Funktion der Brennstäbe

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2 Antworten

Hi, HeissenberXXX,

Werner Heissenberg könnte Dir sicher eine sehr ausführliche Antwort geben, ich dagegen fasse mich kurz.

In den Brennstäben befindet sich das eigentliche spaltbare Material, z. B. U(235). "Brennstäbe" ist eigentlich nicht exakt, denn es findet keine Verbrennung statt, sondern eine (exotherme) Kernspaltung. Kernreaktoren werden überkritisch angelegt, das heißt, dass es zu einer ungesteuerten Kettenreaktion wie bei einer Uranbombe kommen könnte, wenn nicht Regelstäbe, die mehr oder weniger tief in die Reaktorkammer eingeführt werden, durch Neutroneneinfang dies verhindern würden. Außerdem ist es für die gesteuerte Kettenreaktion erforderlich, für ausreichend langsame Neutronen, die bei der Kernspaltung freigesetzt werden, zu sorgen. Diese Aufgabe übernehmen sogenannte Moderatoren, z.B. Graphit.

Wenn die Aktivität nicht mehr groß genug ist, weil schon sehr viel Urankerne gespalten wurden, dann werden sie durch neue ersetzt. Die "verbrauchten" Stäbe sind aber dennoch erheblich radioaktiv und werden deshalb in Wasserbecken (Abklingbecken) zwischengelagert, bis die Aktivität auf ein gewisses Maß abgeklungen ist. Später erfolgt die Wiederaufbereitung des noch übrig gebliebenen spaltbaren Materialsund die Endlagerung. Ein atomgetriebenes U-Boot oder Eisbrecher kann durchaus etwa ein Jahr mit einer Ladung Brennstäbe betrieben werden; das hängt von der Beschickungsmenge und von dem Reaktortyp ab.

MfG

ocin1 13.03.2014, 13:48

Hier mal etwas Grundlegendes zum Unterschied zwischen einer Kernwaffe und einem Kernreaktor :-)

Kernwaffen (Kernspaltungs-Sprengsätze) bestehen aus mindesten 95% Uran-235 oder 95% Plutonium-239 (in konventionellen Kernkraftwerken ist das Uran-235 zu etwa 3%-5% angereichert). Ist die Anreicherung auch nur etwa 3% geringer, ergibt sich eine Frühzündung oder es kommt überhaupt nicht zu einer Explosion.

Weiter spielt der Auslösemechanismus eine sehr wichtige Rolle. Bsp. Was passiert, wenn man ein Häufchen Schwarzpulver anzündet? Es wird recht rasch jedoch überschaubar verbrennen und dabei vielleicht auch etwas Schwarzpulver weg wehen. Was passiert, wenn man nun dieses Schwarzpulver in einem Rohr fest komprimiert und mit einer Lunte entzündet? Es kommt zur Explosion.

Es ergeben sich also nur Aufgrund der mechanischen Anordnung zwei recht unterschiedliche Resultate. Dieses Beispiel gilt eigentlich auch 1 zu 1 für Kernwaffen. Formiert man die kritische Masse (siehe Wiki.) zu langsam (mehr als ms), verpufft die Kernexplosion und die kritische Masse wird zerstört, bevor die eigentliche Kettenreaktion ihr volles Potential erreicht. Als Bsp. schau mal unter http://de.wikipedia.org/wiki/Demon_Core .

Aus dieser Erkenntnis ergibt sich also: ein Kernspaltungs-Reaktor kann nicht wie eine Kernwaffe explodieren :-). Das was jedoch passieren kann, ist beim KKW-Unglück von Tschernobyl eingetreten. Die Kettenreaktion stieg auf Grund von Fehlkonstruktion und Fehlbedienung (bei gut konstruierten Reaktoren egal) exponentiell an und ließ so den Reaktorkern durch die Wärme-Ausdehnung aufplatzen. Nach dem Aufplatzen war der Reaktor-Kern unterkrittisch, sodass die Kettenreaktion abriss.

