Kernreaktor

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Kernreaktor
Der f√ľr Forschungszwecke entwickelte Kernreaktor ‚ÄěCROCUS‚Äú des EPFL in der Schweiz.
Stilisierter Kernreaktor auf einer Briefmarke der Deutschen Bundespost (1964)

Ein Kernreaktor (auch Atomreaktor oder Atommeiler, veraltet Atombrenner) ist eine Anlage, in der eine Kernspaltungsreaktion kontinuierlich im makroskopischen, technischen Maßstab abläuft.

Weltweit verbreitet sind Leistungsreaktoren, das hei√üt Kernreaktoranlagen, die durch die Spaltung (englisch fission) von Uran oder Plutonium zun√§chst W√§rme und daraus meist elektrische Energie (siehe Kernkraftwerk) gewinnen. Dagegen dienen Forschungsreaktoren zur Erzeugung von freien Neutronen, etwa f√ľr Zwecke der Materialforschung, oder zur Herstellung von bestimmten radioaktiven Nukliden, etwa zu medizinischen Zwecken. Im Erdaltertum kam es wiederholt zur Bildung nat√ľrlicher Kernreaktoren.

Ein Kernkraftwerk hat oft mehrere Reaktoren. Hier kommt es oft zu unpr√§zisen Aussagen. Zum Beispiel meint der Satz ‚Äěin Deutschland liefen bis zum Atomausstieg 17 Kernkraftwerke‚Äú, dass 17 Kernreaktoren an deutlich weniger Standorten liefen.

Die meisten Kernreaktoren sind ortsfeste Anlagen. Daneben gibt es Kernreaktoren in U-Booten und anderen Schiffen. Beispielsweise

In der Atom-Euphorie der sp√§ten 1950 und fr√ľhen 1960er Jahre tr√§umten viele von atomgetriebenen Stra√üenfahrzeugen, Flugzeugen oder Raumschiffen.[1]

Inhaltsverzeichnis

Funktionsweise

Die Kernspaltung

‚Üí Hauptartikel: Kernspaltung

Zwischen den Protonen und den Neutronen eines Atomkerns wirken sehr starke anziehende Kr√§fte, die jedoch eine nur sehr begrenzte Reichweite haben. Daher wirkt diese Kernkraft im Wesentlichen auf die n√§chsten Nachbarn, weiter entfernte Nukleonen tragen zu der anziehenden Kraft nur in geringem Ma√üe bei. Solange die Kernkraft gr√∂√üer ist als die absto√üende Coulombkraft zwischen den positiv geladenen Protonen, h√§lt der Kern zusammen. Kleine Atomkerne sind stabil, wenn sie je Proton ein Neutron enthalten: 40Ca ist das gr√∂√üte stabile Isotop mit gleicher Protonen- und Neutronenzahl. Mit zunehmender Protonenzahl wird ein immer h√∂herer Neutronen√ľberschuss zur Stabilit√§t erforderlich, denn durch die anziehende Kernkraft der zus√§tzlichen Neutronen wird die absto√üende Coulombkraft der Protonen kompensiert. Der schwerste stabile Kern ist das Blei-Isotop 208Pb mit 82 Protonen und 126 Neutronen. Noch schwerere Kerne, wie beispielsweise das Uran oder Plutonium, sind radioaktiv, also instabil.

Solche Kerne werden auch mit weiteren zus√§tzlichen Neutronen nicht stabil: F√§ngt einer dieser schweren Kerne, etwa des Uranisotops 235U oder des Plutoniumisotops 239Pu, ein Neutron ein, so gewinnt er Bindungsenergie. Dadurch wandelt er sich in einen hochangeregten, instabilen Zustand des Kerns 236U beziehungsweise 240Pu um. Solche hochangeregten schweren Kerne regen sich mit extrem kurzen Halbwertszeiten durch Kernspaltung ab. Anschaulich ger√§t der Kern durch die Neutronenabsorption wie ein angesto√üener Wassertropfen in Schwingungen und zerrei√üt in zwei Bruchst√ľcke mit einem Massenverh√§ltnis von etwa 2 zu 3. Dabei werden bei jeder einzelnen Spaltung durchschnittlich zwei bis drei weitere schnelle Neutronen frei, die f√ľr weitere Kernspaltungen zur Verf√ľgung stehen ‚Äď dies ist die Grundlage der nuklearen Kettenreaktion.

