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Atomkraftwerk

Atomkraftwerk

Ein Kernkraftwerk (KKW) oder Atomkraftwerk (AKW) ist ein Elektrizitätswerk zur Gewinnung von elektrischer Energie durch Kernspaltung in Kernreaktoren. Die Erzeugung elektrischer Energie geschieht indirekt: Die Wärme, die bei der Kernspaltung entsteht, wird auf ein Kühlmedium übertragen, wodurch dieses erwärmt wird. Im Normalfall besteht das Kühlmittel aus Wasser; bei der Erwärmung wird Wasserdampf erzeugt, der dann eine Dampfturbine antreibt. In einigen Fällen besteht ein Kernkraftwerk aus mehreren Blöcken, die für sich völlig unabhängig voneinander elektrischen Strom erzeugen. elektrischen Strom

Einleitung und Wortherkunft

Physikalische Grundlage für den Betrieb eines Kernkraftwerkes ist die thermische Energie, die bei der Spaltung von Atomkernen aufgrund eines Massendefektes nach der von Einstein formulierten Beziehung E = m c² entsteht. Für die bei Kernreaktionen, insbesondere der Radioaktivität, freiwerdende Energie wurde 1899 der Begriff Atomenergie von Hans Geitel geprägt, damals fehlten allerdings die Kenntnisse über den Aufbau von Atomen. Aufgrund dieser Erkenntnisse, insbesondere das Wissen über die Existenz des Atomkerns, ist der heutige naturwissenschaftliche Fachbegriff Kernenergie. Daraus abgeleitet entstanden die synonymen Begriffe Kernkraftwerk (KKW) und Atomkraftwerk (AKW). Der Begriff Atomkraftwerk wurde 1960 für das Versuchsatomkraftwerk Kahl benutzt. 1966 wurde (analog beispielsweise zur englischen Bezeichnung Nuclear Power Plant – NPP) für die Kraftwerke Rheinsberg und Gundremmingen A die Bezeichnung Kernkraftwerk verwendet.

Reaktortypen und Funktionsweise

In Kernkraftwerken werden unterschiedliche Reaktortypen eingesetzt die sich im Wesentlichen durch die verwendeten Kernbrennstoffe, Kühlkreisläufe und Moderatoren unterscheiden. Die wichtigsten sind:
- Leichtwasserreaktor (LWR): Als Reaktorkühlmittel wird hier leichtes Wasser verwendet, welches das in der Natur am häufigsten vorkommende Wasser ist, gebildet mit dem leichten Wasserstoff-Isotop ¹H. Das leichte Wasser dient gleichzeitig als Moderator. Als Brennstoff geeignet ist angereichertes Uran mit einem U-235-Massenanteil zwischen etwa 1,5 und 6 Prozent. Der LWR wird ausgeführt als
- Druckwasserreaktor (DWR):Druckwasserreaktor Das Reaktorkühlmittel transportiert die Kernspaltungswärme in einem geschlossenen Kreislauf, dem Primärkreislauf, zu mehreren Dampferzeugern, mit denen in einem sekundären Kreislauf der Dampf zum Antrieb der Turbinen erzeugt wird. Dieser Sekundärkreislauf ist nicht mehr Teil des Kontrollbereichs. Zum Typ der Druckwasserreaktoren gehört auch der European Pressurized Water Reactor (EPR).
- Siedewasserreaktor (SWR): Das Reaktorkühlmittel wird im Reaktordruckbehälter verdampft und direkt den Turbinen zugeführt. Der gesamte Wasser-Dampfkreislauf ist damit Teil des Kontrollbereichs. Im störungsfreien Betrieb verlässt das Reaktorkühlmittel das Containment, eine druckdichte Stahlkugel, des DWR nicht, im SWR dagegen gelangt es bis in die Turbinen und Kondensatoren des Wasser-Dampfkreislaufs.
- Schwerwasserreaktor (HWR): Schweres Wasser (D₂O) als Reaktorkühlmittel wird mit schwerem Wasserstoff, dem Deuterium, gebildet, das Neutronen schlechter absorbiert. Deshalb kann als Brennstoff Natur-Uran mit einem Massenanteil an U-235 von etwa 0,7 Prozent verwendet werden.
- RBMK: Der RBMK ist ein Reaktor sowjetischer Bauart, der Graphit als Moderator und Wasser als Kühlmittel verwendet, daher kann zum Betrieb Uran mit der natürlichen Isotopenverteilung verwendet werden. Die Bauart macht den Betrieb dieser Reaktoren sehr unsicher, deswegen werden sie nach der Katastrophe von Tschernobyl nicht mehr gebaut. Allerdings sind auf dem Gebiet der ehemaligen Sowjetunion noch einige Reaktoren dieser Bauart mit einigen technischen Verbesserungen weiterhin in Betrieb.
- Flüssigmetall gekühlter Brutreaktor (Schneller Brüter): Der Brutreaktor erzeugt während des Betriebs spaltbares Plutonium aus dem Uran und ermöglicht dadurch eine um 60 Prozent höhere Brennstoffausnutzung. Flüssiges Metall (z.B. Natrium), das Neutronen nicht abbremst ("moderiert"), wird als Reaktorkühlmittel eingesetzt und erzeugt über einen Wärmetauscher den Dampf für die Turbinen.
- Thorium-Hochtemperaturreaktor (THTR): Thorium-232, aus dem durch Neutroneneinfang der Kernbrennstoff Uran-233 entsteht, ist in tennisballgroßen Graphitkugeln eingebettet (daher auch Kugelhaufenreaktor), die von Helium als Reaktorkühlmittel gekühlt werden (anfangs muss dennoch etwas Uran-233 oder ein anderer Kernbrennstoff vorhanden sein, damit die Reaktion beginnen kann). Das Helium wird dabei auf ca. 1000 °C erhitzt und erzeugt über einen Wärmetauscher den Dampf für die Turbine, oder wird direkt auf eine Gasturbine geleitet. Im experimentellen Stadium befinden sich derzeit Kernkraftwerke, die Kernfusion als Wärmequelle verwenden. Diese Kraftwerke werden meist als Fusionskraftwerke bezeichnet. Der wichtigste Bestandteil eines Kernkraftwerks ist der Kernreaktor. In ihm finden die Spaltungsprozesse statt. Viele Kernkraftwerke werden mit mehreren Kernreaktoren gebaut. In einem solchen Fall spricht man von mehreren Reaktorblöcken. In den Kraftwerken wird bei der Spaltung schwerer Atomkerne die Bindungsenergie der Atomkerne in thermische Energie umgewandelt (der so genannte Massendefekt).Massendefekt In Siedewasserreaktoren bringt diese thermische Energie direkt Wasser zum Sieden und erzeugt somit Wasserdampf. In Druckwasserreaktoren erhitzt die Spaltung dagegen unter starkem Druck stehendes Wasser. Dieses Wasser wird im Primärkreislauf durch einen Wärmetauscher, den sog. Dampferzeuger, geleitet und bringt dort Wasser im Sekundärkreislauf zum Sieden. Durch dieses Vorgehen wird erreicht, dass die für die Stromerzeugung nötigen Anlagen (z.B. die Turbinen) nicht radioaktiv kontaminiert werden. Mit dem Dampf werden schließlich Wärmekraftmaschinen gespeist, die Generatoren zur Erzeugung des elektrischen Stroms antreiben. Ein Reaktor kann über seinen Neutronenfluss geregelt, angefahren und abgeschaltet werden, indem man Neutronen absorbierende Stoffe wie etwa Cadmium, Gadolinium oder Bor in den Reaktorkern bzw. neutronenverlangsamende (sogenannte Moderatoren) Stoffe wie Graphit, Wasser, oder Schwerwasser zugibt oder entfernt. Graphit Dies geschieht z. B. kurzfristig mit Hilfe der Steuerstäbe und bei Druckwasserreaktoren längerfristig durch Zugabe bzw. Entzug von Borsäure im Reaktorkühlkreislauf. In der Praxis wird die vom Generator zu erzeugende elektrische Leistung am Turbinenregler vorgegeben und die thermische Leistung des Reaktors automatisch nachgeführt. Als Kernbrennstoff wird in den meisten heute betriebenen Kernkraftwerken Uran eingesetzt. Es gibt weltweit viele Kraftwerke mit einer Nutzungslizenz für MOX-Brennelemente, so auch in Deutschland. Mischoxid (MOX) ist ein Gemisch aus Uranoxid und Plutoniumoxid. Plutonium hat als Brennstoff eine höhere Energieausbeute, ist also effizienter als Uran. Die Verwendung von höher angereichertem Plutonium ist allerdings sowohl aufgrund der Waffenfähigkeit des Brennstoffes als auch wegen der höheren Komplexität der Sicherheitssysteme eines Brutreaktors, der mit Plutonium betrieben wird, umstritten.

