Reaktortypen Druckwasserreaktor Siedewassereaktor Schneller Brüter Hochtemperaturreaktor Leichtwasserreaktoren Schwerwasserreaktoren Graphitmoderierte Reaktoren Fusionsreaktoren 08 Kernkraftwerke Komponenten: Brennstoff / Brennzone Steuerstäbe Druckbehälter Sicherheitsbehälter Kühlwasser / Kühlwasserkreislauf Turbine / Generator Kühlturm / Kondensator Kontrollzentrum Sicherheitseinrichtungen Quelle: Informationskreis Kernenergie 1
08.1 Druckwassereaktor Quelle: Informationskreis Kernenergie Der Druckwasser-Reaktor 1 Reaktordruckbehälter 2 Brennelemente 3 Regelstab 4 Regelstabantrieb 5 Druckbehälter 6 Dampferzeuger 7 Kühlmittelpumpe 8 Frischdampf 9 Speisewasser 10 Turbine (Hochdruckteil) 11 Turbine (Niederdruckteil) 12 Generator 13 Erregermaschine 14 Kondensator 15 Flusswasser 16 Speisewasserpumpe 17 Vorwärmeanlage 18 Betonabschirmung 19 Kühlwasserpumpe 2
08.2 Siedewassereaktor Quelle: Informationskreis Kernenergie Der Siedewasser-Reaktor 12 1 Reaktordruckbehälter 2 Brennelemente 3 Regelstab 4 Drehstromantrieb 5 Umwälzpumpe 6 Frischdampf 7 Speisewasser 8 Turbine (Hochdruckteil) 9 Turbine (Niederdruckteil) 10 Generator 11 Erregermaschine 12 Kondensator 13 Flusswasser 14 Vorwärmeanlage 15 Speisewasserpumpe 16 Kühlwasserpumpe 3
Leichtwasserreaktoren Technische Daten / Reaktortyp Druckwasser Siedewasser Kraftwerk Emsland Krümmel Thermische Leistung MW : 3 765 3 690 elektrische Bruttoleistung MW : 1 341 1 316 elektrische Nettoleistung MW : 1 270 1 260 Nettowirkungsgrad % : 33 34 Anzahl der Brennelemente : 193 840 Anzahl der Brennstäbe je Brennelement : 300 63 Kernbrennstoffmenge t U (Uran) : 103 156 Leistungsdichte kw / l : 93 51,6 mittlere spezifische Brennstoffleistung kw / kg U : 36,6 22,7 Kühlmitteldurchsatz kg / s : 18 800 15 890 Kühlmitteldruck MPa : 15,8 7 Kühlmitteleintrittstemperatur C : 291 278,7 Kühlmittelaustrittstemperatur (am Kern) C : 326 286,4 Frischdampfdruck MPa : 6,5 6,6 Frischdampftemperatur C : 280 283 Frischdampfdurchsatz kg / s : 2 055 1 996 08.4 Leichtwasserreaktoren Technische Daten / Reaktortyp Druckwasser Siedewasser Kraftwerk Emsland Krümmel Thermische Leistung MW : 3 765 3 690 elektrische Bruttoleistung t MW : 1 341 1 316 elektrische Nettoleistung MW : 1 270 1 260 Nettowirkungsgrad % : 33 34 Anzahl der Brennelemente : 193 840 Anzahl der Brennstäbe je Brennelement : 300 63 Kernbrennstoffmenge t U (Uran) : 103 156 Leistungsdichte kw / l : 93 51,6 mittlere spezifische Brennstoffleistung kw / kg U : 36,6 22,7 Kühlmitteldurchsatz kg / s : 18 800 15 890 Kühlmitteldruck MPa : 15,8 7 Kühlmitteleintrittstemperatur C : 291 278,7 Kühlmittelaustrittstemperatur (am Kern) C : 326 286,4 Frischdampfdruck MPa : 6,5 6,6 Frischdampftemperatur C : 280 283 Frischdampfdurchsatz kg / s : 2 055 1 996 4
Schneller Brutreaktor 1 Reaktortank t k 2 Brennelemente (Spaltzone) 3 Brennelemente 4 Regelstab 5 Na-Pumpe (Brutzone) 6 Na-Primär-Kreislauf 7 Zwischenwärmetauscher 8 Na-Sekundärkreislauf 9 Na-Pumpe 10 Dampferzeuger 11 Frischdampf 12 Vorwärmeanlage 13 Speisewasserpumpe 14 Kondensator 15 Flusswasser 16 Turbine (Hochdruckteil) 17 Turbine (Niederdruckteil) 18 Generator 19 Erregermaschine 20 Kühlwasserpumpe (Kühlwasser) Thorium Hochtemperaturreaktor 1 Reaktorkern 2 Neutronenreflektor (C/gr) 3 Dampferzeuger (Kugelhaufen) 4 Kühlungsgebläse 5 Spannbetonbehälter 6 Regelstäbe 7 Kugelabzugrohr 8 Kugelzugaberohr 9 Kühlgas (He) 10 Dichthaut aus Stahl 11 Frischdampf 12 Vorwärmeanlage 13 Speisewasserpumpe 14 Turbine (Hochdruckteil) 15 Turbine (Niederdruckteil) 16 Generator 17 Erregermaschine 18 Kondensator 19 Kühlwasserkreislauf 20 Kühlwasserpumpe 5