Energiefreisetzung bei der Kernspaltung

Die neu entstandenen Kerne mittlerer Masse, die so genannten Spaltprodukte, haben eine gr√∂√üere Bindungsenergie pro Nukleon als der urspr√ľngliche schwere Kern. Die Differenz der Bindungsenergien wird unter anderem in kinetische Energie der Spaltprodukte umgewandelt (Berechnung). Diese geben die Energie durch St√∂√üe an das umgebende Material als W√§rme ab. Die W√§rme wird durch ein K√ľhlmittel abgef√ľhrt und kann beispielsweise zur Heizung, als Prozessw√§rme etwa zur Meerwasserentsalzung oder zur Stromerzeugung genutzt werden.

Etwa 6 % der gesamten in einem Kernreaktor frei werdenden Energie wird in Form von Elektron-Antineutrinos frei, die praktisch ungehindert aus der Spaltzone des Reaktors entweichen und das gesamte Material der Umgebung durchdringen. Die Neutrinos √ľben keine merklichen Wirkungen aus, da sie mit Materie kaum reagieren.

Zusammengenommen haben die rund 440 Kernreaktoren der derzeit 210 Kernkraftwerke, die es weltweit in 30 L√§ndern gibt, die Kapazit√§t zur Bereitstellung von etwa 370 Gigawatt elektrischer Leistung, woraus ein Anteil von 15 % der gesamten elektrischen Energie weltweit gewonnen wird (Stand: 2009).[2]

Thermische Neutronen und der Moderator

Ein Brennstab und Uranoxid-Pellets, der Brennstoff der meisten Leistungsreaktoren

Der Spaltquerschnitt beispielsweise des Isotops 235U nimmt mit abnehmender Energie und damit gleichbedeutend mit abnehmender Geschwindigkeit des Neutrons zu. Je langsamer das Neutron ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass es von einem Uran-235-Kern absorbiert wird und dieser sich anschlie√üend spaltet. Daher bremst man in einem Kernreaktor die schnellen Neutronen aus der Kernspaltung mittels eines Moderators ab. Dies ist ein Material wie etwa Graphit, schweres oder normales Wasser, das leichte Atomkerne (kleinere Massenzahl) enth√§lt und einen sehr niedrigen Absorptionsquerschnitt f√ľr Neutronen hat. Die erste Eigenschaft f√ľhrt dazu, dass die Neutronen durch St√∂√üe mit diesen Atomkernen m√∂glichst stark abgebremst werden. Die zweite Eigenschaft hat zur Folge, dass die Neutronen nicht schon im Moderator absorbiert werden und somit der Kettenreaktion weiter zur Verf√ľgung stehen. Die Neutronen k√∂nnen bis herunter auf die Geschwindigkeiten der Kerne des Moderators abgebremst werden; deren durchschnittliche Geschwindigkeit ist nach der Theorie der Brownschen Bewegung durch die Temperatur des Moderators gegeben. Es findet also eine Thermalisierung statt. Man spricht daher nicht von abgebremsten, sondern von thermischen Neutronen, denn die Neutronen besitzen anschlie√üend eine √§hnliche thermische Energieverteilung wie die der Molek√ľle des Moderators. Ein Reaktor, der zur Kernspaltung thermische Neutronen verwendet, wird dementsprechend als ‚ÄěThermischer Reaktor‚Äú bezeichnet. Im Gegensatz dazu nutzt ein ‚Äěschneller‚Äú Reaktor die nicht abgebremsten, schnellen Neutronen zur Spaltung (daher die Bezeichnung ‚ÄěSchneller Br√ľter‚Äú).

Einleitung und Steuerung der Kettenreaktion

→ Hauptartikel: Kritikalität

Im abgeschalteten Zustand ist der Reaktor unterkritisch. Einige freie Neutronen sind stets im Reaktor vorhanden, freigesetzt beispielsweise durch Spontanspaltung von Atomkernen des Kernbrennstoffs. L√∂st eines dieser Neutronen jetzt eine Spaltungs-Kettenreaktion aus, so erlischt diese schnell wieder. Zum ‚ÄěAnfahren‚Äú des Reaktors wird Neutronen absorbierendes Material (die Steuerst√§be) unter st√§ndiger Messung des Neutronenflusses mehr oder weniger weit aus dem Reaktorkern heraus gezogen, bis leichte √úberkritikalit√§t, also eine selbsterhaltende Kettenreaktion mit allm√§hlich zunehmender Reaktionsrate erreicht ist. Neutronenfluss und W√§rmeleistung des Reaktors sind proportional der Reaktionsrate und steigen daher mit ihr an. Mittels der Steuerst√§be wird der Neutronenfluss auf das jeweils gew√ľnschte Fluss- oder Leistungsniveau im gerade kritischen Zustand eingeregelt und konstant gehalten; der Multiplikationsfaktor k ist dann gleich 1,0. Etwaige √Ąnderungen von k durch Temperaturanstieg oder andere Einfl√ľsse werden durch Verstellen der Steuerst√§be ausgeglichen. Dies geschieht bei praktisch allen Reaktoren durch eine automatische Steuerung, die auf den gemessenen Neutronenfluss reagiert.