Durch vergleichbar einfache Konstruktionen ist ein Durchgehen des Reaktors, wie das beim KKW Tschernobyl der Fall war, von Grund auf ausgeschlossen. Es sei darauf hingewiesen, dass das nicht durch Mechanik oder andere technische Eingriffe sicher gestellt wird. Ausschließlich durch elementar physikalische Effekte wie den Void-Effekt, Dichte-Abnahme mit steigender Temperatur, Doppler-Verbreiterung, ... wird im Fehlerfall die Sicherheit des Reaktors sicher gestellt.

Das funktioniert so gut, das man damit Forschungsreaktoren sicher im Impulsbetrieb fahren kann (siehe ati.tuwien.ac.at/reaktor/ oder en.wikipedia.org/wiki/TRIGA oder im deutschen Wiki unter "TRIGA" und "Void-Effekt")

Schau mal im Netz nach negativer Temperaturkoeffizent, Dopplerverbreiterung, Dampfblasenkoeffizient

Weiter ist es sehr wohl möglich mit Hilfe einer kritischen Anordnung aus reinem Uran-235 eine gepulste Neutronen-Quelle zu haben, ohne das einem die ganze Anlage als Kern-Explosion um die Ohren fliegt. Schau hierzu mal im Netzt nach GODIVA-Reaktor.

Wie gesagt, um eine Kern-Explosion herbei zu führen bedarf es viel Erfahrung mit schneller Kompression (Stichwort: Sprenglinsen, ...), sodass einem die anfängliche nukleare Kettenreaktion nicht gleich die kritische Anordnung zerstört, bevor sie überhaupt eine nennenswerte Stärke angenommen hat. Das ist wie beim Beispiel mit dem Sylvester-Böller.

Quellen:

de.wikipedia.org/wiki/Demon_Core Beispiel dafür, dass einem eine kritische Anordnung bei versehentlicher Kritikalität nicht explodiert

de.wikipedia.org/wiki/Godiva-Reaktor hochleistungs Puls-Neutronen-Quelle arbeitet mit einer kritischen Anordnung aus 100% angereichertem Uran-235 ohne zu explodieren

de.wikipedia.org/wiki/Kritikalit%C3%A4t - Wikipedia Kritikalität

en.wikipedia.org/wiki/Passive nuclear safety - Wikipedia passive Sicherheit im Kernreaktor

ww.kernfragen.de/kernfragen/lexikon/d/dopplereffekt.php

de.wikipedia.org/wiki/Dampfblasenkoeffizient - Dampfblasen-Koeffizient

ww.kernenergie.de/kernenergie-wAssets/docs/service/623tschernobyl 2011.pdf - negativer Dampfblasen Koeffizient, wie wichtig ist es, das dieser Koeffizient negativ ist. Vergleich Tschernobyl zu deutschen Reaktoren

ww.nuceng.ca/br space/class/Module3C Temp&VoidJun21.pdf - Grundlage zur Reaktor-Sicherheit am Bsp. des kanadischen CADU-Reaktors

PS. Aufgrund der Wärmeausdehnung der nuklearen Anordnung, ist es übrigens nicht einfach eine Kernwaffe zu bauen.

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Die erzwungene Urankern-Spaltung wird durch Neutronen ausgelöst.

Neutronen sind in sehr geringen Mengen überall zu finden. Ob nun aus einem Spallations-Prozess, welche von hochenergetischen Sonnen-Protonen in unsere Atmosphäre stammen, oder aus der Spontanen Kernspaltung von z.B. Uran-238. Weiter können freie Neutronen auch durch sehr hochenergetische ( > 5MeV) Gamma-Strahlen aus einem Atom-Kern geschlagen werden. Diesen Prozess nennt man Gamma-N-Prozess oder Kern-Photo-Effekt.

Trifft nun so ein Neutron eine geschickt angeordnete kritische Uran-Moderator-Anordnung, so kann eine nukleare Kettenreaktion eingeleitet werden. In der Natur tritt so etwas wohl nicht mehr auf, da der natürliche Uran-235-Gehalt mit 0,7% viel zu gering ist. In der Vergangenheit gab es aber auch in natürlichen Uranlager-Stätten, bei Wassereinsatz, eine nukleare Kettenreaktion, quasi ein Natur-Kernreaktor (siehe Wiki http://de.wikipedia.org/wiki/Oklo).

