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Radioaktive Strahlung. Man sieht sie nicht. Man hört sie nicht. Und doch ist sie da. Tag und Nacht. Seit Anbeginn. Ohne sie wäre unser Planet eine eiskalte, unbelebte Einöde. Aber sie kann auch töten. Radioaktivität gehört zu den faszinierendsten Erscheinungen in unserem Universum - ein guter Grund, sich einmal näher damit zu befassen.

Wie funktioniert ein Kernkraftwerk?

Funktionsprinzip eines DruckwasserreaktorsEin Kernkraftwerk besteht grundsätzlich aus zwei Teilen, dem Nuklearteil (Primärteil) und dem konventionellen Teil (Sekundärteil). Im Nuklearteil erzeugt ein Kernreaktor Wärme, mit der Dampf erzeugt wird, der auf die Turbinen im konventionellen Teil geleitet wird. Die Turbinen treiben einen Generator an, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Der Dampf wird nach der Turbine auf einen Kondensator geleitet. Er kondensiert zu Wasser und wird wieder mit Pumpen in den Reaktor zurückgeführt. Der Kondensator wird mit Kühlwasser gekühlt.

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Primärteil oder Nuklearteil

Der Reaktor ist das Herz eines jeden Kernkraftwerks. Die Energieerzeugung beruht auf der Spaltung von Atomkernen durch Neutronen. (235UO2), Plutoniumdioxid (239PuO2) oder ein Mischoxid (MOX) verwendet.

Der Brennstoff wird in Form von Pellets in Brennstäben, einem dünnen Rohr aus Zirkaloy, eingeschlossen. Zwischen 63 und 236 Brennstäbe bilden ein Brennelement. Bei den meisten Reaktortypen werden alljährlich während der Jahresrevision die verbrauchten Brennelemente im Reaktorkern durch neue ersetzt und in einem Lagebecken mehrere Jahre gelagert. Später werden sie in abgeschirmten Behältern einer Wiederaufbereitungsanlage oder der Zwischenlagerung zugeführt. Die im Kern verbleibenden Brennelemente werden nach einem speziell berechneten Muster umgesetzt.

Die genau Funktion eines Kernreaktors unterscheidet sich von Reaktortyp zu Reaktortyp. Deshalb finden Sie hier nur eine Auflistung der häufigsten Typen. Um mehr über die Funktion der einzelnen Typen zu erfahren, lesen sie: Reaktortypen im Vergleich.

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Hilfs- und Nebenanlagen

Neben dem Kernreaktor befinden sich im Primärteil weitere Hilfs- und Nebenanlagen, die der Sicherheit der Reaktoranlage dienen. So sind im Reaktor-Hilfsgebäude alle zur Aufrechterhaltung des Kühlbetriebes bei abgeschaltetem Reaktor notwendigen Hilfseinrichtungen untergebracht. Im Brennelement-Lager ist das Abklinkbecken untergebracht.

Ein Beispiel für eine Notkühlanlage ist das SEHR-System (Special Emergency Heat Removal). Dieses System erfüllt die Funktion, automatisch in Betrieb zu gehen, falls alle anderen Normal- und Notkühlsysteme aus irgendeinem Grund außer Betrieb sind oder nicht angefahren werden können. Mit dem SEHR-System wird gewährleistet, dass sich der Reaktor ohne Eingriff der Betriebsmannschaft während Stunden sicher kühlen lässt. Das System, das eigene Strom- und Kühlmittelquellen durch Dieselmotoren und Grundwasserbrunnen hat, verfügt über zwei redundante Systemketten. Das System ist gegen Einwirkungen von außen geschützt und unterirdisch gebaut.

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Sekundärteil oder konventioneller Teil

Der konventionelle Teil ist in allen Anlagen sehr ähnlich: Dampf wird zunächst auf eine mehrstufige Hochdruckturbine geleitet. Der Hochdruck-Abdampf wird in Wasserabscheidern getrocknet und in Zwischenüberhitzern aufgewärmt, auf mehrere Niederdruckturbinen geleitet und im Kondensator entspannt. Die Turbogruppe treibt einen Generator an, der die mechanische Energie in elektrische umwandelt.

Dennoch gibt es zwei unterschiedliche Auslegungen: Während bei Anlagen mit Siedewasserreaktoren aktiver Frischdampf auf die Turbine geleitet wird, wird der Dampf bei Anlagen mit Druckwasser- oder gasgekühlten Reaktoren erst in Dampfumformern erzeugt und ist nicht radioaktiv. Daher ist bei erstgenannten Anlagentypen eine Abschirmung des Maschinenhauses (Sekundärcontainment) und Abdichtung der Turbine mit inaktivem Sperrdampf notwendig, was bei zweitgenannten Anlagentypen entfällt.

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Hauptwärmekreislauf

Maschinenhaus des Kernkraftwerks Leibstadt mit Generator und TurbogruppeDie Frischdampfleitungen führen den Dampf vom Reaktor zum Hochdruckteil der Turbine. Am Reaktoraustritt beträgt der Frischdampfdruck bei einem Siedewasserreaktor 73,1 bar und die -temperatur 286°C. Elektrische Druckregler beeinflussen die Stellung der Turbinen-einlassventile und sorgen so für konstanten Reaktordruck. Falls der Reaktor beim Anfahren der Turbine und beim Abstellen der Anlage mehr Dampf produziert, als die Turbine aufzunehmen vermag, regelt ein Bypass-System den Reaktordruck. Das System drosselt den Frischdampf auf die Turbine und leitet ihn in den Kondensator. Dieser Bypass, der für 70% der normalen Frischdampfmenge ausgelegt ist, vermag kurzfristig 110% aufzunehmen. So kann die Turbine, falls erforderlich augenblicklich entlastet werden (Turbinentrip), ohne Schnellabschaltung des Reaktors (Scram). Ein Wiederanfahren der Anlage ist danach ohne großen Zeitverlust möglich.