Der Multiplikationsfaktor 1,0 bedeutet, dass durchschnittlich gerade eines der pro Kernspaltung freiwerdenden Neutronen eine weitere Kernspaltung ausl√∂st. Alle √ľbrigen Neutronen werden entweder absorbiert ‚Äď teils unvermeidlich im Strukturmaterial (Stahl usw.) und in nicht spaltbaren Brennstoffbestandteilen, teils im Absorbermaterial der Steuerst√§be, meist Bor oder Cadmium ‚Äď oder entweichen aus dem Reaktor nach au√üen (‚ÄěLeckage‚Äú).

Zum Verringern der Leistung und zum Abschalten des Reaktors werden die Steuerstäbe hinein gefahren, wodurch er wieder unterkritisch wird, der Multiplikationsfaktor sinkt auf Werte unter 1,0; die Kettenreaktion endet.

Ein prompt (schnell) √ľberkritischer Reaktor ist nicht mehr regelbar, und es kann zu schweren Unf√§llen kommen, denn der Neutronenfluss und damit die W√§rmeleistung des Reaktors steigt exponentiell mit einer Verdoppelungszeit im Bereich von 10‚ąí4 Sekunden an. Bei wassermoderierten Reaktoren kommt es dabei zur Verdampfung des Moderators. Da dieser notwendig ist, um die Kettenreaktion aufrechtzuerhalten, kehrt der Reaktor ‚Äď sofern nur das Wasser verdampft, aber die r√§umliche Anordnung des Brennstoffs noch erhalten geblieben ist ‚Äď in den unterkritischen Bereich zur√ľck. Dieses Verhalten hei√üt eigenstabil.

Dieses Verhalten gilt beispielsweise nicht f√ľr graphitmoderierte Reaktortypen, da Graphit bei zunehmender Temperatur seine moderierenden Eigenschaften beh√§lt. Ger√§t ein solcher Reaktor in den prompt √ľberkritischen Bereich, so kommt die Kettenreaktion nicht zum Erliegen und binnen Sekundenbruchteilen f√ľhrt dies zur √úberhitzung und Zerst√∂rung des Reaktors. Schlagartig verdampfende Fl√ľssigkeiten, Metalle und der brennende Graphit k√∂nnen dabei zu weitr√§umiger Verteilung des radioaktiven Inventars f√ľhren, wie in der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl geschehen. Dieses Verhalten bezeichnet man als nicht eigenstabil oder labil.

Die automatische Unterbrechung der Kettenreaktion bei wassermoderierten Reaktoren ist, anders als gelegentlich behauptet, kein Garant daf√ľr, dass es nicht zu einer Kernschmelze kommt, da die Nachzerfallsw√§rme bei Versagen aktiver K√ľhlsysteme ausreicht, um diese herbeizuf√ľhren. Aus diesem Grunde sind die K√ľhlsysteme redundant und diversit√§r ausgelegt. Eine Kernschmelze wird als Auslegungsst√∂rfall bei der Planung von Kernkraftwerken ber√ľcksichtigt und ist prinzipiell beherrschbar. Wegen der ver√§nderten geometrischen Anordnung ist erneute Kritikalit√§t allerdings nicht grunds√§tzlich auszuschlie√üen.

Nachzerfallswärme

Wird ein Reaktor abgeschaltet, so wird durch den radioaktiven Zerfall der Spaltprodukte weiterhin W√§rme produziert. Die Leistung dieser so genannten Nachzerfallsw√§rme entspricht anf√§nglich etwa 5‚Äď10 % der thermischen Leistung des Reaktors im Normalbetrieb und klingt in einem Zeitraum von einigen Tagen mehrheitlich ab. H√§ufig wird daf√ľr der Begriff ‚ÄěRestw√§rme‚Äú verwendet, welcher aber irref√ľhrend ist, weil es sich nicht um die verbleibende aktuelle Hitze des Reaktorkerns handelt, sondern um zus√§tzliche Energie, die durch weiterlaufende Zerfallsreaktionen frei wird.

