Kernkraftwerk

Neutronenstatistik
Bei der Kernspaltung des Urans werden gleichzeitig Energie (d.h. Wärme) und schnelle Spaltneutronen freigesetzt. Bei vorgegebener Reaktorleistung (beim FRM-II beträgt die Reaktorleistung 20MW) ist die mittlere Leistungsdichte im Brennelement um so größer, je kleiner dessen Volumen ist. Langsame Neutronen werden vom Atomkern 235U mit großer Wahrscheinlichkeit absorbiert. Durch Mehrteilchenzerfall zerfällt der angeregte Kern in verschiedene Spaltprodukte unter Freisetzung schneller Neutronen. Je kleiner das Brennelement ist, desto mehr schnelle Neutronen verlassen die Uranzone. Wie aus der unten dargestellten Abbildung hervorgeht, fließen von 100 schnellen Spaltneutronen 72,5 Neutronen sofort aus dem extrem kleinen Brennelement in den Moderatortank. Davon werden 25,2 Neutronen durch das schwere Wasser D2O sofort wieder in die Uranzone reflektiert. Die restlichen Neutronen bleiben im D2O- bzw. Moderatortank, werden abgebremst und bauen dort - wegen der sehr geringen Absorption des schweren Wassers D2O - die gewünschte hohe thermische Neutronenflußdichte auf, die für die Nutzung zur Verfügung steht. 18,3 thermische Neutronen diffundieren zurück in das Brennelement, werden dort absorbiert und tragen durch die Freisetzung von 30,5 neuen Spaltneutronen zur Kettenreaktion bei. Die im Uranbereich verbliebenen ca. 27,5+25,2 schnellen Neutronen werden im Kühlwasser H2O abgebremst und führen zu 47,3 neuen Spaltneutronen. Zusammen mit den 22,2 neuen Spaltneutronen, die aus Spaltungen durch Neutronen mittlerer Energien stammen, werden so insgesamt gerade wieder 100 neue Spaltneutronen erzeugt. D.h. die Reaktorleistung ist zeitlich konstant. Statistik von 100 durch Kernspaltung entstehenden Neutronen im konstanten Betrieb des FRM-II. Vertikal nimmt die Neutronenenergie von oben nach unten ab, horizontal wird zwischen innerhalb und außerhalb des Zentralkanalrohrs unterschieden. Schmäler werdende Pfeile bedeuten Neutronenverluste durch Absorption und Leckage nach außen. Ein klassischer Kernreaktor besteht aus fünf Komponenten:
- Brennstoff (spaltbares Material, z.B. Uran) - Moderator (Material zur Abbremsung der Neutronen) - Steuerstäbe (Vorrichtung zum Einfangen der Neutronen) - Medium zur Wärmeabführung (z. B. Wasser) - Strahlenschutzbarriere
Wichtig für das Funktionieren von Reaktoren sind sogenannte Spaltneutronen. Sie werden benötigt, um eine Kettenreaktion zu starten und in Gang zu halten.

Wird der Kern eines U-235 Atoms gespalten, so entstehen neben den zwei Trümmerkernen noch zwei bis drei Spaltneutronen, die wiederum andere Kerne spalten usw. Diese Spaltneutronen können verschiedene Energien (Geschwindigkeiten) haben. Es gibt langsame, mittelschnelle und schnelle Neutronen, wobei nur die langsamen Neutronen 235U – Kerne spalten können.

Die im Reaktor entstehenden Neutronen spalten hauptsächlich andere U235 Kerne oder sie werden, wenn sie "zu schnell" sind, durch Zusammenstöße mit Atomkernen gebremst. Sie können aber auch mit anderen Materialien reagieren, wodurch künstliche Isotope entstehen, oder sie verlassen die Spaltzone und gehen somit verloren.

Moderator:
Weil bei der Kernspaltung schnelle Neutronen entstehen, müssen diese durch eine Substanz (Moderator) gebremst werden, um wieder Kerne spalten zu können. Moderatoren sollen Neutronen möglichst schnell abbremsen, nicht aber einfangen, weil sie dann verloren sind. Da Wasser die Spaltneutronen am besten bremst und gleichzeitig den Brennstoff kühlt, wird es häufig als Moderator und Kühlmittel zugleich verwendet. Allerdings fängt es zu viele Neutronen ein, weshalb man die Zahl der Neutronen erhöht, indem man den Anteil von 235U von 0,7 % (natürliche Häufigkeit) auf 2 – 4% steigert (Anreicherung).

