Meine Präsentation zum Thema Kernspaltung und Kernkraftwerk.
Ich habe mich hauptsächlich an Videos orientiert. :)
Ein Handout habe ich auch dazu gemacht:
http://www.abiunity.de/download.php?id=25777


Text:
Als 1938 dem deutschen Chemiker Otto Hahn die erste Kernspaltung gelungen ist, hat er die Konsequenzen seiner Entdeckung noch nicht geahnt.
Mit Otto Hahn und seinen wissenschaftlichen Erkenntnissen nahm das Atomzeitalter seinen Lauf.

Kernspaltung soll die Energieprobleme der Menschen auf Dauer lösen (Hoffnung)
Unabhängigkeit von fossilen Rohstoffen wird zur nationalen Aufgabe, denn Uran scheint nahezu unbegrenzt vorhanden zu sein.
Die Erzeugung von Strom durch Kernkraft ist günstiger als die durch Verbrennung fossiler Brennstoffe.
Die Sicherheit spielt im Bereich der Kernkraft durch die radioaktive Strahlung eine sehr große Rolle.
Deutschland ist im Bereich der Sicherheitstechnik eines der führenden Länder.

Wie ist ein Kernkraftwerk aufgebaut?
Ein Kernkraftwerk besteht aus 3 wichtigen Gebäuden:
Dem Reaktorgebäude (Herzstück), in dem das Reaktordruckgefäß mit den Uranbrennelementen drin ist,
der Maschinenhalle mit Turbinen und einem Generator
und einem Kühlturm und einem Fluss.
Rohre und Wasserpumpen sind auch noch Bestandteile.
Es sind nicht alle Rohre miteinander verbunden.
Es gibt nämlich insgesamt drei verschiedene Wasserkreisläufe.
Den Primärkreislauf:
Er verläuft nur im Reaktorgebäude drinnen, nuklearer Teil
Der Sekundärkreislauf:
Der verläuft im Reaktorgebäude und im Maschinenhaus,
konventioneller Teil, der wie bei allen Wärmekraftwerken der Umwandlung von Wärme in Strom dient
Der Kühlkreislauf:
Der ist zwischen dem Kühlturm und der Maschinenhalle




Primärkreislauf:
Der Primärkreislauf geht durch den Kernreaktor.
Im Kernreaktor befinden sich Brennelemente.
Ihn ihnen findet eine Urankernspaltung statt, bei der Wärme entsteht.
Solche Brennelemente sind oftmals mehrere Meter lang und bestehen aus mehreren dünnen Brennstäben.
Ein Brennstab ist eine Röhre gefüllt mit Kernbrennstoff in Form kleiner uranhaltiger Tabletten (Pellets), luftdicht eingeschlossen.
Der Druckbehälter aus Stahl ist mit Wasser gefüllt.

Bei der Kernspaltung entsteht Energie, diese Energie treibt Turbinen an und so entsteht unser Strom.
Selten wird die Kernspaltung auch Kernfission gennant (v.lat. fissio:spalten)
darf aber nicht mit der Kernfusion verwechselt werden.
Genügend spaltbares Material nötig: Mindestmasse: kritische Masse.
(Reines Uran 235: 50kg; angereicherte Spaltstoffe: mehr)

Atomkern des Uran 235 (Prutolium; Sehr lange Halbwertszeit: Wahrscheinlichkeit gering, dass es zerfällt.)
Grund Uran:
Schwerer Atomkern nötig. Wenige Kerne schwerer Elemente, die bei einer Kernspaltung durch ein Neutron wiederrum mehrere Neutronen freisetzen.
Besteht aus 235 Teilchen, 92 positiv geladenen Protonen und 143 nicht geladenen Neutronen.
Ein freies Neutron trifft auf diesen Atomkern und wird durch ihn absorbiert. Neutronen eignen sich hierbei gut, weil sie keine Ladung haben und von den positiv geladenen Teilchen nicht abgestoßen werden.
Es bildet sich das instabile Uran 236, mit 92 Protonen und 144 Neutronen.
Es entsteht ein ungünstiges Protonen-Neutronen Verhältnis und aus diesem Grund ist der Atomkern dann instabil.
(Formt sich zu einem hantelartigen Gebilde, beide haben die gleiche elektrische Ladung)
Zerfällt unter Freisetzung einer enormen Energiemenge in Bruchstücke.
Ein Teil der frei werdenden Kernbindungsenergie wird in Bewegungsenergie der Spaltprodukte umgewandelt und an die Umgebende Materie abgegeben
(Damals herausgefunden: Kernmasse selbst ist die Energiequelle, da die beiden kleinen Kerne zusammen weniger wiegen, als der Urankern, aus dem Sie hervorgegangen sind. Deshalb muss ein Teil der Masse sich in Energie umgewandelt haben.)
Jedenfalls: Im hier beschriebenen Zerfallsweg entstehen, neben der Energie, ein Barion- und ein Kryptonkern (mittelschwere Kerne)
und 2 oder 3 energiereiche, schnelle Neutronen.
Diese lösen später weitere Kernspaltungen aus.
(Barion und Krypton sind nur eine Möglichkeit. Andere: Lanthan und Brom. Insgesamt über 200 Zerfallsprodukte bekannt)
(Die meisten dieser Spaltprodukte sind wegen eines Überschusses an Neutronen radioaktiv (instabil) und gehen über lange Zerfallsreihen in stabile Endprodukte über; Erst die Spaltprodukte geben Strahlung in Prozessen ab, die Larissa erklärt hat)

