KERNREAKTOREN. Ökologie in Frage und Antwort 1 H.Dirks Xe(non) ,3d 88 Kr h

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1 Ökologie in Frage und Antwort 1 H.Dirks KERNREAKTOREN Was ist ein Isotop? Die Protonenzahl eines Elementes charakterisiert seine chemischen Eigenschaften. Die Neutronenzahl kann dagegen verschieden groß sein. Zur vollständigen Charakterisierung der Atomsorte (des Isotops ) muß man daher entweder auch die Neutronenzahl oder die Gesamtzahl der Nukleonen (Oberbegriff für Protonen und Neutronen) angeben. Was bedeutet die Schreibweise 235 U? Bedeutung für die Kerntechnik? 235 U bezeichnet ein Uranisotop mit insgesamt 235 Nukleonen im Kern,das durch langsame Neutronen gespalten werden kann. Die Bruchstücke des Kerns und die freiwerdenden Neutronen fliegen mit großer Geschwindigkeit auseinander. Ein Kilogramm 235 U setzt bei der Spaltung soviel Energie frei, wie 2500 t Öl beim Verbrennen. Was ist der Haken an der Sache? Die entstehenden Spaltprodukte sind hochgradig radioaktiv. Ihren Zerfall kann man auf chemische Weise weder verhindern noch beschleunigen. Sie bilden daher z.t. über Jahrtausende hinweg eine Gefahr für die Biosphäre. Welche vier Arten von radioaktiver Strahlung gibt es? Charakterisierung? α - Strahlen bestehen aus Heliumkernen und besitzen eine große Energie, die sie im Körper schon auf einer Strecke von 0,1mm abgeben. α-strahler sind daher besonders gefährlich, aber nur, wenn sie in den Körper gelangen ( inkorporiert werden ). Außerhalb des Körpers sind sie ungefährlich, weil α - Strahlen schon durch 0,1mm Haut vollständig absorbiert werden. β - Strahlen sind schnelle Elektronen. Im Körper geben sie ihre Energie auf einer Strecke von wenigen mm ab; durch die Haut werden sie vollständig absorbiert. Daher sind β - Strahler ebenfalls nur gefährlich, wenn sie inkorporiert werden. γ - Strahlen sind energiereiche Röntgenstrahlen, die den Körper vollständig durchdringen und daher nur wenig Energie im Körper abgeben. γ-strahler sind daher zwar auch außerhalb des Körpers gefährlich, die Gefahr ist aber im Vergleich zu den beiden anderen Strahlenarten geringer. Neutronen dringen in den Körper ein und erleiden dort einen β - Zerfall. Neutronenstrahler sind daher auch außerhalb des Körpers gefährlich. Wie kann man die Radioaktivität eines Materials charakterisieren? Man gibt an, wieviele Zerfallsprozesse pro Sekunde in dem betrachteten Material stattfinden. Diese Zerfallsrate nennt man Aktivität und gibt sie in Becquerel (Bq) an: 1 Bq = 1 Zerfall/Sekunde. Man gibt die Halbwertszeit des Materials an: das ist die Zeit, nach der die Hälfte der radioaktiven Atome zerfallen ist. Aktivitäten A (in Bq) und Halbwertszeiten t 1/2 (Angabe in Stunden [h] Tagen [d] oder Jahren [a]) einiger in einem typischen 1500 MW - Reaktor vorhandenen Spaltprodukte. Name Aktivität Halbwertszeit Name Aktivität Halbwertszeit 85 Kr(ypton) 329 9,4a 133 Xe(non) ,3d 88 Kr h 134 Cs (Caesium) 510 2,3a 89 Sr (Strontium) ,5d 137 Cs a 90 Sr a 140 Ba(rium) ,8d 95 Zr (Zirkonium) d 144 Cer d 103 Ru(thenium) d 238 Pu (Plutonium) 5 92a 106 Ru a 239 Pu a 131 I(od) d 241 Pu a