Um die Nachzerfallsw√§rme in Notf√§llen (bei ausgefallenem Hauptk√ľhlsystem) sicher abf√ľhren zu k√∂nnen, besitzen alle Kernkraftwerke ein aufw√§ndiges Not- und Nachk√ľhlsystem. Sollte jedoch der Fall eintreten, dass auch diese Systeme versagen, kann es durch die steigenden Temperaturen zu einer Kernschmelze kommen, bei der Strukturteile des Reaktorkerns und unter Umst√§nden Teile des Kernbrennstoffs schmelzen.

Siehe auch: Kernspaltung

Kernschmelze

‚Üí Hauptartikel: Kernschmelze

Wenn Brennst√§be niederschmelzen und dadurch eine Zusammenballung von Brennstoff entsteht, nimmt der Multiplikationsfaktor zu, und es kann zu einer schnellen unkontrollierten Aufheizung kommen. Um diesen Prozess zu verhindern oder wenigstens zu verz√∂gern, werden in einigen Reaktoren die im Reaktorkern verarbeiteten Materialien so gew√§hlt, dass ihr Neutronen-Absorptionsverm√∂gen mit steigender Temperatur anw√§chst, die Reaktivit√§t also abnimmt. Der Fall der Kernschmelze wird als gr√∂√üter anzunehmender Unfall (GAU) betrachtet, also als der schwerste Unfall, der bei der Auslegung der Anlage in Betracht zu ziehen ist und dem sie ohne Sch√§den f√ľr die Umgebung standhalten muss. Solch ein Unfall ereignete sich beispielsweise im Kernkraftwerk Three Mile Island.

Den schlimmsten Fall, dass zum Beispiel das Reaktorgeb√§ude nicht standh√§lt und eine gr√∂√üere, die zul√§ssigen Grenzwerte weit √ľberschreitende Menge radioaktiver Stoffe austritt, bezeichnet man als Super-GAU. Dies geschah zum Beispiel 1986 bei der Katastrophe von Tschernobyl.

Als inh√§rent sicher gelten daher beim derzeitigen Stand der Technik nur bestimmte Hochtemperaturreaktoren geringerer Leistungsdichte, bei denen eine Kernschmelze prinzipbedingt unm√∂glich ist. Die Leistungsdichte wird in MW/m¬≥ angegeben, also in Megawatt thermischer Leistung pro Kubikmeter Reaktorkern. Diese Angabe erlaubt eine Aussage dar√ľber, welche technischen Vorsorgen getroffen werden m√ľssen, um im Falle von St√∂rungen oder Schnellabschaltungen die anfallende Nachzerfallsw√§rme abzuf√ľhren.

Typische Leistungsdichten sind: f√ľr gasgek√ľhlte Hochtemperaturreaktoren 6 MW/m¬≥, f√ľr Siedewasserreaktoren 50 MW/m¬≥ und f√ľr Druckwasserreaktoren 100 MW/m¬≥.

Der Europ√§ische Druckwasserreaktor (EPR) hat unterhalb des Druckbeh√§lters zur Sicherheit f√ľr den Fall einer Kernschmelze ein besonders geformtes Keramikbecken, den Core-Catcher. In diesem soll das geschmolzene Material des Reaktorkerns aufgefangen und durch eine spezielle K√ľhlung abgek√ľhlt werden.

Reaktortypen

Die ersten Versuchsreaktoren waren simple Aufschichtungen von spaltbarem Material. Ein Beispiel daf√ľr ist der Reaktor Chicago Pile, in dem die erste kontrollierte Kernspaltung stattfand. Moderne Reaktoren werden nach der Art der K√ľhlung, der Moderation, des verwendeten Brennstoffs und der Bauweise unterteilt.

Leichtwasserreaktor

Mit normalem, leichtem Wasser moderierte Reaktionen finden im Leichtwasserreaktor statt, der als Siedewasserreaktor oder Druckwasserreaktor ausgelegt sein kann. Eine Weiterentwicklung des Vor-Konvoi, Konvoi und des N4 ist der Europäische Druckwasserreaktor (EPR). Ein russischer Druckwasserreaktor ist der WWER. Leichtwasserreaktoren benötigen angereichertes Uran, Plutonium oder Mischoxide (MOX) als Brennstoff. Ein Leichtwasserreaktor war auch der Naturreaktor Oklo.