Wenn man sich richtig viel Mühe gibt, und als Moderator Schweres Wasser nimmt, kann man auch heute noch das natürlichem Uran, mit nur 0,7% Uran-235, zur Stromerzeugung nutzen. Solche Kernreaktoren, welche mit Natururan, also ohne Uran-Anreicherung, arbeiten gehören z.B. zum kanadischen CANDU-Typ.

Quellen:

de.wikipedia.org/wiki/Neutronenquelle

de.wikipedia.org/wiki/Spallation

de.wikipedia.org/wiki/Spontane Spaltung

de.wikipedia.org/wiki/Oklo

de.wikipedia.org/wiki/Kernphotoeffekt

de.wikipedia.org/wiki/CANDU-Reaktor

Brennelemente verbleiben bis zu 5 Jahre im Reaktor-Kern, bis sie nicht mehr wirtschaftlich zu nutzen sind (Uran-235-Gehalt zu gering). Jedes Jahr wird der Reaktor geöffnet und die abgebrannten Brennelemente entnommen und durch frische ersetzt (ca. 23 Tonnen). Der Rest wird im Reaktor-Kern umgesetzt, sodass trotz geringer werdendem Uran-235-Gehalt das Neutronen-Feld (somit auch die Leistungs-Verteilung) schön gleichmäßig bleibt. Also nach ca. 5 mal Umsetzen kommt ein Brennelement raus.

Das KKW-Brokdorf hat etwa 195 Brennelemente, was einem Schwermetall-Gewicht von etwa 103 Tonnen aus macht (ca. 95% Uran-238, ca. 5% Uran-235 ).

ocin1 13.03.2014, 13:49

Hier mal etwas Grundlegendes zum Unterschied zwischen einer Kernwaffe und einem Kernreaktor :-)

Kernwaffen (Kernspaltungs-Sprengsätze) bestehen aus mindesten 95% Uran-235 oder 95% Plutonium-239 (in konventionellen Kernkraftwerken ist das Uran-235 zu etwa 3%-5% angereichert). Ist die Anreicherung auch nur etwa 3% geringer, ergibt sich eine Frühzündung oder es kommt überhaupt nicht zu einer Explosion.

Weiter spielt der Auslösemechanismus eine sehr wichtige Rolle. Bsp. Was passiert, wenn man ein Häufchen Schwarzpulver anzündet? Es wird recht rasch jedoch überschaubar verbrennen und dabei vielleicht auch etwas Schwarzpulver weg wehen. Was passiert, wenn man nun dieses Schwarzpulver in einem Rohr fest komprimiert und mit einer Lunte entzündet? Es kommt zur Explosion.

Es ergeben sich also nur Aufgrund der mechanischen Anordnung zwei recht unterschiedliche Resultate. Dieses Beispiel gilt eigentlich auch 1 zu 1 für Kernwaffen. Formiert man die kritische Masse (siehe Wiki.) zu langsam (mehr als ms), verpufft die Kernexplosion und die kritische Masse wird zerstört, bevor die eigentliche Kettenreaktion ihr volles Potential erreicht. Als Bsp. schau mal unter http://de.wikipedia.org/wiki/Demon_Core .

Aus dieser Erkenntnis ergibt sich also: ein Kernspaltungs-Reaktor kann nicht wie eine Kernwaffe explodieren :-). Das was jedoch passieren kann, ist beim KKW-Unglück von Tschernobyl eingetreten. Die Kettenreaktion stieg auf Grund von Fehlkonstruktion und Fehlbedienung (bei gut konstruierten Reaktoren egal) exponentiell an und ließ so den Reaktorkern durch die Wärme-Ausdehnung aufplatzen. Nach dem Aufplatzen war der Reaktor-Kern unterkrittisch, sodass die Kettenreaktion abriss.

Durch vergleichbar einfache Konstruktionen ist ein Durchgehen des Reaktors, wie das beim KKW Tschernobyl der Fall war, von Grund auf ausgeschlossen. Es sei darauf hingewiesen, dass das nicht durch Mechanik oder andere technische Eingriffe sicher gestellt wird. Ausschließlich durch elementar physikalische Effekte wie den Void-Effekt, Dichte-Abnahme mit steigender Temperatur, Doppler-Verbreiterung, ... wird im Fehlerfall die Sicherheit des Reaktors sicher gestellt.

