Allgemeine Energietechnik – Aufgaben
Testen Sie Ihr Wissen an folgenden Beispielen:
Aufgaben:
1 a) Erklären Sie folgende Begriffe aus der Kernphysik:Nuklid, Nukleon, Kernladungs- und Massenzahl, Isotope (mit Beispielen!), Massendefekt
b) Beschreiben Sie in Worten, welche Aussage die Einstein’sche Formel E = mc2 macht!
c) Erläutern Sie mit Hilfe der Bindungsenergie, wieso man durch die Spaltung schwerer und durch die Fusion leichter Kerne Kernbindungsenergie freisetzen kann!
2 a) Die angegebene Reaktionsgleichung einer Kernspaltung von U-235 durch Neutronenbeschuss ist nur eine der möglichen Spaltreaktionen. Bei zwei anderen entstehen als Bruchkerne zum einen Cs-140 und Rb-94 und zum anderen Sr-93 und Xe-140.
Geben Sie die vollständigen Kernreaktionsgleichungen für die beiden Spaltreaktionen an!
Berechnen Sie für die erste Reaktion den Massendefekt und die frei werdende Energie!
b) Erläutern Sie folgende Fachbegriffe:
Kettenreaktion, Moderator, Neutronenabsorber, langsames Neutron
3 a) Skizzieren Sie den Weg der Brennstoffversorgung von Kernkraftwerken, vom Uranabbau bis zum Brennelement!
b) Beschreiben Sie die wesentlichen Komponenten eines Leichtwasserreaktors!
c) Erklären Sie die prinzipielle Funktionsweise eines Leichtwasserreaktors!
d) Welche Unterschiede bestehen zwischen Siede- und Druckwasserreaktoren?
4 a) Durch welche Maßnahmen wird das unkontrollierte Austreten radioaktiver Stoffe aus Kernreaktoren verhindert?
b) Um die Wahrscheinlichkeit für das Eintreten von Störfällen mit großem Schadenspotential zu minimieren, legt man sicherheitsrelevante Systeme nach den Gesichtspunkten der Redundanz und Diversität aus. Was ist darunter zu verstehen? Kennen Sie Beispiele außerhalb der Kerntechnik?
c) Erläutern Sie, was man unter Wiederaufarbeitung versteht!
d) Die direkte Endlagerung ist ein möglicher Weg der Entsorgung von Kernkraftwerken. Was versteht man darunter und in welchen Schritten läuft sie ab?
Lösungen
a) Nuklid: Atomkern, Nukleon: Kernbaustein (Proton oder Neutron), Kernladungszahl: Anzahl der Protonen, Massenzahl: Anzahl der Nukleonen, Isotope: Atome mit gleicher Kernladungszahl bei unterschiedlicher Massenzahl (Wasserstoff: H-1, schwerer Wasserstoff: H-2, überschwerer Wasserstoff: H-3), Massendifferenz zwischen zusammengebautem Kern und der Summe der Massen seiner Kernbausteine
b) In dieser Formel hat c2, das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, die Rolle einer Proportionalitäts-konstanten. Dies bedeutet, dass die Aussage der Formel lautet: Energie und Masse sind zueinander proportional. Masse lässt sich in Energie umwandeln und umgekehrt Energie in Masse. Die Menge lässt sich jeweils mit der Einstein’schen Formel bestimmen.
c) Um Kernbindungsenergie freisetzen zu können, muss man Kerne mit geringer Bindungsenergie in Kerne höherer Bindungsenergie umwandeln. Aus der Kurve der Bindungsenergie erkennt man, dass die Bindungsenergie schwerer Kerne geringer ist als die Bindungsenergie der mittelschweren Kerne. Deshalb kann durch die Spaltung schwerer Kerne in mittelschwere Kerne die Differenz der Bindungsenergie freigesetzt werden. Im ersten Drittel der Kurve der Bindungsenergie hat der He-4-Kern im Vergleich zu seinen Nachbarkernen eine besonders hohe Bindungsenergie. Deshalb kann durch die Verschmelzung (Fusion) der Nachbarkerne (meist Isotope des Wasserstoffes) zu He-Kernen die Differenz der Bindungsenergie freigesetzt werden.
