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Kernkraftwerk – Reaktortypen 07:58 min

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Transkript Kernkraftwerk – Reaktortypen

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle! Wir sind immer noch in der Atom- und Kernphysik und wollen uns heute noch mal die verschiedenen Reaktortypen, die es bei Kernkraftwerken gibt, genauer ansehen. Für dieses Video solltet ihr unbedingt die beiden anderen Videos zur Kettenreaktion, über die Atombombe und das Kernkraftwerk gesehen haben. So, los geht's. Wir lernen heute, worin sich Kernkraftwerke eigentlich unterscheiden können und was die Eigenschaften von Druckwasserreaktoren, Siedewasserreaktoren, Schwerwasserreaktoren und Brutreaktoren sind. Bevor wir die verschiedenen Reaktortypen genauer unter die Lupe nehmen, wollen wir uns erst mal ansehen, worin denn so die Hauptunterschiede bestehen. Zuerst wäre da mal der Brennstoff. In der Natur vorkommendes Uran besteht zu circa 99,3% aus dem nicht-spaltbaren Uran-238 und nur zu 0,7% aus dem spaltbaren Uran-235, das uns für den Kernreaktor interessiert. Die Anreicherung von Uran ist ein sehr komplizierter und teurer Prozess. Es ist also ein großer Pluspunkt, wenn der Reaktor normales Uran verwenden kann. Der nächste interessante Punkt ist der Moderator, also der Stoff, der die Neutronen bremst. Denn wir ihr euch vielleicht erinnert, benötigt Uran-235 langsame Neutronen um zur Spaltung angeregt zu werden. Als Moderator kann man mehrere verschiedene Stoffe verwenden. Da wäre zum Beispiel Wasser, aber auch so genanntes schweres Wasser oder - früher - Graphit. Da die Technik des Graphitreaktors aber ein wenig veraltet und vor allem unsicher ist - Tschernobyl zum Beispiel war ein Graphitreaktor - ist er hier nur der Vollständigkeit halber angemerkt. Je nachdem für welchen Zweck der Reaktor verwendet werden soll und vor allem, welche Ressourcen man zur Verfügung hat, sind verschiedene Kombinationen möglich. Fangen wir einmal an mit dem Druckwasserreaktor. Das ist übrigens der Reaktor, den wir uns im letzten Film genauer angesehen haben. Der Druckwasserreaktor verwendet gewöhnliches Wasser als Moderator, das die Neutronen zwar bremst, aber auch einige davon schluckt. Deshalb benötigt ein Druckwasserreaktor angereichertes Uran. Statt der gewöhnlichen Konzentration von circa 0,7% benötigt ein Druckwasserreaktor 3-4% Uran-235. Trotzdem haben die meisten - nämlich etwa 2/3 aller Kernkraftwerke Druckwasserreaktoren. Die Vorteile liegen ja auch auf der Hand. Der verwendete Moderator - Wasser - ist extrem billig, um es vorsichtig zu sagen. Außerdem hat der Druckwasserreaktor den Vorteil, dass die Verschmutzung auf einen sehr kleinen Bereich, nämlich den Primärkreislauf, begrenzt ist. Der Nachteil ist, dass so ein Druckwasserreaktor natürlich relativ gut gebaut sein muss, da er wegen des hohen Drucks sehr anfällig für Lecks ist. Als Nächstes wollen wir uns den Siedewasserreaktor ansehen. Der funktioniert eigentlich haargenau so wie der Druckwasserreaktor mit einem einzigen wichtigen Unterschied: Er hat keinen Sekundärkreislauf. Er verwendet also - genau wie der Druckwasserreaktor - angereichertes Uran als Brennstoff und Wasser als Moderator. Der Unterschied zwischen den beiden liegt im Aufbau. Während im Druckwasserreaktor das Wasser im Primärkreislauf immer flüssig bleibt und das Wasser im Sekundärkreislauf verdampft, wird beim Siedewasserreaktor das Wasser direkt an den Brennstäben verdampft und von dort in die Turbinen getrieben. Das ist zwar einfacher zu bauen und braucht auch nur einen billigen Moderator, hat aber einen deutlichen Nachteil, nämlich: Die Turbine, die damit mit Wasser betrieben wird, das direkt von den Brennstäben