2 Ökologie in Frage und Antwort 2 H.Dirks In welcher Einheit mißt man die von einem Organ aufgenommene Strahlungsmenge? Man berechnet zunächst die Energie, die von dem Organ aufgenommen wurde und dividiert diese durch die Masse des Organs. Das Ergebnis multipliziert man mit einem Risikofaktor q, der von der Strahlungsart abhängt. Dabei erhalten β-und γ-strahlen den Wert eins zugeordnet; bei Neutronen ist (je nach Energie) q = , bei α - Teilchen ist q < 20. Der so erhaltene Wert ist die Äquivalentdosis und wird in Sievert (Sv) angegeben. Welche Strahlendosis bekommt man im gewöhnlichen Leben pro Jahr durchschnittlich ab? Durch den Zerfall der natürlichen radioaktiven Stoffe im Körper (z.b. 40K): 0,3 msv Durch Strahlung aus Erdboden (z.b. Radon) 0,5 msv Durch Höhenstrahlung aus dem Weltall (im Flachland) 0,3 msv Durch radioaktive Strahlung aus Baumaterialien (z.b. Beton) 0,2...1,3 msv Bei einer Flugreise nach USA ca. 20 µsv Röntgenuntersuchung des Brustkorbes ca. 0,5 msv Urlaub in den Bergen (Höhenstrahlung!),3 Wochen über 2000m Höhe: 0,02 msv Kettenraucher ( 210 Pb (Blei) und 210 Po(lonium) im Tabakrauch), Lungendosis 8 msv Die normale Strahlenbelastung beträgt also pro Jahr bei gesunden Nichtrauchern ca. 2 msv. Welche Folgen hat eine einmalige Ganzkörperbestrahlung? msv Verdoppelung der Mutationsrate (bei Bestrahlung der Keimzellen) 1 Sv Strahlenkrankheit: wunder Hals, punktförmige Blutungen, Durchfall, nach ca. 2 Wochen Haarausfall. Erholung ohne Komplikationen Sv Erbrechen innerhalb 24 Stunden, starke Strahlenkrankheit. Ohne medizinische Intensivbetreuung sterben 50% der Betroffenen innerhalb eines Monats Sv Erbrechen innerhalb Stunden; sehr schwere Strahlenkrankheit und nahezu 100% Sterblichkeit ohne medizinische Intensivversorgung. Einzelne Organe halten sehr viel mehr aus, das Gehirn z.b. um die 20 Sv! Welche Spätfolgen hat die radioaktive Bestrahlung? Radioaktive Strahlung verursacht Krebs, da sie Mutationen hervorruft. Besonders berüchtigt ist der Lungenkrebs nach Einatmen von Plutoniumpartikeln (ab 1µg erhöhte Lungenkrebsrate nachweisbar), Schilddrüsenkrebs durch radioaktives Jod und Leukämie (Krebs des blutbildenden Systems) durch 90 Sr, das sich im Knochen anreichert und das Knochenmark bestrahlt. Was versteht man unter biologischer Halbwertszeit? Konsequenzen? Radioaktive Stoffe werden je nach ihrer chemischen Natur verschieden schnell wieder ausgeschieden: Caesium wird anstelle des Kaliums in die Zellflüssigkeit eingeschleust und wieder ausgeschieden. Nach einmaliger Inkorporation verläßt daher die Hälfte des Caesiums innerhalb der biologischen Halbwertszeit von 140 Tagen den Körper wieder. Strontium wird anstelle des Calciums in die Knochen eingebaut. Hier dauert es zehn Jahre, bis die Hälfte des Strontiums im Zuge des permanenten Knochenumbaus den Körper wieder verlassen hat.

