Kernkraftwerke & Sicherheit

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1 Kernkraftwerke & Sicherheit Prof. Dr. Sabine Prys Kernspaltungsreaktoren Kernfusionsusionsreaktor Sicherheit in KKWs Brennelemente Brennelemententsorgung Brennelementtransport Kontaminationen in 1.0 Kernreaktoren Naturreaktor in OKLO Leistungsreaktoren Siedewasserreaktoren Druckwasserreaktoren Thorium Hochtemperatur Reaktor Schneller Brüter Forschungsreaktoren Unterrichtsreaktor SUR-100 Hochflussreaktor ILL Neutronenquellen... Seite 1

2 1.1 Der OKLO Naturreaktor 1 prähistorischer, natürlicher Kernreaktor (Entdeckung 1972) Mehrere Zonen in der Uranlagerstätte Betrieb vor 2 Mrd Jahren Verminderter U-235 Gehalt im Erz Koelzer: Kernenergie Lexikon Der OKLO Naturreaktor 2 Berechnungen ergaben: Spaltung von 4 t U-235 in Oklo II, Bildung von 1 t Pu-239 Wärmemenge von 100 Mrd kwh Vergleich: MWe Reaktor liefert 30 Mrd KWh Wärme / a Koelzer: Kernenergie Lexikon Seite 2

3 1.1.2 Der OKLO Naturreaktor 3 Erforschung von Endlagerstätten: In der Gesteinsformation zurückgehaltene Spaltprodukte Aufbau eines Endlagers Siedewasserreaktor Volkmer, Basiswissen Seite 3

4 1.2.1 SWR Merkmale Bildquelle: Wikipedia Kernkraftwerk Krümmel Brennstoff: U-235 Moderator & Kühlmittel: H 2 O Reaktorkühlmittel mit Dampf abgeführt Einfacher Kreislauf zwecks Wärmetransport Kühlmittel enthält Radionuklide, Turbine Strahlenschutz KKW Krümmel technische Daten Siedewasserreaktor Volkmer, Basiswissen Seite 4

5 1.3 Druckwasserreaktor Volkmer, Basiswissen DWR Merkmale Brennstoff: U-235 Moderator & Kühlmittel: H 2 O Reaktorkühlmittel ohne Dampf abgeführt Primär und Sekundärkreis zwecks Wärmetransport Kernkraftwerk Brokdorf Seite 5

6 1.3.2 KKW Brokdorf technische Daten Druckwasserreaktor Volkmer, Basiswissen Steuerstäbe und Brennelementwechsel im DWR Gösgen 48 Steuerelemente mit jeweils 20 Steuerstäben, die in 48 der 177 Brennelemente einfahren können. Seite 6

7 1.4 Kernkraftwerk Gundremmingen Stoffbilanzen für 1 Jahr Input: 26 t angereichertes U Output: radioaktive Ableitungen aus 183 t Natururan Wasser: < 1, Bq /m 3 Luft: Edelgas < 1, Bq /a Aerosole (t 1/2 > 8d) < Bq /a I-131: < 1, Bq /a Abfall: hochaktiv 50 t; mittel u. schwach 730 t Quellen: EVS 1988 und GKN Seite 7

8 1.5.2 Stoffbilanzen für 1 Jahr Input 3,4 Mio t Steinkohle (1% S) t Kalkstein t Ammoniak Output 10 Mio t CO t SO t Staub t NO x t REA-Gips t Asche Quellen: EVS 1988 und GKN 1.6 Hochtemperaturreaktor Kugelhaufenreaktor Volkmer, Basiswissen Seite 8

9 1.6.1 THTR Merkmale Brennstoff: U-235 / U-233 Brutreaktion zur Erzeugung von spaltbarem U β (22,2 min) 233 β (26,97 ) 90Th + 0n 90Th 91Pa 232 d U Moderator: Graphitkugeln Kühlmittel: He Hohe inhärente Sicherheit Brennstoffwechsel bei laufendem Betrieb möglich Kugelhaufenreaktor Primärkreislauf He Sekundärkreislauf H2O Betriebselementkugeln Brennelementkugeln Absorberelementkugeln Moderatorelementkugeln Zylindrischer Container mit Graphitwänden (Neutronenreflektor) Seite 9