kommt, ist also ebenfalls radioaktiven Partikeln ausgesetzt. Das bedeutet, dass ein viel größerer Bereich unseres Kraftwerks nicht so einfach betreten werden kann, da Strahlungsgefahren bestehen. Außerdem ist der Siedewasserreaktor durch das Entstehen von Wasserdampf von den Brennstäben viel schwieriger zu regeln als ein Druckwasserreaktor. Ihr habt es vorhin vielleicht schon gelesen und euch gewundert. Jetzt ist er an der Reihe, der Schwerwasserreaktor. Dieser benutzt, wie der Name schon sagt, schweres Wasser als Moderator. Das ist Wasser, in dem das schwerere Isotop, Deuterium, statt normalem Wasserstoff vorkommt. Man kann also auch schreiben D2O. Man verwendet schweres Wasser, da es ebenfalls die Neutronen gut bremst, aber vor allem deutlich weniger schluckt als leichtes Wasser. Und das führt auch schon zum größten Vorteil des Schwerwasserreaktors. Dadurch, dass deutlich weniger Neutronen von Wasser geschluckt werden, reicht Natururan für den Reaktor aus, das heißt, es muss kein Anreicherungsvorgang betrieben werden. Damit lohnt sich ein Schwerwasserreaktor zum Beispiel sehr für Länder, die hohe Uranvorkommen haben, aber sich keine Anreicherungsanlage leisten wollen. Er hat aber auch einen deutlichen Nachteil: Die Herstellung von schwerem Wasser ist sehr teuer. Außerdem entsteht durch Neutroneneinfang aus Deuterium das radioaktive Tritium, ein sehr gefährliches Isotop des Wasserstoffs. So, zuletzt wollen wir uns noch das Kraftwerk ansehen, das mit Abstand den schlechtesten Ruf hat, nämlich der Brutreaktor, man sagt auch der schnelle Brüter. Im Brutreaktor wird ebenfalls Natururan verwendet. Als Moderator verwendet der Brutreaktor gar nichts. Oder sagen wir so: Als Wärmeträger für die Energiegewinnung verwendet er Natrium, das aber so gut wie keinen Neutronen bremsenden Effekt hat. Der Trick beim Brutreaktor ist Folgendes: Wie wir vorhin schon gehört haben, enthält Natururan circa 99,7% nicht-spaltbares Uran-238 und nur 0,7% spaltbares Uran-235. Wenn Uran-238 jedoch mit schnellen Neutronen beschossen wird, verwandelt es sich in Uran-239, das wiederum durch zwei Beta-Zerfälle zum wieder spaltbaren Plutonium-239 wird und daher auch der Name "schneller Brüter". "Schnell", weil er schnelle Neutronen verwendet und "Brüter", weil er aus nicht-spaltbarem Material Spaltbares ausbrütet. Der Vorteil des Brutreaktor ist also, dass er die großen Mengen Uran-238, die sonst kaum nutzbar sind, verwendet. Dadurch kann aus den Uranvorräten deutlich mehr Energie gewonnen werden, nämlich circa die 60-fache Menge, die Wasserreaktoren gewinnen. Brutreaktoren haben jedoch auch deutliche Nachteile. Das als Wärmeträger verwendete Natrium macht nicht nur das Kraftwerk sehr wartungsintensiv, sondern ist auch ein hochgefährlicher Stoff. Es entzündet sich bei Kontakt mit Wasser und ist auch ansonsten sehr reaktionsfreudig. Außerdem ist natürlich das bei der Reaktion erzeugte Plutonium äußerst giftig. So, wir wollen noch mal zusammenfassen was wir heute gelernt haben. Die Leichtwasserreaktoren, also sowohl der Druckwasserreaktor als auch der Siedewasserreaktor, sind am weitesten verbreitet, benötigen aber angereichertes Uran. Schwerwasserreaktoren umgehen dieses Problem dadurch, dass sie als Moderator schweres Wasser verwenden, das aber sehr teuer herzustellen ist. Ein Brutreaktor - oder "schneller Brüter" - ist ein Kernkraftwerk, in dem die Neutronen nicht gebremst werden, wodurch aus dem nicht-spaltbaren Uran-238 spaltbares Plutonium-239 entsteht. Das nutzt den Brennstoff deutlich besser aus, ist aber auch viel gefährlicher und wartungsintensiver. So, das war's schon wieder für heute. Ich hoffe ich konnte euch helfen. Einen schönen Tag wünsche ich euch, vielleicht bis zum nächsten Mal! Euer Kalle