Das funktioniert so gut, das man damit Forschungsreaktoren sicher im Impulsbetrieb fahren kann (siehe ati.tuwien.ac.at/reaktor/ oder en.wikipedia.org/wiki/TRIGA oder im deutschen Wiki unter "TRIGA" und "Void-Effekt")

Schau mal im Netz nach negativer Temperaturkoeffizent, Dopplerverbreiterung, Dampfblasenkoeffizient

Weiter ist es sehr wohl möglich mit Hilfe einer kritischen Anordnung aus reinem Uran-235 eine gepulste Neutronen-Quelle zu haben, ohne das einem die ganze Anlage als Kern-Explosion um die Ohren fliegt. Schau hierzu mal im Netzt nach GODIVA-Reaktor.

Wie gesagt, um eine Kern-Explosion herbei zu führen bedarf es viel Erfahrung mit schneller Kompression (Stichwort: Sprenglinsen, ...), sodass einem die anfängliche nukleare Kettenreaktion nicht gleich die kritische Anordnung zerstört, bevor sie überhaupt eine nennenswerte Stärke angenommen hat. Das ist wie beim Beispiel mit dem Sylvester-Böller.

Quellen:

de.wikipedia.org/wiki/Demon_Core Beispiel dafür, dass einem eine kritische Anordnung bei versehentlicher Kritikalität nicht explodiert

de.wikipedia.org/wiki/Godiva-Reaktor hochleistungs Puls-Neutronen-Quelle arbeitet mit einer kritischen Anordnung aus 100% angereichertem Uran-235 ohne zu explodieren

de.wikipedia.org/wiki/Kritikalit%C3%A4t - Wikipedia Kritikalität

en.wikipedia.org/wiki/Passive nuclear safety - Wikipedia passive Sicherheit im Kernreaktor

ww.kernfragen.de/kernfragen/lexikon/d/dopplereffekt.php

de.wikipedia.org/wiki/Dampfblasenkoeffizient - Dampfblasen-Koeffizient

ww.kernenergie.de/kernenergie-wAssets/docs/service/623tschernobyl 2011.pdf - negativer Dampfblasen Koeffizient, wie wichtig ist es, das dieser Koeffizient negativ ist. Vergleich Tschernobyl zu deutschen Reaktoren

ww.nuceng.ca/br space/class/Module3C Temp&VoidJun21.pdf - Grundlage zur Reaktor-Sicherheit am Bsp. des kanadischen CADU-Reaktors

PS. Aufgrund der promten "Wärmeausdehnung" (Phononen-Schockwellen im Festkörper) der nuklearen Anordnung, ist es übrigens nicht einfach eine Kernwaffe zu bauen.

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Halswirbelstrom 13.03.2014, 20:59
@ocin1

Hallo, ocin1,

Dein Kommentar ist wohl an mich gerichtet. Ich konnte ihm lückenlos folgen und bin von der Tiefgründigkeit Deines Kommentars beeindruckt. Keineswegs wollte ich den Kernreaktor als schlummernde Atombombe titulieren und ich anerkenne Deinen überzeugenden Vergleich mit der Explosion eines mit Schwarzpulver gefüllten Böllers mitd dem freien Abbrennen von Schwarzpulver. Das Anliegen meiner Antwort auf die Frage von HeissenberXXX bestand lediglich darin, seine Frage in aller Kürze leicht verständlich zu beantworten. Es ist nicht einfach, auf welches Anforderungsniveau man sich dabei einstellen sollte, aber ich denke, man sollte es in guter Absicht einfach tun.

Für Deine wissenschaftliche Darstellung bin ich Dir dankbar, denn es geht mir nicht um Selbstdarstellung, sondern einfach nur um eine etwas abwechslungs-reiche, konstruktive und auch unterhaltsame Kommunikation.

Danke für Deine Anregungen.

LG

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ocin1 14.03.2014, 19:42
@Halswirbelstrom

@Halswirbelstrom: Hi, " denn es geht mir nicht um Selbstdarstellung, sondern einfach nur um eine etwas abwechslungs-reiche, konstruktive und auch unterhaltsame Kommunikation. " geht mir auch so. Danke für die netten Zeilen :-)

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