Die Einrichtung und das Funktionsprinzip eines Kernreaktors basieren auf der Initialisierung und Steuerung einer sich selbst erh altenden Kernreaktion. Es wird als Forschungswerkzeug, zur Herstellung radioaktiver Isotope und als Energiequelle für Kernkraftwerke verwendet.
Kernreaktor: Funktionsweise (kurz)
Hierbei wird der Prozess der Kernsp altung genutzt, bei dem ein schwerer Kern in zwei kleinere Bruchstücke zerfällt. Diese Fragmente befinden sich in einem hoch angeregten Zustand und emittieren Neutronen, andere subatomare Teilchen und Photonen. Neutronen können neue Sp altungen verursachen, wodurch mehr Neutronen emittiert werden und so weiter. Eine solche kontinuierliche, sich selbst erh altende Reihe von Sp altungen wird als Kettenreaktion bezeichnet. Gleichzeitig wird eine große Menge an Energie freigesetzt, deren Erzeugung der Zweck der Nutzung von Kernkraftwerken ist.
Das Funktionsprinzip eines Kernreaktors und eines Kernkraftwerks ist so, dass etwa 85 % der Sp altenergie innerhalb sehr kurzer Zeit nach Beginn der Reaktion freigesetzt werden. Der Rest wird in produziertdas Ergebnis des radioaktiven Zerfalls von Sp altprodukten, nachdem diese Neutronen emittiert haben. Radioaktiver Zerfall ist der Prozess, bei dem ein Atom einen stabileren Zustand erreicht. Sie wird auch nach Abschluss der Teilung fortgesetzt.
In einer Atombombe nimmt die Kettenreaktion an Intensität zu, bis der größte Teil des Materials gesp alten ist. Dies geschieht sehr schnell und erzeugt die für solche Bomben charakteristischen extrem starken Explosionen. Die Vorrichtung und das Funktionsprinzip eines Kernreaktors basieren darauf, eine Kettenreaktion auf einem kontrollierten, nahezu konstanten Niveau zu h alten. Es ist so konstruiert, dass es nicht wie eine Atombombe explodieren kann.
Kettenreaktion und Kritikalität
Die Physik eines Kernsp altungsreaktors ist, dass die Kettenreaktion durch die Wahrscheinlichkeit einer Kernsp altung nach der Emission von Neutronen bestimmt wird. Wenn die Bevölkerung des letzteren abnimmt, wird die Sp altungsrate schließlich auf Null fallen. In diesem Fall befindet sich der Reaktor in einem unterkritischen Zustand. Wenn die Neutronenpopulation auf einem konstanten Niveau geh alten wird, bleibt die Sp altungsrate stabil. Der Reaktor wird sich in einem kritischen Zustand befinden. Und schließlich, wenn die Neutronenpopulation im Laufe der Zeit wächst, werden die Sp altungsrate und -leistung zunehmen. Der Kern wird überkritisch.
Das Funktionsprinzip eines Kernreaktors ist wie folgt. Vor dem Start ist die Neutronenpopulation nahe Null. Die Bediener entfernen dann die Steuerstäbe aus dem Kern, wodurch die Kernsp altung erhöht wird, was vorübergehend übersetzt wirdReaktor in den überkritischen Zustand. Nach Erreichen der Nennleistung stellen die Bediener die Steuerstäbe teilweise zurück und stellen die Anzahl der Neutronen ein. In Zukunft wird der Reaktor in einem kritischen Zustand geh alten. Wenn es angeh alten werden muss, führen die Bediener die Stäbe vollständig ein. Dies unterdrückt die Sp altung und bringt den Kern in einen unterkritischen Zustand.
Reaktortypen
Die meisten nuklearen Anlagen der Welt erzeugen Energie und erzeugen die Wärme, die benötigt wird, um Turbinen anzutreiben, die elektrische Stromgeneratoren antreiben. Es gibt auch viele Forschungsreaktoren, und einige Länder haben U-Boote oder Überwasserschiffe mit Atomantrieb.
