Kernenergie. Historie oder Das unteilbare Atom

Transkript

1 Johannes Gutenberg Universität Mainz Seminar zum Phys. Praktikum für Fortgeschrittene, SS 2010 Physikalisches Institut Leitung: Dr. P. Achenbach Referent: Christian Benner (Lehramt: Geographie, Physik, Biwi) Kernenergie Historie oder Das unteilbare Atom Das Wort Atom stammt ethymologisch von dem griechischen Wort atomos, d.h. unteilbar, ab. Die Vorstellung von kleinsten unteilbaren Einheiten alles Stofflichen bestimmte bereits erste Überlegungen der antiken Philosophie über die Materie, das Sein und das Werden. Von DEMOKRIT (etwa 430 bis 360 v. Chr.) stammt das folgende Zitat: Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe, nur scheinbar ist es süß oder bitter. In Wirklichkeit gibt es nur Atome und den leeren Raum. Nachdem während des Mittelalters und der frühen Neuzeit viel dieses Wissens verloren gegangen war, gelang es erst im 19. und 20. Jahrhundert den naturphilosophischen Atombegriff der Antike wissenschaftlich, physikalisch zu fundieren. So fand DAL- TON ( ) heraus, daß die Elemente nur in ganz bestimmten Gewichtsverhältnissen chemische Verbindungen eingehen können und daß dabei öfters mehrere Gewichtsverhältnisse auftreten, die in einem einfachen zahlenmäßigen Zusammenhang stehen. Diese unter der Voraussetzung einer beliebig unterteilbaren Materie unverständliche Gesetzmäßigkeit wurde von DALTON so interpretiert: Dies sei auf die Existenz von Atomen der verschiedenen Elemente, die sich stets in festen Zahlenverhältnissen zu Molekülen vereinigten, zurückzuführen. Einen anderen essentiellen Hinweis auf die Existenz von Atomen lieferte in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts die kinetische Gastheorie (CLAU- SIUS, MAXWELL, BOLTZMANN), die den Gasdruck und seine Abhängigkeit von der Temperatur und ebendiese selbst als Wirkung der Stöße der Gasmoleküle erklärt. (MICHAELIS/ SALANDER 1995: 1). Seit der Jahrhundertwende des ausgehenden 19. Jahrhunderts wissen wir, daß der Atomkern (positiv), welcher zusammen mit der Atomhülle (negativ) das Atom (neutral) bildet, nicht unteilbar ist, seine Teile haben aber nicht mehr die Eigenschaften, die das chemische Verhalten des Elements bestimmen. Angeregt durch die 1895 erfolgte Entdeckung der Röntgenstrahlen (W.C. RÖNTGEN, ), lieferte 1896 A.-H. BECQUEREL ( ) durch den Nachweis der Radioaktivität des Urans erste Hinweise auf die Existenz subatomarer Teilchen isolierten das Ehepaar M. CURIE und P. CURIE ( bzw ) aus der Joachimsthaler Pechblende das Radium, ein instabiles Element mit der Ordnungszahl 88, das sich unter Aussendung von Strahlung in ein anderes Element, das Edelgas Radium-Emanation bzw. Radon mit der Ordnungszahl 86, umwandelt, welches seinerseits ebenfalls unter Emission von Strahlung weiter zerfällt. Damit war die entscheidende Grundlage für die insbesondere durch RUTHERFORD ( ) begründete Erkenntnis gegeben, daß die Atome sich sämtlich aus drei Elementarteilchen, den Protonen, den Neutronen und den Elektronen, zusammensetzen. Dem Vorschlag BECQUERELs folgend erhielten die drei Strahlungsarten die folgenden griechischen Namen: a-strahlung (He-Kerne), b-strahlung (Elektronen, Positronen), g-strahlung (EM-Wellen). Der radiaktive Zerfall vollzieht sich unbeeinflusst von äußeren Umständen nach dem exponentiellen Zerfallsgesetz oder auch Exponentialgesetz: N(t) = N 0 exp(-l t). Der Aufbau eines Atoms, Elemente und Isotope Abb.1 Schematischer Aufbau eines Atoms Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Atoms, wie ihn sich BOHR vorgestellt hat. Elektronen der Atomhülle, welche negativ geladen ist, neutralisieren den durch Protonen positiv geladenen Kern, sodaß insgesamt ein elektrisch neutrales Atom entsteht. Falsch an dieser Skizze sind die festen Elektronenbahnen, diese müssen in Wahrheit durch Orbitale ersetzt werden. Das Schema birgt dennoch hohes didaktisches Potential und ist daher z.b. für die Schule auch heute noch von hohem Wert. Herrscht Elektronenmangel bzw. überschuß, so bilden sich Ionen. Ein Element kann man durch die folgende symbolische Schreibweise eindeutig charakterisieren: Massenzahl A Kernladungszahl Z U Element Name Die Neutronenzahl N berechnet sich aus der Differenz : N = A Z.

