollbereichs.
Im störungsfreien Betrieb verlässt das Reaktorkühlmittel das Containment, eine druckdichte Stahlkugel, des DWR nicht, im SWR dagegen gelangt es bis in die Turbinen und Kondensatoren des Wasser-Dampfkreislaufs.
• Schwerwasserreaktor (HWR): Schweres Wasser (D2O) als Reaktorkühlmittel wird mit schwerem Wasserstoff, dem Deuterium, gebildet, das Neutronen schlechter absorbiert. Deshalb kann als Brennstoff Natururan mit einem Massenanteil an U-235 von etwa 0,7 Prozent verwendet werden.
• Flüssigmetall gekühlter Brutreaktor (Schneller Brüter): Der Brutreaktor erzeugt während des Betriebs spaltbares Plutonium aus dem Uran und ermöglicht dadurch eine um 60 Prozent höhere Brennstoffausnutzung. Flüssiges Metall (z.B. Natrium), das Neutronen nicht abbremst ("moderiert"), wird als Reaktorkühlmittel eingesetzt und erzeugt über einen Wärmetauscher den Dampf für die Turbinen.
• Thorium-Hochtemperaturreaktor (THTR): Thorium-232, aus dem durch Neutroneneinfang der Kernbrennstoff Uran-233 entsteht, ist in tennisballgroßen Graphitkugeln eingebettet (daher auch Kugelhaufenreaktor), die von Helium als Reaktorkühlmittel gekühlt werden (anfangs muss dennoch etwas Uran-233 oder ein anderer Kernbrennstoff vorhanden sein, damit die Reaktion beginnen kann). Das Helium wird dabei auf ca. 1000 °C erhitzt und erzeugt über einen Wärmetauscher den Dampf für die Turbine, oder wird direkt auf eine Gasturbine geleitet.
Im experimentellen Stadium befinden sich derzeit Kernkraftwerke, die Kernfusion als Wärmequelle verwenden. Diese Kraftwerke werden meist als Fusionskraftwerke bezeichnet.
Der wichtigste Bestandteil eines Kernkraftwerks ist der Kernreaktor. In ihm finden die Spaltungsprozesse statt. Viele Kernkraftwerke werden mit mehreren Kernreaktoren gebaut. In einem solchen Fall spricht man von mehreren Reaktorblöcken.
In den Kraftwerken wird bei der Spaltung schwerer Atomkerne die Bindungsenergie der Atomkerne in thermische Energie umgewandelt (der so genannte Massendefekt). In Siedewasserreaktoren bringt diese thermische Energie direkt Wasser zum Sieden und erzeugt somit Wasserdampf. In Druckwasserreaktoren erhitzt die Spaltung dagegen unter starkem Druck stehendes Wasser. Dieses Wasser wird im Primärkreislauf durch einen Wärmetauscher geleitet und bringt dort Wasser im Sekundärkreislauf zum Sieden. Durch dieses Vorgehen wird erreicht, dass die für die Stromerzeugung nötigen Anlagen (z.B. die Turbinen) nicht radioaktiv kontaminiert werden. Mit dem Dampf werden schließlich Wärmekraftmaschinen gespeist, die Generatoren zur Erzeugung des elektrischen Stroms antreiben.
Ein Reaktor kann über seinen Neutronenfluss geregelt, angefahren und abgeschaltet werden, indem man Neutronen absorbierende Stoffe wie etwa Cadmium, Gadolinium oder Bor in den Reaktorkern bzw. neutronenverlangsamende (sogenannte Moderatoren) Stoffe wie Graphit, Wasser, oder Schwerwasser zugibt oder entfernt. Diese geschieht z. B. kurzfristig mit Hilfe der Steuerstäbe oder längerfristig durch Zugabe bzw. Entzug von Borsäure im Reaktorkühlkreislauf.
Als Kernbrennstoff wird in den meisten heute betriebenen Kernkraftwerken Uran eingesetzt. Es gibt weltweit viele Kraftwerke mit einer Nutzungslizenz für MOX-Brennelemente, so auch in Deutschland. Mischoxid (MOX) ist ein Gemisch aus Uranoxid und Plutoniumoxid. Plutonium hat als Brennstoff eine höhere Energieausbeute, ist also effizienter als Uran. Die Verwendung von höher angereichertem Plutonium ist allerdings sowohl aufgrund der Waffenfähigkeit des Brennstoffes als auch wegen der höheren Komplexität der Sicherheitssysteme eines Brutreaktors, der mit Plutonium betrieben wird, umstritten.
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