Kraftwerke
Es gibt mehrere Arten von Reaktoren dieses Typs, aber das Leichtwasserdesign hat eine breite Anwendung gefunden. Es kann wiederum Druckwasser oder kochendes Wasser verwenden. Im ersten Fall wird die Flüssigkeit unter hohem Druck durch die Hitze des Kerns erhitzt und tritt in den Dampfgenerator ein. Dort wird die Wärme aus dem Primärkreislauf auf den Sekundärkreislauf übertragen, der ebenfalls Wasser enthält. Der schließlich erzeugte Dampf dient als Arbeitsmedium im Dampfturbinenkreislauf.
Der Siedereaktor arbeitet nach dem Prinzip eines direkten Energiekreislaufs. Wasser, das die aktive Zone passiert, wird auf einem mittleren Druckniveau zum Sieden gebracht. Gesättigter Dampf durchläuft eine Reihe von Abscheidern und Trocknern, die sich im Reaktorbehälter befinden, was ihn zu sich bringtüberhitzter Zustand. Der überhitzte Wasserdampf wird dann als Arbeitsmedium zum Antreiben einer Turbine verwendet.
Hochtemperaturgasgekühlt
Der High Temperature Gas Cooled Reactor (HTGR) ist ein Kernreaktor, dessen Funktionsprinzip auf der Verwendung einer Mischung aus Graphit und Brennstoffmikrokugeln als Brennstoff basiert. Es gibt zwei konkurrierende Designs:
- Deutsches "Füller"-System, das sphärische Brennstoffzellen mit 60 mm Durchmesser verwendet, die eine Mischung aus Graphit und Brennstoff in einer Graphithülle sind;
- Amerikanische Version in Form von sechseckigen Prismen aus Graphit, die sich zu einer aktiven Zone verzahnen.
In beiden Fällen besteht das Kühlmittel aus Helium mit einem Druck von etwa 100 Atmosphären. Im deutschen System gelangt Helium durch Lücken in der Schicht kugelförmiger Brennelemente und im amerikanischen System durch Löcher in Graphitprismen, die entlang der Achse der zentralen Zone des Reaktors angeordnet sind. Beide Optionen können bei sehr hohen Temperaturen betrieben werden, da Graphit eine extrem hohe Sublimationstemperatur hat, während Helium chemisch völlig inert ist. Heißes Helium kann direkt als Arbeitsmedium in einer Gasturbine bei hoher Temperatur verwendet werden, oder seine Wärme kann zur Erzeugung von Dampf im Wasserkreislauf genutzt werden.
Flüssigmetallkernreaktor: Schema und Funktionsprinzip
Schnelle Neutronenreaktoren mit Natrium-Kühlmittel erhielten in den 1960er und 1970er Jahren viel Aufmerksamkeit. Dannes schien, dass ihre Fähigkeit, Kernbrennstoffe in naher Zukunft zu reproduzieren, für die Produktion von Brennstoffen für die sich schnell entwickelnde Nuklearindustrie notwendig war. Als in den 1980er Jahren klar wurde, dass diese Erwartung unrealistisch war, schwand die Begeisterung. In den USA, Russland, Frankreich, Großbritannien, Japan und Deutschland wurden jedoch mehrere Reaktoren dieses Typs gebaut. Die meisten von ihnen werden mit Urandioxid oder dessen Mischung mit Plutoniumdioxid betrieben. In den Vereinigten Staaten wurden jedoch die größten Erfolge mit metallischen Kraftstoffen erzielt.