2 2 Das chemische Verhalten eines Atoms wird ausschließlich durch die Zahl seiner Protonen, d.h. seiner Ordnungszahl, bestimmt. Jedes Atom mit 92 Protonen ist demnach ein Uran-Atom. Das in der Natur vorkommende, natürliche Uran enthält nun aber nicht nur Atome mit der Massenzahl 238, d.h. 238 Nukleonen, sondern mit einem Anteil von geringen 0,71 % auch solche mit der Massenzahl 235, das ergibt bei ebenfalls 92 Protonen nur 143 statt 146 Neutronen. Die Zusammensetzung natürlichen Urans ist somit gegeben durch: 99,29 % U und 0,71 % U. Diese beiden in der Kernladungszahl Z, d.h. in ihrem chemischen Verhalten, übereinstimmenden Varianten unterscheiden sich nach der Zahl ihrer Neutronen und damit in der Massenzahl. Man bezeichnet sie als Isotope. Im Laufe der Erdgeschichte hat sich das Massenverhältnis der beiden Uranisotope verändert. Vor circa 6 Milliarden Jahren setzte sich das in der Natur vorkommende Uran noch je etwa zur Hälfte aus U-235 und U-238 zusammen. Die Halbwertszeit des Uran 235 (710 Millionen a) ist kürzer als die des Uran 238 (4,5 Milliarden a). Der Anteil des leichteren Isotops hat sich deswegen in etwa 6 Milliarden Jahren auf 0,71 % verringert. Er wird sich in Zukunft weiter verringern. (MICHAELIS/ SALANDER 1995: 2-3, 6-7). Atommassen und -daten, elektrische Ladungen Das Atom hat einen Durchmesser von nur m, was einem ÅNGSTRÖM [1 Å] entspricht. Der Atomkern, der den wesentlichen Teil der Masse eines Atoms enthält, hat nur den zehntausendsten Teil des Durchmessers des Atoms, das sind lediglich circa m bzw. 10 fm. Der Raum, den ein Atom einnimmt, ist also fast leer. Die Masse eines den Kern wie auch immer umkreisenden Elektrons macht 1/1840 der Masse eines Protons bzw. Neutrons aus. Nach dem Quantenprinzip ist auch die elektrische Ladung nicht unendlich teilbar. Die kleinstmögliche Ladung ist die Elementarladung e = 1, C (wenn man von Quarks, die für die weitere Thematik nicht von höherem Interesse sind, einmal absieht). Eine weitere wichtige Kenngröße ist der Wirkungsquerschnitt, welcher in der Einheit [10-24 cm 2 ] = (10 fm) 2 bzw. [1 barn] angegeben wird. Das Wort barn stammt ethymologisch vermutlich aus der Zeit des 2. Weltkrieges, in der die USA das englische Wort für Scheune, barn, als Tarnname für die auffällig eindeutige Einheit [10-24 cm 2 ] einführten, um so den Achsenmächten keinen Hinweis auf ihr Atomprogramm zu liefern. (MICHAE- LIS/ SALANDER 1995: 7-8). Kernkräfte und Bindungsenergie Die positiv geladenen 92 Protonen und 143 bzw. 146 Neutronen des Urankerns werden durch außerordentlich starke, nur auf kürzeste Entfernungen (etwa 10 fm) wirkende Kernkräfte oder Bindungskräfte zusammengehalten, sonst würden die positiven, in den Atomkernen nicht neutralisierten; Ladungen der Protonen den Kern sprengen. Die Gravitation, die das Verhalten großer Massen bestimmt, ist um viele Größenordnungen zu gering, um die Bausteine eines Atomkerns zusammenzuhalten. Die Kernkräfte treten somit als dritte Art von Elementarkräften neben die Gravitation und die elektromagnetischen Coulomb-Kräfte. Durch Überlagerung der nur auf kürzeste Entfernung wirkenden Kernkräfte und der einer solchen Begrenzung nicht unterliegenden Coulombkräfte kommt es zur Ausbildung