|
Der Mensch hat in seiner Evolutionsgeschichte immer Energie gebraucht.
Thermische Energie zum wärmen und kochen, kinematische Energie um sich fortzubewegen und heutzutage braucht der Mensch elektrische Energie um den Fernseher, den Toaster, den Computer oder das Licht zu betreiben.
Wir haben ein Dutzend Technologien erfunden um elektrische Energie zu erzeugen.
Zum Beispiel:
-Kohle-Öl-Gaskraftwerke
-Wasserkraftwerke
-Windkraftwerke
-Solarkollektoren
und die wohl umstrittenste Technologie : die Kernspaltung.
Die Wissenschaft bezeichnet das Zeitalter der Menschheit mit den Technologien und Materialien die sie benutzt.
Es fing an mit der Steinzeit, dann die Eisenzeit u.s.w.
Heute sprechen wir von dem Atomzeitalter.
Nichts hat die Menschheit so verändert wie die Atomkraft.
Einer Seits haben wir eine "emissionsfreie" und preiswerte Energiequelle,
anderer Seits haben wir die wohl mächtigste, tödliche, und hinterlistigste Waffe der Menschheit erfunden, die Atombombe.
Mit den beiden Seiten der Kernenergie und dessen Problemen möchte ich mich nun hier beschäftigen.
Am 20.12.1951 um genau 12.00 begann das Zeitalter der industriellen und kommerziellen Nutzung der Kernspaltungsenergie.
Auf der National Reactor Testing Station in Idaho lief der erste Atomreaktor mit dem Namen EBR-1 an und produzierte genug Strom um 4 Glühbirnen zu betreiben. Eigentlich hätte man mit der zur Verfügung stehenden Energie in Form von Uran eine Kleinstadt versorgen können, doch damals war die Umwandlung von Wärme in elektrische Energie noch nicht ausgereift.
Heute gibt es ca. 400 Kernkraftwerke die 17% des Weltenergiebedarfs decken. Diese Zahl bezieht sich jedoch nur auf die Reaktoren die unter Aufsicht der International Atomic Energy Agency ( kurz IAEA ) stehen.
Militärische Kernkraftwerke, U-Boot Reaktoren, Satellitenreaktoren, und etliche andere Bereiche können nicht überwacht werden. Fast alle Industriestaaten benutzen die Kernkraft um, einige mehr andere weniger.
Die folgende Tabelle zeigt den prozentualen Anteil der Atomenergie an der Gesamtenergieproduktion verschiedener Länder.
Land Anteil in % *
Frankreich 64,8
Belgien 59,8
Taiwan 53,1
Schweden 42,3
Schweiz 39,8
Finnland 38,2
Bulgarien 32,6
BRD 31,2
Südkorea 25,9
Spanien 24
Ungarn 23,6
Japan 24,4
GB 19,8
USA 15,5
UdSSR 10,3
Die Tabelle zeigt, daß auch kleinere Länder die nicht zu North Antlantic Treaty Organisation gehören Atomkraftwerke benutzen . Das ist natürlich sehr gefährlich, weil manche Reaktortypen kernwaffenfähiges Plutonium herstellen können
Wo wir schon beim nächsten Thema wären dem Brennstoff.
Der Rohstoff ist Uranerz, das auch Urananit genannt wird. Uranerz ist ein sehr instabiles Schwermetallisotop, das auch von alleine zerfällt.
Der radioaktive Zerfall bei Uran ist extrem exotherm. Trifft ein Neutron auf ein U-235 Isotop wird das Isotop gespalten und zwei Neutronen und eine Welle von Lichtphotonen wird frei. Die Welle der Photonen liegt im Infrarotbereich und ist damit sehr energiereich. Auf diese Wärmeenergie haben es die Reaktorbetreiber abgesehen.
Die beiden Neutronen schießen mit ungeheurer Geschwindigkeit durch die Gegend und spalten dann wieder zwei U-235 Isotope, die spalten dann 4, die nächsten 8 ,die übernächsten 18. Nun die Kettenreaktion ist komplett.
Bei natürlichen Uranerz dauert dieser Vorgang sehr lange und ist nicht effektiv denn Uranerz besteht zu 99,3% aus Uran 238 und zu 0,7% aus Uran 235, nur letzteres ist für eine Kettenreaktion geeignet. (Die Zahlen geben die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern an.)
Man muß also den Anteil des U-235 erhöhen indem man es mikrofein zermahlt und mit chemischen Lösungsmitteln behandelt. Dann wird das Uran zu Gas umgewandelt und in einer Zentrifuge bei 10.000 Umdrehungen pro Minute geschleudert. Weil U-238 schwerer ist lagert es sich an der Außenwand der Zentrifuge ab und kann herausgefiltert werden. Nach dieser Behandlung liegt der Anteil von U-235 bei über 3% und ist so für eine Kernspaltung geeignet. Ein kg dieses Isotop enthält genau so viel Energie wie 11.800 Barrel Erdöl. Das angereicherte Uran wird in kleine Tabletten gepreßt die an sich harmlos sind und Yellow Cakes genannt werden. 400 dieser Tabletten mit einem Durchmesser von 1cm werden in ein 4 m langes Rohr aus gehärteten Stahl gepreßt. Diese Brennstäbe werden vakuumdicht verschweißt, ein Bruch eines Brennstabes hätte und hatte schreckliche Folgen.
Bis zu 200 dieser Brennstäbe werden in einen riesigen Stahlmantel geschoben dem Reaktorkern. Um die Kernreaktion kontrollieren zu können werden sogenannte Regelstäbe zwischen die Brennstäbe geschoben, die Regelstäbe bestehen aus Neutronen absorbierenden Materialien (meist Bor). Desto mehr Neutronen im Reaktorkern sind desto stärker und energiereicher ist die Reaktion, schiebt man die Regelstäbe zwischen die Brennstäbe verringert sich die Neutronenanzahl und die Reaktion wird langsamer und kälter. Der Reaktorkern besteht aus einer Speziallegierung aus Stahl, Blei und anderen strahlungsabsorbierenden Metallen. Die Wände des Reaktorkerns sind je nach Reaktortyp bis zu 40 cm dick ! Um den Reaktorkern ist ein biologischer Schild aufgebaut der ein großen Teil der Strahlensorten auffängt. Nun folgt der kugelförmig aufgebaute Stahlsicherheitsbarriere die ebenfalls aus einer Speziallegierung besteht. Der Raum zwischen dem biologischen Schild und dem Stahlsicherheitsbehälter ist begehbar und ist bei normalen Betrieb frei von hochdosierten Strahlen. Um den riesigen Stahlsicherheitsbehälter folgt eine 30 cm dicke Stahlbetonschicht die einen direkten Treffer einer Mörsergranate oder einer Panzerfaust aushält.
Nach Bestimmungen der IAEA muß die Stahlbetonschicht eines Reaktor einen Druck von 20 t auf 10 m2 standhalten können. Zum Vergleich, eine abstürzende Cessna hätte eine Wirkung von 5-7 t pro 10m2 , trotzdem ist der öffentliche und militärische Luftverkehr 5 km um einen Reaktor ist absolut verboten.
Nun zurück zum Reaktor. Im Kern entsteht viel Wärme, diese Wärme will man also in elektrische Energie umwandeln und dies bewerkstelligt eine Dampfturbine mit der Funktionsweise eines Dynamo. Es gibt verschiedene Reaktorsysteme welche die Wärmeenergie zu den Dampfturbinen transportieren.
- Der Druckwasserreaktor (kurz DWR)
Beim DWR gibt es einen internen und einen externen Kreislauf. Der interne Kreislauf ist mit unter Druck stehenden Wasser gefüllt. Das Wasser erfüllt außer dem Energietransport noch eine zweite Aufgabe, es agiert als Moderator. Ein Moderator ist ein Stoff der die Neutronen abbremst und so die Reaktion beherrschbarer macht. Das Wasser wird bei 150 bar gehalten, denn bei diesen Druck liegt der Siedepunkt
bei ca. 300 C°. Würde diese Temperatur trotzdem erreicht, würde der Reaktorkern gesprengt, denn bei der Verdampfung nimmt die Dichte des Wasser ab und das Volumen erhöht sich. Ein Wärmetauscher überträgt die Wärme in den externen Kreislauf der aus Wasser besteht und beim Wärmetauscher in Dampf umgewandelt wird. Der Dampf treibt die Turbinen an die dann den Strom erzeugen. Selbstverständlich gibt es für jeden Kreislauf mindestens zwei Ersatznotfallsysteme die beim Versagen der Primärkreisläufe einspringen. Normalerweise verfügt ein Kernkraftwerk über einen Primär einen Ersatzsekundär und einen Notfalltertiärkreislauf. Dadurch sind Atomkraftwerke bei richtiger Bedienung sehr sicher. Weil das DWR-System eines der Sichersten ist sind 70% aller konventionell genutzten Reaktoren DWR.
|
