Wie funktioniert eigentlich ein Atomkraftwerk?

Transkript

1 Wie funktioniert eigentlich ein Atomkraftwerk? Prof. Dr. Wolfgang Kohl 28. April 2011 W. Kohl Wie funktioniert eigentlich ein Kernkraftwerk? Berufungsvortrag Hochschule Mannheim Fakultät University für Verfahrens- of Applied und Sciences Chemietechnik Helmut Behler

2 Übersicht: Grundlagen eines Atomkraftwerks Radioaktivität Fukushima Fragen

3 Aufbau eines Atoms Ein Atom besteht aus einem Kern und einer Hülle. Die Hülle besteht aus Elektronen, die negativ (-) geladen sind. Die Anzahl der Elektronen ist gleich der Anzahl der Protonen im Kern, so dass ein Atom nach Außen elektrisch neutral ist. Aufbau eines Atomkerns Der Kern besteht aus Protonen, die positiv (+) geladen sind. Ferner sind im Kern elektrisch neutrale Neutronen. Die Anzahl der Protonen im Kern bestimmt die Art des Elements, seine chemischen Eigenschaften und seine Stellung im Periodensystem.

4 Kernspaltung:

5 Wie viel Energie wird aus der Spaltung von 1 kg Uran 235 frei? Der Faktor Million wird die Menschheit immer faszinieren! 31 MJ/kg 42 MJ/kg 78 Millionen MJ/kg 400 Millionen MJ/kg Verbrennung 1 kg Kohle Verbrennung 1 L Öl Kernspaltung 1 kg Uran Kernfusion 1 kg D + T

6 Entdeckung der Kernspaltung Otto Hahn, Fritz Strassmann Dezember 1938 Quelle: Deutsches Museum

7 Kettenreaktion

8 Die 4 Grundelemente eines Kernreaktors Kernspaltstoff: Aufgabe: Liefert durch Spaltung Energie Stoff: U235, U 233, Pu239, Pu241 Natur: U238 zu 99,7%, U235 zu 0,3% Moderator: Aufgabe: Bremst schnelle Neutronen für Spaltung ab Stoff: Wasser, Schweres Wasser, Graphit Kühlmittel: Aufgabe: Transportiert thermische Energie aus dem Reaktor zur Sekundärseite Transportiert die Nachzerfallswärme aus dem Reaktor. Stoff: Wasser, Schweres Wasser, Helium, Natrium Absorber: Aufgabe: Fängt Neutronen zur Steuerung und Abschaltung des Reaktors weg Stoff: Bor, Cadmium, Hafnium. Bild: Informationskreis Kernenergie

9 Schema eines Kernkraftwerks Druckwasserreaktor Bild: Fabian, Tobias, Felix

10 Radioaktivität

11 Radioaktive Strahlung β γ α Radioaktivität ist der spontane Zerfall eines instabilen Kerns, sog. Radionuklids, unter Emission von Strahlung: α-strahlen, He-Kerne β-strahlen, Elektronen oder Positronen γ-strahlen, elektromagnetische Wellen. Hierbei wird Energie ausgesandt. Radioaktiver Zerfall ist ein naturgesetzlicher Prozess! Messgröße: Aktivität A: Anzahl der Zerfälle je Sek. [A] = 1 Bq (Becquerel)

12 Radioaktive Strahlung - Arten, Eigenschaften, Abschirmung

13 Strahlenbiologische Reaktionskette Messgrößen: Aktivität A [A] = 1 Bq Energiedosis E [E] = 1 J/kg = 1 Gy (Gray) Messgröße: Biologische Dosis = Äquivalentdosis H [H] = 1 Sv (Sievert) Bild: IKE

14 Natürliche Strahlenexpositionen Mittlere Aktivität der Luft: im Freien: in Wohnungen Lebensmittel: Mittelwert: 40 Bq/kg Mineralwässer: 14 Bq/m³ 50 Bq/m³ Terrestrische Strahlung Mittelwert: 0,4 msv/a Natürliche Aktivität eines Menschen: K Bq C Bq Rb Bq Pb-210, Bi-210, Po-210, U Bq Rn-220 u Rn-222-Zerfallsprodukte 45 Bq H-3, Be-7 50 Bq Sonstige 3 Bq Summe Bq Flugverkehr: Frankfurt New York u zurück 100 µsv Indien: msv/a; Brasilien: msv/a; Iran msv/a