eines Potentialwalls um den Atomkern, der von positiven Teilchen überwunden werden muß, wenn sie in den Kern eindringen wollen. Für unsere energetischen Überlegungen genügt zur Kennzeichnung der Rolle der Kernkräfte der von A. EINSTEIN ( ) aus der speziellen Relativitätstheorie (1905) entlehnte Satz von der Äquivalenz der Masse und der Energie: E = m c 2. Jeder Form von Energie E ist die Masse m = E/ c 2 äquivalent, und jede Masse m stellt zugleich eine Energie E = m c 2 dar: Ein a Teilchen, das einem Heliumkern entspricht, besteht aus 2 Protonen und 2 Neutronen, hätte also rein rechnerisch eine Masse von (2 1, ,6749) g = ~6, g. Man misst jedoch bei Messungen eine Masse von nur 6, g, d.h. eine um 0,75 % niedrigere Masse. Nach dem EINSTEIN schen Äquivalenzgesetz entspricht der sogenannte Massendefekt gerade der Bindungsenergie des Heliumkernes (28,3 MeV). Abbildung 2 stellt schematisch den Massendefekt von He dar. Abb. 2: Schematische Darstellung des Massendefekts von He Die Bindungsenergie eines Atomkerns nimmt abgesehen von Unregelmäßigkeiten bei einigen Kernen sehr niedriger Ordnungszahl, insbesondere beim Wasserstoff und beim Lithium mit steigender Ordnungszahl je zusätzlichem Proton im Durchschnitt um etwa acht tausendstel Masseneinheiten (1 Masseneinheit = 931 MeV) zu und erreicht bei U-238 fast zwei volle Masseneinheiten. Die Bindungsenergie je Nukleon steigt für leichte Kerne, sprich Ordnungszahlen von 1 (H) bis 56

3 3 (Fe), an, um ab dann für schwere Kerne, sprich z.b. U-235 oder U-238; wieder zu fallen. Die Differenz zwischen maximaler Bindungsenergie bei Eisen und derjenigen bei Ordnungszahlen von Uran beträgt circa 0,9 MeV. Abbildung 3 stellt diesen Sachverhalt graphisch dar: Abb. 4 : Kernspaltungsformel des U-235 Atomkerns Abb. 3: Graphische Darstellung der Bindungsenergie Abb. 5 : Spaltungsschema einer U-235 Kernspaltung Die Kurve lässt erkennen, daß nicht nur durch Kernfusion leichterer Kerne Bindungsenergie freigesetzt, also Energie in Form von Kernenergie gewonnen werden kann, sondern auch durch die für die heutige Kernenergiegewinnung charakteristische Spaltung schwerer bzw. schwerster Kerne. Gelänge es, einen Uran-Atomkern (U-235 oder U- 238) in zwei nicht allzu verschieden große mittelschwere Kerne zu spalten, so würden etwa 0,9 MeV je Nukleon, d.h. insgesamt circa 200 MeV je Urankern, frei. (MICHAELIS/ SALANDER 1995: 9-10, 12). Die Spaltung schwerer Kerne Diese Energiequelle wurde erstmals durch die 1938 im KAISER-WILHELM-INSTITUT FÜR CHEMIE in Berlin-Dahlem durchgeführten Experimente O. HAHNs ( ) und F. STRAßMANNs ( ) erschlossen. Essentielle Vorarbeiten hatte zudem die 1938 nach Schweden emigrierte Physikerin L. MEITNER ( ) geleistet. Bei den besagten Experimenten gelang es Urankerne durch Beschuß mit Neutronen zu spalten und die Spaltprodukte (zuerst Barium) nachzuweisen. Wie bereits erwähnt, besitzt natürliches Uran eine spezielle Zusammensetzung der beiden Isotope U- 238 und U-235. Entscheidend ist zunächst nur das letztere. Dies hat eine Bindungsenergie von etwa 6,5 MeV je Nukleon. HAHN und der Mainzer STRAßMANN bestrahlten bei ihren Versuchen Uran mit Neutronen und zwar mit solchen, deren Geschwindigkeit durch einen Moderator auf circa 