3 Ökologie in Frage und Antwort 3 H.Dirks Wie läuft die Kernspaltung im Detail ab? Ein 235 U - Atom wird von einem langsamen Neutron getroffen und spaltet sich in zwei Kernbruchstücke und ca. 3 Neutronen. Diese sind für eine effektive Kernspaltung noch zu schnell und müssen daher erst moderiert werden. Dafür eignet sich Wasser als Moderator : durch Stöße mit den Protonen des Wassers werden die Neutronen ausreichend abgebremst, um die Kettenreaktion aufrechterhalten zu können. Was ist der Unterschied zwischen prompten Neutronen und verzögerten Neutronen? Das Spalten des Kerns dauert s. Dabei werden auch die prompten Neutronen herausgeschleudert. Die Kernbruchstücke geben danach om Laufe von ca. einer Minute weitere Neutronen ab, die verzögerten Neutronen. Warum sind die verzögerten Neutronen so wichtig? Der Reaktor wird so geregelt, dass die Kernspaltungsrate konstant bleibt. Abweichungen werden durch Einschieben von neutronenabsorbierenden Steuerstäben ausgeglichen. Ohne die verzögerten Neutronen müssten diese viel zu schnell reagieren. Ein Reaktor, der bereits mit den prompten Neutronen allein eine Kettenreaktion aufrechterhalten kann, fliegt in die Luft. Was ist ein Brennelement? Uranoxidtabletten (Durchmesser ca. 1cm) werden in 3,9m lange gasdichten Röhren, die Brennstäbe aus Zirkalloy (das keine Neutronen absorbiert und erst bei 1800 C schmilzt) gefüllt, von denen wiederum je 236 Stück ein Brennelement darstellen. Der Reaktorkern ( Core ) besteht dann z.b. aus 193 dieser Brennelemente. Wie kommt die Energie aus dem Uran in den Generator (Beispiel: Biblis)? Im Druckwasserreaktor 1 steht das Wasser unter einem Druck von 155 bar, Turbine so daß sich trotz einer Temperatur von 320 C kein Dampf bilden kann (daher Druckwasserreaktor ). Das erhitzte Wasser wird von der Hauptkühlmittelpumpe 3 durch vier identische Wärmetauscher, die Dampferzeuger 2 gepumpt, wo Wasser bei einem Druck von 54 bar zum Kochen gebracht wird. Dieser Dampf treibt dann die Turbinen an. Der Druckhalter 4 bildet ein Ausgleichsgefäß, ähnlich wie bei jeder Zentralheizungsanlage mit geschlossenem Kreislauf. Die Wärmeerzeugung im Reaktordruckgefäß wird über den Gehalt des Wassers an Bor (Neutronenabsorber) sowie im Notfall über Steuerstäbe geregelt, die von oben in den Reaktor eingefahren werden können

4 Ökologie in Frage und Antwort 4 H.Dirks Welche Barrieren trennen die Spaltprodukte von der Umwelt? Erste Barriere: Brennstabhüllen. Falls diese undicht werden, bildet der geschlossene Primärkreislauf die zweite Barriere. Wird dieser auch undicht, gelangt Radioaktivität ins Innere einer Hohlkugel aus 3cm dickem Stahl, dem Containment, (18), das einem Überdruck von 4,8bar standhält. Gegen Gewalteinwirkung von außen (Flugzeugabsturz...) schützt den Reaktor ein Betonmantel (20). Der Sekundärkreislauf bildet ebenfalls ein geschlossenes System. Wodurch unterscheidet sich ein Druckwasserreaktor von einem Siedewasserreaktor? Beim Siedewasserreaktor spart man sich den Sekundärkreislauf. Hier ist der Dampferzeuger in das Reaktordruckgefäß integriert. In der folgenden Abbildung ist der Siedewasserreaktor Mark 1 zu sehen, wie er z.b. in Fukushima (Block 1) installiert wurde. Zu erkennen ist das Reaktordruckgefäß, das Containment, welches den Betonmantel auskleidet und der torusförmige Kondensator, der im Störfall den Dampf aus dem Containment aufnehmen und kondensieren soll. Das Abklingbecken ist rechts neben dem Reaktordruckgefäß zu erkennen (obere Etage). Zum Größenvergleich betrachte die Person in der Schaltwarte rechts! Was unterscheidet ein Kernkraftwerk grundsätzlich von einem Kohlekraftwerk? Das radioaktive Inventar eines Kernkraftwerks ist ungleich gefährlicher, als brennende Kohle. Daher reduziert sich die gesamte Kernkraftdiskussion meist auf die Frage nach der Sicherheit der Kernreaktoren. Wie sicher sind Kernkraftwerke? Wenn sie streng nach Anweisung der Entwickler a) gebaut und b) betrieben werden, sind sie sicher. Die Voraussetzungen a) und b) sind aber in der Praxis nicht erfüllbar. Außerdem ist das Überraschungspotential bei Kernreaktoren im Vergleich zu Kohlekraftwerken noch erheblich höher. Da man sich nur gegen bekannte Risiken absichern kann, gilt hier das Wort von Wilhelm Busch: Stets findet Überraschung statt, / wo man sie nicht erwartet hat! Was bedeuten GAU, Störfall, Unfall? GAU ist die umgangssprachliche Abkürzung für Größter Anzunehmender Unfall, meist gleichgesetzt mit dem Abriß einer Hauptkühlmittelleitung am Druckbehälter. Im Vokabular der Kraftwerksbetreiber wäre dies der größte Störfall, für den die Sicherheitseinrichtungen noch ausgelegt sind. Ein Unfall im Sinne der Kraftwerksbetreiber beginnt erst beim unprogrammgemäßen Austreten von Radioaktivität aus dem Reaktorgebäude nach Versagen aller Sicherheitseinrichtungen. Dies wäre im umgangssprachlichen Gebrauch aber bereits ein Super - GAU.