4 Kommentare
  1. Sehr viele Infos gucke ich nochmal genaue an

    Von Dw 69, vor mehr als 5 Jahren
  2. Super, vielen Dank :)

    Von Ladybird, vor mehr als 5 Jahren
  3. @Ladybird: Wir hatten grad ein paar technische Schwierigkeiten. Jetzt müsste es wieder laufen. Probier es doch gleich noch einmal.
    LG, Max

    Von Maximilian T., vor mehr als 5 Jahren
  4. Video bricht leider bei 2:52 immer ab :(

    Von Ladybird, vor mehr als 5 Jahren

Kernkraftwerk – Reaktortypen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Kernkraftwerk – Reaktortypen kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib die Vor- und Nachteile des Gebrauches schweren Wassers als Moderator an.

    Tipps

    Gib erst die Vorteile an.

    Lösung

    Deuterium ist ein Isotop des Wasserstoffes. In seinem Kern kommen ein Proton und ein Neutron vor, wohingegen im Kern des Wasserstoffes nur ein Proton vorkommt. Deshalb ist Deuterium schwerer als Wasserstoff. Also bezeichnet man das Wasser, das aus Deuterium und Sauerstoff besteht, als schweres Wasser (auch ${ D }_{ 2 }O$ geschrieben). Als Moderator verwendet man vorzugsweise ${ D }_{ 2 }O$, da es Neutronen ebenfalls sehr gut bremst. ${ D }_{ 2 }O$ absorbiert deutlich weniger Neutronen als leichtes Wasser. Diese Eigenschaft vereinfacht die Verwendung des Natururans als Brennstoff. Da das Natururan mehrere Neutronen absorbiert, wird es instabil und spaltbar. Deswegen ist die Urananreicherung in diesem Fall unnötig. Der Nachteil dabei sind die hohen Kosten, um schweres Wassers herzustellen. Außerdem entsteht durch die Neutronenaufnahme beim Deuterium das radioaktive Tritium, welches ein sehr gefährliches Isotop des Wasserstoffs ist.

  • Fasse die Brennstoffe, die Moderatoren und die Vor- und Nachteile von den jeweiligen Reaktortypen zusammen.

    Tipps

    Ordne erst die Brennstoffe zu.

    Ordne dann die Moderatoren zu.

    Danach ordne die Vorteile jedes Reaktortyps zu.

    Zum Schluss ordne die Nachteile jedes Reaktortyps zu.

    Lösung

    Für die bessere Vorschau der Reaktortypen fasst man ihre Brennstoffe, ihre Moderatoren, ihre Vor- und Nachtteile mithilfe einer Tabelle zusammen.

    \begin{array}{|l|l|l|l|l|} \hline \small{\textbf{Reaktortyp}} & \small{\textbf{Druckwasser}} & \small{\textbf{Siedewasser}} & \small{\textbf{Schwerwasser}} & \small{\textbf{Brut}}\\ \hline \small{\textbf{Brennstoff}} & _{ }^{ 235 }{ U }& _{ }^{ 235 }{ U }& _{ }^{ 238 }{ U } & _{ }^{ 238 }{ U }\\ \hline \small{\textbf{Moderator}} &{ H }_{ 2 }O & { H }_{ 2 }O & { D }_{ 2 }O & \small{\text{kein}}\\ \hline \small{\textbf{Vorteile}} & \small{\text{billiger Moderator}} & \small{\text{einfacher Aufbau}} & \small{\text{keine}}\ U\small{\text{-Anreicherung}} & Na\ \small{\text{als Wärmeträger}}\\ ~ & ~ & ~ & ~ & \small{\text{keine}}\ U\small{\text{-Anreicherung}}\\ \hline \small{\textbf{Nachteile}} & \small{\text{Platzerngefahr}} & \small{\text{Kontaminierung}} & \small{\text{teurer Moderator}} & \small{\text{mehr Energie}}\\ ~ & ~ & ~ & \small{\text{erzeugt Tritium}} & \small{\text{erzeugt}}\ Pu\\ \hline \end{array}

  • Gib die Kernkraftwerke an, die zwei Kreisläufe anwenden.

    Tipps

    Normalerweise besitzen Reaktoren zwei verschiedene Kreisläufe, wenn ein flüssiger Moderator angewendet wird.

    Lösung

    Druckwasser- und Schwerwasserreaktor sind die beiden Reaktortypen, die zwei Kreisläufe benötigen. Die Existenz der zwei Kreisläufe beider Reaktoren vermeidet die Verschmutzung der anderen Teile des Kernkraftwerkes. Aus diesem Grund erhält das radioaktive Wasser, das durch den Primärkreislauf zirkuliert, nur Kontakt mit dem Brennstoff und nicht mit den Energie erzeugenden Turbinen.

  • Ordne die Ereignisse einer Natururanspaltung in einem Brutreaktor nach dem Eingang eines Neutrons.

    Tipps

    Fange an mit dem Eingang eines schnellen Neutrons in das Natururan.

    Die Massenzahl des Natururans nimmt zu.

    Das spaltbare Uran zerfällt in ein vermittelndes Element durch Betaminus-Strahlung.