2000 m/s reduziert wurde, sogenannte thermische Neutronen. Entgegen der getätigten Erwartungen entstanden dabei nicht Transurane mit Ordnungszahlen über 92, sondern Kerntrümmer mittleren Atomgewichtes. Die Kerne der hierbei entstehenden Spaltprodukte (hier: Krypton und Barium) stoßen sich wegen ihrer positiven Ladungen im Augenblick der Entstehung ab und fliegen mit großer Geschwindigkeit auseinander. Abbildungen 4 und 5 stellen das Spaltungsschema bildlich dar: Die Dauer der in Abb. 5 gezeigten Spaltung dauert nur knapp 10-8 s. Die Möglichkeit, Kerne hoher Ordnungszahl durch Neutronen zu spalten, erklärt sich aus der relativ geringen Stabilität dieser Kerne bedingt durch den Volumenterm der Bethe Weizsäcker Massenformel. Es genügt im Falle des U-235 schon die geringe Anregung, die ein thermisches Neutron auslöst, um diesen labilen Gleichgewichtszustand zu stören. Der Kern wird zunächst zu Schwingungen angeregt, Teile des Kerns geraten dadurch außerhalb der Reichweite der Kernbindungskräfte, es entsteht eine Einschnürung, schließlich zerreißt der Kern wegen der nun dominierenden Coulomb- Kräfte. Dabei bilden sich zwei, gelegentlich auch drei, zumeist ungleiche Teilkerne (Tochterkerne) und einige (meist drei weitere) schnelle Neutronen. Jedes dieser schnellen Neutronen ist potentiell in der Lage eine neue Spaltung hervorzurufen (vgl. Abbildung 6). Abb. 6 : Unkontrollierte Kettenreaktion (3 n-generationen) Die Dauer, in der 27 Neutronen der 3. Generation zur Spaltung zur Verfügung stehen, ist nur s. Die bei der Spaltung eines einzigen Atoms Uran 235 entstehende Gesamtenergie von ~200 MeV ist

4 4 komplex zusammengesetzt. Die freigesetzte Energie ist um viele Potenzen stärker als bei chemischen Prozessen, die nur die äußerst schwach gebundenen Hüllenelektronen betreffen. Ohne Berücksichtigung der keine Wärme freisetzenden Neutrinos können bei der Spaltung eines Atoms U-235 circa 194 MeV genutzt werden. (MICHAELIS/ SALANDER 1995: 13-18). Verzögerte Neutronen oder Nichts ist wichtiger! Abb. 7 : Schema zur Visualisierung verzögerter Neutronen Verzögerte Neutronen entstehen, wie Abb. 7 zeigt, beim Zerfall der Tochterkerne. Die Dauer, bis verzögerte Neutronen gebildet werden können, ist verglichen mit den 10-8 s Dauer der Bildung schneller Neutronen mit fast 20 s erheblich lang. Diese Tatsache ist entscheidend wichtig für die Regelbarkeit eines Reaktors. Durch verzögerte Neutronen kann eine Kettenreaktion überhaupt erst kontrolliert werden. Idealerweise löst ein Neutron eine Spaltung aus, um eine kontrollierte Kettenreaktion aufrecht zu erhalten. Man kann dies durch folgende Formel beschreiben: 1 Spaltung/ 1 Neutron = 1-e + h = 1. Bei einem Verhältnis größer 1 spricht man von einem überkritischen Reaktor, d.h. es kommt zur unkontrollierten Kettenreaktion (ähnlich: Atombombe). Bei einem Verhältnis kleiner 1 spricht man von einem unterkritischen Reaktor, d.h. es kommt zu einem Ausfall. Der Term 1-e beschreibt das Verhalten der schnellen Neutronen und lässt sich über die Wahl eines Moderators variieren. Der Parameter h beschreibt das Verhalten der verzögerten Neutronen und lässt sich sehr gut über Steuerstäbe variieren. Mithilfe der verzögerten Neutronen lässt sich also