Kernkraftwerk. Funktionsweise

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1 Kernkraftwerk Funktionsweise Kernkraftwerke sind Wärmekraftwerke, bei denen die benötigte Wärme nicht durch das Verbrennen von Kohle, Gas oder Öl, sondern durch Kernspaltung entsteht. Die Kernspaltung erfolgt im Reaktorkern, der sich aus einer unterschiedlichen Anzahl Brennelementen zuammensetzt. Im Siedewasserreaktor siedet Wasser gleich im Reaktordruckbehälter und verdampft. Der Dampf wird direkt zum Antrieb der Turbine verwendet. Das wesentliche Konstruktionsprinzip des Druckwasserreaktor besteht dagegen aus zwei voneinander getrennten Wasserkreisläufen: dem Primär- und Sekundärkreislauf. Das durch Kernspaltung erhitzte Wasser erreicht eine Temperatur von ca. 325 Grad Celsius bei einem Druck von 157 bar. Dadurch wird gewährleistet, dass das Wasser nicht verdampft. Über Dampferzeuger wird die Wärme vom Primärkreislauf an einen zweiten Sekundärkreislauf abgegeben. Hier nimmt das Wasser die Wärme aus dem Primärkreislauf auf. Durch den wesentlich geringeren Druck von rund 62 bar entsteht Dampf, der die Turbine antreibt. Diese ist mit dem Generator verbunden, der den Strom erzeugt. Unterhalb der Dampfturbine befindet sich der Kondensator, in dem der drucklose Dampf mit Hilfe des Kühlwassers so weit abgekühlt wird, dass er kondensiert. Das anfallende Kondensat wird wieder in die Dampferzeuger zurückgepumpt. Die durch das Kühlwasser aufgenommene Wärme wird im Naturzugkühlturm an die Umgebung abgegeben. Im Kühlturm auftretende Verdunstungsverluste werden beispielsweise durch Flusswasser ausgeglichen. Durch zwei voneinander, durch Rohre im Dampferzeuger getrennte Kreisläufe ist gewährleistet, dass keine Radioaktivität vom Primär- zum Sekundärkreis übertragen wird. Daten & Fakten Mit einer Leistung von Megawatt und einer hohen Verfügbarkeit produziert ein solches Kernkraftwerk rund 11 Milliarden Kilowattstunden Strom im Jahr. Damit deckt es den Strombedarf von 3,5 Millionen Haushalten und erspart der Atmosphäre dabei jährlich den Ausstoß von etwa 8 Millionen Tonnen CO². Rund 300 Mitarbeiter leisten in einer solchen Anlage hierzu ihren Beitrag.

2 Reaktor Reaktordruckbehälter Der Reaktordruckbehälter enthält den Reaktorkern. Dieser besteht aus vielen tausend zu Bündeln zusammengefassten Stäben (Brennelementen), die sich erhitzen und ihre Wärme an vorbeiströmendes Wasser abgeben. Das im Primärkreislauf umgewälzte Wasser wird durch mehrere Einlaßstutzen in den Reaktordruckbehälter gepumpt. Diese Stutzen befinden sich im oberen Teil des Reaktordruckbehälters. Das Wasser wird nach unten geleitet und an der tiefsten Stelle umgelenkt: Es kann jetzt von unten nach oben durch den Reaktorkern strömen. Die Brennelemente bestehen aus 300 Brennstäben, die über vier Meter lang und etwa Bleistift-dick sind. Brennstäbe bestehen aus einem Hüllrohr und dem Brennstoff Urandioxid, das in Form von etwa 1 cm hohen Tabletten vorliegt. Um die vielen Brennstäbe einfacher handhaben zu können, sind 300 zu einem Brennelement zusammengefasst. Ein Teil der Brennelemente sind mit Steuerelementen ausgerüstet. Damit kann die Leistung des Reaktors geregelt werden. Reaktorbetrieb Wenn der Reaktordruckbehälter mit Brennelementen beladen und mit Wasser gefüllt ist, kann die Kernspaltung in Gang gesetzt werden. Zum Anfahren des Reaktors werden die Steuerstäbe aus den Brennelementen hochgezogen. Die Steuerstäbe enthalten ein Absorbermaterial beispielsweise Cadmium von dem Neutronen aufgenommen werden. Solange sich die Regelstäbe im Reaktorkern befinden, ist keine Kernspaltung möglich. Werden die Steuerstäbe weiter herausgezogen, kommt es zu einer Vermehrung der Spaltungen und die Reaktorleistung nimmt zu. Um Uran-235-Kerne zur Spaltung zu bringen, werden sie mit Neutronen beschossen. Durch die Aufnahme eines Neutrons in einen Uran-235-Kern zerplatzt dieser in zwei Spaltprodukte. Diese fliegen mit großer Geschwindigkeit auseinander und werden in dem Kristallgitter der Brennstofftabletten abgebremst. Die Bewegungsenergie wird dabei in Wärme umgewandelt. Bei jedem Spaltvorgang werden zwei bis drei Neutronen frei. Damit eines dieser Neutronen mit möglichst großer Wahrscheinlichkeit wieder einen Urankern trifft und spaltet, werden die schnellen Neutronen mit Hilfe von Wasser (Moderator) gebremst. Die langsamen eignen sich dann für die Fortsetzung weiterer Spaltvorgänge. Damit kann eine kontinuierliche Wärmeerzeugung im Reaktor aufrechterhalten werden. Zum Abfahren des Reaktors werden die Steuerstäbe wieder in den Reaktorkern zurückgefahren. Erfolgt eine Schnellabschaltung, automatisch oder von Hand, fallen die Steuerstäbe in sekundenschnelle durch ihr eigenes Gewicht in den Kern ein und unterbrechen die Kernspaltung. Brennelementwechsel Im Reaktor wird durch die Spaltung der Uran-235-Atomkerne Wärme erzeugt. Die Zahl der Uran-235-Atome nimmt in dieser Zeit ständig ab. An ihre Stelle treten die entstandenen Spaltprodukte. Die Einsatzdauer der Brennelemente im Reaktor beträgt üblicherweise drei bis vier Jahre. Jeweils nach einem Jahr werden etwa ¼ der vorhandenen Brennelemente entnommen und durch neue ersetzt. Für den Brennelementwechsel wird das Kernkraftwerk abgeschaltet (Revision). Die ausgedienten Brennelemente werden für mindestens fünf Jahre im Reaktorgebäude in

