Reaktortypen und ihre Funktionsweise

Der Kernreaktor ist das Herzstück eines Kernkraftwerkes. Der Reaktorturm, in dem durch kontrollierte Kernspaltung Energie erzeugt wird, ist von einem "Schutzschild" dem sogenannten Containment umgeben, welches wiederum von einer Kuppe aus Beton geschützt wird. Es gibt mehrere verschiedene Reaktortypen, die sich hauptsächlich in ihrer Anzahl an Kühlkreisläufen, den Moderatoren oder Kernbrennstoff unterscheiden: z.B. der Druckwasserreaktor, Siedewasserreaktor (beide als Leicht- und Schwerwasserreaktor vorhanden) und den EPR (European Pressurized Water Reactor)

Reaktortypen

Wie Kohle- und Gaskraftwerke sind Atomkraftwerke Wärmekraftwerke. Sie produzieren Strom aus Wärme. Durch die Spaltung von Atomkernen wird Energie frei, aus der man im Atomkraftwerk Strom produziert. Im Atomkraftwerk wird Wasser aufgeheizt und der dadurch enstandene Dampf, der unter hohem Druck steht wird auf eine Turbine geleitet. Diese beginnt sich zu drehen und dreht gleichzeitig den mit ihr verbundenen Generator mit. Im Generator beginnt schließlich Strom zu fließen. Dieser gelangt dann über das Stromnetz zu den Konsumenten.

Druckwasserreaktor

Hier ein Schema dazu [1] Zwei Drittel der deutschen Atomkraftwerke werden mit einem Druckwasserreaktor betrieben. Beim Druckwasserreaktor gibt es im Gegensatz zum Siedewasserreaktor, der nur zwei besitzt, drei Wasserkreisläufe: den Primärkreislauf, den Sekundärkreislauf und den Kühlwasserkreislauf. Ein weiterer Unterschied zum Siedewasserreaktor ist, dass das Wasser welches mit dem Reaktorkern in Berührung kommt nicht siedet.

Funktion

Durch Kernspaltung wird das Wasser im Primärkreislauf auf eine Temperatur von 320° C erhitzt. Bei der Spaltung steuern Borsäure und das Druckwasser die Neutronenaktivität. Aufgrund des hohen Drucks (150 bar) bleibt das Wasser jedoch flüssig. Über eine Rohrleitung in einem Dampferzeuger erhitzt dieses Primärwasser dann das Sekundärwasser, kommt jedoch nicht mit ihm in Berührung. Dabei kühlt es auf 290°C ab. Anschließend wird das Primärwasser wieder zurückgepumpt und durch die Kernspaltung wieder auf 320°C erhitzt. Das Wasser im Sekundärkreislauf verdampft durch die Hitze im Dampferzeuger und wird über eine Rohrleitung einer Turbine zugeleitet, die an einen Generator gekoppelt ist, in welchem dann Strom erzeugt wird. In einem Kondensator wird das Wasser durch den Kühlwasserkreislauf abgekühlt und wieder dem Dampferzeuger zugeführt.

Vorteile

• Durch zwei unabhängige Kreisläufe wird nur das Wasser des Primärkreislaufes radioaktiv verseucht. Turbine und Maschinenhaus müssen nicht in besondere Strahlenschutzmaßnahmen einbezogen werden.

• Wasser dient als neutronenbremsender Moderator und hat eine regulierende Funktion. Sobald sich der Reaktor zu stark erhitzt nimmt die Dichte des Primärwassers ab und die schnellen Neutronen werden weniger gut abgebremst wodurch die Zahl der Kernspaltungen sinkt und das System sich abkühlt.

Nachteile

• Kein Selbstregelungseffekt über die Dampfentwicklung. Um den Druckwasserreaktor zu steuern wird dem Reaktorkühlwasser Borsäure zugesetzt. Durch Veränderung der Borsäurekonzentration lässt sich der Reaktor regeln, da Bor Neutronen absorbiert. Außerdem werden Regelstäbe zur Steuerung genutzt.
• Bei Leck im Primärkreislauf besteht die Gefahr, dass es zu einer Überhitzung der Brennelemente und so zu einer Kernschmelze kommen kann. Hinzu kommt, dass ein Leck den Innenraum des Reaktorgebäudes mit radioaktivem Dampf verseucht und dieser über Überdruckklappen in die Umwelt gelangen kann

Siedewasserreaktor

Der Siedewasserreaktor ist ein älterer Reaktortyp, der wie der Druckwasserreaktor meist als Leichtwasserreaktor vorhanden ist. Er besitzt nur einen Wasser-Dampfkreislauf und einen Kühlkreislauf. Hier ein Schema dazu [2]

Funktion

Das Wasser wird durch die Wärme, die bei der Kernspaltung entsteht erhitzt und beginnt zu sieden. Der entstehende Dampf wird zu einer Turbine weitergeleitet. Diese ist mit einem Generator verbunden. Durch den Dampf beginnt die Turbine zu rotieren und somit auch der Generator. In ihm wird nun der Strom erzeugt. Im Kondensator wird der Dampf durch den Kühlkreislauf zu flüssigem Wasser abgekühlt und gelangt wieder in den Reaktor.