5 Ökologie in Frage und Antwort 5 H.Dirks Warum könnte es zu einem Abriß einer Hauptkühlmittelleitung (GAU) kommen? Die Einmündung der Hauptkühlmittelleitung in den Druckbehälter ist ein Schwachpunkt des Primärkreislaufes : durch die permanente Neutronenbestrahlung versprödet der Stahl Vibrationen durch den hohen Wasserdurchfluß beanspruchen das Material Bei einem Druck von 155bar reißen ca. 800t an dem Rohrstutzen. Warum kann man einen Reaktor nicht einfach abschalten? Es ist zwar möglich, durch Einfahren der Steuerstäbe die Kettenreaktion schlagartig zu beenden. Die Spaltprodukte produzieren jedoch durch ihren radioaktiven Zerfall soviel Nachwärme, daß der Kern über längere Zeit gekühlt werden muß, weil es sonst zu einer Kernschmelze kommt.

6 Ökologie in Frage und Antwort 6 H.Dirks Welche Sicherheitseinrichtungen sollen bei einem GAU die Kernschmelze verhindern? Sobald eine der Hauptkühlmittelleitungen abreißt, liefert der Reaktor keinen Strom mehr, da Druck und Temperatur im Primärkreislauf sofort zusammenbrechen. Daher müssen Notstromdiesel die Energie für die Notkühlpumpen liefern, die den Kern unter Wasser halten sollen. Wie versucht man die Ausfallsicherheit der Notkühlung zu steigern? Alle Aggregate sind mehrfach vorhanden. Ein zufälliger Ausfall aller Aggregate gleichzeitig ist statistisch sehr unwahrscheinlich, falls die Aggregate untereinander hinreichend verschieden sind (z.b. von verschiedenen Herstellern stammen). Gegen diese Regel wurde in der Vergangenheit oft verstoßen: common cause - Ausfälle waren die Folge. Worauf ließen sich bis 2010 alle schweren Reaktorunfälle zurückführen? Auf menschliches Versagen: die Reaktoren wurden von der Bedienmannschaft nicht gemäß dem Betriebshandbuch bedient. Technische Probleme überforderten das Bedienungspersonal, das die Folgen seiner Handlungen falsch einschätzte. Welche Kraftwerke sind sicherer, als die derzeitigen Veteranen der II. Generation? Reaktoren der III. Generation sind auf inhärente Sicherheit ausgelegt, d.h. sie setzen auch bei vollständigem Ausfall aller Notkühlsysteme keine Radioaktivität frei. Eines dieser Konzepte ist der European Pressurized Reactor EPR, der in Olkiluoto (Finnland) gebaut wird. Er besitzt u.a. eine Auffangwanne für die Kernschmelze. Die Kühlung dieser Wanne erfolgt durch einen hochgelegenen Wassertank und reine Schwerkraft, ist also nicht auf Notstromaggregate angewiesen. Welche unvorhergesehenen Naturkatastrophen bedrohen deutsche Kernkraftwerke? Die Vulkane der Eifel sind noch aktiv (aus den Eifel - Mare blubbert CO 2 ) ; der letze verheerende Ausbruch ist erst Jahre her. Der Oberrheingraben reißt allmählich auseinander; in einigen Millionen Jahren ist Darmstadt Hafenstadt. Die damit verbundenen leichten Erdbeben können den Reaktoren nichts anhaben. Wenn sich jedoch ein überraschend schweres Beben ereignet, sind wir dran! Das letzte schwere Erdbeben der Stärke 7 (!) hat vor nur 650 Jahren die Stadt Basel verwüstet.