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Referat Atomenergie - Physik




Physik

Referat Atomenergie                                                                   

Geschichte der Kernreaktoren

Wie so oft in der Geschichte von neuen Technologien, wurde auch die ersten Kernreaktoren für das Militär entwickelt. 1944 errichteten die USA den ersten Kernreaktor um Plutonium für ihre Atombomben herzustellen. Der erste zur Energiegewinnung bestimmte Reaktor, Calder Hall, wurden 1956 in England in Betrieb genommen. In Frankreich folget 1959 das zweite Atomkraftwerk, Marcoule. In Deutschland ging nach dreieinhalbjährigem Bau das erste Versuchsatomkraftwerk 1961 in Betrieb.

Der erste schwere Störfall ereignete sich 1979 in Three Mile Island, in Pennsylvania (USA), bei dem durch menschliches Versagen radioaktive Substanzen freigesetzt wurden. Doch das bis heute folgenschwerste Atomunglück ereignete sich am 26.4.1986 in Tschernobyl. Es kam zu einer Explosion im Kernreaktor, dieser entzündete sich und brannte mit einer Temperatur von 1500°C aus. Auch in hier wurde radioaktive Strahlung freigesetzt, die jedoch 50 mal größer war als in Three Mile Island. Die dabei entstandene Wolke mit radioaktivem Niederschlag zog in Richtung Westen und am 1. Mai auch über Deutschland. Für die Menschen hauptsächlich in der Ukraine hatte dies bis heute katastrophale Folgen. So liegt die Rate der Missbildung von Neugeboren und die von Krebs noch über dem weltweiten Durchschnitt. Ein riesiges Areal um das Kraftwerk wurde gesperrt, aber die drei benachbarten Reaktoren wurde kurze Zeit später wieder in Betrieb genommen und erst am 15.12.2000 endgültig abgeschaltet.



Heute sind in Deutschland 19 Kernkraftwerke in Betrieb, die 31 % unseres Strombedarfes abdecken. Weltweit liegt die Zahl der eingesetzten Atomkraftwerke bei 433, wobei 216 in Europa liegen. Die deutschen Atomkraftwerke produzieren alleine pro Jahr rund 450 Tonnen hochradioaktiven Müll. Am Freitag den 14.12.2001 beschloss der Bundestag mit den Stimmen der rot-grünen Regierungsmehrheit schließlich den Ausstieg aus der Atomenergie. Nach diesem Beschluss wird der letzte Atommeiler in Deutschland im Jahre 2021 von Netz genommen werden.

Das Prinzip der Atomspaltung

Durch die Spaltung von Uran-Atomkernen in Kernkraftwerken wird Wärmeenergie frei, aber etwa 10 % der bei der Kernspaltung freiwerdenden Energie wird als nicht verwendbare Strahlung ausgesandt. Uran wird wie Kohle, auch im Bergbau gewonnen. Das Element Uran enthält drei verschiede Typen von Uranisotopen, das ist einmal das Uran-238, das einen Grossteil des Urans ausmacht. Dann sind noch etwa 0,7 % Uran-235 vorhanden, außerdem gibt es auch Spuren von Uran-234. Von diesen drei Uranisotopen kann nur das Uran-235 im Reaktor eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion eingehen. Aber um mehr Energie gewinnen zu können, wird das Uran angereichert, bis es einen Uran-235 Anteil von über 2 Prozent hat. Dann wird das Uranatom mit einem Neutron beschossen, und so gespalten. Die bei der Spaltung des Uran-235 Atoms frei werdenden Neutronen können nun ihrerseits weitere Urankerne spalten. Wenn wieder mindestens 2 Neutronen nach dieser Reaktion zur Verfügung stehen, werden diese wieder neue Uranatome spalten, dass nennt man eine Kettenreaktion. In einem Kernkraftwerk findet diese Kettenreaktion kontrolliert statt. Bei der vollständigen Spaltung von 1 kg Uran-235 werden 24 Millionen kWh Energie frei. Die Freisetzung dieser Energie entspricht einer Verbrennung von 3000 Tonnen Kohle. Trotzdem wird in einem herkömmlichen Atomreaktor nur etwa ein Prozent, der im Uran gespeicherten Energie in Strom umgewandelt.

