Video: Atomkraft: Kernspaltung und Kettenreaktion 2024
Kernkraftwerke enthalten Reaktoren, die eine kontrollierte Spaltung der Kettenreaktion bewirken, ein Prozess, der die Kerne von Uranatomen kontinuierlich spaltet. Dieser Prozess erzeugt viel Energie, Strahlung und sehr hohe Wärme.
Kernkraftwerke nutzen die durch die Spaltung freiwerdende Energie und nutzen sie zur Ansteuerung von Strom erzeugenden Generatoren. Obwohl die Atomkraft nur etwa 20 Prozent des in den Vereinigten Staaten erzeugten Stroms beiträgt, ist die nukleare Kapazität des Landes die höchste aller anderen Länder - 101 Gigawatt im Jahr 2010.
Gemeinsame Komponenten der Kernkraft
Kernreaktoren haben diese Komponenten gemeinsam:
Brennstoff - Uran, ein radioaktives Schwermetallerz, ist der häufigste Brennstoff für Kernreaktoren. .. Nach dem Anreicherungsprozess wird Uran zu einem sehr konzentrierten Brennstoff.
Ein kommerzieller Kernreaktor benötigt tausende Pfund an angereichertem Uranbrennstoff, um zu funktionieren. Zivile Kernkraftwerke in den USA kaufen jährlich etwa 50 Millionen Pfund Uran (U3O8-Äquivalent), von denen der Großteil aus Übersee stammt.
Uran wird an Standorten weltweit abgebaut, vor allem in Kasachstan, Kanada, Australien und Afrika. Die Vereinigten Staaten gehören zu den zehn größten Herstellern von Uran.
Kontrollstäbe - Aus einem neutronenabsorbierenden Material wie Cadmium, Hafnium oder Bor werden Kontrollstäbe eingesetzt oder aus dem Kern herausgezogen, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu kontrollieren oder gegebenenfalls zu stoppen.
Moderator - Material im Reaktorkern, das die aus der Spaltung freigesetzten Neutronen verlangsamt und so zu mehr Spaltung führt.
Der Moderator ist gewöhnlich gewöhnliches (leichtes) Wasser, kann aber schweres Wasser (D20) oder Graphit sein.
Kühlmittel - Flüssigkeit oder Gas, das durch den Kern zirkuliert, um die Wärme daraus zu übertragen. In Leichtwasserreaktoren fungiert der Wasser-Moderator auch als Primärkühlmittel.
Containment - Kernreaktoren sind von stark bewehrten Betonstrukturen umgeben, um zu verhindern, dass Radioaktivität in die Atmosphäre entweicht.
Der grundlegende Prozess der Kernenergie
Die Kernphysik ist sehr technisch, aber der grundlegende Prozess für die Erzeugung von Elektrizität mit Kernkraft ist wie folgt:
Der Reaktorkern erzeugt Wärme und Radioaktivität in einem als Spaltung bezeichneten Prozess, allgemein bekannt als Atomspaltung. Im Inneren des Reaktorkerns befindet sich Uranbrennstoff. Wenn sich die Kerne des Urans aufspalten, geben sie Neutronen ab. Wenn die Neutronen andere Uranatome treffen, spalten sich diese Kerne auf und geben ihre Neutronen frei, um andere Atome zu treffen, was wiederum zu mehr Spaltung führt. Diese kontinuierliche Atomspaltung ist eine Kettenreaktion.
Die Wärme aus kontrollierten Spaltreaktionen wird verwendet, um Dampf aus Wasser zu erzeugen, entweder direkt wie im Siedewasserreaktor (SWR) oder indirekt wie im Druckwasserreaktor (DWR), der einen Dampferzeuger enthält.
Der Dampf treibt eine Turbine an, die einen Generator antreibt.
Der Generator erzeugt Strom, der an das Stromnetz abgegeben wird.
Kernreaktortypen
Weltweit werden verschiedene Arten von Kernreaktoren eingesetzt. Die gebräuchlichsten Typen sind jedoch Druckwasserreaktoren (PWR) und Siedewasserreaktoren (SWR), die als Leichtwasserreaktoren eingestuft sind. In den Vereinigten Staaten sind DWR und BWR die einzigen zwei Arten kommerzieller Kernkraftwerke, die in Betrieb sind.
- Siedewasserreaktor (BWR) - In diesem Reaktortyp erzeugt die Spaltung Wärme, die Wasser im Reaktorkern siedet. Dampf aus dem kochenden Wasser treibt eine Turbine an, die einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Die Reaktoren im nordostjapanischen Werk Fukushima Naiishi, die beim Erdbeben und Tsunami im März 2011 beschädigt wurden, sind Siedewasserreaktoren.
- Druckwasserreaktor (DWR) - Dieser Reaktortyp ist der gebräuchlichste für die Energieerzeugung. Es verwendet Wasser als Kühlmittel und Moderator, ein Mittel, das hilft, die Geschwindigkeit der Spaltung zu kontrollieren. In dem geschlossenen primären Kühlmittelsystem wird das Wasser, das durch thermische Energie aus der Spaltung während des Durchgangs durch den Kern erhitzt wird, unter hohem Druck gehalten, und daher siedet es nicht. Dampf wird in einem sekundären Kühlmittelkreislauf erzeugt und dient zum Antrieb einer Turbine, die einen elektrischen Generator antreibt.
- CANDU und schwerwassermoderierte Reaktoren - Diese Konstruktionen verwenden schweres Wasser als Moderator. Das schwere Wasser - wobei Deuterium die beiden Wasserstoffatome ersetzt - als Moderator bremst Neutronen im Spaltprozess ab und ermöglicht die Verwendung von natürlichem Uran anstelle von angereichertem Uran als Brennstoff.
- Modularer Kieselbett-Reaktor - Ein Hochtemperaturreaktor, der Helium-Kühlmittel und in Kugeln aus Graphit und Siliziumkarbid eingeschlossenen Brennstoff verwendet, um die Spaltprodukt-Einschließung und die Beständigkeit gegen Kernschmelze sicherzustellen.
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