Es gibt drei Arten von Reaktoren für verschiedene Verwendungszwecke:
· Forschungsreaktoren werden für wissenschaftliche Untersuchungen und für Unterrichtszwecke benötigt. · Leistungsreaktoren dienen nur der Energiegewinnung. · Brutreaktoren erzeugen neben Energie aus U238 noch Pu239, welches ebenfalls spaltbar ist.
Treten zu viele Spaltneutronen auf, beschleunigt sich die Reaktion zwischen den Brennstäben. Um diese zu drosseln schiebt man Steuerstäbe zwischen die Brennstäbe, wodurch viele Neutronen absorbiert werden.

Modell eines Kernkraftwerks mit Druckwasserreaktor

Spaltneutronen

Eine kontrollierte Kettenreaktion lässt sich nur entwickeln, wenn eine ausreichende Anzahl von Neutronen zur Verfügung steht. Bei der Spaltung eines Kerns U-235 entstehen zwei mittelschwere Trümmerkerne sowie zwei bis drei Neutronen. Diese Spaltneutronen haben unterschiedliche Energie (Geschwindigkeiten). Am häufigsten tritt der Wert von 0,7 MeV auf, im Mittel liegt ihre Energie bei etwa 1,5 MeV.Zur Charakterisierung der Neutronen nach ihrer Energie bzw.

ihrer Geschwindigkeit wird folgende Einteilung vorgenommen:· langsame (thermische) Neutronen mit einer Energie < 10 eV · mittelschnelle Neutronen mit einer Energie von 10 eV bis 0,1 MeV · schnelle Neutronen mit einer Energie > 0,1 MeV
Die angegebenen Energiebeträge stellen Richtwerte dar, die Übergänge sind fließend. Die bei der Spaltung von U-235-Kernen auftretenden Neutronen gehören praktisch ausschließlich zu den schnellen Neutronen (W > 0,1 MeV).In einem Reaktor kann mit den Spaltneutronen grundsätzlich Folgendes geschehen:· Sie verlassen die Spaltzone und gehen dadurch für weitere Spaltungen verloren. · Sie werden von U-238, von den für die Reaktorfunktionen notwendigen Materialien oder von stets vorhandenen Verunreinigungen aufgenommen, wodurch künstliche Isotope entstehen. So wandelt sich beispielsweise Sauerstoff-16, der im Kühlmittel eines Siedewasserreaktors enthalten ist, z. T. durch Neutroneneinfang in Stickstoff-16 um. Er ist radioaktiv (HWZ 7,13 s), sodass Strahlenschutzmaßnahmen getroffen werden müssen.Die Wahrscheinlichkeit für einen Neutroneneinfang ist von der Bewegungsenergie der Neutronen abhängig. Die Wahrscheinlichkeit ist meist desto größer, je langsamer die Neutronen sind. Das Neutron kann dann längere Zeit in Kernnähe verweilen, wodurch die Wahrscheinlichkeit für eine Einfangreaktion größer wird.· Es finden elastische oder unelastische Zusammenstöße mit Atomkernen statt, wodurch die Neutronen Energie verlieren. Ihre Geschwindigkeit wird dadurch verringert. Elastische Zusammenstöße finden im Energiebereich 10 keV bis 1 MeV statt. Die Summe der Bewegungsenergien der Stoßpartner vor und nach dem Stoß ist dann gleich: W1 = W2 + W3. Zu unelastischen Zusammenstößen kommt es vorwiegend im Energiebereich zwischen 1 MeV und 10 MeV. Dabei ist die Summe der Bewegungsenergien vor und nach dem Stoß nicht gleich. Das Neutron hat den Atomkern angeregt, der die Anregungsenergie in Form eines Gammaquants wieder abgibt.· Neutronen werden von Kernen des U-235 aufgenommen und lösen dadurch weitere Kernspaltungen aus. Wenn in einem Reaktor eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion abläuft, sagt man, der Reaktor ist kritisch. Eingeleitet wird die Kettenreaktion mithilfe einer Neutronenquelle.








Kernreaktoren
Prinzip:

Für eine Kettenreaktion muß mindestens ein Neutron wieder zu einer Spaltung führen. Spaltmaterial. Beim -Einfang konkurrieren zwei Prozesse: Entweder der Kern spaltet und es werden Spaltneutronen freigesetzt, oder es kommt zu einer (unerwünschten) ( , )-Reaktion. Hierbei wird ein Photon emittiert, welches die Umgebung aufheizt. Es werden jedoch keine neuen Spaltungen induziert. Bei U liegt bei thermischen Neutronen in der gleichen Größenordnung wie. Beide Querschnitte sind relativ groß.