Es sind nur Neutronen mit geringer Energie (langsam) in der Lage neue Urankerne zu spalten und somit eine Kettenreaktion einzuleiten.
Diese schnellen Neutronen müssen also zunächst durch Kollision mit anderen Atomen abgebremst werden, sonst prallen sie an anderen Urankernen ab.
Dies geschieht durch sogenannte Moderatoren, meistens Wasser.
Da: Atomkerne des Moderators möglichst gleiche Masse wie das Neutron
Aus diesem Grund sind die Brennstäbe, in denen die Kernspaltung stattfindet, mit Wasser umgeben.
Es bremst die schnellen Neutronen ab.
Die abgebremsten Neutronen sind jetzt in der Lage weitere Urankerne zu spalten.
Es kommt zu einer Kernkettenreaktion, sobald ein langsames Neutron auf ein Uranatomkern trifft und erneut eine Kernspaltung auslöst.
Dieser Prozess (langsames Neutron trifft auf Uranatomkern,
Kerspaltung, Entstandene Neutronen treffen auf ein anderes Uranatomkern..)
läuft bei einer Atombombenexplosion unkontrolliert ab:
D.h es werden immer mehr Neutronen gebildet, als verbraucht werden.
Es müssen aber genügend spaltbare Atomkerne zur Verfügung stehen.
Um die Kernspaltung kontrolliert ablaufen zu lassen, existieren weiterhin sogenannte Steuerstäbe, oberhalb der Brennstäbe.
Die Steuerstäbe können über einen Motor nach oben und nach unten, zwischen die Brennstäbe, gefahren werden.
Die Steuerstäbe eines Druckwasserreaktors können eingefahren werden, um die Kettenreaktion zu stoppen oder zu verlangsamen.
Sie sind ebenso, wie die Brennstäbe Hüllrohre.
Sie bestehen im Inneren aus zum Beispiel Cadmiumverbindungen.
Diese absorbieren einige der entstehenden Neutronen, ohne dass es bei ihnen zu einer Kernumwandlung kommt, sodass diese nicht mehr zur Kettenreaktion beitragen können.
Das umgebende Wasser ist zusätzlich mit Neutronenabsorbierender Bohrsäure versetzt.
Die Kontrolle der Kettenreaktion erfolgt also durch die Konzentrationsänderung der Bohrsäure im Wasser und die Variable Eintauchtiefe der Steuerstäbe.
Deshalb müssen sogenannte Absorber in einem Kernkraftwerk Neutronen einfangen, damit ein günstiges Verhältnis zwischen freigesetzten und verbrauchten Neutronen entsteht.
Absorber können Bohr oder Cadmium sein.
Im Endeffekt wird dann pro gespaltenem Urankern bei einer kontrollierten Kernspaltung nur ein Wirksames Neutron freigesetzt.
(Wir haben ein Verhältnis von Eins zu Eins)
Der Spaltprozess verläuft so langsam und gibt gleichmäßig Energie ab.
Die Kunst bei der ganzen Sache ist also, die Anzahl der Neutronen konstant zu halten.

Die Brennelemente sind im Reaktor von Wasser umgeben (Moderator).
Es kühlt die Brennelemente.
Die bei dieser Reaktion frei werdende Energie erhitzt das Wasser der Primärkreislaufs, welches durch den Reaktor fließt.
Es ist dreihundert Grad heiß.
Der Primärkreislauf steht unter einem bestimmten Druck, damit das Wasser nicht anfängt zu kochen.
Das heiße Wasser wird in einen Wärmetauscher gepumpt.
Es trifft dort auf den Sekundärkreislauf.
Im Wärmetauscher nimmt der Sekundärkreislauf die Wärmeenergie vom Primärkreislauf ab.
Das Wasser dient hier als Transportmittel für die erzeugte Energie und zur Kühlung.
Der Primärkreislauf wird also kälter und der Sekundärkreislauf wird wärmer.
Nach Wärmeaustausch fließt das Wasser aus dem Primärkreislauf wieder in den Reaktor und wird wieder erwärmt.