Schwerwasserreaktor

Mit schwerem Wasser moderierte Schwerwasserreaktoren erfordern eine gro√üe Menge des teuren schweren Wassers, k√∂nnen aber mit nat√ľrlichem, nicht angereicherten Uran betrieben werden. Der bekannteste Vertreter dieses Typs ist der in Kanada entwickelte CANDU-Reaktor.

Graphitreaktor

Gasgek√ľhlte, graphitmoderierte Reaktoren wurden bereits in den 1950er-Jahren entwickelt, zun√§chst prim√§r f√ľr milit√§rische Zwecke (Plutoniumproduktion). Sie sind die √§ltesten kommerziell genutzten Kernreaktoren; das K√ľhlmittel ist in diesem Fall Kohlenstoffdioxid. In Gro√übritannien sind (2011) noch eine Reihe dieser Anlagen in Betrieb.[3] Wegen der aus einer Magnesiumlegierung hergestellten Brennstabh√ľlle hei√üt dieser Reaktortyp Magnox-Reaktor. √Ąhnliche Anlagen wurden auch in Frankreich betrieben, sind aber inzwischen alle abgeschaltet.

Ein Nachfolger der Magnox-Reaktoren ist der in Gro√übritannien entwickelte Advanced Gas-cooled Reactor. Im Unterschied zu den Magnox-Reaktoren verwendet er jedoch leicht angereichertes Urandioxid statt Uranmetall als Brennstoff. Dies erm√∂glicht h√∂here Leistungsdichten und K√ľhlmittelaustrittstemperaturen und damit einen besseren thermischen Wirkungsgrad.

Hochtemperaturreaktoren nutzen ebenfalls Graphit als Moderator, als K√ľhlmittel wird Helium-Gas verwendet. Eine m√∂gliche Bauform des Hochtemperaturreaktors ist der Kugelhaufenreaktor, bei dem der Brennstoff vollst√§ndig in Graphit eingeschlossen ist. Dieser Reaktortyp gilt als einer der sichersten, da hier selbst bei einem Versagen der Not- und Nachk√ľhlsysteme eine Kernschmelze aufgrund des hohen Schmelzpunktes des Graphits unm√∂glich ist. Eine Reihe praktischer Probleme hat die kommerzielle Umsetzung des Konzepts jedoch mehrfach misslingen lassen.

Die sowjetischen Reaktoren vom Typ RBMK nutzen ebenfalls Graphit als Moderator, jedoch leichtes Wasser als K√ľhlmittel. Hier liegt der Graphit in Bl√∂cken vor, durch die hunderte bis tausende (abh√§ngig von der Leistung des Reaktors) Kan√§le gebohrt sind, in denen sich Druckr√∂hren mit den Brennelementen und der Wasserk√ľhlung befinden. Dieser Reaktortyp ist einerseits tr√§ge (was viel Zeit zum Regeln ben√∂tigt), andererseits aber unsicherer als andere Typen, da ein K√ľhlmittelverlust hier nicht Moderatorverlust bedeutet, also nicht die Reaktivit√§t verringert, und die Menge an brennbarem Graphit sehr gro√ü ist. Die Reaktorbl√∂cke in Tschernobyl waren von diesem Typ.

Brutreaktor

Weiterhin gibt es Brutreaktoren (Schnelle Br√ľter), in denen zus√§tzlich zur Energiefreisetzung 238U so in 239Pu umgewandelt wird, so dass mehr neues Spaltmaterial entsteht als zugleich verbraucht wird. Diese Technologie ist (auch sicherheitstechnisch) anspruchsvoller als die der anderen Typen. Ihr Vorteil ist, dass mit ihr die Uranvorr√§te der Erde um ein Vielfaches besser ausgenutzt werden k√∂nnen als wenn nur das 235U ‚Äěverbrannt‚Äú wird. Brutreaktoren arbeiten mit schnellen Neutronen und verwenden fl√ľssiges Metall wie beispielsweise Natrium als K√ľhlmittel.

Kleinere, nicht br√ľtende Reaktoren mit Fl√ľssigmetallk√ľhlung (Blei-Bismut-Legierung) wurden in sowjetischen U-Booten eingesetzt.