3 einem seperaten, mit wassergefülltem Lagerbecken, dem so genannten Abklingbecken abgestellt. Hier nehmen die Radioaktivität und die Wärmeleistung (Restwärme) der Brennelemente stetig ab, so dass sie anschließend in CASTOR-Behälter geladen und in das Zwischenlager transportiert werden können. Sicherheitseinrichtungen Jede kerntechnische Anlage ist mit zahlreichen Sicherheitseinrichtungen ausgestattet. An die Konstruktion von Kernkraftwerken werden höchste Anforderungen gestellt. Sicherheitseinrichtungen sind mehrfach vorhanden. Sie arbeiten unabhängig voneinander und sind räumlich getrennt angeordnet. Sie sorgen auch bei Bedarf rechtzeitig für ein automatisches Abschalten des Reaktors. Ziel aller Sicherheitsmaßnahmen bei Kernkraftwerken ist die Rückhaltung radioaktiver Stoffe, die bei der Kernspaltung im Reaktorkern entstehen. Hierzu bestehen folgende Rückhaltebarrieren: das Kristallgitter der keramischen Brennstofftabletten, das den größten Teil der Spaltprodukte zurück hält; im gasdichten und druckfesten Hüllrohr bleiben die gasförmigen Spaltprodukte eingeschlossen; die Metallhüllen um die Brennstofftabletten; der Reaktordruckbehälter mit geschlossenem Kühlkreis; die Betonummantelung des Reaktors (auch biologisches Schild genannt); der Sicherheitsbehälter aus zentimeterdickem Stahl; das Reaktorgebäude aus meterdickem Stahlbeton. Darüber hinaus ist jedes Kernkraftwerk mit einem Reaktorschutzsystem ausgestattet. Es kontrolliert während des Betriebs laufend alle wichtigen Messwerte. Wenn bestimmte, zuvor genau festgelegte Grenzen erreicht werden, löst das Reaktorschutzsystem automatisch aktive Sicherheitsmaßnahmen aus. Dazu gehören: die Reaktorschnellabschaltung: Die Stromzufuhr zu den elektromagnetischen Antrieben der Steuerstäbe wird unterbrochen. Durch ihr Eigengewicht fallen sie zwischen die Brennelemente im Reaktorkern und stoppen die Kettenreaktion. Das dichte Verschließen von Gebäudeteilen: Es verhindert, dass radioaktive Stoffe in die Umgebung gelangen. Das Nachwärmeabfuhrsystem: Bei Abschaltung oder auch bei einem Ereignis mit Kühlmittelverlust aus dem Primärkreislauf kommt automatisch das Nachwärmeabfuhrsystem zum Einsatz. Dieses führt nicht nur die Nachwärme des abgeschalteten Reaktors ab, es ersetzt gleichzeitig den Kühlmittelverlust. Die Notstromversorgung: Sie übernimmt die Stromversorgung aller sicherheitstechnisch relevanten Systeme, wenn die normale Stromversorgung des Kraftewerks gestört oder ausgefallen ist. Die mehrfach vorhandenen Sicherheitssysteme werden durch ein vorgegebenes Programm wiederkehrender Prüfungen systematisch auf ihre Funktionsfähigkeit geprüft.