Reaktorregelung

Regelung der Leistung eines Kernkraftwerks. Je nach Reaktortyp gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Leistung zu regulieren. Hierzu zählen zum Beispiel das schrittweise Einfahren der Steuerstäbe und die Regulierung der Borkonzentration im Primärkreislauf. Die Regelung erfolgt heute nur noch automatisch. Es werden verschiedene Werte gemessen (Druck, Temperatur, Neutronenfluss, usw.), und an Hand derer wird der Reaktor geregelt.

Geschichte

Das erste Kernkraftwerk der Welt wurde 1954 in Obninsk bei Moskau erfolgreich in Betrieb genommen (elektrische Leistung 5 MW). Fast zeitgleich wurde im Jahr 1955 in Calder Hall (England) ein weiteres Kernkraftwerk errichtet. In den meisten frühen Kernkraftwerken kamen Siedewasserreaktoren zum Einsatz, da diese einfacher zu konstruieren und zu regeln sind. Inzwischen sind dagegen Druckwasserreaktoren üblicher, die höhere Leistungsdichten besitzen und bei denen der Kontrollbereich kleiner ist. Das erste Kernkraftwerk Deutschlands war das unter Lizenz von GE von der AEG gebaute Versuchsatomkraftwerk (VAK) Kahl (16 MWe) mit einem Siedewasserreaktor, der zuerst am 13. November 1960 kritisch wurde. Es folgten der Mehrzweckforschungsreaktor (MZFR) Karlsruhe (29. September 1965, 57 MWe) und der KKR Rheinsberg in Brandenburg (damals DDR). Es wurde am 9. Mai 1966 das erste Mal ans Netz geschaltet und war bis 1990 in Betrieb. Das nächste war (KRB A) in Gundremmingen (14. August 1966, 250 MWe) und schließlich ein Kraftwerk mit einen Druckwasserreaktor 1968 in Obrigheim in Baden-Württemberg (357 MWe). Alle sich noch im Betrieb befindlichen deutschen Kernkraftwerke wurden von der Siemens AG oder deren ehemaliger Tochter, der Kraftwerk Union (KWU), gebaut. Ausnahmen bilden die Kraftwerke mit Siedewasserreaktoren (Brunsbüttel, Isar I, Philippsburg I und Krümmel). Sie wurden von der AEG begonnen und von der KWU fertiggebaut, nachdem die Kernkraftsparte der AEG in die KWU eingetreten ist. Im April 1986 ereignete sich einer der bislang schwersten Störfälle in einem Kernkraftwerk im ukrainischen Prypjat im Reaktor Tschernobyl, bei dem der Block 4 explodierte und riesige Mengen radioaktiver Isotope und Strahlung in die Atmosphäre gerieten. Die Explosion des Reaktors ist wahrscheinlich auf menschliches Versagen sowie bauartbedingte Mängel zurückzuführen. Der Störfall wurde zunächst tagelang vertuscht, bis man auch in Skandinavien stark erhöhte Radioaktivitätswerte messen konnte und die sowjetische Regierung durch den enormen öffentlichen Druck gezwungen war, die Havarie einzugestehen. Der Störfall kostete offiziell "nur" 125 Menschenleben, rief aber in der ganzen Welt ein Misstrauen gegen die Kernenergie hervor. Nach Schätzungen der IPPNW sind hingegen von den rund 800.000 nach der Katastrophe eingesetzten Hilfskräften inzwischen fast 50.000 verstorben. Angaben über die Todesursachen macht die Organisation nicht, jedoch soll es eine erhöhte Selbstmordrate im betroffenen Personenkreis geben. (Quelle:IPPNW-online [http://www.ippnw.de/index.php?/s,1,2,8,150/o,article,857/]) Der neueste Auftrag (2004) für einen EPR Druckwasserreaktor von 1,6 GW Leistung wurde vom finnischen Energieversorgungsunternehmen Teollisuuden Voima Oy (TVO) für den Standort Olkiluoto an Framatome ANP erteilt. Der privat finanzierte Reaktor (3 Milliarden Euro) soll im Jahre 2009 an das Netz gehen. Den Bau des ersten schwimmenden Atomkraftwerks planen Russland und die Volksrepublik China. Der Reaktorblock soll von Russland und die Außenhülle von China gebaut werden. Die Kosten für das Projekt betragen über 86 Millionen US-Dollar. Das Atomkraftwerk, das zum Vergleich mit einem Haus neun Stockwerke hoch sein wird, befindet sich dann auf einem 140 Meter langen und 30 Meter breiten schwimmenden Block, mit einer Wasserverdrängung von 21.000 Tonnen. Der Bau des Atomkraftwerks soll 2011 abgeschlossen sein und zunächst für das russische Rüstungsunternehmen Sewmasch in Sewerodwinsk in der Region Archangelsk, Energie liefern. Geplant ist eine Leistung von 70 Megawatt.

Kernkraftwerke in Deutschland

2003 waren in Deutschland 19 Kernkraftwerke in Betrieb. und produzierten 165 Terawattstunden Strom. Das entspricht 27,7 Prozent der gesamten Bruttoerzeugung (Quelle: Statistisches Bundesamt). Das Kernkraftwerk Stade bei Hamburg wurde im Dezember 2003 abgeschaltet und befindet sich derzeit in der Stilllegungsphase. Am 11. Mai 2005 wurde auch das Kernkraftwerk Obrigheim abgeschaltet. Sein Abbau soll bis 2023 dauern. Somit sind derzeit (Stand 2005) noch 17 Atomreaktoren in Betrieb. Nach dem 2000 beschlossenen Atom-Konsens-Vertrag sollen diese nach Erreichen zugeteilter Reststrommengen abgeschaltet werden. Damit ginge nach derzeitigem Stand im Jahre 2022 der Block 2 des AKW Neckarwestheim als letzter vom Netz. Die CDU/CSU haben im Wahlkampf 2005 eine Laufzeitverlängerung für den Fall eines Regierungswechsels angekündigt. Dies stieß bei verschiedenen Umweltverbänden, aber auch dem Umweltbundesamt der Schröder-Regierung auf harsche Kritik.