Sondertypen

Es gibt weiterhin einige Sondertypen f√ľr spezielle Anwendungen. So wurden kleine Reaktoren mit hochangereichertem Brennstoff f√ľr die Stromversorgung von Raumflugk√∂rpern konstruiert, die ohne fl√ľssiges K√ľhlmittel auskommen. Diese Reaktoren sind nicht mit den Isotopenbatterien zu verwechseln. Auch luftgek√ľhlte Reaktoren, die stets hochangereicherten Brennstoff erfordern, wurden gebaut, zum Beispiel f√ľr physikalische Versuche im BREN-Tower in Nevada. Es wurden Reaktoren f√ľr den Antrieb von Raumfahrzeugen konstruiert, bei denen fl√ľssiger Wasserstoff zur K√ľhlung des Brennstoffes dient. Allerdings kamen diese Arbeiten √ľber Bodentests nicht hinaus (Projekt NERVA, Projekt Timberwind). Ebenfalls nicht √ľber das Versuchsstadium hinaus kamen Reaktoren, bei denen der Brennstoff in gasf√∂rmiger Form vorliegt (Gaskernreaktor). Der Fl√ľssigsalzreaktor nutzt ein geschmolzenes Uransalz, meist Uranhexafluorid (UF6) oder Urantetrafluorid (UF4), als Brennstoff und W√§rmetr√§ger und Graphit als Moderator. Diese Reaktoren wurden unter anderem in den USA in den 1960er-Jahren zum Antrieb von Flugzeugen entwickelt.

Derzeit wird weltweit aktiv an neuen Reaktorkonzepten gearbeitet, den Generation IV-Konzepten, insbesondere mit Blick auf den erwarteten wachsenden Energiebedarf. Diese sollen nach der Vorstellung des U.S. Department of Energy ab 2030 zum Einsatz kommen.

Ein weiterer, zur Zeit noch im Experimentalstadium befindlicher, Reaktortyp ist der Laufwellen-Reaktor. Dieses Konzept verspricht, sofern die Umsetzung gelingen sollte, eine vielfach effizientere Nutzung des Kernbrennstoffs sowie die massive Reduzierung der Problematik des radioaktiven Abfalls, da ein Laufwellen-Reaktor mit radioaktivem Abfall betrieben werden k√∂nnte und diesen dabei systematisch aufbrauchen w√ľrde.

Nat√ľrlicher Kernreaktor

Eine Kernspaltungs-Kettenreaktion kann nicht nur durch komplexe technische Systeme erreicht werden, sondern kam unter bestimmten, wenn auch seltenen, Umst√§nden auch in der Natur vor. 1972 entdeckten franz√∂sische Forscher in der Region Oklo des westafrikanischen Landes Gabun die √úberreste des nat√ľrlichen Kernreaktors Oklo, der vor ca. zwei Milliarden Jahren, im Proterozoikum, durch Naturvorg√§nge entstanden war. Insgesamt wurden bisher in Oklo und einer benachbarten Uranlagerst√§tte Beweise f√ľr fr√ľhere Spaltungsreaktionen an 17 Stellen gefunden.

Eine Voraussetzung f√ľr das Zustandekommen der nat√ľrlich abgelaufenen Spaltungs-Kettenreaktionen war der im Erdaltertum sehr viel h√∂here nat√ľrliche Anteil an spaltbarem 235U im Uran, er betrug damals ca. 3 %. Auf Grund der k√ľrzeren Halbwertszeit von 235U gegen√ľber 238U betr√§gt der nat√ľrliche Gehalt von 235U im Uran derzeit nur noch etwa 0,7 %. Bei diesem geringen Gehalt an spaltbarem Material k√∂nnen neue kritische Spaltungs-Kettenreaktionen auf der Erde nicht mehr nat√ľrlich vorkommen.

