Einschub zur Erinnerung:

Grundlagen Kernphysik und Kernenergie

3ab .1 Globale Eigenschaften der Kerne

.2 Kernspaltung

.3 Reaktordynamik

.4 Reaktortypen: Druckwasser-Reaktor und andere

.5 Brennstoffkreislauf bzw. Abfall

3ab.

U_Gießen_Düren_Vorlesung Kernphysik4_Vorlesung2 „Was ist Kernkraft“

3b.1

U_Gießen_Düren_Vorlesung Kernphysik4_Vorlesung4: Radioaktiver Zerfall „

--------- Nukleon.

U_Gießen_Düren_Vorlesung Kernphysik4_Vorlesung2 „Was ist Kernkraft“

3b.2

U_Gießen_Düren_Vorlesung Kernphysik4_Vorlesung4: Radioaktiver Zerfall „

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Spaltquerschnitt der Atomkerne 235U und 238U gegenüber Neutronen in Abhängigkeit von der Neutronenenergie

Quelle:Hänsel-Neumann: Physik-Bd 3: Atome-Atomkerne-Elementarteilchen, Spektrum Verlag 1995, ISBN=3-86025-313-1, Abb.12.20,p.451

Spaltquerschnitt von 235U und von 238U

238U

b..= barn

Neutronenbilanz in einem Reaktor

Quelle:Halliday e.a.: „Physik“, Wiley ,Weinheim , ISBN 3-527-40366-32003, p. 1299, Abb.44-4

Start:

Also:

Neutronenbilanz in einem Reaktor:

Start: Eine Generation aus 1000 Neutronen trifft auf den 235U-Brennstoff innerhalb der 238U-Matrix und den Moderator.

Durch Kernspaltung entstehen 1370 Neutronen, 370 davon entweichen oder werden eingefangen, ohne dass es zu einer Spaltung kommt.

Es verbleiben von dieser Generation wieder 1000 thermische Neutronen für die Folgegeneration.

Die Abbildung gilt für einen mit konstanter Leistung arbeitenden Reaktor.

Quelle:Halliday e.a.: „Physik“, Wiley ,Weinheim , ISBN 3-527-40366-32003, p. 1299, Abb.44-4

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.3

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Kernreaktoren

.4

Quelle:Klaus Heinloth: Die Energiefrage, Vieweg Verlag 2003 (2.Auflage), ISBN=3-528-13106-3,Bild 5.1,p.237

Schematischer Aufbau eines Leichtwasserreaktors (LWR)

.41 Leichtwasser

I----------------- Wärmeerzeugung---------------------------I

Quelle:Halliday e.a.: „Physik“, Wiley ,Weinheim , ISBN 3-527-40366-32003, p. 1300, Abb.44-5

Dampfkraftwerk mit Druckwasser-Reaktor.411Druckwasser

„nur“ rund 600 K und 150 bar

I- Wärmeerzeugung-I

Quelle:Paul A. Tipler.: „Physik“, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg,2000, ISBN 3-86025-122-8 , p. 1409, Abb.40.13

Druckwasser-Reaktor

Das Wasser im Primärkreislauf dient sowohl als Moderator als auch als Kühlmittel

Schematischer Aufbau eines Druckwasser-Reaktors (DWR) , etwas erweitert

Quelle:Klaus Heinloth: Die Energiefrage, Vieweg Verlag 2003 (2.Auflage), ISBN=3-528-13106-3,Bild 5.2,p.239

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DWR

SWR

Beim SWR wird im Core direkt Dampf für die Turbine erzeugt

Weitere Reaktortypen

.42

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Quelle:Diekmann/ Heinloth: Energie, Teubner Studienbücher, 1997 (2.Auflage), ISBN=3-519-13057-2, Abb. 9.9,p.259

HTR-Reaktor (Schema) : Kugelhaufen-Reaktor

He wird auf 750 -100°C aufgeheizt! daher „Hochtemperatur“

Brennstoffkern< 1mm Durchmesser

Brennelement60 mm - Kugel

.421

Quelle:Diekmann/ Heinloth: Energie, Teubner Studienbücher, 1997 (2.Auflage), ISBN=3-519-13057-2, p.259, und /Heinloth 2003, p. 244 ff./

“

Bemerkungen:

• Reaktor = „Silo“ , das eine Schüttung von tennisbalgroßen Kugeln mit Graphitmantel besitzt [im Reaktor Hamm-Uentrop waren es 67000 Kugeln ]

•Jede Kugel enthielt 30000 kleine Brennstoffkerne mit Durchmesser = ca. 0,2 mm aus hochangereichertem U-235 und Th-232 (als Brutstoff ) und besaß einen Graphitmantel

Das Brennelement , also die 60 mm – Kugel , war so fest, dass sie Spaltprodukte endlagerfähig umschließen sollte.

• Die Beschickung erfolgte kontinuierlich

• Als Kühlmittel wird He von 250°C auf 750 -1000°C aufgeheizt! daher „Hochtemperatur –Reaktor“ Hoher elektrischer Wirkungsgrad!

• Inhärent sicherer Betrieb ist möglich, sofern die Auslegung –je nach Aufbau- bau – auf 100-300MWel eschränkt bleibt.

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Schneller Brutreaktor: Schnitt durch den Kern

.422

Quelle:Diekmann/ Heinloth: Energie, Teubner Studienbücher, 1997 (2.Auflage), ISBN=3-519-13057-2, Abb. 9.10, p.261

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Aus U-238 wird letztendlich Pu-239 erbrütet:

UrQuelle:Diekmann/ Heinloth: Energie, Teubner Studienbücher, 1997 (2.Auflage), ISBN=3-519-13057-2, p.261ff, und /Heinloth 2003, p.

“

Bemerkungen zum Schnellen Brüter:

• Hohe Leistungsdichte (z.B. 375 MW/m3) erfordert spezielles Kühlmittel Flüssiges Na , mit Wärmeleitfähigkeit = 62 W/(m*K) bei 600 °C vgl. H2O: lambda = 0,6 W/(m*K) (bei 80°)

• Anteil der verzögerten Neutronen ist nur ½ so groß wie beim LWR• Daher: kurze Reaktionszeiten für Steuerstäbe: 0.5 - 0.7 sec (beim LWR: 2.5 sec)

• hoher apparativer und sicherheitstechnischer Aufwand

• Die urprünglich unterstellte Verknappung des Rohstoffes Uran wird nicht mehr so kritisch wahrgenommen. Daher weniger Beharrlichkeit.

• u.U. Proliferationsproblem durch Abzweigen von erbrütetem Pu

•Bilanz: Prototyp Kalkar wurde aufgegeben Superphénix 1995 nach Brand stillgelegt. („zu Forschungszwecken genutzt“) in Indien wurde Baustelle 2004 vom Tsunami überflutet

Quelle:Klaus Heinloth: Die Energiefrage, Vieweg Verlag 2003 (2.Auflage), ISBN=3-528-13106-3,Tabelle 5.2,p.238 , (redaktionell bearbeitet)

therm.

Übersicht verschiedener Raktortypen:

Reaktor-

Typ

inhärent sicher

„LeichtWasser“____________

Typ Tschernobyl

inhärent sicher

Canada_____________ _

nur noch im UK ____________

.423

Quelle:Klaus Heinloth: Die Energiefrage, Vieweg Verlag 2003 (2.Auflage), ISBN=3-528-13106-3,Tabelle 5.3,p.240

.5

Brennstoff(kreis)lauf - Wiederaufarbeitung

radioaktiver Abfall

Endlagerung

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.5

Für DWR, 1 GWel, und 1 Jahr:

Quelle:Klaus Heinloth: Die Energiefrage, Vieweg Verlag 2003 (2.Auflage), ISBN=3-528-13106-3, p.235 ,

Verfahren zur Anreicherung von U-235: Energie und Kostenaufwand

In der Entwicklung : Trenndüsenverfahren (Schema)

Quelle:Diekmann/ Heinloth: Energie, Teubner Studienbücher, 1997 (2.Auflage), ISBN=3-519-13057-2, p.253.

Aber noch zu hoher Energieaufwand

Quelle:Klaus Heinloth: Die Energiefrage, Vieweg Verlag 2003 (2.Auflage), ISBN=3-528-13106-3, p.236 ,

.5

radioaktiver Abfall

Endlagerung

Quelle:Diekmann/ Heinloth: Energie, Teubner Studienbücher, 1997 (2.Auflage), ISBN=3-519-13057-2, p.231.

Quelle: MIT-ocw22.39_Golay_Vorlesung_10 CriticalSafetyFunctions, Adresse siehe linke Randleiste

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Quelle:Halliday e.a.: „Physik“, Wiley ,Weinheim , ISBN 3-527-40366-32003, p. 1301, Abb.44-6

Die vom radioaktivem Abfall, wie er im Verlauf eines Jahrs in einem typischen Kernkraftwerk anfällt,

freigesetzte thermische Energie als Funktion der Zeit.

Die Kurve ist die Summe der Beiträge einer großen Anzahl von Radionukliden mit einer ebenso großen Streuung der Halbwertszeiten.

Man beachte, dass beide Skalen logarithmisch sind.

Quelle: Der Spiegel, 2005, Heft 17, p.22

Ein tendenziöses Zwischenbildals Tagtraum.

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Reste

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