Voraussichtliches Ausstiegszenario für die Bundesrepublik Deutschland

Nichtnukleare Besonderheiten

Das Kernkraftwerk Neckarwestheim (Block 1) liefert als einziges Kernkraftwerk der Welt auch einphasigen Bahnstrom. Beim Kernkraftwerk Stade wurde früher beim einzigen (West)deutschen Kernkraftwerk auch die Abwärme genutzt. Im Kernkraftwerk Greifswald wurden in den Blöcken 1-4 jeweils 75 MW thermisch ausgekoppelt und zur Wärmeversorgung der Stadt benutzt. 1984 bis 1990 (Stilllegung Block 1–4) wurde Anzapfdampf der Turbinen genutzt. Bis 1994 erzeugte ein Öl-Heizhaus die Wärme. Die Anlage wurde 1994 außer Betrieb genommen. (Daten: Heiznetz Vorlauf 180 °C, Rücklauf 80 °C, Umwälzmenge bis zu 4 x 800 m³/h, 25 km (Lubmin-Greifswald) Fernwärmerohr DN800 PN40, drei Streckenschieberstationen, Netzinhalt etwa 25000 m³ Deionat)

Technische Daten ausgewählter Kernkraftwerke

DWR: Druckwasserreaktor SWR: Siedewasserreaktor
- ) Betriebsarbeit in GWh bezeichnet in diesem Fall die Arbeit die ein Kraftwerk in einem Jahr leistet. Als Basis für diesen Wert dienen 365 Tage=8760 Stunden.
- ) Auf Nettobasis ermittelte Werte (KKB 1 Beznau, KKB 2 Beznau, KKG Gösgen, KKL Leibstadt und KKM Mühleberg auf Bruttobasis)

- ) geplant: Beginn und Dauer der Nichtverfügbarkeit müssen mehr als 4 Wochen vor Eintritt festgelegt sein

- ) ungeplant: Der Beginn der Nichtverfügbarkeit ist nicht oder bis 4 Wochen verschiebbar

- disponibel: Der Beginn der Nichtverfügbarkeit ist mehr als 12 Stunden bis 4 Wochen verschiebbar
- nicht disponibel: Der Beginn der Nichtverfügbarkeit ist nicht oder bis 12 Stunden verschiebbar Stand: 2004, Quelle: VGB PowerTech

Siehe auch

Übergeordnete Artikel:
Kernenergie, Liste der Kernkraftanlagen, Liste der Nuklearanlagen in Deutschland, Liste der Kernreaktoren in Österreich, Liste der nuklearen Unfälle, Liste der Reaktortypen Weiterführende Artikel:
Strahlenschutz, Atomkraftgegner, Atomausstieg, GAU, Katastrophe von Tschernobyl, Kernschmelze, Konvoi-Typ

Weblinks

- [http://www.energie-fakten.de/ www.energie-fakten.de]
- [http://www.bmu.de/atomenergie/aktuell/aktuell/1155.php Aktuelles zur Kernenergie] vom BMU
- [http://www.oprit.rug.nl/deenen/ CO₂-Bilanz von Kernkraftwerken] (engl.)]
- [http://www.bund-gegen-atomkraft.de www.bund-gegen-atomkraft.de] - Informationen vom BUND zur Kernenergienutzung
- [http://www.bfs.de/ Deutsches Bundesamt für Strahlenschutz]
- [http://www.umweltinstitut.org/frames/all/m410.htm Atomkraftwerke weltweit] - Leistungen, Anteile, usw.
- [http://www.iaea.org/cgi-bin/db.page.pl/pris.charts.htm Informationen über alle Kernkraftwerke weltweit] - von der IAEA
- [http://www.ilk-online.de/public/de/ www.ilk-online.de] - Internationale Länderkommission Kerntechnik
- [http://www.bag.admin.ch/dienste/medien/2001/d/01121839.htm Kaliumiodidversorgung in der Schweiz]
- [http://www.kernenergie.de/ www.kernenergie.de] - Informationskreis Kernenergie
- [http://www.kernenergie-wissen.de/ www.kernenergie-wissen.de]
- [http://www.novo-magazin.de/40/novo4011.htm Atomkraft? Allerdings!] - Kommentar Kategorie:Kraftwerk !Kernkraftwerk Kategorie:Kernenergie ja:原子炉

Elektrizitätswerk

Ein Elektrizitätswerk (E-Werk), auch Kraftwerk genannt, ist eine industrietechnische Anlage zur Erzeugung von elektrischem Strom. Sie besitzen eine erhebliche technische Komplexität und haben einen ganz entscheidenden Einfluss auf das Funktionieren einer Volkswirtschaft. In ihnen ist ein großer Teil des volkswirtschaftlichen Vermögens eines Staates gebunden, ihnen kommt zudem eine erhebliche Bedeutung im Verbrauch ökonomischer und ökologischer Ressourcen zu. Die Bedeutung der Elektrizitätswerke wird in der Europäischen Union in den nächsten Jahrzehnten zunehmen, seriöse Studien prognostizieren eine Steigerung der Stromerzeugung innerhalb der EU von 2898 Terawattstunden im Jahre 2000 auf 3988 TWh im Jahre 2020. In analoger Weise werden die weltweiten Zuwächse für den gleichen Zeitraum von 15400 auf 28000 Terawattstunden angegeben. Die Investitionen in ein Kraftwerk sind erheblich, beispielsweise für ein modernes Kohlekraftwerk rechnet man mit etwa 800 € je installiertem Kilowatt elektrischer Leistung. Für einen Block mit einer Leistung von 600 Megawatt sind danach Baukosten von 480 Millionen € anzusetzen.

Technische Verfahren

Die Erzeugung des elektrisches Stromes kann auf drei Arten geschehen:
- Vorhandene mechanische Bewegungs- oder Lageenergie wird mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt. (Beispiele: Wasserkraftwerk, Windkraftwerk, Gezeitenkraftwerk, Wellenkraftwerk)
- Thermische Energie wird zuerst durch eine Wärmekraftmaschine in mechanische Energie und anschließend mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt.
- Spezielle Energieformen werden direkt in elektrische Energie (Beispiel Solarzellen, Brennstoffzellen) umgewandelt. Anlagen, die nur der Erzeugung von Wärme dienen, werden Heizwerke genannt. Konventionelle Wärmekraftwerke wandeln die gespeicherte chemische Energie (vorwiegend) nicht-erneuerbarer Rohstoffe in Wärme und dann in Elektrizität um, während so genannte regenerative Energie in Wasserkraftwerken, Sonnenkraftwerken und Windkraftwerken verwendet wird. Wird die auf Grund des Wirkungsgrades des Carnot-Prozesses notwendigerweise dabei entstehende Abwärme weiterverwendet (zum Beispiel als Fernwärme oder als Prozesswärme), so spricht man von einer Kraft-Wärme-Kopplung. Geschieht das nicht spricht man von Abfallwärme. Die Funktion aller modernen Elektrizitätswerke basiert auf dem gleichen Wirkungsprinzip:
- Eine Kraftmaschine liefert durch Umwandlung von Primärenergie eine Drehbewegung. Die Kraftmaschine ist meistens eine Turbine, kann aber auch ein Wasserrad, ein Verbrennungsmotor oder der Rotor einer Windkraftanlage sein.
- An die Kraftmaschine ist über eine Welle eine Arbeitsmaschine gekuppelt. Im Elektrizitätswerk ist das stets ein Generator, der Elektrischen Strom als Sekundärenergie liefert. Zu einem Elektrizitätswerk gehören eine Reihe von Hilfseinrichtungen:
- Der Maschinentransformator formt den erzeugten elektrischen Strom in Hochspannung um, da hochgespannter Strom verlustärmer im Stromnetz verteilt werden kann,
- In der Leitwarte laufen alle für den Betrieb des Elektrizitätswerkes notwendigen Messwerte zusammen, von dort aus werden die Anlagenteile des Elektrizitätswerkes wie Armaturen, Pumpen und diverse Hilfsantriebe gesteuert und geregelt sowie die Sicherheitseinrichtungen überwacht,
- An allen Teilen des Elektrizitätswerkes sind Komponenten wie Sicherungen und Sicherheitsventile untergebracht, die den sicheren Betrieb gewährleisten und bei Störungen eingreifen,
- In Dampfkraftwerken kommen als wichtige Komponenten Dampfkessel, Dampfturbine, Kondensator, Maschinenhaus, Kühlturm, Schornstein, Speisepumpe und Rohrleitungen hinzu.
- In Wasserkraftwerken bestehen die wichtigsten Komponenten aus Maschinenhaus, Treibgutrechen, Wasserturbine, Generator, Wehr oder Staudamm, bei Speicherkraftwerken kommen noch Rohrleitungen und Wasserschloss hinzu. Mit Ausnahme von Photovoltaikkraftwerken entsteht bei allen anderen heute im großtechnischen Einsatz befindlichen Kraftwerkstypen in Europa die elektrische Energie in Form von Drehstrom mit einer Frequenz von 50 Hertz. Allerdings haben in Deutschland, Österreich und der Schweiz manche Elektrizitätswerke noch einen zweiten Generator für Bahnstrom (Einphasenwechselstrom mit einer Frequenz von 16,7 Hertz), wobei es auch Elektrizitätswerke gibt, die nur Bahnstrom erzeugen (Bahnkraftwerke). In anderen Gegenden der Welt (überwiegend in Amerika) wird eine Frequenz von 60 Hertz verwendet. Für die Ankopplung von Windparks kann es mitunter sinnvoll sein zur besseren Ausregelung der Lastspitzen die Technik der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) anzuwenden. Ein weiteres Kennzeichen der unterschiedlichen Elektrizitätswerke ist ihre Fähigkeit zum Schnellstart und damit zum Ausgleich von Lastschwankungen im Stromnetz. Gaskraftwerke und Hochdruckkraftwerke können innerhalb weniger Minuten aus dem Stillstand heraus ihre volle Leistung ins Stromnetz abliefern, Dampfkraftwerke benötigen für diesen Vorgang einige Stunden bis hin zu einigen Tagen bei den Kernkraftwerken. Aus diesem Grunde werden die letztgenannten in erster Linie zur Deckung der Grundlast herangezogen, während Gaskraftwerke die Spitzenlast im Netz übernehmen.