Ausgangspunkt f√ľr die Entdeckung des Oklo-Reaktors war die Beobachtung, dass das Uranerz aus der Oklo-Mine einen geringf√ľgig kleineren Gehalt des Isotops Uran-235 als erwartet aufwies. Die Wissenschaftler bestimmten daraufhin die Mengen verschiedener Edelgasisotope, die in einer Materialprobe der Oklo-Mine eingeschlossenen waren, mit einem Massenspektrometer. Aus der Verteilung der verschiedenen bei der Uranspaltung entstehenden Xenonisotope in der Probe ergab sich, dass die Reaktion in Pulsen abgelaufen ist. Der urspr√ľngliche Urangehalt des Gesteins f√ľhrte mit der Moderatorwirkung des in den Spalten des Urangesteins vorhandenen Wassers zur Kritikalit√§t. Die dadurch freigesetzte W√§rme im Urangestein erhitzte das Wasser in den Spalten, bis es schlie√ülich verdampfte und nach Art eines Geysirs entwich. Infolgedessen konnte das Wasser nicht mehr als Moderator wirken, so dass die Kernreaktion zum Erliegen kam (Ruhephase). Daraufhin sank die Temperatur wieder ab, so dass frisches Wasser einsickern und die Spalten wieder auff√ľllen konnte. Dies schuf die Voraussetzung f√ľr erneute Kritikalit√§t, und der Zyklus konnte von vorne beginnen. Berechnungen zeigen, dass auf die etwa 30 Minuten dauernde aktive Phase (Leistungserzeugung) eine Ruhephase folgte, die mehr als zwei Stunden anhielt. Auf diese Weise wurde die nat√ľrliche Kernspaltung f√ľr etwa 500.000 Jahre in Gang gehalten, wobei √ľber 5 Tonnen Uran-235 verbraucht wurden. Die Leistung des Reaktors lag bei im Vergleich zu den heutigen Megawatt-Reaktoren geringen 100 Kilowatt.

Bedeutsam ist der Naturreaktor von Oklo auch f√ľr die Beurteilung der Sicherheit von Endlagerungen f√ľr Radionuklide (‚ÄěAtomm√ľll‚Äú). Die dort beobachtete sehr geringe Migration der Spaltprodukte und des erbr√ľteten Plutoniums √ľber Milliarden Jahre hinweg lassen den Schluss zu, dass atomare Endlager existieren k√∂nnen, die √ľber lange Zeitr√§ume hinreichend sicher sind.

Anwendungen

Die meisten Kernreaktoren dienen der Erzeugung von elektrischer (selten: nur thermischer) Energie in Kernkraftwerken. Daneben werden Kernreaktoren auch zur Erzeugung von Radionukliden zum Beispiel f√ľr die Nutzung in Radioisotopengeneratoren oder in der Nuklearmedizin verwendet. Dabei werden die gesuchten Nuklide entweder aus dem abgebrannten Brennstoff extrahiert oder gezielt erzeugt, indem stabile Isotope der gleichen Elemente der im Kernreaktor herrschenden Neutronenstrahlung ausgesetzt werden (siehe Kernreaktion, Neutronenanlagerung). Theoretisch k√∂nnte man in einem Reaktor auch Gold herstellen (Goldsynthese), was allerdings sehr unwirtschaftlich w√§re.

Die wichtigste im Reaktor durchgef√ľhrte Reaktion zur Stoffumwandlung ist neben der Erzeugung von Spaltprodukten die Erzeugung (Erbr√ľtung genannt) von Plutonium-239 aus Uran-238, dem h√§ufigsten Uranisotop. Weiterhin dienen Kernreaktoren als intensive regulierbare Neutronenquelle f√ľr physikalische Untersuchungen aller Art. Eine weitere Anwendung von Kernreaktoren ist der Antrieb von Fahrzeugen (Kernenergieantrieb) und die Energieversorgung von manchen Raumflugk√∂rpern. Solche Reaktoren sind nicht mit den Isotopenbatterien zu verwechseln.

Sicherheit und Politik

Das von Kernreaktoren ausgehende Gefahrenpotenzial sowie die bislang ungel√∂ste Frage der Lagerung der anfallenden radioaktiven Abf√§lle haben nach Jahren der Euphorie seit den 1970er Jahren in vielen L√§ndern zu Protesten von Atomkraftgegnern und zu einer Neubewertung der Kernenergie gef√ľhrt. W√§hrend in den 1990er Jahren vor allem in Deutschland der Ausstieg aus der Kernenergie propagiert wurde, fand etwa 2000 bis 2010 vor dem Hintergrund der verblassenden Erinnerungen an die Risiken (die Katastrophe von Tschernobyl liegt nun schon √ľber 20 Jahre zur√ľck) ein Versuch statt, die Atomkraft wieder gesellschaftsf√§hig zu machen. Anlass ist die durch internationale Vertr√§ge geforderte Reduktion des CO2-Aussto√ües bei der Verbrennung fossiler Energietr√§ger. Dem steht ein wachsender Energiebedarf aufstrebender Volkswirtschaften wie etwa China gegen√ľber.