Im Hochdruckteil der Turbine expandiert der Dampf auf 11,3 bar, bevor er in die Wasserabscheider-Zwischenüberhitzer strömt. Dort wird er getrocknet und wieder auf eine Temperatur von 263°C gebracht. Hierfür wird aus dem Reaktor eine Frischdampfmenge von 8,5% benötigt. Der überhitzte Dampf wird dann in den Niederdruckteilen der Turbine entspannt und im darunter liegenden Kondensator niedergeschlagen. Sowohl das in den Wasserabscheidern ausgeschiedene Wasser als auch das in den Zwischenüberhitzern ausgeschiedene Kondensat werden zur Ausnutzung der Restwärme in das Speisewasser eingeleitet.

Der Kondensator wird vom Hauptkühlwasser durchströmt. Im Kondensator herrscht ein Unterdruck von 0,13 bar, damit im Falle einer Kondensatorleckage keine Radioaktivität in das Kühlwasser gelangt. Während des Betriebs fördern Dampfstrahlsauger die nicht kondensierbaren Gase aus dem Kondensator in die Abgasreinigungsanlage.

Die Hauptkondensatpumpen fördern das Kondensat durch eine Reinigungsanlage (KRA) und durch die Niederdruckvorwärmung (ND-VW), die mit Heizdampf aus der ND-Turbine arbeitet, in den Speisewasserbehälter. Die Kondensatreinigungsanlage entfernt gelöste und ungelöste Verunreinigungen wie Chloride und Korrosionsrückstände. Sie sorgt dadurch für die erforderliche hohe Reinheit des Speisewassers. Der Speisewasserbehälter dienst als Mischvorwärmer und wird mit Hochdruck-Abdampf beheizt. Die Speisewasserpumpen fördern das Speisewasser durch die Hochdruckdruckvorwärmung (HD-VW), die mit Heizdampf aus der HD-Turbine arbeiten, in das Reaktorgefäß.

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Haupt- und Notkühlsysteme

Das Hauptkühlwassersystem dient der Rückkühlung des im Kondensator erwärmten Wassers. Die Hauptkühlwasserpumpen fördern das Kühlwasser aus dem Kühlturmbecken zu Kondensator, der es um 17,4°C erwärmt. Das erwärmte Wasser fließt zurück in den Kühlturm, wo es durch ein Kanalsystem auf Rieselplatten verteilt wird und ins Becken fällt. Die Verdunstungsverluste im Kühlturm betragen im Mittel 720 kg/s. Diese werden durch speziell aufbereitetes Wasser aus einem Fluss ausgeglichen.

Neben dem Hauptkühlwassersystem gibt es ein Nebenkühlwassersystem, das zum Beispiel die Nachkühlung des Reaktors in abgestelltem Zustand übernimmt. Dazu werden dem Fluss kleinere Mengen an Wasser entnommen, das zum Großteil wieder in den Fluss zurückfließt.

Als drittes System steht die Notkühlwasserversorgung mit mehreren unabhängigen Notkühlsystemen zur Verfügung, die in Extremsituationen die Funktion des Nebenkühlwassersystems übernimmt. Die Stromversorgung dieser Systeme wird durch schnellstartende Dieselmotoren sichergestellt. Zur Kühlwasserentnahme dienen die Wasserkammer des Druckabbausystems, die Kaltkondensatbehälter und mehrere Grundwasserbrunnen.

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Generator und elektrische Anlagen

Ein 2-poliger Generator, der starr mit der Turbine gekoppelt ist, erzeugt je nach Auslegung bis zu 1300 MVA bei 50 Hz und 27 kV. Großgeneratoren werden zumeist sowohl mit Wasserstoffgas als auch mit Wasser gekühlt. Dabei kühlt das Wasserstoffgas Rotorwicklung, Luftspalt und Statorblechpaket, während das Wasser Statorwicklung sowie Ableitungen kühlt. Zur Erregung und Regelung eines solchen Generators dient ein statisches Erregersystem mit Thyristoren. Die Erregerleistung wird über einen Anpasstransformator direkt an den Generatorableitungen abgenommen. Die vom Generator produzierte Energie wird über einen Generatorschalter in einen meist dreiphasigen Blocktransformator auf 420 kV transformiert.

Die Eigenbedarfsanlage ist in der Regel in zwei voreinander unabhängige Kanäle aufgeteilt und über zwei Transformatoren angespeist. Bei Stillstand des Generators ist die Deckung des Eigenbedarfs durch Fremdeinspeisung sowohl aus dem 420 kV-Netz als auch aus dem 50 kV-Netz möglich. Jederzeit erlauben mehrere Notstromanlagen mit großen Dieselmotoren und 220V- sowie 24V-Batterien die Versorgung der Steuerung und das sichere Abfahren und Nachkühlen des Reaktors.

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Quelle: http://www.kkl.ch - Technische Beschreibung

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