Kernenergiegewinnung in Reaktoren überhaupt erst ermöglichen. (MAAS 2008). Funktionsbedingungen für Kernreaktoren Ein Kernreaktor enthält im Allgemeinen den Kernbrennstoff, bei thermischen Reaktoren einen Moderator zur Abbremsung der Neutronen auf thermische Energien, ein Kühlsystem zur Abführung von Wärme sowie eine Steuereinrichtung. Er ist in der Regel von einem Reflektor zur Zurückstreuung der Neutronen umkleidet und in einem Druckbehälter untergebracht (vgl. Abb. 10 und 11). Trifft ein Neutron auf einen Atomkern, so ist es in der Lage, auf unterschiedlichste Art und Weise mit diesem zu wechselwirken: Es kann eingefangen werden, und dadurch zur Bildung eines Kerns von höherer Massenzahl führen (bspw. U-238 Plutonium 239), es kann am Kern gestreut werden (bspw. Energieabgabe durch Stöße mit dem Kern) und es kann diesen eben auch spalten (bspw. U-235 Kr-89 + Ba-144). Es zeigt sich, daß die Wahrscheinlichkeit der Spaltung eines Atomkernes durch einen Beschuß mit Neutronen oder des Einfangens eines Neutrons nicht nur von Atom zu Atom unterschiedlich ist, sondern auch in charakteristischer Weise von der Höhe der Energie, d.h. der Geschwindigkeit des Neutrons, abhängt. Es existieren Elemente, die in weit stärkerem Maße das Bestreben haben als andere, Neutronen einzufangen. Hier seien vor allem Lithium, Bor, Cadmium und Xenon erwähnt. Man nennt sie auch Reaktor-/ Neutronengifte. Man nutzt diese natürliche Eigenschaft aus und verwendet diese Elemente beim Bau der Steuerstäbe. Andere Elemente dagegen fangen nur kaum, sprich wenige, Neutronen ein. Hierzu gehören in erster Linie (schweres) Wasser, Helium, Beryllium, Kohlenstoff, Sauerstoff, Natrium, Magnesium, Aluminium, Zirkonium sowie Barium. Sie eignen sich daher besonders als Moderatoren, Kühlmittel oder Strukturmaterialien. Das in der Reaktorphysik verwendete Maß für die Wechselwirkung zwischen Kernen und Neutronen heißt Wirkungsquerschnitt s, welcher als Wahrscheinlichkeit für das Eintreten einer bestimmten Kernreaktion definiert ist. Der totale Wirkungsquerschnitt entspricht der Summe der einzelnen Wechselwirkungen zwischen Neutronen und A- tomkernen, d.h.: s total = s Spaltung + s Einfang + s Streuung. Die Wirkungsquerschnitte sind nicht nur von Element zu Element unterschiedlich sowie von der Art der Wechselwirkung abhängig, sondern auch von der Energie der auftreffenden Neutronen. So hat z.b. U-235 gegenüber thermischen Neutronen einen Spaltungsquerschnitt von cm 2, was besagt, daß thermische Neutronen den Kern dieses Atoms mit der Wahrscheinlichkeit, mit der sie auf eine Fläche dieser Größe auftreffen, spalten. Tatsächlich hat der U-235 Kern nur einen geometrischen Querschnitt von circa cm 2. Für herannahende thermische Neutronen erscheint der Kern demnach wesentlich größer. Abbildung 8 stellt im folgenden den Wirkungsquerschnitt s in Abhängigkeit der Neutronenenergie in ev für das Uran 235 Isotop dar (man beachte die logarithmischen Skalen auf der Ordinate und der Abszisse). Es fällt auf, daß Uran 235, abgesehen von Resonanzbereichen zwischen 10 ev 10 2 ev, bei thermischen Energien den höchsten Spaltungsquerschnitt, aber auch (totalen) Wirkungsquerschnitt, aufweist. Beim U-238 Isotop ist dies nicht der Fall.

