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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.

Reaktortypen im Vergleich

Der Leichtwasserreaktor (LWR)

Funktionsprinzip eines SiedewasserreaktorsDer am weitesten verbreitete Reaktortyp ist der Leichtwasserreaktor (Light Water Reactor). Aus physikalischen Gründen können bei diesen Reaktortypen nur langsame Neutronen die Kettenreaktion aufrechterhalten. Um die Neutronen abzubremsen, wird ein sogenannter Moderator eingesetzt (Wasser oder Graphit). Beim Leichtwasserreaktor nimmt das Kühlmittel Wasser die durch die Kernspaltung frei werdende Wärmeenergie auf und hat gleichzeitig die Funktion des Moderators.

Unterschieden werden zwei Typen von Leichtwasserreaktoren: der Druckwasserreaktor und der der Siedewasserreaktor.

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Der Druckwasserreaktor (PWR)

Funktionsprinzip eines DruckwasserreaktorsBeim Druckwasserreaktor (Pressurized Water Reactor) ist der Druck im Primärkreislauf groß genug (154-160 bar bei 325°C), um ein Sieden des Wassers zu verhindern. Vom Reaktor wird das radioaktiv verunreinigte Kühlmittel mit Kreiselpumpen in die Dampferzeuger gepumpt. Es gibt die Wärme an den Sekundärkreis ab und fließt zurück in den Reaktorkern. Somit befindet sich das radioaktive Kühlmittel ständig innerhalb des Containments und im Maschinenhaus sind keine Strahlenschutzmaßnahmen notwendig.

Kernkraftwerk mit RBMK-ReaktorDie Reaktorleistung wird durch die veränderliche Borsäurekonzentration im Reaktor geregelt. Bor ist ein wirksamer Absorber für Neutronen und bremst die nukleare Kettenreaktion. Darüber hinaus können die Regelstäbe (auch Steuerstäbe genannt) - stählerne Hüllrohre mit einer Füllung, die thermische Neutronen absorbiert (Cadmium oder Bor) - von oben in die Brennelemente eingefahren und somit die Kettenreaktion abgeschaltet werden. Bei der Schnellabschaltung des Reaktors oder bei Ausfall der Strom- oder Steuerluftversorgung fallen die Regelstäbe durch ihre Schwerkraft in den Reaktorkern.

Beispiele für Druckwasserreaktoren sind die deutschen Konvoi-Reaktoren (Siemens), die russischen WWER-Reaktoren (Skoda JS), diverse Reaktoren auf Schiffen und U-Booten wie der KLT-Reaktor und der im Bau befindliche, hochmoderne European Pressurized Water Reactor (EPR) der Areva-NP (Siemens/Framatome).

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Der Siedewasserreaktor (BWR)

Siedewasserreaktor vom Typ BWR-6 von Gerneral ElectricIm Betrieb ist des Wasser eines Siedewasserreaktors (Boiling Water Reactor) im Reaktordruckgefäss 286°C warm und steht unter einem Druck von 71 bar. Es wird mit Umwälzpumpen und Wasserstrahlpumpen durch den Reaktorkern getrieben, wo es Wärme aufnimmt und als Dampf-Wasser-Gemisch aus dem Kern austritt. Im Wasserabscheider erfolgt die Trennung des Wassers vom Dampf. Das abgeschiedene Wasser wird zwischen Druckgefäss und Reaktorkern in das Umwälzsystem zurückgeführt und wieder in den Kern gepumpt. Der aus dem Wasserabscheider austretende Dampf wird im Dampftrockner getrocknet und den Frischdampfleitungen und damit der Turbine zugeführt.

Die Reaktorleistung wird durch das Ein- und Ausfahren der Steuerstäbe und durch Veränderungen der Wasserumwälzmenge geregelt. Im Reaktordruckgefäß wälzen Strahlpumpen das Kühlmittel um. Durch die Erhöhung der Umwälzmenge werden die Dampfblasen rascher aus dem Reaktorkern ausgetragen, wodurch die Moderation des Wassers im Reaktor besser wird und die Leistung steigt. So kann die Reaktorleistung im Bereich von 60%-100% geregelt werden.

Die Regelstäbe werden von unten in den Reaktorkern eingefahren. Ihr Antrieb erfolgt hydraulisch mit Teleskopzylindern. Je weiter die Regelstäbe aus Borcarbid, Hafnium oder Cadmium in den Reaktorkern eingefahren werden, umso mehr werden thermische Neuronen absorbiert und die Reaktorleistung sinkt. Zur Schnellabschaltung des Reaktors werden die Regelstäbe in wenigen Sekunden in den Reaktorkern eingefahren. Dafür hat jeder Stabantrieb einen Stickstoff-Druckspeicher als Energiereserve. Bei einem unterstellten Ausfall der Steuerung der Steuerelemente kann die Kernreaktion auch durch Borsäureeinspeisung unterbrochen werden (sogenanntes Vergiftungssystem).

