Wie funktioniert eigentlich ein Atomkraftwerk? Prof. Dr. Wolfgang Kohl 28. April 2011 W. Kohl Wie funktioniert eigentlich ein Kernkraftwerk? 28.04.2011 Berufungsvortrag Hochschule Mannheim Fakultät University für Verfahrens- of Applied und Sciences Chemietechnik Helmut Behler 20.11.2009
Übersicht: Grundlagen eines Atomkraftwerks Radioaktivität Fukushima Fragen
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.
Kernspaltung:
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
Entdeckung der Kernspaltung Otto Hahn, Fritz Strassmann Dezember 1938 Quelle: Deutsches Museum
Kettenreaktion
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
Schema eines Kernkraftwerks Druckwasserreaktor Bild: Fabian, Tobias, Felix
Radioaktivität
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)
Radioaktive Strahlung - Arten, Eigenschaften, Abschirmung
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
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-40 4.200 Bq C-14 3.800 Bq Rb-87 650 Bq Pb-210, Bi-210, Po-210, U-238 64 Bq Rn-220 u Rn-222-Zerfallsprodukte 45 Bq H-3, Be-7 50 Bq Sonstige 3 Bq Summe 8.112 Bq Flugverkehr: Frankfurt New York u zurück 100 µsv Indien: 10 40 msv/a; Brasilien: 8 200 msv/a; Iran 20 450 msv/a
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. 5300 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: 37.000 Bq/m³
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 2.000 Bq/kg Bild: IKE
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.
Sicherheitskonzeption bei Kernkraftwerken
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.
Sichere Reaktorabschaltung Sicherheitskonzeption I Fail-Safe-Prinzip Quelle: KWU Siemens
Sicherheitskonzeption II Bündel von aktiven Sicherheitseinrichtungen Quelle: KWU Siemens
Sicherheitskonzeption III Redundanz 4 x 50% Quelle: KWU Siemens
Sicherheitskonzeption IV Räumliche Trennung Quelle: KWU Siemens
Sicherheitskonzeption V Bündel von passiven Sicherheitseinrichtungen Legende: 1 Brennstoff-Kristallgitter 2 Brennstabhülle 3 Reaktordruckbehälter 4 Biologischer Schild 5 Sicherheitsbehälter 6 Reaktorgebäude Bild: IKE
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.
Fukushima
Fukushima - Daiichi 6 Siedewasserreaktoren Typ Mark I, General Electric Gesamtleistung: 4.546 MW Block Leistung BJ 11. März 1 439 MWe 1971 in Betrieb 2 760 MWe 1974 in Betrieb 3 760 MWe 1976 in Betrieb 4 760 MWe 1978 außer 5 760 MWe 1978 Betrieb 6 1067 MWe 1979 Betrieb
Fukushima Reaktorgebäude Schema Siedewasserreaktor Reaktorgebäude Maschinenhaus
Ereignisablauf 11. März 2011 14:46 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 2011 15:41 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
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 (~ 2.500 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
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
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.
Bewertung des Fukushima-Unfalls nach INES Einstufungen durch japan. Behörde: 12.03.2011: Alle Blöcke Stufe 3 18.03.2011: Blöcke 1-3 Stufe 5 Block 4 Stufe 3 12.04.2011: Blöcke 1-4 Stufe 7 Freisetzung Fukushima: 370 630*10 15 Bq I-131 + Cs-137 Freisetzung Tschernobyl: > 5.000 *10 15 Bq INES 7: Freisetzung I-131 > 10*10 15 Bq Quelle: Ereignisablauf nach L. Mohrbach, VGB
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 15.000 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: 12.000 µsv/h gemäß TEPCO-Messung 15.03.2011 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.
Weitere Informationen zu Fukushima: Gesellschaft für Reaktorsicherheit: www.grs.de fukushima.grs.de/ Bundesamt für Strahlenschutz: www.bfs.de/de/bfs Universität Karlsruhe: www.kit.edu/besuchen/6042.php Internationale Atomenergie Behörde, Wien: www.iaea.org Betreiber Fukushima: TEPCO: www.tepco.co.jp/en/news/presen/presen-e.html Kernenergie generell: www.kernfragen.de/kernfragen/lexikon/k/kernenergie.php
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