Arten

Die folgenden Arten von Elektrizitätswerken sind heute im Gebrauch:
- Wasserkraftwerk
- Hochdruckkraftwerk mit Stauseen
- Niederdruckkraftwerk in einem Fluss
- Pumpspeicherkraftwerke (gewöhnlich in Kombination mit Hochdruckkraftwerk)
- Kavernenkraftwerk (manchmal in Kombination mit Pumpspeicherkraftwerk)
- Meereskraftwerk
- Gezeitenkraftwerk
- Meeresströmungskraftwerk
- Wellenkraftwerk
- Meereswärmekraftwerk
- Windenergieanlage
- Solarkraftwerk
- Fotovoltaikanlage
- solarthermisches Kraftwerk (Sonnenwärmekraftwerk)
- Thermikkraftwerk (Aufwindkraftwerk)
- Druckluftspeicherkraftwerk
- Thermisches Kraftwerk (Wärmekraftwerk)
- mit regenerativen Energieformen
- Biomassekraftwerk
- Biogaskraftwerk
- Biogasanlage
- Geothermisches Kraftwerk
- mit fossilen Rohstoffen
- Dampfkraftwerk beheizt mit Kohle oder Öl
- Gasturbinen-Kraftwerk
- GuD-Kraftwerk
- Kernkraftwerk mit Kernreaktoren Noch im grundlegend experimentellen Stadium sind:
- Kernfusionsreaktor
- Kraftwerke mit magnetohydrodynamischen Generator

Standortwahl

Der Standortwahl kommt beim Bau von Elektrizitätswerken eine große Bedeutung zu. Wasserkraftwerke müssen dort errichtet werden, wo sich Flüsse entweder gut aufstauen lassen oder wo ein größeres natürliches Gefälle vorhanden ist. Für letzteres ist das Kraftwerk Walchensee ein gutes Beispiel. Thermische Kraftwerke werden fast ausnahmslos an einem größeren Gewässer gebaut, um eine leichte Kühlwasserentnahme zu ermöglichen. Hierbei ist natürlich darauf zu achten, dass das Kraftwerk im Fall eines Hochwassers nicht überflutet wird. Der Boden sollte nach Möglichkeit eine hohe Standfestigkeit besitzen, ansonsten ist eine Pfahlgründung vorzunehmen. Ein schiffbares Gewässer begünstigt die Anlieferung von Brennstoffen und schweren Anlagenkomponenten, ist aber nicht unbedingt Voraussetzung. Ebenfalls nicht unbedingt vonnöten, aber sehr sinnvoll ist ein Anschluss an das Eisenbahnnetz. Das Kraftwerk sollte möglichst an einem Ort errichtet werden, in dessen Nähe schon Leitungen der Spannungsebenen vorbeilaufen, in welche der erzeugte Strom eingespeist werden soll, um Kosten für den Leitungsbau zu sparen. Da thermische Kraftwerke aller Art über teilweise sehr hohe Anlagenkomponenten wie Schornsteine bis 300 Meter Höhe und Kühltürme bis 150 Meter Höhe verfügen, ist ein Standort in der Nähe eines Flughafens meist nicht möglich. Insbesondere für den Standort der Atomkraftwerke sollte der Boden keine Verwerfungen aufweisen und gute schwingungsdämpfende Eigenschaften besitzen. Wegen Belästigungen durch Lärm und Abgase, sowie aus Gründen der Leitungsführung sollten größere Elektrizitätswerke nicht in Wohnsiedlungen errichtet werden. Windkraftwerke können, da zu ihnen nur selten Materiallieferungen nötig sind und da sie auch wegen ihrer geringen Leistung den erzeugten Strom ins Nieder- oder Mittelspannungsnetz einspeisen, prinzipiell auf jedem freiem Feld aufgestellt werden. Allerdings sollte wegen der Geräuschbelästigung ein Abstand von mehreren hundert Metern zu permanent bewohnten Häusern eingehalten werden. Für ein optimales Funktionieren ist ein exponierter Standort sehr sinnvoll. Wichtig ist, dass der Boden am Standort einer Windkraftanlage über eine gute Standfestigkeit verfügen muss, da Windkraftanlagen schwer sind und bei starken Winden großen Belastungen standhalten müssen.

Kulturelle Bedeutung

Manche Elektrizitätswerke aus der Pionierzeit der Elektrifizierung sind heute zum großen Teil noch voll in Betrieb befindliche technische Denkmäler. Das Walchenseekraftwerk war früher das Wahrzeichen des Bayernwerks. Manche Kraftwerksbauten wurden unter künstlerischen Gesichtspunkten entworfen oder wurden im Rahmen von Kunstprojekten verziert. Ein sehr prominentes Beispiel dieser Art ist das Kraftwerk Heimbach, das im Jugendstil entworfen wurde.