10 1.6.3 Graphitkugel Brennelemente Brennelementkugeln Kerntemperatur ~ 700 C 93 % U Th-232 UO 2 / ThO 2 Hohe Temperaturbeständigkeit Sicherung gegen Kernschmelze Kontinuierliche Entnahme und Beladung während des Betriebs möglich Träges Störfallverhalten Absorberstäbe 36 Absorberstäbe im Neutronenreflektor (Temperatur Teillastregelung Reaktorschnellabschaltung) 42 Kernstäbe im Kugelhaufen (Kaltfahren) Kühlmittel He korrosionsfrei Seite 10

11 1.6.5 THTR technische Daten Kugelhaufenreaktor Volkmer, Basiswissen Technische Daten 1 Fortsetzung Bauart Trockenkühlturm Basisdurchmesser 141 m Oberkante Seilnetzmantel 147 m Höhe der Lufteintrittsöffnung 19 m Höhe des Mastes 181 m Durchmesser des Mastes 7 m Wassermenge m³/stunde Warmwassertemperatur 38,4 C Kaltwassertemperatur 26,5 C Die Technik des THTR 300 in Zahlen, Herausgeber: Hochtemperatur-Kernkraftwerk GmbH, Hamm, 1989 Seite 11

12 1.6.7 Technische Betriebsdaten 2 Fortsetzung Technische Daten THTR-300 thermische Leistung 759,5 MW elektrische Leistung 307,5 MW Wirkungsgrad 40,49 % Mittlere Leistungsdichte 6 MW/m 3 Reaktorkern Höhe/Durchmesser 6 m / 5,6 m Spaltstoff U-233 Höhe Reaktordruckbehälter 25,5 m Durchmesser Reaktordruckbehälter 24,8 m Quellen: Volkmer, Basiswissen Kernenergie, BBC/HRB: Hochtemperaturreaktoren Technische Betriebsdaten 3 Fortsetzung Masse des Spaltstoffs 344 kg Brutstoff Th-232 Masse des Brutstoffs 6400 kg Spaltstoffanteil am Schwermetall-Einsatz 5,4 % Absorbermaterial B4C Kühlmittel He Eintrittstemperatur 250 C Austrittstemperatur 750 C Druck 39,2 bar (3,92 MPa) Arbeitsmittel H2O Speisewassertemperatur 180 C Frischdampftemperatur 530 C Frischdampfdruck 177,5 bar (17,75 MPa) Seite 12

13 1.6.9 THTR Sicherheitsstandards Qualitätssicherungsstandars bei Planung, Errichtung und Betrieb Redundanz sicherheitstechnisch wichtiger Komponenten & Systeme Räumlich getrennte Aufstellung sicherheitstechnisch wichtiger Komponenten & Systeme Diversitäre Ausrüstung sicherheitstechnischer Systeme Berücksichtigung / Vorkehrungen gegen angenommene Störfälle Auslegung der Anlage gegen Einwirkungen von Außen wie Erdbeben, Explositionsdruckwellen und Flugzeugabsturz Hochtemperaturreaktoren zeichnen sich darüber hinaus durch eine Vielzahl von hintereinander gestaffelten Sicherheitsbarrieren aus: Brennstoffteilchen mit ihren Beschichtungen / Grafitmatrix der Brennelemente Umschließender Druckbehälter / Reaktorgebäude THTR 300 THTR 300 in Hamm Uentrop (NRW) Stilllegung Seite 13

14 Übungsfragen 1 1. Wo und wann war der OKLO-Naturreaktor in Betrieb? 2. Wo und wann wurde der erste Kernreaktor erbaut? 3. Skizzieren Sie das Grundschema eines Siedewasserreaktors? 4. Skizzieren Sie das Grundschema eines Druckwasserreaktors? 5. Welche Besonderheiten weist der EPR auf? 6. Wie funktioniert der THTR? 7. Wie funktioniert der schnelle Brüter? 8. Welche Barrieren existieren in KKWs gegen den Austritt von Spaltprodukten? 9. Welche Grenzwerte für Aktivitätsfreisetzungen in KKWs kennen Sie? 10. Wie werden Aktivitätsfreisetzungen beim KKW kontrolliert? Seite 14