15 Zivilisatorische Strahlenexposition 1. In Archäologie u Paläontologie 3. Biologie, Chemie und Lebensmitteln Tracer in Forschung, Strahlungsinduzierte Mutation Sterilisation von Lebensmitteln, Arznei Vernetzung von Polymeren 4. Medizin Altersbestimmung: Ötzi mit C14-Methode ca Jahre alt 2. In Technik Korrosion- u Schweißnahtprüfung Schichtdickenbestimmung Leckageprüfung Bestimmung von Materialparameter Radionuklidbatterien Farbänderungen bei Gläsern, Edelsteinen Bild: Positronen-Emissions-Tomographie (PET) Quelle: VRNZ Nuklearmedizinische Diagnostik Mittels Tracer u Szintillationsdetektor (CT, PET, SPECT) Nuklearmedizinische Therapie Innenliegenden Tumore, Chemotherapie Radontherapie: Bäder, Inhalation: Bq/m³

16 Strahlenexposition in Deutschland Schwankungsbreite: 1 5 msv/a Summa: 4,0 msv/a Grenzwerte nach StrSchV: 2,1 msv/a 1,9 msv/a Aus Anlagen für Bevölkerung: 1 msv/a In und mit Anlagen für beruflich strahlenexponierte Personen: 20 msv/a EU-Grenzwerte für Lebensmittel Milch bei I-131, Cs-137: Andere Lebensmittel: 500 Bq/kg Bq/kg Bild: IKE

17 Fazit: Radioaktivität ist etwas ganz Natürliches Alle Menschen sind natürlicher Strahlenbelastung ständig ausgesetzt In der Technik, Medizin und Forschung ist der Umgang mit radioaktiven Stoffen weit verbreitet.

18 Sicherheitskonzeption bei Kernkraftwerken

19 Spaltprodukte sind radioaktiv Weitere Spaltprodukte: Kr-85 J-131 Sr-90 Cs-137 Y-90 Ce-144 Zr-93 Nd-147 u.a. Dies erfordert: sichere Abfuhr der Nachzerfallswärme sicheren Einschluss als Schutz der Biosphäre Diese Maßnahmen machen die Kernkraftwerke sehr aufwändig.

20 Sichere Reaktorabschaltung Sicherheitskonzeption I Fail-Safe-Prinzip Quelle: KWU Siemens

21 Sicherheitskonzeption II Bündel von aktiven Sicherheitseinrichtungen Quelle: KWU Siemens

22 Sicherheitskonzeption III Redundanz 4 x 50% Quelle: KWU Siemens

23 Sicherheitskonzeption IV Räumliche Trennung Quelle: KWU Siemens

24 Sicherheitskonzeption V Bündel von passiven Sicherheitseinrichtungen Legende: 1 Brennstoff-Kristallgitter 2 Brennstabhülle 3 Reaktordruckbehälter 4 Biologischer Schild 5 Sicherheitsbehälter 6 Reaktorgebäude Bild: IKE

25 Zusammenfassung Sicherheitskonzeption 1. Inhärent sichere Auslegung 2. Bündel von aktiven Sicherheitseinrichtungen: Reaktorschutzsystem: 30 min vollautomatisch Sichere Reaktorabschaltung: fail-safe-prinzip Gestufte Kette von Not- und Nachwärmeabfuhr-Systemen Redundanz 4 x 50% oder 3 x 100% Räumliche Trennung Diversität 3. Bündel von passiven Sicherheitseinrichtungen Barrierenkonzept Unterdruckkonzept 4. Hohe Qualitätssicherung 5. Beherrschung hypothetischer Störfälle.

26 Fukushima

27 Fukushima - Daiichi 6 Siedewasserreaktoren Typ Mark I, General Electric Gesamtleistung: MW Block Leistung BJ 11. März MWe 1971 in Betrieb MWe 1974 in Betrieb MWe 1976 in Betrieb MWe 1978 außer MWe 1978 Betrieb MWe 1979 Betrieb