Vor- und Nachteile

Jeder Kraftwerktyp hat Vor- und Nachteile. Berücksichtigt werden müssen jeweils Fragen wie
- Verfügbarkeit und Preis des Rohstoffs
- Energieausbeute (Wirkungsgrad, Energieerntefaktor)
- Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Kraftwerktyps
- wie kurzfristig ist das Anfahren möglich und wie hoch ist der maximale Gradient (Änderungsrate) der Leistung
- Umweltschutz (Abfälle, Luftverschmutzung)
- Landschaftsschutz
- Bevölkerungsschutz
- Baukosten
- Bauzeit
- weitere Nutzungen des Kraftwerks (Prozesswärme, Bewässerung, Hochwasserschutz, Fernwärme)

Siehe auch

- Liste der Kraftwerke
- Kraftwerksmanagement
- VGB PowerTech

Weblink

- [http://en.wikipedia.org/wiki/Image%3AMap_of_the_world_coloured_by_voltage_and_frequency.png Weltkarte der gebräuchlisten Netzfrequenzen] Kategorie:Kraftwerk ja:発電所 simple:Power station

Kernspaltung

Die Kernspaltung bezeichnet in der Kernphysik einen Prozess, bei dem ein Atomkern in zwei oder mehrere Bestandteile zerlegt wird. Seltener wird die Kernspaltung auch als Kernfission (lat. fissio, »das Spalten«) bezeichnet, ein Begriff, der nicht mit Kernfusion, dem Verschmelzen zweier Atomkerne, verwechselt werden darf. Einige Atomkernarten zerfallen spontan, andere nur unter Einwirkung äußerer Kräfte. Typische Methoden zur Induzierung einer Spaltung sind der Beschuss eines Atomkerns mit anderen Elementarteilchen oder Neutronen; der Spaltungserfolg hängt von der geeignet gewählten Energie des Projektils ab. Bei einer Kernspaltung werden enorme Energiemengen in Form von Wärme und Gammastrahlung freigesetzt. Es entstehen dabei neue leichtere Kerne (Spaltprodukte). Das Verblüffende dabei ist, dass die Masse des ursprünglichen Atomkernes größer als die Summe der Massen der Spaltprodukte ist. Die scheinbar fehlende Masse ist nicht verloren, sondern erscheint in veränderter Form, als freigesetzte Energie. Sie lässt sich mit der Einstein'schen Formel E=mc² berechnen. Die Spaltprodukte selbst sind oft radioaktiv, und setzen bei ihrem Zerfall weiter Energie frei. Isotope der Elemente Uran, Plutonium und Thorium lassen sich durch Neutronen geeigneter Energie besonders leicht spalten. In Kernreaktoren werden Kernspaltungen dieser Elemente kontrolliert durchgeführt, um Wärme und daraus Elektrizität zu erzeugen. In einer Atombombe setzen Kernspaltungen von Uran oder Plutonium in kurzer Zeit viel Energie, Radioaktivität und radioaktive Zerfallsprodukte frei.

Bau des Atomkerns

Atomkerne bestehen aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen. Die sogenannte Kernladungszahl entspricht der Anzahl der Protonen im Atomkern. Die Summe aus Protonenzahl und Neutronenzahl (die Masse der Elektronen kann vernachlässigt werden, da sie nur einen Bruchteil der gesamten Masse ausmacht) ergibt die sogenannte Massenzahl, und korrespondiert mit der Kernmasse. Je nach Anzahl der Protonen und Neutronen entsteht aus der Kombination dieser Kräfte ein stabiler oder ein instabiler Atomkern. Allgemein kann man sagen, dass eine stabile Konfiguration gegeben ist, wenn die Anzahl der Protonen und Neutronen etwa gleich ist. Allerdings wird bei Atomkernen mit hoher Kernmasse (>100) ein Übergewicht an Neutronen notwendig. Oberhalb einer Kernladungszahl von 90 finden sich überhaupt keine stabilen Atomkerne mehr; die Atomkerne zerfallen in der Regel durch radioaktiven Zerfall. Die Kernspaltung kann auftreten, wenn die Bindungsenergie des Atomkerns kleiner ist als die der entstehenden Bestandteile, bei denen es sich auch wieder um Atomkerne handelt. Dabei ist die Reibungsenergie nicht zu vernachlässigen. Die Bindungsenergien lassen sich durch Vergleich der Massen der beteiligten Atomkerne berechnen.

Spontane Spaltung

Ein instabiler Atomkern befindet sich in einem lokalen Energieminimum (das aber noch höher ist, als die Ruhe-Gesamtenergie aller Bruchstücke) bevor er mittels des quantenmechanischen Tunneleffekts spontan zerfällt. Jeder Zerfall für sich ist zufällig, aber für eine große Zahl an Atomkernen kann die Häufigkeit des Zerfalls durch die Halbwertzeit (d.h. die Zeit in der die Hälfte der Atome zerfallen) charakterisiert werden. Die Kerne ein und desselben Nuklid spalten sich dabei auf vielfältiger Weise. Hier sind vier Beispiele von Plutonium 239 : Alternativ kann der Atomkern durch eine Aktivierungsenergie in einen Zustand höherer Energie angehoben werden, um schneller zu zerfallen.

Induzierte Kernspaltung

Halbwertzeit Einige der Isotope von Uran (U), Plutonium (Pu) und Thorium (Th) haben eine relativ niedrige Aktivierungsenergie, so dass neben dem typischen radioaktiven Zerfall (Alpha-, Betazerfall und Elektroneneinfang) auch in geringer Häufigkeit ein Kernzerfall auftritt. Der Anteil des Kernzerfalls bei ²³⁵U ist nur 7×10^-9% und bei ²³⁹Pu ist er 3×10^-10%. Bei all diesen Isotopen kann die Aktivierungsenergie durch Beschuss des Atomkerns mit einem Neutron geliefert werden. Die Anwesenheit des Neutrons regt den Kern über die Bindung so stark an, dass der Zerfall schnell stattfindet. Dabei muss die Energie des Neutrons so gewählt sein, dass einmal genügend Anregungsenergie vorhanden ist, andererseits aber das Neutron nicht so schnell ist, dass es vom Kern gar nicht eingefangen werden kann (Siehe auch: Wirkungsquerschnitt). Im Tröpfchenmodell des Atomkerns stellt man sich vor, dass die Anregung durch das Neutron den Atomkern in Schwingungen versetzt, bei denen der Kern lang gestreckt wird, und sich etwa in der Mitte einschnürt. Die elektrische Abstoßung überwiegt gegenüber der Anziehung der kurzreichweitigen Kernkraft, und die Spaltprodukte werden durch die elektrische Abstoßung voneinander weg bewegt. Die vom Neutron gelieferte Bindungsenergie an den Atomkern reicht bei ²³³U, ²³⁵U, ²³⁷Np und ²³⁹Pu aus, um den Kern zu spalten. Isotope wie ²³²Th, ²³⁸U und ²⁴⁰Pu benötigen eine zusätzliche Energie, die als Bewegungsenergie der (schnellen) Neutronen geliefert werden kann. Im Gegensatz zu 'schnellen' spricht man bei erstgenannten 'langsamen' Neutronen auch von thermische Neutronen. Bei der Spaltung eines Thorium-, Uran- oder Plutoniumkerns wird eine Energie von etwa 200 Mega-eV freigesetzt. Der größte Teil davon ist die Bewegungsenergie der Spaltprodukte.

Typische Spaltprodukte

- ⁴He Kerne - auch α-Strahlung genannt.
- Neutronen.
- ⁸⁹Kr, ⁹⁰Sr, ⁹³Zr, ¹³¹I, ¹³²Te, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁰Ba, ¹⁴⁴Ce und weitere instabile Kerne, bekannt sind insgesamt über 200 verschiedene von ³⁰Zn bis ⁶⁵Tb. Die Spaltprodukte sind in aller Regel selbst radioaktiv.