5 5 (1) Nach der Energie der Neutronen in thermische und schnelle Reaktoren: Hier erfolgt die Abbremsung der schnellen Neutronen auf thermische Energien über Moderatoren. Schnelle Reaktoren arbeiten demnach mit schnellen Neutronen als Spaltneutronen. (2) Nach dem Kernbrennstoff in den Reaktoren, die natürliches Uran, angereichertes Uran, Plutonium, Thorium oder U-233 bzw. Mischungen dieser Kernbrennstoffe verwenden. Die Verwendung des Kernbrennstoffes als reines Metall oder Legierung ist möglich. Die Brennstoffelemente können die Form von Stäben, Kugeln, Platten oder Rohren aufweisen. Abb.8 : Der Wirkungsquerschnitt des U-235 ist bei thermischen Energien am höchsten Bei einem mit Natururan beschickten Kernreaktor werden die durch Spaltung des U-235 entstehenden schnellen Neutronen weitgehend durch das im Massenanteil überwiegende U-238 eingefangen (U-238 besitzt einen hohen Wirkungsquerschnitt für schnelle Neutronen, einen geringen dagegen für thermische) und scheiden somit für weitere Kernreaktionen aus, es lässt sich auf diese Weise keine Kettenreaktion erreichen: U-238 wirkt als natürlicher Steuerstab und Moderator zugleich. Man kann jedoch mithilfe eines zusätzlichen Moderators die bei der Spaltung von U-235 freiwerdenden schnellen Neutronen in kürzester Frist von ursprünglich über 1 MeV auf thermische Energien (< 1 ev) abbremsen, sodaß die Resonanzzone zwischen 100 ev und 5 ev, in welcher das U-238 vornehmlich Neutronen einfängt, durcheilt wird, ohne daß zu viele Neutronen für die Spaltung des U-235 verloren gehen. Abbildung 9 soll den Abbremsvorgang mithilfe eines Moderators veranschaulichen. (3) Nach dem verwendeten Kühlmittel: So lassen sich oft schweres oder gewöhnliches Wasser (D 2 O, H 2 O), Gase, Natrium, Kalium sowie organische Kühlmittel finden. Einkreissysteme wie auch Mehrkreissysteme über Wärmetauscher (zur Verhinderung von Kontaminationen) sind verbreitet. Je nachdem, ob Wasser (H 2 O) als Kühlmittel siedet oder unter Druck steht, unterscheidet man Leichtwasserreaktoren in Siedewasserreaktoren (SWR) und Druckwasserreaktoren (DWR). (4) Nach dem Verwendungszweck in Versuchs-, Forschungs-, Ausbildungs-, Leistungs-, Isotopen- Produktions- aber auch Mehrzweckreaktoren. Kombinationen untereinander sind möglich: So wurden in Zeiten des Kalten Krieges auf beiden Seiten des Eisernen Vorhanges Leistungsreaktoren auch zum Brüten atomwaffenfähigen Materials verwendet, so geschehen z.b. mit dem Reaktortyp des AKW Tschernobyl auf sowjetischer Seite. Aufgrund der Vielzahl denkbarer Realisierungsmöglichkeiten für die Konstruktion eines Kernreaktors, soll sich im Folgenden auf zwei repräsentative Beispiele beschränkt werden: Zum einen auf den Reaktortyp der Leichtwasserreaktoren (LWR) wie sie in Deutschland verwendet werden, zum anderen auf den Reaktortyp des AKW Tschernobyl. Abbildung 10 stellt den allgemeinen Aufbau eines LWR dar, Abbildung 11 veranschaulicht den prinzipiellen Aufbau eines DWR. Abb.9 : Abbremsvorgang durch Hinzunahme eines Moderators Ziel der Moderation ist die Erzeugung einer konstanten Rate thermischer Neutronen, welche für den Betrieb eines thermischen Reaktors unverzichtbar sind. (MICHAELIS/ SALANDER 1995: 23-29). Reaktortypen Kernreaktoren lassen sich nach folgenden Merkmalen unterscheiden: Abb.10 : Allgemeiner Aufbau eines Leichtwasserreaktors (LWR)