U hat dagegen nur für einen hohen Spaltungsquerschnitt, der Einfangquerschnitt ist jedoch auch für groß. U ist also als Spaltmaterial wesentlich besser geeignet als 13.2 und 13.3). Das Spaltmaterial liegt nie rein vor, sondern als Uranmatrix in einem Oxid oder Silizid (FRM II). Der U-Anteil am Uran kann auch unterschiedlich sein:
U-Anteil
natürliches Uran
für Leichtwasserreaktoren (LEU)
für FRM I, FRM II, ILL (HEU)
Spaltprodukte. Bei U kommt es zu einer asymmetrischen Spaltung. Die Spaltfragmente sind außerdem instabil, da die Neutronenzahl für die vorliegende Massenzahl zu hoch ist. Sie zerfallen über -Zerfall oder Neutronenemission. Die Energieverteilung der Neutronen hat bei etwa ein Maximum. Eine mögliche Reaktion ist:

Aus anderen Spaltprodukten können auch wieder Neutronen entstehen:




Bei U sind etwa 1.6% der Spaltneutronen verzögerte Neutronen. Energiebilanz:
kinetische Energie der Spaltprodukte
kinetische Energie der prompten
Energie der prompten
-Strahlung der Spaltprodukte (verzögert)
-Strahlung der Spaltprodukte (verzögert)
(entkommt)

Für Energie werden U-Atome gespalten. Ein Reaktor mit einer thermischen Leistung von spaltet täglich U. Moderation. Der Wirkungsquerschnitt ist für , also für thermische Neutronen, am größten. Vor einer erneuten Spaltung müssen folglich die Spaltneutronen durch Stöße in einem Material mit kleinem Einfangquerschnitt moderiert werden (Abb. 13.4). Im Prinzip wäre H der beste Moderator, da wegen der größte Impulsübertrag möglich ist. H hat jedoch einen höheren Einfangquerschnitt als Deuterium, weshalb man in der Praxis D oder D O (schweres Wasser) verwendet. Um von auf zu kommen, benötigt man 18 Stöße mit H oder 25 Stöße mit D. Vier-Faktor-Formel. Diese gibt die Wahrscheinlichkeit dafür an, daß ein Spaltneutron selbst wieder eine Spaltung induziert.

Im Einzelnen sind:
· Spaltneutronenmultiplizität für U
· Vermehrungsfaktor : Änderung von durch Spaltung mit schnellen Neutronen im Matrixmaterial (Si, U, O)
· Resonanz-Entkommwahrscheinlichkeit : Bruchteil der Neutronen, die während der Moderation nicht durch resonante ( , )-Reaktionen verloren gehen (für Leichtwasserreaktoren mit U-Matrix: )
· Thermische Nutzung : Anzahl thermischer Neutronen, die im Kernbrennstoff und nicht in anderem Material absorbiert werden;
· Spaltwahrscheinlichkeit : Wahrscheinlichkeit, daß Neutroneneinfang in U zur Spaltung führt
· Generationsfaktor : maximale Anzahl von Spaltneutronen, die wieder zur Spaltung führen
Der Vermehrungsfaktor ist dann (für einen unendlich-großen Moderator, d. h. ohne Wandeffekte):
(13.1)


Stetiger und stabiler Reaktorbetrieb. Die Reaktivität ist definiert durch:
( ohne verzögerte )
Der relative Anteil der verzögerten Neutronen an den insgesamt produzierten Neutronen sei. Dann gibt es folgende Möglichkeiten des Reaktorbetriebs:
· : überkritisch; die Leistung steigt schnell an; Vorsicht Explosionsgefahr!
kann mit Hilfe von Regelstäben aus einem Material mit hohem -Einfangsquerschnitt reduziert werden. · : unterkritisch; keine Kettenreaktion; nur zum Ausschalten zu gebrauchen
· : kritisch; stationäre Kettenreaktion
Die Anzahl prompter Neutronen ändert sich oft sehr schnell, wodurch die Regelung mit den vergleichsweise langsamen Steuerstäben schwierig wird. Man versucht deshalb, die Anzahl der prompten Neutronen so zu halten, daß die verzögerten Neutronen mit großer Zeitkonstante zur Regelung herangezogen werden können: Der Fall läßt sich im zeitlichen Mittel aufrechterhalten, wenn. Dann ist , d. h. nur bestimmt die Kritikalität und die Regelung wird wesentlich einfacher. Nachwärme. Das Abschalten des Reaktors bewirkt nicht den sofortigen Stop der Energieproduktion, da durch den Zerfall der langlebigen Spaltprodukte noch Wärme entsteht. Es ist also notwendig, den Reaktor nach dem Abschalten nachzukühlen. Ein Reaktor beispielsweise, der lange (z. B. 1 ) in Betrieb war, produziert einen Tag nach der Abschaltung noch 0.5% der vorherigen Leistung.


