Funktionsweise von Atomkraftwerken

[Gast]

Derzeit arbeite ich an einem Referat über Atomkraftwerke, genauer gesagt deren Funktionsweise. Da es nur ein Kurzreferat ist und ich nicht tiefer einsteigen muss, habe ich mich als Quelle größtenteils auf Wikipedia konzentriert: Kernreaktor ? Wikipedia

Da sind allerdings noch ein paar kleine Unklarheiten:

Ein prompt überkritischer Reaktor ist nicht mehr regelbar und es kann zu schweren Unfällen kommen, denn der Neutronenfluss und damit die Wärmeleistung des Reaktors steigt exponentiell mit einer Verdoppelungszeit im Bereich von 10−14 Sekunden an. Bei wassermoderierten Reaktoren kommt es dabei zur Verdampfung des Moderators, welcher aber notwendig ist, um die Kettenreaktion aufrechtzuerhalten. Dadurch kehrt der Reaktor, sofern nur das Wasser verdampft, aber die räumliche Anordnung des Brennstoffs noch erhalten ist, in den unterkritischen Bereich zurück. Dieses Verhalten heißt eigenstabil.

1. Wodurch kann ein Reaktor in den überkritischen Zustand kommen? (werde ich wohl bei meinen Recherchen zu Tschernobyl vermtl. auch selbst rausfinden)

2. Warum ist der Moderator für die Reaktion erforderlich? Ich dachte der Moderator ist gerade dazu da, dass die Reaktion nicht unkontrollierbar wird, d.h. die Reaktion läuft gerade ohne Moderator so "richtig" ab.

3. Habe ich das mit der "räumlichen Anordnung" richtig verstanden, dass die überkritische Reaktion weiterläuft, wenn sich der Brennstoff bei der Überreaktion verschiebt/umfällt o.Ä.? Unter "Kernschmelze" heißt es ja dann, dass diese durch Zusammenballung des Brennstoffes eintritt.

4. Kann ein Graphitreaktor auch mit unangereichtertem Uran betrieben werden, oder benötigt der auch angereichtertes Uran?

5. Welchen Moderator benutzt der schnelle Brüter? €: Geklärt.

[Challenger]

2. Warum ist der Moderator für die Reaktion erforderlich? Ich dachte der Moderator ist gerade dazu da, dass die Reaktion nicht unkontrollierbar wird, d.h. die Reaktion läuft gerade ohne Moderator so "richtig" ab.

Ich glaube zwar den Rest ned beantworten zu können, aber bei dem Punkt isses IMO so, dass die Kernreaktion 'schnelle' Neutronen erbrütet, die aber nicht für die Aufrechterhaltung der Kettenreaktion geeignet ist.. also schaltet man einen Moderator dazwischen, der diese Neutronen abbremst und die Wahrscheinlichkeit für eine Kernreaktion erhöht. Wenn es jetzt überkritisch wird, verdampft der Moderator, kann die Neutronen also nicht mehr bremsen, und die Kernreaktion kommt nach und nach zum erliegen. (meist recht schnell)

[Gast]

Ich glaube zwar den Rest ned beantworten zu können, aber bei dem Punkt isses IMO so, dass die Kernreaktion 'schnelle' Neutronen erbrütet, die aber nicht für die Aufrechterhaltung der Kettenreaktion geeignet ist.. also schaltet man einen Moderator dazwischen, der diese Neutronen abbremst und die Wahrscheinlichkeit für eine Kernreaktion erhöht. Wenn es jetzt überkritisch wird, verdampft der Moderator, kann die Neutronen also nicht mehr bremsen, und die Kernreaktion kommt nach und nach zum erliegen. (meist recht schnell)

Ach so, stimmt. Das habe ich ja sogar heute selbst schon recherchiert. ^^ Das kommt davon, wenn eine Chemie/Physik-Niete sich an AKWs ranmacht.

[Cordess]

4. Kann ein Graphitreaktor auch mit unangereichtertem Uran betrieben werden, oder benötigt der auch angereichtertes Uran?

Vielleicht hilft dir das bei deiner Frage nicht, aber als beiläufige Randbemerkung. Mit schwerem Wasser als Moderator kann man einen Reaktor auch mit reinem Natururan, also im natürlichen Isotopenverhältnis betreiben.

Im 2. Weltkrieg wollten die deutschen so Kernwaffenfähiges Material produzieren.
Siehe auch:
Schwerwasserreaktor ? Wikipedia

Und da im Schwerwasserreaktor Tritium entsteht, kann man dieses bei einer Atombombe dazu nutzen, diese zu Boosten.
Sprich eine kleine Menge an Tritium kommt in die Mitte der Spaltbombe und die Explosionkraft vergrößert sich um ein Vielfaches.
Von einer typischen H-Bombe würde man hier aber noch nicht sprechen, deren Sprengkraft wäre noch einmal um ein paar Größenordnungen größer.