Technische Aspekte

Kettenreaktion

Bei der Spaltung schwerer Kerne werden zwei bis drei Neutronen freigesetzt (prompte Neutronen), die weitere Kernspaltungen hervorrufen können und so zu einer Kettenreaktion führen. Etwa 1% der Neutronen wird erst durch radioaktiven Zerfall aus den Spaltprodukten freigesetzt (verzögerte Neutronen). Diese verzögerten Neutronen machen die Regelung von Kernkraftwerken möglich. Die Freisetzung von Neutronen bei einer Kernspaltung erlaubt eine kontinuierlich ablaufende Folge von Kernspaltungen. Zur stabilen Aufrechterhaltung einer solchen Kettenreaktion ist es notwendig, dass im Mittel eines der bei einer Kernspaltung freigesetzten Neutronen einen weiteren Atomkern spaltet. Falls mehr als eines der freigesetzten Neutronen eine Kernspaltung bewirkt, nimmt die Anzahl der Reaktionen mit der Zeit exponentiell zu: Eine Explosion findet statt. Falls weniger als eines der freigesetzten Neutronen eine Kernspaltung bewirkt, nimmt die Anzahl der Reaktionen mit der Zeit exponentiell ab: Die Reaktion endet. Technisch ist es notwendig, genau den Mittelpunkt zu finden. Dabei sind folgende Faktoren von Bedeutung:
- Anordnung des Materials,
- Geschwindigkeit der Neutronen, und
- Materialien im Reaktionsbereich. Die Anordnung des spaltbaren Materials im Raum hat Einfluss darauf, ob freigesetzte Neutronen, die sich in alle Raumrichtungen bewegen, überhaupt spaltbares Material treffen. Ein dünn ausgewalztes Blech verliert fast alle Neutronen nach außen, wogegen in einem kompakten Objekt (z. B. einem Würfel) die meisten Neutronen Gelegenheit haben, andere Atomkerne zu treffen. Die kleinste kompakte Masse eines Materials, die eine Kettenreaktion aufrecht erhalten kann, wird als "kritische Masse" bezeichnet. Die Geschwindigkeit der Neutronen hat Einfluss auf die Spaltwahrscheinlichkeit. Dabei besitzt jedes spaltbare Material eine optimale Neutronengeschwindigkeit, unter der eine Kernspaltung auftritt. Die Geschwindigkeit der entstehenden Neutronen kann durch Moderatoren auf eine geringere Geschwindigkeit gebracht werden. Neben Moderatoren, die zur Geschwindigkeitsregulierung der Neutronen im Reaktionsbereich eingebracht werden, gibt es auch neutronenabsorbierende Materialien. Diese verringern die Anzahl der verfügbaren Neutronen, und regulieren somit die Kettenreaktion. Neutronenabsorbierende Materialien werden teils direkt zur Regulierung der Reaktion eingebracht. Daneben sind viele Spaltprodukte, die sich nach einer gewissen Reaktionszeit ansammeln, Neutronenabsorber. Spaltbare Materialien sind spezielle Isotope eines oder mehrerer chemischer Elemente. Die anderen Isotope sind oft nicht zur Kernspaltung geeignet, und stellen oft unerwünschte Neutronenabsorber dar. Durch den Prozess der Anreicherung wird der Anteil spaltbarer Atomkerne erhöht. Ein Neutron kann also entweder
- das spaltbare Material verlassen,
- absorbiert werden, ohne dass eine Spaltung stattfindet, oder
- eine Spaltung bewirken.

Kritische Masse

Die kritische Masse bezeichnet die geringste Menge eines spaltbaren Materials, die notwendig ist, eine Kettenreaktion aufrecht zu erhalten. Allerdings ist die kritische Masse auch abhängig von Parametern wie der Kompression des Materials, so dass im Allgemeinen keine untere Grenze angegeben werden kann. Diese kritische Masse reagiert allerdings nur, wenn sie kompakt zusammen vorliegt. Bei der Bearbeitung spaltbaren Materials ist es daher eine Voraussetzung, nur Mengen, die geringer sind als die kritische Masse, zu einer Zeit handzuhaben. Alternativ werden etwa chemische Reaktionen in flachen Wannen durchgeführt, wo das Material über weite Flächen verteilt ist.

Moderatoren

Die Wahrscheinlichkeit für eine Kernspaltung nimmt in der Regel mit wachsender Neutronenenergie ab. Bei ²³²Th und ²³⁸U ist die Wahrscheinlichkeit für Konkurrenzprozesse wie die inelastische Streuung und Neutroneneinfang so hoch, dass eine Kettenreaktion mit schnellen Neutronen nicht zustande kommen kann. Anders verhält es sich mit ²³³U, ²³⁵U und ²³⁹Pu. Hier ist Kernspaltung mit schnellen Neutronen möglich, was in Atomwaffen und im schnellen Brüter ausgenutzt wird. In gewöhnlichen Reaktoren werden die Neutronen jedoch mit einem Moderator abgebremst. Kernreaktoren arbeiten meistens mit U-235 oder Plutonium, welche vorzugsweise durch langsame (thermische) Neutronen gespalten werden. Bei einer Kernspaltung entstehen aber schnelle Neutronen, welche nur selten eine Spaltung hervorrufen. Daher muss die Geschwindigkeit der Neutronen reduziert werden. Das Abbremsen der Neutronen geschieht mittels elastischen Stoßes mit anderen leichten Atomkernen, die allerdings keine Neutronenabsorption aufweisen dürfen. Von den leichten Elementen sind dadurch Lithium und Bor ausgeschlossen. Theoretisch denkbar sind Wasserstoff, Deuterium, Helium, Beryllium und Kohlenstoff. Technisch genutzt werden Wasserstoff (Leichtwasserreaktor), Deuterium (Schwerwasserreaktor) und Kohlenstoff in Form von Graphit (Brutreaktor, Kugelhaufenreaktor). Gleichzeitig findet jedoch auch eine Absorption (Verschlucken) von Neutronen in Materialien statt, die zur Kernspaltung nicht beitragen, etwa U-238 oder das Reaktorbaumaterial; diese Absorption findet vorzugsweise für mittelschnelle Neutronen statt. Insofern besteht das Aufrechterhalten der Kernreaktion darin, genügend Neutronen abzubremsen, die eine Kernspaltung bewirken.

Anreicherung

Uran, das bevorzugte Spaltmaterial, kommt in der Natur als Gemisch dreier Isotope vor: etwa 0.006% U-234, 0.7% U-235 und 99.3% U-238. Die Eigenschaften dieser Isotope unter Neutronenbeschuss unterscheiden sich grundlegend:
- U-238 absorbiert thermische Neutronen, es entsteht U-239, welches sich durch radioaktiven Zerfall in Plutonium-239 umwandelt.
- U-235 wird bei Absorption eines thermischen Neutrons in der Regel gespalten, kann aber auch durch schnelle Neutronen gespalten werden. Durch Anreicherung des Anteils von U-235 kann eine Isotopmischung erreicht werden, die geeignet zur Aufrechterhaltung einer Kettenreaktion ist.

Anwendungen

Kernreaktor

Verschiedene Typen von Kernreaktoren, die unterschiedliche Spaltmaterialien, Bauweisen und Moderatoren nutzen, sind entwickelt worden. Die heute auf dem Markt befindlichen Reaktoren unterteilen sich wie folgt: # Thermische Reaktoren ## Leichtwasserreaktoren ### Druckwasserreaktoren ### Siedewasserreaktoren: Die neusten Typen sind inhärent ausgelegt und weisen einen Sicherheitsstandard auf, der bei Anomalien die Kettenreaktion automatisch unterbindet. Die gängigen Leistungsgrößen liegen bei 1000 MW bis 1500 MW. Die Industrie wäre auch in der Lage Anlagen bis 2000 MW zu liefern. Die Leistungsgröße wird aber letztlich von der Versorgungssicherheit des Verbundnetzes vorgegeben. ## Gasgekühlte Graphit-moderierte Reaktoren ## Leichtwassergekühlte Graphit-moderierte Reaktoren ## Schwerwasserreaktoren # Schnelle Brüter

Kernwaffen

Die exponentielle Kernspaltung dient als Energiequelle für "normale" Kernwaffen. Die Energie wird in verschiedenen zerstörenden Formen wie Lichtstrahlung, Hitze usw. freigesetzt. Bei Wasserstoffbomben dient die Kernspaltung als Zünder für eine Kernfusion, dem Verschmelzen von Atomkernen, bei denen zusätzliche Energie freigesetzt wird.