    Das vermittelnde Element (Neptunium-239) zerfällt in spaltbares Plutonium durch Betaminus-Strahlung.

    Lösung

    In einem Brutreaktor wird das Uran-238 mit schnellen Neutronen beschossen. Als Konsequenz verwandelt es sich in Uran-239.

    $_{ 0 }^{ 1 }n+_{ 92 }^{ 238 }{ U } \rightarrow _{ 92 }^{ 239 }{ U }$

    Da das Uran-239 instabil wird, zerfällt es in Neptunium-239 und strahlt ein Betaminus-Teilchen aus.

    $\xrightarrow [ ]{ \beta } _{ 92 }^{ 239 }{ Np }+_{ -1 }^{ 0 }{ e }$

    Da das Neptunium-239 auch instabil ist, zerfällt es in Plutonium-239 und strahlt wiederum ein Betaminus-Teilchen aus.

    $\xrightarrow [ ]{ \beta } _{ 94 }^{ 239 }{ Pu }+_{ -1 }^{ \quad 0 }{ e }$

    Die Reaktionskette des ganzen Prozesses, der sogenannte „Plutonium-Brutprozess“, wird wie folgt beschrieben:

    $_{ 0 }^{ 1 }n+_{ 92 }^{ 238 }{ U }\rightarrow _{ 92 }^{ 239 }{ U }\xrightarrow [ ]{ \beta } _{ 92 }^{ 239 }{ Np }+_{ -1 }^{ 0 }{ e } \xrightarrow [ ]{ \beta } _{ 94 }^{ 239 }{ Pu }+_{ -1 }^{ \quad 0 }{ e }$

  • Gib in einem Kernkraftwerk den Druckwasserreaktor, den Wärmetauscher, die Turbine und den Kondensator an.

    Tipps

    Die Turbine ist mit dem Sekundärkreislauf verbunden.

    Lösung

    Ein Kernkraftwerk (KKW) besteht im Allgemeinen aus mehreren verschiedenen Teilen, z. B. Reaktorgefäß, Wärmetauscher, Turbine, Generator, Kondensator und Kühlturm. Jeder Teil hat seine eigene Funktion und eigene Wichtigkeit in einem KKW. Das dargestellte Schema dieser Aufgabe ist ein Druckwasserreaktor-KKW und davon wurden vier Teile nach ihrer Wichtigkeit gewählt:

    1. das Reaktorgefäß, in dem der Brennstoff und der Moderator gelagert werden, die im Primärkreislauf geschlossen sind. Der Primärkreislauf verhindert die Verschmutzung der anderen Teile des KKWs;
    2. den Wärmetaucher, in dem das Wasser des Sekundärkreislaufs erhitzt wird und Dampf erzeugt;
    3. die Turbine, die der Dampf antreibt, um elektrische Energie herzustellen; und
    4. der Kondensator, in dem der Dampf des Sekundärkreislaufs abgekühlt wird, um den Sekundärkreislauf mit flüssigem Wasser zu versorgen für eine kontinuierliche Stromerzeugung.

  • Erläutere die Unterschiede zwischen Kernkraftwerken.

    Tipps

    Alle Wörter kommen jeweils nur einmal vor.

    Lösung

    In Kernkraftwerken werden je nach Baujahr unterschiedliche Reaktortypen eingesetzt, die sich im Wesentlichen durch die verwendeten Kernbrennstoffe, Kühlkreisläufe und Moderatoren unterscheiden.

    Die beiden Leichtwasserreaktoren, Druckwasserreaktor und Siedewasserreaktor, sind am weitesten verbreitet, benötigen jedoch $_{ }^{ 235 }{ U }$ als Brennstoff.

    Schwerwasserreaktoren können auch mit $_{ }^{ 238 }{ U }$ als Brennstoff funktionieren. Sie umgehen dieses Problem dadurch, dass sie als Moderator ${ D }_{ 2 }{ O }$ verwenden, das aber sehr teuer herzustellen ist. Zudem bildet sich bei der Kernreaktion das giftige Tritium.

    In einem Brutreaktor werden die Neutronen nicht durch einen Moderator gebremst. wodurch aus dem nicht-spaltbaren $_{ }^{ 238 }{ U }$ spaltbares $_{ }^{ 239 }{ Pu }$ entsteht. Dieser Reaktortyp nutzt den Brennstoff deutlich besser aus, jedoch sind der Wärmeträger und die Spaltprodukte auch viel gefährlicher und der Reaktor dadurch wartungsintensiver. Dieser Reaktortyp hat besonders durch den Super-Gau von Tschernobyl stark an Reputation eingebüßt.