Das Anreicherungsverfahren ist übrigens auch sehr interessant.
Normale Kernkraftwerke benötigen AFAIK ca. 3-6 % angereichertes Uran 235.
Die Anreicherung geschieht heutzutage in Gaszentrifugen wobei hier das Uran in Form von Uranhexafluorid bei entsprechendem Druck in Gasform in die Zentrifugen reingepumpt wird
und da das Flour nur in einem Isotop vorkommt ist es sehr einfach, die verschiedenen Uranisotope voneinander zu unterscheiden und zu trennen.
Schaltet man nun mehrere Gaszentrifugen hintereinander oder macht mehrere Durchläufe, so kann man den Reinheitsgrad und Anteil von Uran 235 auf waffentaugliches Spaltmaterial anreichern.

Theoretisch* genügt also eine einzige Gaszentrifuge und genügend Zeit und Energie zum Betreiben der Zentrifuge um Waffentaugliches Material herzustellen, deswegen ist die Sache mit den Anreicherungsanlagen für angeblich zivile Zwecke Unsinn, denn man kann mit praktisch jeder Gaszentrifugenanalge waffenfähiges Material herstellen.
Daher ist die Thematik mit den Anreicherungsanlagen im Iran auf politischer Ebene so brisant.


* In der Praxis schaltet man natürlich mehrere Zentrifugen hintereinander und verwendet sehr viele davon, damit man auch in kurzer Zeit eine ausreichende Menge an Spaltmaterial je nach gewünschtem Anreicherungsgrad anreichern kann.

[HMS Fearless]

1. Wodurch kann ein Reaktor in den überkritischen Zustand kommen? (werde ich wohl bei meinen Recherchen zu Tschernobyl vermtl. auch selbst rausfinden)

Haptsächlich durch Fehlkonstruktion.
Tschernobyl ist ein gutes Beispiel für einen falsch konstruierten Reaktor.
Zum Beispiel hatten die als Neutronenfänger arbeitenden Regelstäbe an ihrem Unteren Ende noch einen Graphitstab (frag mich bloss nicht wieso ), so das beim Einführen der Regelstäbe zwischen die Brenstäbe die Kernreaktion zunächst mal noch verstärkt wurde!
Weiter war die Mechanik, welche die Regelstäbe bewegte so lahm, dass die Regelstäbe durch die Hitze weich wurden und sich in ihren Führungen verkeilten, lange bevor sie ganz eingeschoben werden konnten.

Bei einem gut konstruierten Reaktor solltes es eigentlich nicht möglich sein, dass die Brennelemente so heiss werden, dass sie schmelzen.

Das Hauptproblem bei Tschernobyl war ja nicht die heissen Brennelemente an sich, sondern der brennende Graphit, welcher einen Kamineffekt auslöste, der grosse Mengen an radioaktiven Elementen in die Atmosphäre sog.

3. Habe ich das mit der "räumlichen Anordnung" richtig verstanden, dass die überkritische Reaktion weiterläuft, wenn sich der Brennstoff bei der Überreaktion verschiebt/umfällt o.Ä.? Unter "Kernschmelze" heißt es ja dann, dass diese durch Zusammenballung des Brennstoffes eintritt.

jep. Wenn das Uran aus den Brennstäben zusammenschmilzt, kann es sein, dass es dicht genug gepackt ist um auch ohen Moderator weiter zu reagieren.

[Gast]

@Cordess
Ja, das habe ich schon rausgefunden. Jetzt müsste ich aber trotzdem noch wissen, ob auch ein Graphitreaktor mit unangereichertem Uran betrieben werden kann, oder ob der stets angereichertes benötigt.

@HMS Fearless
Danke für die Erläuterung.

[MoNoSToNe]

Wobei noch zu sagen ist, dass in Tschernobyl der Reaktor einen positiven Temperaturkoeffizienten hatte (d.h. die Reaktion wird umso stärker, je höher die Temperatur wird) und sich somit die Reaktion immer weiter ins Unkontrollierte aufschaukeln konnte.
Modernere Reaktoren haben ausschließlich negative Temperaturkoeffizienten (Reaktion bremst sich selbst ab, wenn es zu "heiß" wird).

Dazu auch: Kernreaktoren: konventionell

[Physicus91]

@Cordess
Ja, das habe ich schon rausgefunden. Jetzt müsste ich aber trotzdem noch wissen, ob auch ein Graphitreaktor mit unangereichertem Uran betrieben werden kann, oder ob der stets angereichertes benötigt.

@HMS Fearless
Danke für die Erläuterung.

Spalten kann man praktisch jede art von Urankernen.

Aber nur bei angereichertem Uran kann es zu einer extremen Kettenreaktion kommen.

Dadurch kann man in beschränktem Maße auch mit unangereichertem Uran Kernkraftwerke betreiben, aber nur das angereicherte Uran ist auch Waffenfähig