CANDU
Kanada hat seine Bemühungen auf Reaktoren konzentriert, die natürliches Uran verwenden. Damit entfällt für seine Bereicherung die Notwendigkeit, auf die Dienste anderer Länder zurückzugreifen. Das Ergebnis dieser Politik war der Deuterium-Uran-Reaktor (CANDU). Die Steuerung und Kühlung darin erfolgt durch schweres Wasser. Das Gerät und Funktionsprinzip eines Kernreaktors besteht darin, einen Tank mit k altem D2O bei atmosphärischem Druck zu verwenden. Der Kern wird von Rohren aus Zirkoniumlegierung mit natürlichem Uranbrennstoff durchbohrt, durch die ihn schweres Wasser kühlt. Strom wird erzeugt, indem die Sp altwärme in schwerem Wasser auf Kühlmittel übertragen wird, das durch den Dampfgenerator zirkuliert. Der Dampf im Sekundärkreislauf durchläuft dann den normalen Turbinenkreislauf.
Forschungsanlagen
Für die wissenschaftliche Forschung wird am häufigsten ein Kernreaktor verwendet, dessen Prinzip darin besteht, Wasserkühlung zu verwenden undLamellenförmige Uran-Brennelemente in Form von Baugruppen. Kann über einen breiten Leistungsbereich betrieben werden, von einigen Kilowatt bis zu Hunderten von Megawatt. Da die Stromerzeugung nicht die Hauptaufgabe von Forschungsreaktoren ist, werden sie durch die erzeugte thermische Energie, Dichte und Nennenergie der Neutronen im Kern charakterisiert. Es sind diese Parameter, die helfen, die Fähigkeit eines Forschungsreaktors zur Durchführung spezifischer Untersuchungen zu quantifizieren. Low-Power-Systeme werden typischerweise in Universitäten zu Lehrzwecken verwendet, während High-Power-Systeme in F&E-Labors für Material- und Leistungstests und allgemeine Forschung benötigt werden.
Der gebräuchlichste Forschungskernreaktor, dessen Struktur und Funktionsprinzip wie folgt sind. Seine aktive Zone befindet sich am Grund eines großen tiefen Wasserbeckens. Dies vereinfacht die Beobachtung und Platzierung von Kanälen, durch die Neutronenstrahlen gelenkt werden können. Bei niedrigen Leistungsstufen muss das Kühlmittel nicht entlüftet werden, da die natürliche Konvektion des Kühlmittels für eine ausreichende Wärmeabfuhr sorgt, um einen sicheren Betriebszustand aufrechtzuerh alten. Der Wärmetauscher befindet sich normalerweise auf der Oberfläche oder oben im Becken, wo sich das heiße Wasser ansammelt.
Schiffsinstallationen
Die ursprüngliche und hauptsächliche Verwendung von Kernreaktoren ist in U-Booten. Ihr Hauptvorteil istdass sie im Gegensatz zu Verbrennungssystemen für fossile Brennstoffe keine Luft zur Stromerzeugung benötigen. Daher kann ein Atom-U-Boot lange Zeit unter Wasser bleiben, während ein herkömmliches dieselelektrisches U-Boot periodisch an die Oberfläche steigen muss, um seine Motoren in der Luft zu starten. Atomkraft verschafft den Schiffen der Marine einen strategischen Vorteil. Es macht das Auftanken in ausländischen Häfen oder von anfälligen Tankern überflüssig.
Das Funktionsprinzip eines Kernreaktors auf einem U-Boot ist klassifiziert. Es ist jedoch bekannt, dass in den USA hochangereichertes Uran verwendet wird und die Verlangsamung und Kühlung durch leichtes Wasser erfolgt. Das Design des ersten Reaktors des Atom-U-Bootes USS Nautilus wurde stark von leistungsstarken Forschungseinrichtungen beeinflusst. Seine einzigartigen Merkmale sind eine sehr große Reaktionsspanne, die einen langen Betrieb ohne Nachtanken und die Fähigkeit zum Wiederanfahren nach einem Stopp gewährleistet. Das Kraftwerk in den U-Booten muss sehr leise sein, um nicht entdeckt zu werden. Um den spezifischen Anforderungen verschiedener U-Boot-Klassen gerecht zu werden, wurden verschiedene Kraftwerksmodelle entwickelt.