1. Warum wird bei der Spaltung schwerer Atomkerne soviel Energie frei?

Stellen wir uns den Kern als Flüssigkeitstropfen vor, ähnlich einem sehr kleinen Wassertropfen, der aber statt aus Wassermolekülen aus Nukleonen (Protonen und Neutronen) besteht. Die Nukleonen werden durch die starke Kernkraft in einem sehr kleinen Raum (etwa 10 000 mal kleiner als ein Atom) zusammengehalten. Diese starke Kernkraft hat eine sehr kurze Reichweite, die nur auf die unmittelbaren Nachbarn jedes Nukleons wirken kann. Das hat zur Folge, daß die an der Oberfläche sitzenden Nukleonen schwächer gebunden sind, weil sie ja außen keine Nachbarn mehr haben. Dies erzeugt analog wie beim Wassertropfen eine Oberflächenspannung, die den Kern möglichst kugelförmig zu halten versucht, weil die Kugelgestalt bei vorgegebenem Volumen die kleinste Oberfläche hat.

Diese Oberflächenspannung verhindert, daß die elektrische Abstoßung zwischen den positiv geladenen Protonen den Kern auseinanderreißt. Eine relativ kleine Energiezufuhr von außen (z.B.

durch Einfang eines Neutrons) kann aber ausreichen, um einen schweren Kern in so starke Schwingungen zu versetzen, daß er in 2 annähernd gleich große Kernbruchstücke "spaltet". Unter dem Einfluß ihrer elektrischen Abstoßung werden dann die beiden Spaltprodukte auf hohe Energien beschleunigt. Diese Energien sind so groß, weil die Abstoßung bei ganz kleinen Abständen beginnt, bei denen die Kräfte sehr groß sind. Die kleinen Abmessungen sind ihrerseits wieder die Folge der starken Kernkraft.

Bei der Spaltung wird etwa ein Tausendstel der Masse des Kerns in Energie umgewandelt (nach der berühmten Formel von Einstein: E = mc2). Diese freigesetzte Energie ist etwa hundert Millionen mal größer, als die einer chemischen Reaktion, wie etwa Verbrennung von Kohlenstoff (C) zu Kohlendioxid (CO2). 2. Wieso entsteht bei der Spaltung Radioaktivität und wie kommt es zur Kettenreaktion?

Schwere Kerne enthalten etwa 50% mehr Neutronen als Protonen. Dieser Neutronenüberschuß überträgt sich zunächst auf die Spaltbruchstücke, die ihn entweder durch sofortige Abgabe von mehreren Spaltneutronen abbauen, oder aber durch langsamere Umwandlung von Neutronen in Protonen unter dem Einfluß der schwachen Kernkraft. Der zweite Vorgang heißt Radioaktivität" und ist mit der Emission hochenergetischer Strahlung verbunden. (Diese unvermeidliche Radioaktivität ist eines der ernsten Probleme der Nutzung der Kernspaltung.)

Die freigesetzten Spaltneutronen hingegen können weitere Spaltungen auslösen, die dabei entstehenden Spaltneutronen wiederum und so weiter. Wenn gewisse Bedingungen stimmen, kommt es zur Kettenreaktion und damit zu (kontrollierter) Energieumsetzung in technischem Maßstab.




Kernreaktoren
Aufbau eines Kernreaktors (Druckwasserreaktor)
Prinzip:


Steuerstäbe aus stark neutronenabsorbierenden Materialien (Bor, Cadmium) dienen der Regulierung des Neutronenflusses, so dass von 2 - 3 bei der Spaltung freigesetzten Neutronen nur eins eine neue Spaltung auslöst. Neutron
Ungeladenes Elementarteilchen mit einer Masse von 1,67482 · 10-27 kg und damit geringfügig mehr als die Masse des Protons. Das freie Neutron ist instabil und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 11,5 Minuten. Neutronen, prompte
Neutronen, die unmittelbar (innerhalb etwa 10-14 s) bei der Kernspaltung emittiert werden; im Gegensatz zu verzögerten Neutronen, die Sekunden bis Minuten nach der Spaltung von Spaltprodukten ausgesandt werden. Prompte Neutronen machen mehr als 99 % der Spaltneutronen aus.

Neutronen, verzögerte
Neutronen, die bei der Kernspaltung nicht unmittelbar, sondern als Folge einer radioaktiven Umwandlung von Spaltprodukten verspätet entstehen. Weniger als 1 % der bei der Spaltung auftretenden Neutronen sind verzögert.