4 Maschinenhaus Der im Dampferzeuger entstehende Dampf strömt über die Frischdampfleitung zur Turbine. Die Energie des Dampfs versetzt die Turbinenwelle in Rotation. Die Turbine besteht aus mehreren Teilen. Der Dampf mit dem höchsten Druck, treibt die Hochdruckturbine an, danach strömt der Dampf über den Wasserabscheider-Zwischenüberhitzer zu den Niederdruckturbinen. Der Dampf kühlt sich dabei ab und der Druck sinkt. Die Turbine treibt einen Generator an, der die Rotationsenergie in elektrische Energie umwandelt. Die im Generator erzeugte elektrische Energie wird über Transformatoren in das Hochspannungsnetz abgeleitet. Der nicht mehr nutzbare Dampf wird im Kondensator mit Hilfe von Kühlwasser kondensiert. Das anfallende Kondensat wird mit der Speisewasserpumpe zu den Dampferzeugern zurückgepumpt, damit ist der Wasser/Dampf-Kreislauf geschlossen. Die Kondensationsenergie wird über das Kühlwasser, z. B. über einen Kühlturm, abgegeben. Standortzwischenlager Nach dem Entsorgungskonzept für Kernkraftwerke sollen radioaktive Abfälle aus kerntechnischen Anlagen in Endlagern unbefristet und sicher eingeschlossen werden. Die Bundesregierung hat sich verpflichtet, diese bis 2030 bereitzustellen. Bis es so weit ist, müssen abgebrannte Brennelemente am Kraftwerksstandort zwischengelagert werden. Das hier dargestellte Standortzwischenlager ist rund 110 Meter lang, 27 Meter breit und circa 20 Meter hoch. Das Gebäude gleicht von außen einer gewöhnlichen Industriehalle, ist aber mit seinen rund 1,2 Meter starken Außenwänden und dem 1,3 Meter dicken Dach beide aus Stahlbeton eine äußerst robuste Konstruktion. Während der jährlichen Anlagenrevision wird ein bestimmter Anteil abgebrannter Brennelemente durch frische ersetzt. Nachdem die Brennelemente den Reaktor verlassen haben, nimmt ihre Wärmeleistung mit der Zeit immer weiter ab. Sie werden deshalb in das so genannte Abklingbecken innerhalb des Reaktorgebäudes gebracht. Dort bleiben sie mindestens fünf Jahre, bevor sie in CASTOR V/19-Behälter geladen und in das Standortzwischenlager eingebracht werden. Das Lagergebäude bietet 130 CASTOR -Behältern Platz. Der mit abgebrannten Brennelementen beladenen CASTOR V/19-Behälter wird auf dem kraftwerksinternen Weg zum Standortzwischenlager transportiert. Nach erfolgter Eingangskontrolle wird der Behälter in den Empfangsbereich des Lagergebäudes gefahren und für die Einlagerung vorbereitet. Das Strahlenschutzpersonal führt das erforderliche Messprogramm am Behälter durch. Behälterspezifische Prüfvorschriften regeln die Durchführung und Auswertung der Messungen, die anschließend dokumentiert werden. Danach wird der Behälter mit dem 140 Tonnen-Lagerhallenkran in den Lagerbereich transportiert, auf die vorgesehene Position abgesetzt und an das Behälterüberwachungssystem angeschlossen.

5 CASTOR V/19 Der Kern des Sicherheitskonzeptes des Standortzwischenlagers heißt CASTOR V/19. Dieser Spezialbehälter für Brennelemente kann 19 Brennelemente aufnehmen und hat seine Sicherheit in der Vergangenheit bereits unter Beweis gestellt. Er schirmt die Strahlung der abgebrannten Brennelemente so gut ab, dass man sich auch in unmittelbarer Nähe des CASTOR V/19 gefahrlos aufhalten kann. Eine weitere Reduktion der Strahlenexposition erfolgt durch das 1,3 Meter dicke Dach des Gebäudes und massive 1,2 Meter Betonwände, die zudem einen zusätzlichen Schutz gegen Einwirkungen von außen, wie zum Beispiel Erdbeben, Explosionsdruckwelle oder Flugzeugabsturz bieten. Die Konstruktion des CASTOR V/19 und die besonderen Eigenschaften der verwendeten Materialien haben sich seit Jahren sowohl beim Transport von ausgedienten Brennelementen als auch für deren Zwischenlagerung bestens bewährt. Die Sicherheit des CASTOR V/19 wurde in zahlreichen Tests nachgewiesen. Er muss z. B. einen Sturz aus neun Metern Höhe auf ein unnachgiebiges Fundament aushalten und ein Feuer bei einer Temperatur von mindestens 800 C unbeschadet überstehen. Außerdem ist gesichert, dass der CASTOR V/19 einem Erdbeben genauso standhält wie einem Flugzeugabsturz. Die Behälter haben zwei übereinander liegende Deckel, die mit speziellen Dichtungssystemen ausgestattet sind. Eine zusätzliche Schutzplatte verhindert, dass während der Lagerung Staub, Feuchtigkeit und mechanische Einwirkungen an das Deckelsystem gelangen können. Die Dichtigkeit des Doppeldeckelsystems wird während der gesamten Lagerzeit durch ein automatisches Überwachungssystem permanent kontrolliert. Wahlweise sorgt ein natürlicher Luftzug oder eine durch Lüfter erzwungene Luftströmung für die kontinuierliche Abfuhr der von den Behältern abgegebenen Restwärme.