Ausgefallene Siedemethode: Kernkraftwerke beherrschen endlich die Kunst des Wasserkochens!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Science Scraps (Popular Science Creator)

Hersteller: China Science Expo

Atomkraftwerk, dieser Begriff dürfte Ihnen ein Begriff sein, aber wissen Sie auch, wie es funktioniert?

Lassen Sie die Energie langsam freisetzen

Wie wandeln Kernkraftwerke Kernenergie in elektrische Energie um? Zunächst müssen wir über Kernspaltungsreaktionen sprechen.

Unter einer Kernspaltungsreaktion versteht man die Spaltung des Kerns eines schweren Atoms nach dem Aufprall eines Neutrons, wobei zwei leichtere Kerne entstehen. Bei diesem Prozess entstehen oft gleichzeitig einige Nebenprodukte, beispielsweise mehrere Neutronen und zusätzliche Energie.

Bei Kernspaltungsreaktionen in Uran-235 und Plutonium-239 ist die freigesetzte Neutronenenergie oft relativ hoch. Solche Neutronen werden schnelle Neutronen genannt und ihre Geschwindigkeit kann 5 % der Lichtgeschwindigkeit erreichen.

Uran-235-Spaltreaktion

(Bildquelle: Wikimedia)

Aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit können diese Neutronen innerhalb kurzer Zeit immer wieder mit Uran- oder Plutoniumkernen kollidieren und so weitere Kernspaltungen auslösen. Diese Reaktionsreihe ist die bekannte Kettenreaktion.

Es ist sehr wichtig, wenn eine Atombombe explodiert. Nur wenn möglichst viele Kettenreaktionen in kürzester Zeit stattfinden, kann die Atombombe ihre enorme Kraft entfalten. In den Kernreaktoren von Atomkraftwerken ist die Situation jedoch anders.

Kernkraftwerke wollen die Atomenergie nicht innerhalb kurzer Zeit schnell freisetzen. Das Wichtigste ist, sie sanft und gleichmäßig auszugeben . Daher gibt es in den Kernreaktoren der meisten Kernkraftwerke Moderatoren, die die schnellen Neutronen abbremsen und in effizientere langsame Neutronen (oder thermische Neutronen) umwandeln.

Mithilfe dieser Energie können Kernkraftwerke Wasser zum Kochen bringen und den erzeugten Dampf dann zum Antrieb der Turbinenschaufeln verwenden, die wiederum den Generator zur Stromerzeugung antreiben. Damit wird das Ziel der Umwandlung von Kernenergie in elektrische Energie erreicht.

Mehrere verschiedene Arten von Kernreaktoren

Verschiedene Arten von Kernkraftwerken verwenden leicht unterschiedliche Methoden zum Kochen von Wasser. Beginnen wir mit den beiden häufigsten Arten von Kernreaktoren, nämlich Siedewasserreaktoren und Druckwasserreaktoren.

Wir haben bereits erwähnt, dass dem Kernreaktor eines Kernkraftwerks etwas hinzugefügt werden muss, um die schnellen Neutronen zu verlangsamen. Tatsächlich kann gewöhnliches Wasser als Neutronenmoderator verwendet werden, und Wasser ist auch ein gutes Kühlmittel. Daher verwenden diese beiden Reaktortypen Wasser als Neutronenmoderator und Kühlmittel.

Es gibt jedoch einige Unterschiede zwischen den beiden Reaktoren.

Der Siedewasserreaktor ist relativ „einfach und grob“. Dabei werden Wasser und Kernbrennstoff direkt in einen Behälter gefüllt. Nachdem der Kernbrennstoff das Wasser zum Kochen gebracht hat, wird dieses direkt in Dampf umgewandelt, der die Turbine antreibt.

Siedewasserreaktor

(Bildquelle: Wikimedia)

Druckwasserreaktoren sind etwas komplizierter. Ein Druckwasserreaktor verfügt über zwei Kreisläufe, den sogenannten Primärkreislauf und den Sekundärkreislauf. Auch im Primärkreislauf wird das Wasser direkt zusammen mit dem Kernbrennstoff eingebracht und auf 200–300 Grad Celsius erhitzt (der Primärkreislauf steht unter hohem Druck, sodass das Wasser auch bei Temperaturen über 100 Grad Celsius nicht siedet).

Druckwasserreaktor

(Bildquelle: Wikimedia)

Dieses heiße Wasser überträgt die Wärme über Rohre an den Sekundärkreislauf. Beachten Sie, dass dieses Wasser nicht in den Sekundärkreislauf gelangt, sondern nur Wärme an den Sekundärkreislauf überträgt . Im Dampferzeuger des Sekundärkreislaufs wird Wasser gekocht und in Dampf umgewandelt, der dann die Dampfturbine antreibt.

Beide Arten von Kernreaktoren haben Vor- und Nachteile.

Im Vergleich zu einem Siedewasserreaktor besteht ein Druckwasserreaktor beispielsweise aus einem Primärkreislauf und einem Sekundärkreislauf, wobei die Verbindung länger ist und mehr Geräte erforderlich sind. In einem Kreislauf muss das Wasser unter hohem Druck gehalten werden und die technischen Leistungsanforderungen und Kosten sind oft relativ hoch.

Der Wasserdampf in einem Siedewasserreaktor steht in direktem Kontakt mit dem Kern und weist eine relativ hohe Strahlungsintensität auf. Sowohl die Übertragungsstrecke als auch die gesamte Verbindung zur Dampfturbine müssen gut vor Strahlung geschützt werden.

Die Technologie unseres Landes zum Bau von Druckwasserreaktoren liegt auf dem weltweit führenden Niveau und auch die meisten unserer in Betrieb befindlichen Kernkraftwerke sind überwiegend Druckwasserreaktoren. Darüber hinaus handelt es sich bei der von unserem Land unabhängig entwickelten Einheit „Hualong One“ ebenfalls um einen Druckwasserreaktor. Derzeit wird „Hualong One“ nach Pakistan exportiert, und auch das Vereinigte Königreich und Argentinien führen die Einheit „Hualong One“ aktiv ein.

Schwerwasserreaktor

Egal ob Siedewasserreaktor oder Druckwasserreaktor, in ihnen befindet sich gewöhnliches Wasser. Aus dem Chemieunterricht in der Mittelstufe wissen wir, dass Wasser aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom besteht und seine Molekülformel H2O lautet.

Aber Wasserstoff hat tatsächlich zwei weitere Isotope, Deuterium und Tritium. Fügt man einem Wasserstoffkern ein weiteres Neutron hinzu, wird daraus Deuterium (und bei zwei weiteren Neutronen wird daraus Tritium). Deuterium- und Sauerstoffatome können auch Wassermoleküle bilden, nämlich D 2 O. Dieses Wasser ist viel schwerer als gewöhnliches Wasser und wird daher als schweres Wasser bezeichnet.

Schweres Wasser kann ebenso wie gewöhnliches Wasser als Kühlmittel und Moderator in Kernreaktoren verwendet werden und hat gegenüber gewöhnlichem Wasser einen natürlichen Vorteil. Obwohl gewöhnliches Wasser als Neutronenmoderator wirken kann, absorbiert es auch einige Neutronen. Dies erfordert, dass das Uran-235 in den Ausgangsmaterialien des Kernreaktors eine relativ hohe Konzentration erreichen muss.

Schweres Wasser (D2O)

(Bildquelle: Wikimedia)

Im Gegensatz dazu absorbiert schweres Wasser Neutronen in viel geringerem Maße als gewöhnliches Wasser. Dies bedeutet, dass man Uran-235 nicht besonders stark anreichern muss und sogar natürliches Uranoxid direkt als Rohstoff für den Kern verwenden kann, wodurch der Schritt der Urananreicherung übersprungen wird .

Das Kernkraftwerk Qinshan Phase III unseres Landes ist das erste kommerzielle Kernkraftwerk mit Schwerwasserreaktor im Land.

Schneller Brüter

Die drei oben genannten Arten von Kernreaktoren wandeln alle schnelle Neutronen in thermische Neutronen um, um Kettenreaktionen auszulösen. Gibt es also einen Kernreaktor, der schnelle Neutronen direkt nutzt?

Natürlich gibt es das. Ein solcher Kernreaktor wird als Schneller Neutronenbrutreaktor oder kurz Schneller Reaktor bezeichnet. Schnelle Neutronen können mit Uran-238 reagieren, wodurch es einen β-Zerfall erleidet und sich in Plutonium 239 verwandelt, das weiterhin als Brennstoff für Kernreaktionen verwendet werden kann. Aus diesem Grund wird er auch Brutreaktor genannt.

Der von unserem Land unabhängig entwickelte experimentelle schnelle Reaktor (CEFR) wurde im Juli 2011 an das Netz angeschlossen und erzeugte Strom. Darüber hinaus wurde im Dezember 2017 mit dem Bau des Demonstrations-Schnellreaktors unseres Landes begonnen.

Chinas experimenteller Schnellreaktor im Bau

(Bildquelle: Wikimedia)

Darüber hinaus gibt es gasgekühlte Reaktoren und kleine modulare Reaktoren. Darüber hinaus stellt die Kernenergie der Menschheit Energie auf schonendere Weise zur Verfügung und mit dem technologischen Fortschritt werden Kernreaktoren immer sicherer und zuverlässiger.

Quellen:

[1] National Nuclear Safety Administration: Sind alle Kernkraftwerke vom gleichen Typ?

【2】Internationale Atomenergie-Organisation: Wassergekühlter Reaktor

【3】Internationale Atomenergie-Organisation: Schneller Reaktor

[4] Charles D. Ferguson, Nuclear Energy (Oxford Popular Science Reader), Huazhong University of Science and Technology Press