Abläufe in einem Kernreaktor

In erster Linie kommt es in einem Kernreaktor zur einer Kettenreaktion. Kontrolliert wird diese Kettenreaktion mit Hilfe der Regelstäbe aus Bor oder Cadmium. Um zu überflüssige Neutronen einzufangen, werden Regelstäbe in den Reaktorkern gelassen oder herausgezogen, wenn die Kettenreaktionen abzubrechen droht. Es gibt aber verschiede Methoden, bzw. Reaktoren um die Energie des Urans in elektrischen Strom umzuwandeln. Wir unterscheiden zwischen diesen verschiedenen Reaktorentypen:

  • Druckwasserreaktor
  • Siedewasserreaktor
  • Hochtemperaturreaktoren
  • Brutreaktoren
  • Antriebsreaktoren

Druckwasserreaktoren:
Die bei der Kettenreaktion entstehende Wärme wird zuerst auf den Primärwasserkreislauf übertragen, der durch einen Druckbehälter direkt an den Brennelementen vorbeigepumpt wird. Der Druckbehälter sorgt dafür, dass ein Druck von 158 bar besteht. Bei diesen Verhältnissen kann das Wasser nicht verdampfen, obwohl es eine Temperatur von 325°C erreicht. Das Wasser des Primärkreislaufes, wird nur zur Weitergabe von Wärmeenergie genutzt. Die Energie (in Form von warmen Wasser), wird nun von den Brennelement weggeleitet und dann Mithilfe von Wärmetauschern auf einen Sekundärwasserkreislauf übertragen. Erst das Wasser des Sekundärkreislaufes kann dann kondensieren. Der Dampf der dabei entsteht, treibt schließlich eine Turbine an, die mit einem Generator verbunden ist, und so elektrischen Strom herstellt. Damit der Sekundärkreislauf anschließend wieder zur Aufnahme und Weitergabe von Wärmeenergie benutzt werden kann, muss er gekühlt werden. Dazu wird meist Wasser aus einem Fluss benutzt, dass in den sogenannten Turbinenkühlkreislauf bepumpt wird. Es kühlt das Wasser des Sekundärkreislaufes ab, und verdampft anschließend teilweise im Kühlturm. Das abgekühlte Wasser des Sekundärkreislaufes kondensiert so wieder und kann erneut Energie aus dem Primärkreislauf aufnehmen. Solche Kernkraftwerkstypen stehen beispielsweise in Biblis und Stade.


Energie des Urans

Erhitzung des Primärwasserkreislaufes

Erhitzung des Sekundärenergiekreislaufes



Wasser verdampft und treibt Turbine an

Bewegungsenergie der Turbine wird in einem Generator in elektrischen Strom umgewandelt

             

Siedewasserreaktoren:

Ein Siedewasserreaktor funktioniert nach einem dem selben Prinzip wie ein Druckwasserreaktor, nur das bei der Entwicklung mehr die Effektivität geachtet wurde, und weniger auf die Umweltverträglichkeit, bzw. Sicherheit. So wird auch in einem solchem Atomkraftwerk das Wasser erhitzt, nur das der Primärwasserkreislauf hier nicht unter Druck steht, und somit ein kondensieren des Wassers nicht verhindert. Einen Sekundärwasserkreislauf gibt es nicht. Das heißt, der Primärwasserkreislauf treibt direkt die Turbine und somit den Generator an. Das hat den Vorteil, dass es kaum Übertragungsverluste gibt, weil die Wärmeenergie direkt in Bewegungsenergie umgewandelt wird. Mit anderen Worten, der Wirkungsgrad ist höher. Der Nachteil ist, dass das radioaktive Wasser des Primärkreislaufs auch mit der Turbine und anderen Bauteilen des Kraftwerks in Berührung kommt. Das bedeutet auch für die im Atomkraftwerk angestellten Personen eine höhere Strahlenbelastung. Außerdem kommt das radioaktive Wasser auch indirekt mit dem Kühlwasser aus einem Fluss in Berührung. Ein Atomkraftwerk dieser Bauart steht in Gundremmingen.

Energie des Urans

Erhitzung des Primärwasserkreislaufes

Wasser verdampft und treibt Turbine an

Bewegungsenergie der Turbine wird in einem Generator in elektrischen Strom umgewandelt

Hochtemperaturreaktoren:

Dieser Reaktortyp funktioniert ähnlich wie ein Siedewasserreaktor, nur das bei diese Verfahren statt Wasser Graphit erhitzt wird. Das hat den Vorteil, dass Graphit auf eine höhere Temperatur erhitzt werden kann, und somit besser bei der Energieaufnahme ist. Statt des normalerweise verwendeten Flusswassers als Kühlmittel wird hier Helium verwendet. Atomkraftwerke dieser Bauart sind in Jülich und Hamm-Üntrop zufinden.