Geschichte

Die induzierte Kernspaltung des Urans wurde 1934 durch Enrico Fermi erstmals experimentell durchgeführt und Vermutungen [Nature 133 (1934), S. 898 - 899: Possible production of element of atomic number higher than 92] bezüglich der Interpretation der Ergebnisse geäußert. Besonders Ida Noddack [Angewandte Chemie 47 (1934), S. 653 - 655: Über das Element 93] vertrat die richtige Vermutung des Zerfallens des neugebildeten Kerns ("Es wäre denkbar, daß bei der Beschießung schwerer Kerne mit Neutronen dies Kerne in mehrere größere Bruchstücke zerfallen, die zwar Isotope bekannter Elemente, aber nicht Nachbarn der bestrahlten Elemente sind."). Allerdings galten diese Vermutungen 1934 noch als unseriös. Die induzierte Kernspaltung des Urans wurde 1938 durch die Deutschen Otto Hahn und Fritz Straßmann am Berliner Kaiser-Wilhelm-Institut erstmals experimentell durchgeführt und durch den chemischen Nachweis eines der Spaltprodukte (radioaktives Barium) nachgewiesen. Lise Meitner klärte im selben Jahr (gemeinsam mit Otto Frisch) den theoretischen Hintergrund des Experiments auf. Seit den Rutherford'schen Streuversuchen (1919) ist bekannt, dass Atomkerne durch den Beschuss mit schnellen Teilchen verändert werden können. Mit der Entdeckung des Neutrons im Jahre 1932 durch James Chadwick ergaben sich vielfältige neue Möglichkeiten der Umwandlung von Atomen. So erwiesen sich die Ergebnisse des Beschusses von Uran mit Neutronen als sehr interessant. Erstmals von Enrico Fermi 1934 untersucht, konnten sie erst Jahre später richtig eingeordnet werden. Am 16. Januar 1939 reiste Niels Bohr in die USA, um einige Monate zusammen mit Albert Einstein physikalische Probleme zu erörtern. Kurz vor seiner Abreise aus Dänemark berichteten ihm Otto Robert Frisch und Lise Meitner von ihrer Vermutung, dass die Absorption eines Neutrons durch einen Urankern manchmal zu dessen Zerfall in zwei annähernd gleichgroße Teile unter Freisetzung von Energie führt. Der Grund für diese These war eine sensationelle Entdeckung von Otto Hahn und Fritz Straßmann. Sie beobachteten, dass beim Beschuss von Uran mit langsamen Neutronen der o.g. Zerfall des Urans eintritt, bei dem u.a. ein zu dieser Zeit noch nicht bekanntes radioaktives Barium entsteht, ein Isotop des natürlichen Bariums. Bohr berichtete nach seiner Ankunft in den USA seinem früheren Schüler John Archibald Wheeler sowie anderen Interessierten. Durch sie verbreitete sich die Neuigkeit unter anderen Physikern, unter ihnen auch Enrico Fermi von der Columbia Universität. Als ein Ergebnis der Diskussion des Themas zwischen Fermi, J. R. Dunning und G. B. Pegram kam es zu einer Untersuchung der vermuteten Ionisierungsimpulse, die von den auseinander fliegenden Urankernfragmenten erwartet wurden. Die Untersuchung fand an der Columbia-Universität statt. Kategorie:Kernphysik ja:核分裂反応 ko:핵분열 th:ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิซชัน

Kernreaktor

Ein Kernreaktor (auch Atomreaktor oder Atommeiler) ist eine Maschine, in der eine Kernreaktion kontinuierlich abläuft. Weltweit verbreitet sind Kernreaktoren, die durch die Spaltung (Fission) von Uran oder Plutonium zunächst Wärme und daraus elektrische Energie gewinnen. Eine weitere Art von Kernreaktor ist der sich im Experimentierstadium befindliche Kernfusionsreaktor, der, wie die Sonne, aus der Verschmelzung (Fusion) von Wasserstoffkernen Energie gewinnt.

Kernspaltungsreaktor

Funktionsweise

Die Kernspaltung

Zwischen den Protonen und den Neutronen eines Atomkerns wirken sehr starke, anziehende Kräfte, die jedoch eine nur sehr kurze Reichweite haben. Daher wirkt diese Kernkraft im wesentlichen auf die nächsten Nachbarn, weiter entfernte Nukleonen tragen zu der anziehenden Kraft nur in geringem Maße bei. Solange die Kernkraft größer ist als die abstoßende Coulombkraft zwischen den positiv geladenen Protonen, hält der Kern zusammen. Schwere Kerne, wie beispielsweise das Uran oder Plutonium, enthalten sehr viele Protonen und benötigen daher einen Neutronenüberschuss, um den Kern stabil zu halten. Denn durch die anziehende Kernkraft der zusätzlichen Neutronen wird die abstoßende Coulombkraft der Protonen kompensiert. Trotzdem sind viele schwere Kerne radioaktiv, also instabil. Fängt einer dieser schweren Kerne, etwa des Uranisotops ²³⁵U beziehungsweise ein Kern des Plutoniumisotops ²³⁹Pu, ein Neutron ein, so wird ihm außer dem zusätzlichen Neutron auch Energie zugeführt. Dadurch wandelt er sich in einen hochangeregten, instabilen Zustand des Kerns ²³⁶U beziehungsweise ²⁴⁰Pu um. Beide hochangeregten Kerne regen sich mit extrem kurzen Halbwertszeiten durch Kernspaltung ab. Anschaulich gerät der Kern durch die Neutronenabsorption wie ein angestoßener Wassertropfen in Schwingungen und zerreißt in zwei meist ungleiche Bruchstücke mit einem Massenverhältnis von etwa 2 zu 3. Darüber hinaus werden bei jeder einzelnen Spaltung im Schnitt zwei bis drei weitere schnelle Neutronen frei, die dann für weitere Kernspaltungen zur Verfügung stehen - dies ist die Grundlage der Kettenreaktion. Die neu entstandenen Kerne mittlerer Masse, die so genannten Spaltprodukte, haben eine größere Bindungsenergie als der schwere Uran- beziehungsweise Plutoniumkern. Die Differenz der Bindungsenergien wird unter anderem in kinetische Energie und damit in Wärme der Spaltprodukte umgewandelt. Diese Wärme kann beispielsweise zur Stromerzeugung genutzt werden.