Nachwärme kann durch Ableiten von Dampf in den Turbinenkondensator oder ins Druckabbaubecken innerhalb des Containments abgekühlt werden. Durch die hohe Energieabfuhr über den Dampf benötigt der Siedewasserreaktor nur eine geringe Wassernachspeisung. In vielen Siedewasseranlagen steht dazu eine Hochdruckpumpe zur Verfügung die von einer kleinen Dampfturbine angetrieben wird. Es wird dabei zugleich Energie aus dem Reaktor abgeführt, wie auch Wasser nachgespeist.

Eine bedeutsame sicherheitstechnische Eigenschaft ergibt sich aus der möglichen Kühlung des oberen Teils der Brennelemente durch vorbeiströmenden Dampf. Falls der Füllstand des Reaktorwassers unter die Oberkante des Reaktorkerns fallen sollte, so reicht die Wärmeableitung mit dem nach oben abströmenden Dampf immer noch aus um die Brennstäbe soweit zu kühlen, dass kein unmittelbarer Schaden eintritt.

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Weitere Reaktortypen sind Schwerwasserreaktoren, Graphitreaktoren und Brutreaktoren. Diese unterscheiden sich durch die verwendeten Moderatoren und Kühlmittel.

Der Schwerwasserreaktor (HWR)

Der Schwerwasserreaktor (Heavy Water Reactor) ist ein Reaktortyp, bei dem schweres Wasser (D2O) als Kühlmittel und Moderator verwendet wird. Schweres Wasser ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoffatom (H) mit der Massenzahl 1 durch das schwerere Wasserstoffisotop Deuterium (D) mit der Massenzahl 2 ersetzt wird. Als Brennstoff genügt bei diesem Reaktortyp Uran mit natürlicher Isotopenzusammensetzung, eine Anreicherung wie beim Brennstoff für Leichtwasserreaktoren ist also nicht erforderlich. Dies liegt daran, dass in schwerem Wasser weit weniger Neutronen absorbiert werden als in normalem Wasser.

Konstruktionszeichnung eines CANDU-ReaktorsSchwerwasserreaktoren werden vor allem von Ländern mit eigenen Uranvorkommen, die keine Uran-Anreicherungsanlage besitzen, betrieben. Von den verschiedenen Reaktortypen hat sich vor allem der in Kanada entwickelte, so genannte CANDU-Reaktor (CANada Deuterium Uranium) durchgesetzt. Dabei handelt es sich um einen Druckröhrenreaktor, das heißt die Brennelemente befinden sich nicht alle in einem großen Reaktordruckbehälter, sondern einzeln bzw. in kleinen Bündeln in Druckröhren. Die Druckröhren werden vom Kühlmittel durchströmt, das aber nicht gleichzeitig als Moderator für die Kettenreaktion dient. Der Moderator umschließt alle Druckröhren, zusammen bilden sie den Reaktorkern. Beim CANDU-Reaktor werden als Kühlmittel und auch als Moderator schweres Wasser in getrennten Systemen verwendet - während der Moderator praktisch drucklos und bei niedrigen Temperaturen (etwa 70 °C) eingesetzt wird, was zur besseren Moderation beiträgt, wird das unter Druck stehende Kühlmittel beim Umströmen der Brennelemente erwärmt und gibt die Wärme im Dampferzeuger an ein mit normalem (leichtem) Wasser gefülltes Sekundärsystem ab.

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Der Grafitreaktor (GR)

Kernkraftwerk mit RBMK-ReaktorGrafitreaktoren sind Reaktoren, bei denen Grafit als Moderator eingesetzt wird. Gasgekühlte, graphitmoderierte Magnox-Reaktoren (Magnesium Alloy Graphite Moderated Gas Cooled Uranium Oxide Reactor) wurden bereits in den 50er Jahren entwickelt und sind daher die ältesten kommerziell genutzten Kernreaktoren, das Kühlmittel ist in diesem Fall Kohlendioxid. Die Brennelemente bestehen aus Natururan in metallischer Form. Den Namen hat der Reaktor vom Hüllrohrmaterial der Brennelemente erhalten.

Eine Weiterentwicklung ist der AGR-Reaktor (Advanced Gas-cooled Reactor). Auch er ist mit Grafit moderiert und mit Kohlenstoffdioxid gekühlt, verwendet aber Urandioxid anstatt Uranmetall als Brennstoff, wodurch sich die Leistungsdichte im Kern erhöht und somit den Wirkungsgrad verbessert.