Brutreaktoren:

Diese Reaktoren werden zur Zeit noch im Europäischen Ausland entwickelt, es ist aber fraglich ob jemals ein Brutreaktor gebaut wird, der Serienreif ist. In diesem Reaktortyp wird nicht wie in herkömmlichen Reaktoren Uran-235 für die Kettenreaktion benutzt, sondern Uran-238. Im sogenannten "schnellen Brüter" werden die Uran-238-Isotope gespalten, dabei entsteht Plutonium. Das Plutonium verliert dann wieder Neutronen, die weitere Plutoniumatome spalten. So kommt es auch in einem Brutreaktor zur einer Kettenreaktion. Da die dabei entstehende Energie zu groß ist, um von Wasser aufgenommen zuwerden, wird stattdessen flüssiges Natrium zur Weitergabe der Energie genutzt. Es wird dabei auf eine Temperatur um 500°C aufgewärmt. Das schnelle Brüterverfahren ist bisher noch nicht ausgereift und es bestehen auch so erhebliche Risiken für die Umwelt. Das flüssige Natrium ist z.b. sehr Reaktionsfreudig mit Luft und Wasser, außerdem ist es auch hoch radioaktiv verseucht. Als Vorteil wird immer wieder gepriesen, dass etwa 20 Prozent der im Uran gespeicherten Energie genutzt wird und dass der Reaktor sozusagen als Nebenprodukt noch Brennmaterial für andere Reaktoren liefert. Aber das alles kann nicht darüber hinwegtäuschen, dass diese Technologie in höchstem Maße gefährlich und nur schlecht beherrschbar ist.




Antriebsreaktoren:

Antriebatomsreaktoren werden auf Schiffen und U-Booten als Energielieferant benutzt. Sie funktionieren nach dem selben Prinzip wie Druckwasserreaktoren, sind aber meiste kompakter konstruiert und verwenden höher angereichertes Uran als Kernbrennstoff.

Zwischenlagerung


Für die Behandlung bestrahlter oder 'abgebrannter' Brennelemente gibt es verschiedene Wege bis sie schließlich aus dem Weg geschafft sind. Sie können dabei niemals richtig entsorgt werden, da das Uran eine Halbwertzeit vom mehreren tausend Jahren hat.

 
Nachdem die Brennelement ausgerannt sind, werden sie in die beim Kernkraftwerk liegenden Brennelementlager gebracht. Hier befinden sich die sogenannten Abklingbecken. Das Abklingbecken ist Wasserbecken mit einer Tiefe zwischen 14 und 16 Metern. Um die Strahlen der Brennelemente abzuschirmen genügt eine 3 Meter tiefe Wasserschicht. Auf diese Weise können die Abfälle bis zu 6 Jahre zwischengelagert werden. Zweck der Zwischenlagerung ist zum einem die Zeit zu überbrücken, bevor die Brennelemente in eine Wiederaufarbeitungsanlage gebracht werden und zum anderen klingt die Radioaktivität stark ab. Nach etwa 4 Jahren in einem Abklingbecken, ist die Radioaktivität und die Temperatur soweit abgesunken, dass die Brennelemente transportiert werden können. Trotzdem ist der Transport solcher Brennelemente sehr gefährlich, da sie immer noch stark radioaktiv sind. Speziell für diesen Transport wurden Behälter entwickelt, die angeblich einen freien Fall aus sieben Meter überstehen würden. Das sind die sogenannten Castoren, von denen man oft etwas in Fernsehen hört, da immer wieder verschiede Organisationen und Einzelpersonen diese auf dem Weg zur Wiederaufarbeitungsanlage blockieren.

 
Wiederaufarbeitung

Wie oben erwähnt, werden die abgebrannten Brennelemente in eine Wiederaufarbeitungsanlage gebracht. Davon gibt es in Europa nur zwei, da deren Betrieb in der Bevölkerung noch mehr umstritten ist als die Castortransporte. Die Anlage La Hage befindet sich in Frankreich, die andere Anlage ist Sellerfield in Großbritannien. Beide Anlagen verursachten bereits des öfteren Skandale, da immer wieder erhöhte Radioaktivität in der Umgebung gemessen wurde. Bei der Wiederaufarbeitung in den Anlagen handelt es sich um einen chemischen Prozess, bei dem die bestrahlten Elemente in ihre drei wesentlichen Bestandteile getrennt werden:

1. in das restliche Uran (ca. 96%), das wieder verwendet werden kann,
2. in das Plutonium (ca. 1%), das ebenfalls als Kernbrennstoff einzusetzen ist,
3. in radioaktive Abfälle (ca. 3%), die in sichere Salzformationen verbracht werden.

Man kann aber auch auf eine Wiederaufbereitung verzichten und die abgebrannten Brennelemente entlagern. Da man die in den bestrahlten Brennelementen vorhandenen Energiestoffe nicht verlieren will wird die sogenannte rückholbare Entlagerung betrieben.

Quellen:

Ø      Encarta® Online Plus Enzyklopädie

Ø      Wissen.de

Ø      www.greenpeace.de

Ø      Frankfurter Rundschau 15. Dez. 2001

Ø      www.atomenergie.ch

Ø      Brennstoffkreislauf (F.-K. Pickert)

Ø      Energiefibel Kernenergie  

Ø      Plutonium (W. Koelzer)

Ø      Physik in Berufsfachschulen (Born, Hübscher, Lochhaas, Pradel, Vorwerk)










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