6 6 Der Reaktortyp des Tschernobyl-GAUs war ein graphitmoderierter Druckröhrenreaktor. Außer der Tatsache, daß Graphit als Moderatormaterial verwandt wurde, weist dieser Reaktortyp prinzipiell keine Unterschiede zu bspw. LWR auf. Mit Ausnahme spezieller Bauteile: So sind in der Reaktorhülle Einlassöffnungen zur schnellen Entnahme der Brennstäbe errichtet, ebenso wurde dieser Reaktortyp in Blöcken gebaut (Block 1&2, Block 3&4), d.h. innerhalb eines Kernkraftwerkgebäudeteils befanden sich 2 baugleiche Reaktoren. Wie bereits weiter oben aufgeführt, sollte auch dies dem schnellen Erbrüten kernwaffenfähigen Materials dienen. Tschernobyl selbst hatte offiziell jedoch nur den Zweck eines AKWs reiner Leistungsreaktoren, da die Ukraine als damaliger Teil der UDSSR annähernd ihren kompletten Strombedarf über Tschernobyl decken sollte/ mußte. Abb.11 : Schematischer Aufbau eines Druckwasserreaktors (DWR) Nach dem bekannten CARNOT schen Wirkungsgrad Eine weitere Besonderheit stellt die Reaktivität r dar, welche über den Temperaturkoeffizienten eine Aussage darüber macht, wie sich die Anzahl an Spaltneutronen eines Reaktors bei längerem, dauerhaften Betrieb aufgrund der sich erhöhenden Betriebstemperatur verändert. (T 1 -T 2 ) / T 2 = h wird der Wirkungsgrad einer Maschine gesteigert, umso größer die Temperaturdifferenz DT zwischen den Reservoiren T 1 und T 2 ist. Da bei einem LWR für gewöhnlich einfaches Wasser (H 2 O) zum Einsatz kommt, dieses aber seinen Siedepunkt bei T 1 = 100 C hat, ist dem Wirkungsgrad eine obere Schranke gesetzt. Durch eine Druckerhöhung kann man jedoch erreichen, daß der Siedepunkt ebendieses Wassers auf T 1 = 300 C heraufgesetzt wird dies wird bei DWR aufgegriffen; ein viel größerer Wirkungsgrad wird möglich, d.h. DWR liefern mehr Leistung als einfache SWR. Nachteilig ist jedoch der durch den hohen Druck verursachte Materialverschleiß der Reaktorteile, sodaß DWR häufiger einer Wartung unterzogen werden müssen. Sicherheitsaspekte spielen (wie immer) eine hochrangige Rolle. Der Reaktortyp des AKW Tschernobyl wird in Abbildung 12 dargestellt (DEMTRÖDER 2004). Abb.12 : Prinzipschema des graphitmoderierten Druckröhrenreaktors in Tschernobyl Der positive Temperaturkoeffizient des Reaktortyps in Tschernobyl war ein Hauptgrund für den Unfall. Reaktoren dieser Bauart müssen durch aktives Gegensteuern ständig überwacht und daran gehindert werden überkritisch zu werden, dies gelang z.t. aufgrund ausgefallener Kühlsysteme in Tschernobyl nicht mehr. Die Reaktoren deutscher AKWs dagegen besitzen einen negativen Temperaturkoeffizienten, man muß sie demnach ständig daran hindern sich selbst auszuschalten. (MICHAELIS/ SALANDER 1995: 51-55, 74-77; MAAS 2008). Ein Reaktor stellt natürlich noch kein vollständiges Kernkraftwerk dar. Abbildung 13 zeigt die wichtigsten Komponenten eines AKWs auf, ohne speziell auf die einzelnen Baugruppen einzugehen. Man beachte, daß der Kühlwasserkreislauf im Bild nicht geschlossen gezeichnet ist. Dies liegt daran, daß AKWs i.d.r. an Flüssen gelegen sind, aus welchen sie ihr Kühlwasser beziehen; der Fluß ist nicht eingezeichnet. Abb.13 : AKW-Schema

7 7 Literatur DEMTRÖDER, W. ( ): Experimentalphysik 4. Kern-, Teilchen-, Astrophysik. Springer. Berlin. MAAS, F. (2008): Vorlesung Physik VI Kern- und Teilchenphysik. Mainz. MICHAELIS, H., SALANDER, C. (Hrsg.) (1995): Handbuch Kernenergie. Kompendium der Energiewirtschaft und Energiepolitik. VWEW. Frankfurt a.m. Die Abbildungen entstammen allesamt, sofern nicht anders angegeben oder selbst entworfen, aus dem nachfolgenden Buch: MICHAELIS, H., SALANDER, C. (Hrsg.) (1995): Handbuch Kernenergie. Kompendium der Energiewirtschaft und Energiepolitik. VWEW. Frankfurt a.m.