Aus diesen Gr√ľnden entschlossen sich einige europ√§ische Staaten, in neue Kernkraftwerke zu investieren. So bauen der deutsche Konzern Siemens und die franz√∂sische Gruppe Areva einen Druckwasserreaktor vom Typ EPR im finnischen Olkiluoto, der 2013 ans Netz gehen soll. Russland will seine alten und teilweise maroden Kernkraftwerke erneuern und mindestens zehn Jahre lang pro Jahr einen neuen Reaktorbau beginnen. In Frankreich wird ebenfalls √ľber den Neubau eines Reaktors verhandelt. Schweden stoppte seine Pl√§ne zum Atomausstieg. Daneben gibt es kleinere und gr√∂√üere Neubauprojekte im Iran, der Volksrepublik China, Indien, Nordkorea, T√ľrkei und anderen Staaten. (Hauptartikel: Kernenergie nach L√§ndern)

Die atomaren Unf√§lle in den japanischen Kraftwerken Fukushima-Daiichi und Tokai in der Folge des Magnitude-9-Erdbebens vom 11. M√§rz 2011 brachten hierzu fast √ľberall neue √úberlegungen in Gang.

Die Lebensdauer von Kernreaktoren ist nicht unbegrenzt. Besonders der Reaktordruckbeh√§lter ist st√§ndiger Neutronenstrahlung ausgesetzt, die zur Verspr√∂dung des Materials f√ľhrt. Wie schnell das geschieht, h√§ngt unter anderem davon ab, wie die Brennelemente im Reaktor angeordnet sind und welchen Abstand sie zum Reaktordruckbeh√§lter haben. Die Kernkraftwerke Stade und Obrigheim wurden auch deshalb als erste vom Netz genommen, weil hier dieser Abstand geringer war als bei anderen, neueren Kernreaktoren. Zurzeit versuchen die Betreiber von Kernkraftwerken, durch eine geschickte Beladung mit Brennelementen und zus√§tzliche Moderatorst√§be die Neutronenbelastung des Reaktordruckbeh√§lters zu reduzieren. Unter anderem das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf erforscht diese Problematik.[4]

Siehe auch

Literatur

  • A. P. Meshik et al.: Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon. Phys. Rev. Lett. 93, 182302 (2004)

Weblinks

Wiktionary Wiktionary: Kernreaktor ‚Äď Bedeutungserkl√§rungen, Wortherkunft, Synonyme, √úbersetzungen
 Commons: Kernreaktoren ‚Äď Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Commons: Schemazeichnungen von Kernreaktoren ‚Äď Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ Atom-Euphorie in den 1950ern; mehr dazu siehe Kernenergie nach L√§ndern#Geschichte
  2. ‚ÜĎ Gerstner, E.: Nuclear energy: The hybrid returns. In: Nature. 460, 2009, S. 25. doi:10.1038/460025a
  3. ‚ÜĎ Meldung vom 10. Februar 2011
  4. ‚ÜĎ Presseinformation aus dem FZD vom 9. August 2010

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Synonyme:

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  • Kernreaktor ‚ÄĒ KeŐ£rn|re|ak|tor ‚Ć©m.; Gen.: s, Pl.: en‚Ć™ Anlage, in der die kontrollierte Kernspaltung von Atomen zur Erzeugung von W√§rmeenergie u. damit zur Gewinnung von Dampf f√ľr den Antrieb elektr. Generatoren genutzt wird; Syn. Atomkraftwerk, Atommeiler,… ‚Ķ   Lexikalische Deutsches W√∂rterbuch

  • Kernreaktor ‚ÄĒ Kern|re|ak|tor der; s, en: svw. ‚ÜĎReaktor ‚Ķ   Das gro√üe Fremdw√∂rterbuch

  • Kernreaktor ‚ÄĒ KeŐ£rn|re|ak|tor ‚Ķ   Die deutsche Rechtschreibung

  • Kernreaktor: Kernspaltung als Kettenreaktion ‚ÄĒ ¬† Im Jahre 1938 entdeckten Otto Hahn und Fritz Stra√ümann, dass Urankerne von langsamen Neutronen gespalten werden k√∂nnen. Lise Meitner erkl√§rte den Vorgang 1939 theoretisch. Sie stellte fest, dass bei der Spaltung (¬ĽFission¬ę) weitere Neutronen… ‚Ķ   Universal-Lexikon


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