Der russische RBMK-Reaktor (in etwa Hochleistungs- Reaktor mit Kanälen) ist ein grafitmoderierter Siedewasser-Druckröhren-Reaktor. Anstatt der Brennelemente werden wie beim CANDU-Reaktor Druckröhren eingesetzt, die mit Wasser gekühlt werden. Der entstehende Dampf treibt die Turbinen an. Die Konstruktion als Druckröhrenreaktor hat wirtschaftliche Vorteile aber auch sicherheitstechnische Nachteile: Einzelne Druckröhren lassen sich technisch leichter realisieren als ein großer Druckbehälter und Brennelemente können im laufenden Betrieb gewechselt werden. Auch zur schnellen Herstellung von waffenfähigem Plutonium ist dies von Vorteil. Jedoch fehlt der Druckbehälter als Spaltprodukt-Barriere um den Reaktorkern und es müssen bei Hunderten von Druckröhren Betriebsparameter ausgelesen und kontrolliert werden. Die Steuerung und Kontrolle des Reaktors ist dadurch komplexer und störanfälliger. Und der wohl schwerwiegendste sicherheitstechnische Mangel ist, dass bei Kühlmittelverlust nicht gleichzeitig der Moderator wegfällt, so dass die Kettenreaktion nicht stoppt, sondern sogar zunimmt, da die neutronenabsorbierende Wirkung des Kühlmittels fehlt.

Reaktorkern eines THTR-ReaktorAls Prototyp war der deutsche THTR-300 (Thorium-Hoch-Temperatur-Reaktor) oder Kugelhaufenreaktor der erste Kernreaktor, bei dem eine Kernschmelze aus physikalischen Gründen ausgeschlossen war. In diesem Hochtemperaturreaktor ist Thorium-232 in tennisballgroßen Graphitkugeln eingebettet, die von Helium als Reaktorkühlmittel gekühlt werden. Aus Thorium-232 entsteht durch Neutroneneinfang der Kernbrennstoff Uran-233. Anfangs muss dennoch etwas Uran-233 oder ein anderer Kernbrennstoff vorhanden sein, damit die Reaktion beginnen kann. Das Helium wird dabei auf ca. 1000 °C erwärmt und erzeugt über einen Wärmeübertrager den Wasserdampf für eine Dampfturbine. Mit zunehmender Temperatur des Reaktors erhöht sich die thermische Geschwindigkeit der Brennstoffatome, was aufgrund der Dopplerverbreiterung die Wahrscheinlichkeit des Neutroneneinfangs durch Uran-238 erhöht und dadurch die Reaktionsrate reduziert. Bauartbedingt gibt es also eine maximale Reaktortemperatur, und wenn diese unterhalb des Schmelzpunktes des Reaktormaterials liegt, kann keine Kernschmelze stattfinden. Es muss nur sichergestellt sein, dass der Reaktor die entstehende Wärme passiv nach außen abstrahlen kann. Damit wird auch der Betrieb des Reaktors vereinfacht. Anstatt durch Kontrollstäbe kann der Reaktor durch seine Betriebstemperatur, also durch die Durchflussrate des Kühlmittels, gesteuert werden. Wenn viel Energie entnommen werden soll, fließt mehr Kühlmittel, die Temperatur sinkt, der Reaktor produziert mehr Energie; wenn weniger Energie entnommen werden soll, fließt weniger Kühlmittel, die Temperatur steigt, der Reaktor produziert weniger Energie. Für das vollständige Abstellen des Reaktors sind allerdings neutronenabsorbierende Kontrollstäbe notwendig.

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Der Schnelle Brüter (FBR)

Schneller Brüter in Kalkar (NRW)Ein Schneller Brüter (Fast Breeder Reactor) ist ein Kernreaktor, der nicht nur zur Energiegewinnung, sondern gleichzeitig zur Erzeugung von weiterem spaltbarem Material dient. Es werden MOX-Brennelemente eingesetzt, das nicht spaltbare Uran-238 wird in spaltbares Plutonium-239 umgewandelt, indem es ein Neutron einfängt - es entsteht 239U, das durch zwei Beta-Zerfälle zu 239Pu zerfällt. In einem gewissen Maß geschieht diese Umwandlung in jedem Kernreaktor, einen Brutreaktor zeichnet jedoch aus, dass er mehr Brennstoff herstellt, als er selbst in der gleichen Zeit verbraucht. Das "Brüten" im eigentlichen Sinne, also ein Überschuss des so erzeugten über den zugleich verbrauchten Brennstoff, gelingt aber nur in einem Reaktor, der ohne Moderator arbeitet, einem schnellen Brüter, denn nur bei der Spaltung durch ein schnelles Neutron ist die durchschnittliche Zahl neu freigesetzter Neutronen pro Spaltung dafür hoch genug. Dadurch ergibt sich das Problem, dass diese schnellen Neutronen, verglichen mit thermischen Neutronen, mit wesentlich geringerer Wahrscheinlichkeit neue Kernspaltungen auslösen. Deshalb muss die Spaltstoffkonzentration in der Spaltzone im Vergleich zu moderierten Reaktortypen erhöht werden, was zu einer sehr hohen Wärmeleistungsdichte führt. Weil das Kühlmittel bei einem Schneller Brüter keine Moderatorwirkung haben darf, wird anstelle von Wasser in der Regel flüssiges Natrium (LMFBR = Liquid Metal Fast Breeder Reactor) als Kühlmittel verwendet.

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Quellen: http://de.wikipedia.org, http://www.thtr.de, http://www.kkl.ch - Technische Beschreibung

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