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Aufgabe

Funktionsweise eines Kernkraftwerks

Schwierigkeitsgrad: leichte Aufgabe

a)Erläutere die Energieumwandlungskette, die zu einem Kernkraftwerk gehört. Nenne dabei die verschiedenen auftretenden Energieformen und die technischen Energieumwandler.

b)Erkläre, was man allgemein unter einer kontrollierten und einer unkontrollierten Kettenreaktion versteht.

c)Erläutere, wodurch bei Uran-235 eine Kettenreaktion ausgelöst wird, und wie man es im Kernkraftwerk schafft, diese kontrolliert ablaufen zu lassen.

Erkläre anhand einer Skizze und nenne eine mögliche Reaktionsgleichung.

d)Gib an, wie man schnelle Neutronen am besten abbremsen kann.

e)Ein Kernkraftwerk gibt eine elektrische Leistung von etwa \(1200\,{\rm{MW}}\) ab. Es hat einen Wirkungsgrad von \(34\% \).

Erläutere, was dies für die Umgebung des Kraftwerks bedeutet und erkläre, warum  Kernkraftwerke immer an großen Flüssen gebaut werden.

f)Diskutiere, welche Vor- und Nachteile ein Kernkraftwerk im Vergleich zu einem sehr großen Wasserkraftwerk hat.

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a)

Im Kernreaktor findet die Spaltung des Urans statt. Die Kernbruchstücke besitzen hohe Bewegungsenergie, ein kleiner Teil der radioaktiven Strahlung entweicht.

Im Wasser des Reaktors werden die Kernbruchstücke abgebremst, dabei erwärmt sich das Wasser. Auch die Umgebung wird erwärmt.

Im Wärmetauscher des Druckwasserreaktors wird die innere Energie des Wassers vom Primärkreislauf in innere Energie des Dampfes im Sekundärkreislauf gewandelt. Auch hierbei wird die Umgebung erwärmt.

In der Dampfturbine wird die "Spannenergie" des heißen Dampfes in Bewegungsenergie der Laufräder gewandelt. Der entspannte Dampf erwärmt das Kühlwasser.

Im Generator wird die Bewegungsenergie der Laufräder in elektrische Energie gewandelt. Hier treten nur kleine Reibungsverluste auf.

b)Bei der unkontrollierten Kettenreaktion vermehren sich die Neutronen in kürzester Zeit. Das gesamte Spaltmaterial wird nahezu augenblicklich gespalten. Die Spaltenergie wird explosionsartig frei.

Bei der kontrollierten Kettenreaktion wird der Vermehrungsfaktor für die Neutronen fast beim Wert Eins gehalten. Mit Hilfe der Steuerstäbe, die Neutronen absorbieren können, wird im Dauerbetrieb des Reaktors erreicht, dass die Zahl der Spaltreaktionen pro Zeiteinheit der Auslegung des Reaktors entsprechend einen festen Wert hat.

c)Die Kettenreaktion bei Uran 235 wird durch langsame Neutronen ausgelöst. Bei der Spaltreaktion entstehen mehrere (2 bis 3) Neutronen, die nach ihrer Abbremsung wieder Spaltreaktionen auslösen können. Eine Kettenreaktion läuft kontrolliert ab, wenn das Anwachsen der Neutronenzahl "eingedämmt" wird. Dies erreicht man durch Steuerstäbe, welche Neutronen absorbieren können.

Bild aus ISB-Handreichung

Beispiel für die Reaktionsgleichung einer Spaltreaktion: \[{}_{92}^{235}\rm{U} + {}_0^1\rm{n} \to {}_{56}^{144}\rm{Ba} + {}_{36}^{89}\rm{Kr} + 3 \cdot {}_0^1\rm{n}\]

d)Die schnellen Neutronen verlieren durch Stöße in einem sogenannten Moderator ihre Bewegungsenergie. Der Moderator sollte dabei aus Teilchen bestehen, deren Masse mit der des Neutrons vergleichbar ist. Denkbar wäre z.B. Wasser, da der Wasserstoffkern nur aus einem Proton besteht, dessen Masse mit der des Neutrons fast übereinstimmt.

Man muss jedoch darauf achten, dass das Neutron nach der Wechselwirkung mit einem Moderatorkern noch als freies Neutron existiert und so für eine Spaltung zur Verfügung steht. Da die Wahrscheinlichkeit, dass der Wasserstoffkern durch Einfang eines Neutrons zu einem Deuteriumkern wird, nicht vernachlässigbar ist, wählt man als Moderatorkerne oft auch Deuteriumkerne, die im schweren Wasser enthalten sind. Bei den Deuteriumkernen ist Wahrscheinlichkeit für einen Neutroneneinfang nicht so hoch.

Natürlich können auch andere leichte Kerne wie z.B. Kohlenstoffkerne als Moderatoren eingesetzt werden.

e)Bei einem Wirkungsgrad von \(34\% \) werden die restlichen \(66\% \) der abgegebenen Leistung im wesentlichen in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben. Die thermische Verlustleistung beträgt daher ca. \(2300\,{\rm{MW}}\). Eine solch hohe Leistung kann nur über groß dimensionierte Kühltürme an die Umgebung (Luft und Wasser) abgegeben werden und führt dort zu einer deutlichen Temperaturerhöhung (z. B. einige Grad Celsius bei Flüssen). In heißen Sommern mussten aus Gründen der Überhitzung von Flüssen bereits Kernkraftwerke „heruntergefahren“ werden.

f)Nachteile des Kernkraftwerks im Vergleich zu einem Wasserkraftwerk:

  • Einsatz eines nicht regenerativen Energieträgers;
  • Gefahr von Störfällen, bei denen radioaktive Substanzen freigesetzt werden und damit Umwelt und Menschen gefährdet werden können.
  • Ausstoß radioaktiver Substanzen, auch wenn dieser minimal ist;
  • Erwärmung der Umwelt (Fluss bzw. Luft)

Vorteile des Kernkraftwerks im Vergleich zu einem Wasserkraftwerk:

  • Für ein Wasserkraftwerk, das eine zu einem Kernkraftwerk vergleichbare Leistung haben soll, müssen erhebliche Eingriffe bei der Landschaft vorgenommen werden.
  • Noch ist soviel Uran vorhanden, dass mit den Kernkraftwerken der "Energiehunger" der entwickelten Länder und der Schwellenländer (zusammen mit anderen Energieträgern) einigermaßen befriedigt werden kann. Energie aus dem Wasser würde hierfür nicht ausreichen.
  • Die Länder, aus denen Natururan bezogen wird, sind politisch einigermaßen stabil.