Sekundärkreislauf:
Da im Sekundärkreislauf normale Druckverhältnisse herrschen, fängt das Wasser dort bei den dreihundert Grad an zu kochen: Es wird zu Wasserdampf.
Der Wasserdampf breitet sich schnell aus und wird Richtung Turbine geleitet.
Eine Turbine ist ungefähr 20m lang und 3 bis 4 Meter hoch.
Man kann sich die wie ein Windrad vorstellen, nur mehrere Hintereinander.
Wenn der Wasserdampf da durch strömt, dreht sich die Turbine.
Wenn man in das Windrad pustet, dreht sich das ja auch.
Die Dampfturbine ist ja an einen Generator angeschlossen.
Der funktioniert wie ein Fahrrad-Dynamo.
Er ist halt nur größer, schwerer und erzeugt mehr Leistung.
Da drinnen wird durch das Drehen (elektromagnetische Induktion findet statt - Spannung erzeugt) Elektrischer Strom erzeugt.
Im Generator passiert dasselbe, nur ein bisschen größer.
Der Sekundärkreislauf hat die Turbine also gerade zum Drehen gebracht und damit im Generator eine Spannung erzeugt.
Der Wasserdampf muss aber wieder runtergekühlt und verflüssigt werden, damit er wieder erhitzt werden kann und schnell durch die Turbinen laufen kann.
Das macht ein weiterer Wärmetauscher (Kondensator)
Der ist an den Kühlkreis angeschlossen. Aus dem Kühlkreis kommt permanent kaltes Wasser, aus dem Kühlturm oder einem angegrenzten Fluss.
Der Kühlkreis nimmt die Wärme vom Sekundärkreislauf.
Der Sekundärkreis kompensiert und wird wieder zu Wasser.
Das Kühlwasser fließt zum Kühlturm, wo es entweder als Dampf in die Luft entweicht oder hinabtropft.
Da aus dem Kühlwasserkreislauf so ständig Wasser entweicht, wird für Nachschub aus dem Fluss gesorgt.
Der Sekundärkreis wird dann wieder in den Wärmetauscher ins Reaktorgebäude gepumpt und wieder erhitzt. Kühlturm ist aufgrund seiner Größe das Auffälligste Bauwerk innerhalb eines Kernkraftwerks

Warum gibt es so viele verschiedene Kreisläufe?
Das Wasser des Primärkreislaufes läuft durch den Kernreaktor.
Es ist höchst Radioaktiv.
Nur das Berühren oder in der Nähe sein davon, könnte Menschen schon umbringen.
Deshalb besteht das Reaktorgebäude aus Meter dicken Beton und das Wasser verlässt nie das Gebäude.
Im Wärmetauscher wird dann natürlich nur die Wärme getauscht, aber keine Radioaktivität.
Damit ist der Sekundärkreislauf so gut wie sauber.
Und der Kühlkreislauf ist nur zum Kühlen da.

Siedewasserreaktor:
Druckwasserreaktor
Bei einem Kernkraftwerk mit Siedewasserreaktor: Das im Kernkraftwerk erhitzte Wasser wird in Dampf umgewandelt und direkt der Turbine zugeführt
Über den Kondensator gelangt das Wasser wieder zurück in den Kondensator

Druckwasserreaktor:
Vorteil: Radioaktiv kontaminiertes Wasser befindet sich nur innerhalb des abgeschirmten Reaktorbereichs
Es ist kein Strahlenschutz in der Maschinenhalle (Primärkreislauf) nötig
Nachteil: Komplizierter Aufbau

Siedewasserreaktor:
Reaktortechniker gehen davon aus, dass bei gleichem Uran-Einsatz die Energie-Ausbeute in Siedewasserreaktoren günstiger ist.

Nachteile:
Maschinenhalle kann im Betrieb nur eingeschränkt betreten werden (Radioaktivität)
Bei Fehlern kann die Radioaktivität leichter entweichen
Der problematische Atomkomplex Fukushima hat Siedewasser-Reaktoren
Durch den Image-Schaden von Fukushima wird die Siedewassertechnik nun aber wahrscheinlich weiter ins Hintertreffen geraten

Kernkraftwerk:
Keine fossilen Brennstoffe verbrannt
Geringe Umweltbelastung bei normalen Betrieb (geringer Schadstoffausstoß)
Die durch Kernspaltung erzeugten Energiemengen sind enorm.
Möchte man die gleiche Energiemenge, die ein Kg Uran durch Kernspaltung freisetzt über die Verbrennung von Steinkohle erzeugen, so müsste man 2400 Tonnen Kohle verfeuern. (Mit kleinen Mengen Brennstoff kann viel Energie gewonnen werden)

Nachteile:
Es entstehen radioaktive Abfälle, die über Jahrzehnte hinweg sicher gelagert werden müssen
Durch menschliches Versagen/technische Probleme können radioaktive Stoffe freigesetzt werden
Im Extremfall: ganze Gebiete Strahlenverseucht und unbewohnbar
Solcher Fall: 1986 im ukrainischen Kernkraftwerk Tschernobyl
Nutzung der Kernkraftwerke wird stark diskutiert
In Deutschland wird etwa 33% der Elektroenergie in Kernkraftwerken gewonnen