Vorteile

• Betriebsdruck in einem Siedewasserreaktor ist mit 70 bar relativ niedirg. Deshalb muss der Druckbehälter nur für einen Druck von 90 bar ausgelegt werden
• Vorteilhafte Sicherheitseigenschaft: Das Wasser im Reaktor arbeitet als Moderator. Bei steigender Hitze sindkt die Moderatorwirkung, da sich im Dampf weniger Wassermoleküle befinden.

Nachteile

• besitzt nur einen Wasser-Dampfkreislauf. Das heißt das radioaktive Wasser, das die Brennstäbe gekühlt hat, treibt auch die Turbinen an. Dadurch ist auch das Maschinenhaus radioaktiv verseucht. Bei anderen Reaktoren ist dies nicht der Fall.
• Wie bei allen Atomkraftwerken werden über den Kamin, das Maschinenhaus und das Abwasser radioaktive Stoffe an die Umwelt abgegeben

Schwerwasserreaktor

Den Schwerwasserreakror gibt es als Druckwasser- und Siedewasserreaktor. In Schwerwasserreaktoren wird schweres Wasser [3] zur Kühlung in den Wasserkreisläufen und als Moderator [4] benutzt.

Um schweres Wasser herzustellen müssen die normalen Wasserstoffatome (H) durch das Wasserstoffisotop Deuterium (D) ersetzt werden. Das Kühlwasser heißt demnach nicht mehr H2O , sondern D2O. Da die Schwerwasserreaktoren immer größer sind als Leitwasserreaktoren, wird auch eine größere Menge an D2O-Kühlwasser benötigt.

Als Brennelement wird Natururan verwendet. Schweres Wasser hat einen niedrigeren Neutronenabsorbationsdurchschnitt als leichtes Wasser, d.h. die Neutronen werden von dem schweren Wasser weniger stark absorbiert als vom leichten Wasser. Aus diesem Grund muss das Uran nicht angereichert werden und der Schwerwasserreaktor kann als Natururan-Reaktor betrieben werden.

Leichtwasserreaktor

Genau wie den Schwerwasserreaktor gibt es den Leichtwasserreaktor als Siede- und als Druckwasserreaktor. Häufiger wird der Leichtwasserreaktor in Kernkraftwerken eingesetzt. Im Leichtwasserreaktor wird ausschließlich "leichtes" Wasser, also H2O in dem das leichte Wasserstoffisotop Protium überwiegt, zur Kühlung und als Moderator verwendet. Da das leichte Wasser einen höheren Neutronenabsorbationsquerschnitt hat, sollte nur angereichertes Uran verwendet werden. Die Anwendung von Natururan ist aber auch nicht kritisch.

EPR

European Pressurized Water Reactor (Europäischer Druckwasserreaktor/ Fortschrittlicher Druckwasserreaktor der Generation III) Hier ein Schema dazu [5]

Der EPR wurde von einem französischen Energiekonzern in Zusammenarbeit mit Siemens entwickelt. Er hat eine verbesserte Sicherheit, sodass eine 10 mal geringere Eintrittwahrscheinlichkeit von Reaktorunfällen vorliegt. Der EPR hat eine Leistung von 1600 Megawatt und ist somit viel leistungsstärker als andere Reaktortypen.

Allerdings produziert er auch dementsprechend mehr radioaktiven Abfall. Die hohe Leistungsfähigkeit wird durch die Verwendung von Mischoxid(MOX)-Brennelementen aus Uran und Plutonium hervorgerufen, da diese bsonders anfällig für eine Kernschmelze sind. Der erste EPR wird in Finnland, in Olkiluoto gebaut.

Weitere Reaktortypen

1. Siedewasser-Druckröhrenreaktor ("Schneller Brüter")
2. Thorium-Hochtemperaturreaktor (THTR): Hohe Temperaturen über 700°C, Helium als gasförmiges Kühlmittel bzw.als Wärmeüberträger
3. Graphit-Reaktor
4. RBMK-Reaktor (Reaktor Bolschoi Moschtschnosti Kanalny; etwa Hochleistungs-Reaktor mit Kanälen): graphitmoderierter Siedewasser-Druckröhrenreaktor