08.4.1 Stoffbilanzen für 1 Jahr Input: 26 t angereichertes U Output: radioaktive Ableitungen aus 183 t Natururan Wasser: < 1,85. 10 7 Bq /m 3 Luft: Edelgas < 15 1,5. 10 15 Bq /a Aerosole (t 1/2 > 8d) < 4. 10 10 Bq /a I-131: < 1,5. 10 10 Bq /a Abfall: hochaktiv 50 t; mittel u. schwach 730 t Quellen: EVS 1988 und GKN 08.4.2 Stoffbilanzen für 1 Jahr Input 3,4 Mio t Steinkohle (1% S) 120 000 t Kalkstein 6 700 t Ammoniak Output 10 Mio t CO 2 6 400 t SO 2 800 t Staub 6 500 t NO x 160 000 t REA-Gips 250 000 t Asche Quellen: EVS 1988 und GKN 6
09 Fusionskraftwerk D+T T 4 He (3,50 MeV) + n (14,11 MeV) + 17,6 MeV magnetisch eingeschlossenes Plasma T > 100 Mio Grad C pro Gramm Fusionsbrennstoff die Energie von 12,4 t Kohle frei http://www.zitadelle.juel.nw.schule.de/fusion/hauptseite.htm 09.1 Vor- und Nachteile D + T 4 He (3,50 MeV) + n (14,1 MeV) + 17,6 MeV Ausreichende Energieerzeugung Ausreichende Brennstoffvorräte Keine unkontrollierte Leistungsfreisetzung Geringere Zerfallsnachwärme Geringere radioaktive Abfälle Aktivierung von Materialien durch Neutronen (radioaktive Abfälle) Vorsicht bei Tritiumfreisetzung! 7
09.2 Plasmaeinschluss (1) Plasma im gerichteten Magnetfeld eingeschlossen Schraubenförmige Teilchenbewegungen um die Feldlinien Toroidale Spulenanordnung: TOKAMAK 09.3 Plasmaeinschluss (2) 8
09.4 Plasmaeinschluss (3) Plasmagefäß: Vollständige Luft- Brennstofftrennung Gering leitendes Material Vakuumdichte Öffnungen für Handhabungen 09.5 TOKAMAK Aufbau Magnetischer Plasmaeinschluss Transformator Plasmaheizung 10 8 K (Sonnentemperatur) 7.10 5 A 700 kwatt Zusatzheizung für Zündung 9
09.6 Das Experiment JET Charakteristische Daten des Experimentes JET: Höhe (über alles): 11,5 m Gewicht: 4000 t Großer Plasmaradius: 2,96 m Plasmahöhe: 4 m Plasmabreite: 2,5 m Plasmavolumen: 100 m 3 Plasmagewicht: 0,03 g Anzahl der Toroidal-Feldspulen: ld l 32 Spulenstrom: 66 ka Magnetfeldstärke: 3,45 Tesla Plasmastrom (max.): 7 MA Entladungsdauer: max. 60 s Heizleistung:Neutral-Injektion: 21 MW Ionen-Zyklotronheizung: 24 MW 09.7 Das Fusionskraftwerk Forschungsbedarf Materialforschung Plasma-Wand a a Wechselwirkungen Energie- und Teilchenabfuhr Verteilung des Stroms im Plasma Teilchentransport 10
09.8 Daten eines Fusionskraftwerkes Gesamtradius (über alles) : 17 m Höhe (über alles) : 23 m Großer Plasmaradius : 7 m Plasmahöhe : 6 m Plasmabreite : 3,4 m Plasmavolumen : 760 m 3 Magnetfeld : 9Tesla Maximaler Plasmastrom : 12 MA Startheizung und Stromtrieb : 60 MW Wandbelastung durch Neutronen : ca. 3 MW / m 2 Fusionsleistung : 3000 MW Brenndauer : Dauerbetrieb 10 Die Atombombe Geschätzte Mindestmenge an Spaltstoff für nukleare Sprengsätze Art des Spaltstoffs Menge in kg als Metall als Oxid Waffen-Plutonium 10 30 Reaktor-Plutonium >13 40 93% anger. U-235 52 100 3% anger. U-235 (LWR-Brennstoff) nicht möglich nicht möglich U-233 16 40 11
Literatur 1. M. Volkmer; Radioaktivität und Strahlenschutz; Informationskreis Kernenergie, 1997 / 2001 / 2004 2. W. Koelzer; Lexikon zur Kernenergie; Informationskreis Kernenergie, 1997 3. D. Emmendörfer; Theorie der Kernreaktoren; BI- Wissenschaftsverlag, 1982 4. R.B. Firestone; CD: Table of Isotopes; Wiley-Interscience, 1996 5. S. Hawking; CD: Eine kurze Geschichte der Zeit; Navigo, 1997 B. Bröcker; DTV-Atlas zur Atomphysik; DTV Verlag 1993 6. P.M. Magazin 12 / 94 7. atw - Internationale Zeitschrift für Kernenergie 2/96 8. Bild der Wissenschaft 11 / 1996 Web-Links http://www.infokreis-kernenergie.org/d/downloads.cfm http://www.kernenergie.de/d/portal_interaktiv/kernenergieinteraktiv.cfm http://www.de.framatomeanp.com/anp/d/foa/anp/products/vwp_epr/index.html http://atlasinfo.cern.ch/atlas/documentation/educ/physics1.html http://users.senet.com.au/~rowanb/chem/atstruct.html http://newton.ex.ac.uk/aip/physnews.412.html#1 12