b) Bei der Spaltung eines U-235-Kerns werden 2 bis 3 Neutronen frei, die ihrerseits unter bestimmten Voraussetzungen selbst wieder Kerne spalten können. Damit werden erneut Neutronen freigesetzt und spalten weitere Kerne usw. usw. Diese fortgesetzte Kernspaltung bezeichnet man als Kettenreaktion. Bei der Spaltung eines U-235-Kerns werden auch schnelle Neutronen frei; diese sind für die Spaltung eines Kerns ungeeignet, dafür braucht man langsame Neutronen. Die schnellen Neutronen müssen deshalb zu langsamen Neutronen abgebremst werden. Das Bremsmedium, z.B. Wasser, nennt man Moderator. Materialien, die freie Neutronen einfangen, heißen Neutronenabsorber. Sie sind in Regelstäben erwünscht, in sonstigen Reaktoreinbauten in der Regel nicht. Langsame Neutronen haben „nur“ eine Geschwindigkeit von unter 104 m/s; sie haben damit in etwa so viel kinetische Energie wie Gasmoleküle bei Zimmertemperatur und werden deshalb auch thermische Neutronen genannt. Sie eignen sich besonders gut zur Spaltung von U-235-Kernen.
a)
b) Der Reaktor ist untergebracht im Reaktordruckgefäß. Im Inneren des Reaktordruckgefäßes sind die Brennelemente angebracht. Sie erhalten den Brennstoff in Form der Pellets. Zwischen den Brennelementen sind hinein- und heraus fahrbare Regelstäbe montiert. Das Ganze wird von Wasser durchströmt, das als Moderator und Kühlmittel zugleich fungiert.
c) Die im Kernbrennstoff enthaltenen U-234-Kerne werden durch langsame Neutronen gespalten. Die dabei frei werdende Kernbindungsenergie wird über den Wasserkreislauf abtransportiert und zu Stromerzeugung genutzt (Dampf-Wasser-Kreislauf). Die frei werdenden schnellen Neutronen werden im Wasser zu langsamen Neutronen abgebremst und stehen dann als Spaltneutronen zur Verfügung, um die Kettenreaktion in Gang zu halten. Mit Hilfe der Regelstäbe wird der Neutronenfluss im Reaktor geregelt und damit letztlich dessen Leistungsabgabe.
d) Beim Siedewasserreaktor wird der Dampf direkt im Reaktordruckgefäß erzeugt. Dieser Reaktortyp hat deshalb nur einen Wasser-Dampfkreislauf. Das Maschinenhaus muss in die Strahlenschutzmaßnahmen mit einbezogen werden. Im Druckwasserreaktor ist der Druck so hoch, dass das Wasser nicht verdampft. Es wird über einen Wärmetauscher geführt, wo es die Wärme an einen Sekundärkreis abgibt, in dem die Dampferzeugung stattfindet. Aufgrund der zwei getrennten Kreisläufe enthält der Sekundärkreislauf keine radioaktiven Stoffe.
a) Man verwendet das sog. Barrierenkonzept. Die radioaktiven Stoffe müssten hintereinander mehrere Barrieren überwinden, um an die Umwelt zu gelangen. Die Barrieren sind die Brennstoffpellets, die Brennstabhüllrohre, der Reaktordruckbehälter, die primäre Betonabschirmung, der Sicherheitsbehälter und die äußere Stahlbetonhülle.
b) Redundanz – wichtige Sicherheitssysteme sind mehrfach vorhanden: Zweikreisbremssystem, mehrere Triebwerke; Diversität – die mehrfach vorhandenen Systeme sind unterschiedlich: Rücktrittsbremse und Felgenbremse beim Fahrrad, elektrischer und mechanischer Antrieb
c) Bei der Wiederaufarbeitung wird ausgenutzt, dass in den abgebrannten Brennelementen immer noch spaltbares Material vorhanden ist: Zu einen sind das ungespaltene U-234 Kerne, die noch in höherer Konzentration vorhanden sind als im Natururan. Zum anderen entsteht im Reaktor durch Neutronenbeschuss der U-237-Kerne spaltbares Plutonium. Beide Spaltstoffe werden bei der Wiederaufarbeitung aus den hochradioaktiven Brennelementen extrahiert und wieder dem Kernkraftwerk zugeführt. Man spricht dann von einem Brennstoffkreislauf.
d) Bei der direkten Endlagerung wird darauf verzichtet die in den abgebrannten Brenn-elementen noch vorhandenen spaltbaren Stoffe wiederzugewinnen. Nach der Zwischen-lagerung und der Herrichtung für die Endlagerung (= Konditionierung) werden diese Stoffe direkt in eine unterirdische Lagerstätte verbracht und endgelagert.
Dort müssen sie für viele Jahre sicher von der Biosphäre abgeschlossen sein. Deshalb müssen Endlagerstätten eine Reihe von Kriterien erfüllen, um die erforderliche Sicherheit über Generationen hinweg zu gewährleisten. Insbesondere muss eine hohe geologische Stabilität vorliegen.