Die Flugzeugträger der US Navy verwenden einen Kernreaktor, dessen Prinzip vermutlich den größten U-Booten entlehnt ist. Details zu ihrem Design wurden ebenfalls nicht veröffentlicht.
Zusätzlich zu den USA haben Großbritannien, Frankreich, Russland, China und Indien Atom-U-Boote. In jedem Fall wurde das Design nicht bekannt gegeben, aber es wird angenommen, dass sie alle sehr ähnlich sind - diesist eine Folge der gleichen Anforderungen an ihre technischen Eigenschaften. Russland hat auch eine kleine Flotte von Eisbrechern mit Atomantrieb, die die gleichen Reaktoren haben wie sowjetische U-Boote.
Industrieanlagen
Für die Produktion von waffenfähigem Plutonium-239 wird ein Kernreaktor verwendet, dessen Prinzip eine hohe Produktivität bei geringer Energieproduktion ist. Dies liegt daran, dass ein langer Aufenth alt von Plutonium im Kern zur Ansammlung von unerwünschtem 240Pu.
führt.
Tritiumproduktion
Gegenwärtig ist das Hauptmaterial, das von solchen Systemen produziert wird, Tritium (3H oder T), die Ladung für Wasserstoffbomben. Plutonium-239 hat eine lange Halbwertszeit von 24.100 Jahren, sodass Länder mit Atomwaffenarsenalen, die dieses Element verwenden, tendenziell mehr davon haben, als sie benötigen. Im Gegensatz zu 239Pu hat Tritium eine Halbwertszeit von etwa 12 Jahren. Um die notwendigen Vorräte aufrechtzuerh alten, muss dieses radioaktive Wasserstoffisotop daher kontinuierlich produziert werden. In den USA gibt es beispielsweise in Savannah River, South Carolina, mehrere Schwerwasserreaktoren, die Tritium produzieren.
Schwimmende Kraftwerke
Kernreaktoren wurden geschaffen, die abgelegene Gebiete mit Elektrizität und Dampfheizung versorgen können. In Russland haben sie beispielsweise Anwendung gefundenkleine Kraftwerke, die speziell für arktische Gemeinden entwickelt wurden. In China liefert eine 10-MW-HTR-10-Anlage Wärme und Strom für das dort ansässige Forschungsinstitut. Kleine geregelte Reaktoren mit ähnlichen Fähigkeiten werden in Schweden und Kanada entwickelt. Zwischen 1960 und 1972 nutzte die US-Armee kompakte Wasserreaktoren, um abgelegene Stützpunkte in Grönland und der Antarktis mit Strom zu versorgen. Sie wurden durch Ölkraftwerke ersetzt.
Weltraumforschung
Außerdem wurden Reaktoren für die Energieversorgung und Fortbewegung im Weltall entwickelt. Zwischen 1967 und 1988 installierte die Sowjetunion kleine Nuklearanlagen auf den Kosmos-Satelliten, um Geräte und Telemetrie mit Strom zu versorgen, aber diese Politik wurde zur Zielscheibe der Kritik. Mindestens einer dieser Satelliten ist in die Erdatmosphäre eingedrungen, was zu einer radioaktiven Kontamination abgelegener Gebiete Kanadas geführt hat. Die Vereinigten Staaten starteten 1965 nur einen nuklearbetriebenen Satelliten. Projekte für ihren Einsatz bei Weltraumflügen, der bemannten Erkundung anderer Planeten oder auf einer permanenten Mondbasis werden jedoch weiter entwickelt. Es wird notwendigerweise ein gasgekühlter oder Flüssigmetall-Kernreaktor sein, dessen physikalische Prinzipien die höchstmögliche Temperatur liefern, die notwendig ist, um die Größe des Kühlers zu minimieren. Außerdem sollte ein Weltraumreaktor möglichst kompakt sein, um den Materialeinsatz zu minimierenAbschirmung und zur Gewichtsreduzierung während des Starts und des Weltraumflugs. Die Treibstoffreserve sichert den Betrieb des Reaktors für die gesamte Dauer des Raumfluges.