28 Fukushima Reaktorgebäude Schema Siedewasserreaktor Reaktorgebäude Maschinenhaus

29 Ereignisablauf 11. März :46 Erdbeben Stärke 9,0 Auslegung: 8,2 Automatische Reaktorschnellabschaltung Start des Nachkühlsystems Zusammenbruch der externen Stromversorgung Anspringen der Notstromdiesel Sichere Beherrschung der momentanen Situation 11. März :41 Tsunami max. 23 m Fukushima: 14 m Kraftwerksebene: 5,7 m Überflutung aller Dieselgeneratoren und wesentlicher Kühlwassergebäude Zusammenbruch der Notstromversorgung Ausfall der Nachkühlsysteme Nur Batterien funktionieren noch (8 h) Nur HD-Einspeisesystem mit Turbine funktionsfähig Quelle: Ereignisablauf nach L. Mohrbach, VGB

30 11. März Block 1 16:36 Uhr: Batterien leer Nachzerfallswärme produziert Dampf Druck im Reaktor steigt Entlastung durch Kondensation in Kondensationskammer Kühlmittelpegel im Reaktor fällt Brennelemente teilweise nicht mehr bedeckt Brennelementtemperatur steigt > 1200 C Wasserstoff-Bildung an Brennelementhüllen (Zr) Teilweise Kernschmelzen setzt ein (~ C) Freisetzung von flüchtigen Spaltprodukten: I, Kr, Xe im Containment Druck im Containment steigt 12. März Block 1 04:00 Uhr: Druckentlastung ins Reaktorgebäude 15:36 Uhr: Wasserstoff-Explosion Freisetzung < 0,1 % I, Cs, u.a. Quelle: Ereignisablauf nach L. Mohrbach, VGB

31 Aktueller Zustand: Block 1-4: Gebäudeschäden Block 1 3: Schäden an Reaktor, Kondensationskammer Freisetzung von Spaltprodukten Hohe Effektivdosen auf KKW-Gelände Teilweise Fluten der Reaktordruckbehälter, Containment und BE-Becken mit Meerwasser

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33 Unterschiede zwischen Fukushima und deutschen Siedewasserreaktoren 1. Stahlcontainment groß und kugelförmig 2. Containment mit Stickstoff inertisiert 3. Im RDB liegende Umwälzpumpen 4. Kondensationskammer ringförmig um RDB 5. Druckabbau im Containment durch offene Kondensationsrohre bei Leitungsbruch 6. 3 x 100% bzw. 4 x 50% Redundanz bei Nachwärmeabfuhrsystem und HD- u ND- Noteinspeisesysteme 7. 4 x 50% redundante Notstromdiesel 8. Druckentlastung über Filter in Kamin nach Außen 9. Reaktorgebäude aus Beton.

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36 Bewertung des Fukushima-Unfalls nach INES Einstufungen durch japan. Behörde: : Alle Blöcke Stufe : Blöcke 1-3 Stufe 5 Block 4 Stufe : Blöcke 1-4 Stufe 7 Freisetzung Fukushima: *10 15 Bq I Cs-137 Freisetzung Tschernobyl: > *10 15 Bq INES 7: Freisetzung I-131 > 10*10 15 Bq Quelle: Ereignisablauf nach L. Mohrbach, VGB

37 Wie viel Strahlenbelastung kann von Fukushima nach Eigene grobe Abschätzung: Deutschland gelangen? 1. Hypothetische Emission aus 10 x 10 m² Öffnung in Fukushima, Transport in 14,4 km Höhe, Annahmen: Erfassung durch Jet-Stream, Transport über km nach Europa, Immission auf 1000 x 1000 km² Fläche; Anmerkung: bislang kaum thermischer Auftrieb im Gegensatz zu Tschernobyl, was nicht mehr zu erwarten ist. 2. Emission: µsv/h gemäß TEPCO-Messung Ergebnis: 0,01 µsv/a Zusatzbelastung in Europa 3. Hypothet. Worst case Super-GAU: 50% des Kerninventars 78,2 t; U-235 Anreicherung Emission: 2,1%; Kernschmelzen 1,2 % Cs-137 Freisetzung; T H = 30,2 a; Bodenstrahlung Dosisfaktor F = 0,39*10-12 msv*m². Ergebnis: 22,6 msv/a Zusatzbelastung in Europa 4. Fazit: Ohne thermischen Auftrieb vernachlässigbar geringe Strahlenbelastung.

38 Weitere Informationen zu Fukushima: Gesellschaft für Reaktorsicherheit: fukushima.grs.de/ Bundesamt für Strahlenschutz: Universität Karlsruhe: Internationale Atomenergie Behörde, Wien: Betreiber Fukushima: TEPCO: Kernenergie generell:

39 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit