Kernkraftwerk Funktionsweise Kernkraftwerke sind

Kernkraftwerk
Funktionsweise
Kernkraftwerke sind Wärmekraftwerke, bei denen die benötigte Wärme nicht durch das
Verbrennen von Kohle, Gas oder Öl, sondern durch Kernspaltung entsteht. Die
Kernspaltung erfolgt im Reaktorkern, der sich aus einer unterschiedlichen Anzahl
Brennelementen zuammensetzt.
Im Siedewasserreaktor siedet Wasser gleich im Reaktordruckbehälter und verdampft.
Der Dampf wird direkt zum Antrieb der Turbine verwendet. Das wesentliche
Konstruktionsprinzip des Druckwasserreaktor besteht dagegen aus zwei voneinander
getrennten Wasserkreisläufen: dem Primär- und Sekundärkreislauf.
Das durch Kernspaltung erhitzte Wasser erreicht eine Temperatur von ca. 325 Grad
Celsius bei einem Druck von 157 bar. Dadurch wird gewährleistet, dass das Wasser
nicht verdampft .
Über Dampferzeuger wird die Wärme vom Primärkreislauf an einen zweiten
Sekundärkreislauf abgegeben. Hier nimmt das Wasser die Wärme aus dem
Primärkreislauf auf. Durch den wesentlich geringeren Druck von rund 62 bar entsteht
Dampf, der die Turbine antreibt. Diese ist mit dem Generator verbunden, der den
Strom erzeugt. Unterhalb der Dampfturbine befindet sich der Kondensator, in dem der
drucklose Dampf mit Hilfe des Kühlwassers so weit abgekühlt wird, dass er kondensiert.
Das anfallende Kondensat wird wieder in die Dampferzeuger zurückgepumpt. Die durch
das Kühlwasser aufgenommene Wärme wird im Naturzugkühlturm an die Umgebung
abgegeben. Im Kühlturm auftretende Verdunstungsverluste werden beispielsweise
durch Flusswasser ausgeglichen.
Durch zwei voneinander, durch Rohre im Dampferzeuger getrennte Kreisläufe ist
gewährleistet, dass keine Radioaktivität vom Primär- zum Sekundärkreis übertragen
wird.
Daten & Fakten
Mit einer Leistung von 1.400 Megawatt und einer hohen Verfügbarkeit produziert ein
solches Kernkraftwerk rund 11 Milliarden Kilowattstunden Strom im Jahr. Damit deckt
es den Strombedarf von 3,5 Millionen Haushalten und erspart der Atmosphäre dabei
jährlich den Ausstoß von etwa 8 Millionen Tonnen CO². Rund 300 Mitarbeiter leisten in
einer solchen Anlage hierzu ihren Beitrag.
Reaktor
Reaktordruckbehälter
Der Reaktordruckbehälter enthält den Reaktorkern. Dieser besteht aus vielen tausend
zu Bündeln zusammengefassten Stäben (Brennelementen), die sich erhitzen und ihre
Wärme an vorbeiströmendes Wasser abgeben. Das im Primärkreislauf umgewälzte
Wasser wird durch mehrere Einlaßstutzen in den Reaktordruckbehälter gepumpt. Diese
Stutzen befinden sich im oberen Teil des Reaktordruckbehälters. Das Wasser wird nach
unten geleitet und an der tiefsten Stelle umgelenkt: Es kann jetzt von unten nach oben
durch den Reaktorkern strömen. Die Brennelemente bestehen aus 300 Brennstäben, die
über vier Meter lang und etwa Bleistift-dick sind. Brennstäbe bestehen aus einem
Hüllrohr und dem Brennstoff Urandioxid, das in Form von etwa 1 cm hohen Tabletten
vorliegt. Um die vielen Brennstäbe einfacher handhaben zu können, sind 300 zu einem
Brennelement zusammengefasst. Ein Teil der Brennelemente sind mit Steuerelementen
ausgerüstet. Damit kann die Leistung des Reaktors geregelt werden.
Reaktorbetrieb
Wenn der Reaktordruckbehälter mit Brennelementen beladen und mit Wasser gefüllt
ist, kann die Kernspaltung in Gang gesetzt werden. Zum Anfahren des Reaktors werden
die Steuerstäbe aus den Brennelementen hochgezogen. Die Steuerstäbe enthalten ein
Absorbermaterial – beispielsweise Cadmium –von dem Neutronen aufgenommen
werden. Solange sich die Regelstäbe im Reaktorkern befinden, ist keine Kernspaltung
möglich.
Werden die Steuerstäbe weiter herausgezogen, kommt es zu einer Vermehrung der
Spaltungen und die Reaktorleistung nimmt zu.
Um Uran-235-Kerne zur Spaltung zu bringen, werden sie mit Neutronen beschossen.
Durch die Aufnahme eines Neutrons in einen Uran-235-Kern zerplatzt dieser in zwei
Spaltprodukte. Diese fliegen mit großer Geschwindigkeit auseinander und werden in
dem Kristallgitter der Brennstofftabletten abgebremst. Die Bewegungsenergie wird
dabei in Wärme umgewandelt. Bei jedem Spaltvorgang werden zwei bis drei Neutronen
frei. Damit eines dieser Neutronen mit möglichst großer Wahrscheinlichkeit wieder
einen Urankern trifft und spaltet, werden die schnellen Neutronen mit Hilfe von Wasser
(Moderator) gebremst. Die langsamen eignen sich dann für die Fortsetzung weiterer
Spaltvorgänge. Damit kann eine kontinuierliche Wärmeerzeugung im Reaktor
aufrechterhalten werden.
Zum Abfahren des Reaktors werden die Steuerstäbe wieder in den Reaktorkern
zurückgefahren. Erfolgt eine Schnellabschaltung, automatisch oder von Hand, fallen
die Steuerstäbe in sekundenschnelle durch ihr eigenes Gewicht in den Kern ein und
unterbrechen die Kernspaltung.
Brennelementwechsel
Im Reaktor wird durch die Spaltung der Uran-235-Atomkerne Wärme erzeugt. Die Zahl
der Uran-235-Atome nimmt in dieser Zeit ständig ab. An ihre Stelle treten die
entstandenen Spaltprodukte. Die Einsatzdauer der Brennelemente im Reaktor beträgt
üblicherweise drei bis vier Jahre. Jeweils nach einem Jahr werden etwa ¼ der
vorhandenen Brennelemente entnommen und durch neue ersetzt. Für den
Brennelementwechsel wird das Kernkraftwerk abgeschaltet (Revision). Die
ausgedienten Brennelemente werden für mindestens fünf Jahre im Reaktorgebäude in
einem seperaten, mit wassergefülltem Lagerbecken, dem so genannten Abklingbecken
abgestellt. Hier nehmen die Radioaktivität und die Wärmeleistung (Restwärme) der
Brennelemente stetig ab, so dass sie anschließend in CASTOR-Behälter geladen und in
das Zwischenlager transportiert werden können.
Sicherheitseinrichtungen
Jede kerntechnische Anlage ist mit zahlreichen Sicherheitseinrichtungen ausgestattet .
An die Konstruktion von Kernkraftwerken werden höchste Anforderungen gestellt.
Sicherheitseinrichtungen sind mehrfach vorhanden. Sie arbeiten unabhängig
voneinander und sind räumlich getrennt angeordnet. Sie sorgen auch bei Bedarf
rechtzeitig für ein automatisches Abschalten des Reaktors. Ziel aller
Sicherheitsmaßnahmen bei Kernkraftwerken ist die Rückhaltung radioaktiver Stoffe, die
bei der Kernspaltung im Reaktorkern entstehen. Hierzu bestehen folgende
Rückhaltebarrieren:
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das Kristallgitter der keramischen Brennstofftabletten, das den größten Teil der
Spaltprodukte zurück hält; im gasdichten und druckfesten Hüllrohr bleiben die
gasförmigen Spaltprodukte eingeschlossen;
die Metallhüllen um die Brennstofftabletten;
der Reaktordruckbehälter mit geschlossenem Kühlkreis;
die Betonummantelung des Reaktors (auch biologisches Schild genannt);
der Sicherheitsbehälter aus zentimeterdickem Stahl;
das Reaktorgebäude aus meterdickem Stahlbeton.
Darüber hinaus ist jedes Kernkraftwerk mit einem Reaktorschutzsystem ausgestattet. Es
kontrolliert während des Betriebs laufend alle wichtigen Messwerte. Wenn bestimmte,
zuvor genau festgelegte Grenzen erreicht werden, löst das Reaktorschutzsystem
automatisch aktive Sicherheitsmaßnahmen aus. Dazu gehören:
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die Reaktorschnellabschaltung: Die Stromzufuhr zu den elektromagnetischen
Antrieben der Steuerstäbe wird unterbrochen. Durch ihr Eigengewicht fallen sie
zwischen die Brennelemente im Reaktorkern und stoppen die Kettenreaktion.
Das dichte Verschließen von Gebäudeteilen: Es verhindert, dass radioaktive
Stoffe in die Umgebung gelangen.
Das Nachwärmeabfuhrsystem: Bei Abschaltung oder auch bei einem Ereignis mit
Kühlmittelverlust aus dem Primärkreislauf kommt automatisch das
Nachwärmeabfuhrsystem zum Einsatz. Dieses führt nicht nur die Nachwärme des
abgeschalteten Reaktors ab, es ersetzt gleichzeitig den Kühlmittelverlust.
Die Notstromversorgung: Sie übernimmt die Stromversorgung aller
sicherheitstechnisch relevanten Systeme, wenn die normale Stromversorgung
des Kraftewerks gestört oder ausgefallen ist.
Die mehrfach vorhandenen Sicherheitssysteme werden durch ein vorgegebenes
Programm wiederkehrender Prüfungen systematisch auf ihre Funktionsfähigkeit
geprüft.
Maschinenhaus
Der im Dampferzeuger entstehende Dampf strömt über die Frischdampfleitung zur
Turbine.
Die Energie des Dampfs versetzt die Turbinenwelle in Rotation. Die Turbine besteht
aus mehreren Teilen. Der Dampf mit dem höchsten Druck, treibt die Hochdruckturbine
an, danach strömt der Dampf über den Wasserabscheider-Zwischenüberhitzer zu den
Niederdruckturbinen. Der Dampf kühlt sich dabei ab und der Druck sinkt. Die Turbine
treibt einen Generator an, der die Rotationsenergie in elektrische Energie umwandelt.
Die im Generator erzeugte elektrische Energie wird über Transformatoren in das
Hochspannungsnetz abgeleitet.
Der nicht mehr nutzbare Dampf wird im Kondensator mit Hilfe von Kühlwasser
kondensiert. Das anfallende Kondensat wird mit der Speisewasserpumpe zu den
Dampferzeugern zurückgepumpt, damit ist der Wasser/Dampf-Kreislauf geschlossen.
Die Kondensationsenergie wird über das Kühlwasser, z. B. über einen Kühlturm,
abgegeben.
Standortzwischenlager
Nach dem Entsorgungskonzept für Kernkraftwerke sollen radioaktive Abfälle aus
kerntechnischen Anlagen in Endlagern unbefristet und sicher eingeschlossen werden.
Die Bundesregierung hat sich verpflichtet, diese bis 2030 bereitzustellen. Bis es so weit
ist, müssen abgebrannte Brennelemente am Kraftwerksstandort zwischengelagert
werden.
Das hier dargestellte Standortzwischenlager ist rund 110 Meter lang, 27 Meter breit
und circa 20 Meter hoch. Das Gebäude gleicht von außen einer gewöhnlichen
Industriehalle, ist aber mit seinen rund 1,2 Meter starken Außenwänden und dem 1,3
Meter dicken Dach — beide aus Stahlbeton — eine äußerst robuste Konstruktion.
Während der jährlichen Anlagenrevision wird ein bestimmter Anteil abgebrannter
Brennelemente durch frische ersetzt. Nachdem die Brennelemente den Reaktor
verlassen haben, nimmt ihre Wärmeleistung mit der Zeit immer weiter ab. Sie werden
deshalb in das so genannte Abklingbecken innerhalb des Reaktorgebäudes gebracht.
Dort bleiben sie mindestens fünf Jahre, bevor sie in CASTOR® V/19-Behälter geladen
und in das Standortzwischenlager eingebracht werden. Das Lagergebäude bietet 130
CASTOR®-Behältern Platz.
Der mit abgebrannten Brennelementen beladenen CASTOR® V/19-Behälter wird auf
dem kraftwerksinternen Weg zum Standortzwischenlager transportiert. Nach erfolgter
Eingangskontrolle wird der Behälter in den Empfangsbereich des Lagergebäudes
gefahren und für die Einlagerung vorbereitet. Das Strahlenschutzpersonal führt das
erforderliche Messprogramm am Behälter durch. Behälterspezifische Prüfvorschriften
regeln die Durchführung und Auswertung der Messungen, die anschließend
dokumentiert werden. Danach wird der Behälter mit dem 140 Tonnen-Lagerhallenkran
in den Lagerbereich transportiert, auf die vorgesehene Position abgesetzt und an das
Behälterüberwachungssystem angeschlossen.
CASTOR® V/19
Der Kern des Sicherheitskonzeptes des Standortzwischenlagers heißt CASTOR® V/19.
Dieser Spezialbehälter für Brennelemente kann 19 Brennelemente aufnehmen und hat
seine Sicherheit in der Vergangenheit bereits unter Beweis gestellt. Er schirmt die
Strahlung der abgebrannten Brennelemente so gut ab, dass man sich auch in
unmittelbarer Nähe des CASTOR® V/19 gefahrlos aufhalten kann.
Eine weitere Reduktion der Strahlenexposition erfolgt durch das 1,3 Meter dicke Dach
des Gebäudes und massive 1,2 Meter Betonwände, die zudem einen zusätzlichen
Schutz gegen Einwirkungen von außen, wie zum Beispiel Erdbeben,
Explosionsdruckwelle oder Flugzeugabsturz bieten.
Die Konstruktion des CASTOR® V/19 und die besonderen Eigenschaften der
verwendeten Materialien haben sich seit Jahren sowohl beim Transport von
ausgedienten Brennelementen als auch für deren Zwischenlagerung bestens bewährt.
Die Sicherheit des CASTOR® V/19 wurde in zahlreichen Tests nachgewiesen. Er muss z.
B. einen Sturz aus neun Metern Höhe auf ein unnachgiebiges Fundament aushalten und
ein Feuer bei einer Temperatur von mindestens 800°C unbeschadet überstehen.
Außerdem ist gesichert, dass der CASTOR® V/19 einem Erdbeben genauso standhält
wie einem Flugzeugabsturz.
Die Behälter haben zwei übereinander liegende Deckel, die mit speziellen
Dichtungssystemen ausgestattet sind. Eine zusätzliche Schutzplatte verhindert, dass
während der Lagerung Staub, Feuchtigkeit und mechanische Einwirkungen an das
Deckelsystem gelangen können. Die Dichtigkeit des Doppeldeckelsystems wird
während der gesamten Lagerzeit durch ein automatisches Überwachungssystem
permanent kontrolliert. Wahlweise sorgt ein natürlicher Luftzug oder eine durch Lüfter
erzwungene Luftströmung für die kontinuierliche Abfuhr der von den Behältern
abgegebenen Restwärme.