Thermische Neutronen und der Moderator

Der Neutronenabsorptionsquerschnitt beispielsweise des Isotops ²³⁵U nimmt mit abnehmender Energie und damit gleichbedeutend mit abnehmender Geschwindigkeit des Neutrons zu, das heißt, je langsamer das Neutron ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass es von einem U²³⁵-Kern eingefangen wird. Daher bremst man in einem Kernreaktor die schnellen Neutronen aus der Kernspaltung durch den Einsatz eines Moderators ab. Ein Moderator ist ein Material wie etwa Graphit, schweres oder normales Wasser, welches viele Atomkerne enthält, die nicht sehr viel schwerer als ein Neutron sind, und das einen sehr niedrigen Absorptionsquerschnitt für Neutronen hat. Die erste Eigenschaft führt dazu, dass die Neutronen durch Stöße mit diesen Atomkernen abgebremst werden. Die zweite Eigenschaft hat zur Folge, dass die Neutronen der Kettenreaktion weiter zur Verfügung stehen. Durch die Stöße mit den Atomkernen des Moderators können die Neutronen maximal auf die Geschwindigkeiten der Kerne des Moderators abgebremst werden. Die Geschwindigkeit der Moderatorkerne ist nach der Theorie der Brownschen Bewegung durch die Temperatur des Moderators definiert. Es findet also eine Thermalisierung statt. Man spricht daher nicht von abgebremsten, sondern von thermischen Neutronen, d. h., die Neutronen besitzen anschließend eine ähnliche Geschwindigkeitsverteilung wie die Moleküle des Moderators. Ein Reaktor, der zur Kernspaltung thermische Neutronen verwendet, wird dem entsprechend als "Thermischer Reaktor ezeichnet. Im Gegensatz dazu nutzt ein "Schneller Reaktor" die nicht abgebremsten, schnellen Neutronen zur Spaltung oder zum Erbrüten neuen Spaltmaterials (daher auch die Bezeichnung "Schneller Brüter").

Steuerung der Kettenreaktion

Damit die Kettenreaktion nicht unkontrolliert abläuft, muss sie gesteuert werden. Hierfür benutzt man Stoffe mit einem hohen Absorptionsquerschnitt für Neutronen. Beispiele für diese Stoffe sind Cadmium, Gadolinium und Bor. Aus chemischen Verbindungen dieser Materialien werden beispielsweise die Steuerstäbe eines Kernreaktors gefertigt. Durch Zugabe oder Entzug dieser Stoffe in oder aus dem Reaktorkern (beispielsweise durch das Herausziehen oder Hineinfahren der Steuerstäbe) kann der Reaktor geregelt werden. Zur leichteren Beschreibung der Vorgänge beim Regeln eines Kernreaktors sei nun der Multiplikationsfaktor k eingeführt. Er beschreibt das Verhältnis der Neutronenzahlen zweier aufeinander folgender Neutronengenerationen: k = Anzahl der Neutronen einer Generation / Anzahl der Neutronen der vorausgegangenen Generation
- Im stationären Betrieb ist der Multiplikationsfaktor k = 1, d.h. jede Neutronengeneration weist genau so viele Neutronen auf wie die ihr vorausgegangene. Das wird dadurch erreicht, dass sich gerade so viel Neutronen absorbierendes Material im Kern befindet, wie nötig ist, damit im Durchschnitt nur eines der pro Kernspaltung freiwerdenden Neutronen für eine weitere Kernspaltung zur Verfügung steht. Alle übrigen Neutronen werden beispielsweise durch Bor oder Cadmium absorbiert oder gehen der Kettenreaktion auf anderen Wegen verloren. In diesem Fall liegt eine stationäre Kettenreaktion vor. Die Zahl der Kernspaltungen pro Zeit bleibt konstant und es wird eine konstante Leistung in Form von Wärme abgegeben. Einen Reaktor in diesem Zustand bezeichnet man als kritisch.
- Will man die Leistung des Reaktors reduzieren, so führt man dem Reaktorkern Neutronen absorbierende Stoffe (beispielsweise durch das Einfahren der Steuerstäbe) zu. Dadurch werden mehr Neutronen absorbiert, als zur Aufrechterhaltung des stationären Betriebs nötig wären. Es stehen nun mit jeder Neutronengeneration weniger Neutronen für weitere Spaltungen zur Verfügung, als bei der vorhergehenden. Für den Multiplikationsfaktor gilt k < 1 und eine stationäre Kettenreaktion lässt sich nicht aufrechterhalten. Einen Reaktor in diesem Zustand bezeichnet man als unterkritisch. Die Wärmeleistung in einem unterkritischen Reaktor sinkt. Jedoch nur so lange bis sich erneut ein Gleichgewicht eingestellt hat. Denn eine bestimmte, zusätzliche Menge an Neutronen absorbierenden Material kann auch nur eine bestimmte Menge an Neutronen zusätzlich weg fangen. Daher stellt sich durch Zufuhr von beispielsweise einer bestimmten Menge an Bor erneut ein stationärer Betrieb ein, allerdings bei einer reduzierten Leistung. Durch die Zufuhr von genügenden Mengen an Neutronen absorbierendem Material lässt sich die Leistung des Reaktors auf Null reduzieren und der Reaktor damit abschalten.
- Um die Leistung eines Kernreaktors zu erhöhen, entzieht man dem Reaktorkern Neutronen absorbierendes Material (beispielsweise durch das Herausfahren der Steuerstäbe). Dadurch steht mehr als ein Neutron pro Kernspaltung für weitere Spaltungen zur Verfügung, die Anzahl der Spaltungen pro Generation nimmt zu und die Leistung des Reaktors ebenso. Für den Multiplikationsfaktor gilt k > 1. Einen Reaktor mit zunehmender Zahl an Kernspaltungen nennt man überkritisch. Um einen Kernreaktor jedoch vernünftig regeln zu können, nutzt man die Tatsache aus, dass zwar etwa 99% aller Spaltneutronen bei der Kernspaltung als prompte Neutronen innerhalb von 10^-14 Sekunden emittiert, jedoch ungefähr 1% der Neutronen verzögert um bis zu einigen Sekunden als so genannte verzögerte Neutronen freigesetzt werden. Der prozentuale Anteil der verzögerten Neutronen an der gesamten Neutronenzahl wird mit β bezeichnet. Der genaue Wert von β hängt vom Spaltstoff ab und beträgt beim ²³⁵U etwa 0,75%, beim ²³⁹Pu nur etwa 0,2%. Der Reaktorzustand mit 1 ≤ k ≤ 1+ β heißt prompt kritisch, der Zustand k≥1+β prompt überkritisch. Bei der Erhöhung der Leistung wird der Reaktor in den prompt kritischen Zustand gebracht, da er hier regelbar bleibt. Denn die Neutronenflussänderungen laufen hier zwar exponentiell, aber in einem Zeitrahmen ab, der durch die verzögerten Neutronen bestimmt ist und damit im Bereich mehrerer Sekunden liegt. Ein prompt überkritischer Reaktor ist nicht mehr regelbar und es kann zu schweren Unfällen kommen, denn der Neutronenfluss und damit die abgegebene Wärmeleistung des Reaktors steigen exponentiell im Bereich von 10^-14 Sekunden an. Bei wassermoderierten Reaktoren kommt es dabei zur Verdampfung des Moderators, welcher aber notwendig ist, um die Kettenreaktion aufrecht zu erhalten. Durch das schlagartige Ansteigen der Temperatur wird die Moderatordichte reduziert und damit der Fluss an thermischen Neutronen (denn nur diese tragen wesentlich zur Kernspaltung in diesem Reaktortyp bei) reduziert. Dadurch kehrt der Reaktor in den prompt kritischen, kritischen oder gar unterkritischen, in jedem Fall aber in den regelbaren Bereich zurück. Dieses Verhalten gilt nicht für beispielsweise Graphit-moderierte Reaktortypen, denn speziell Graphit verliert bei Hitze seine moderierenden Eigenschaften nicht. Gerät ein solcher Reaktor in den prompt überkritischen Bereich, so kommt die Kettenreaktion nicht zum Erliegen und binnen Sekundenbruchteilen führt dies zur Überhitzung und Zerstörung des Reaktors. Schlagartig verdampfende Flüssigkeiten und Metalle können dabei eine Explosion des Reaktors bewirken, wie in der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl geschehen. Die automatische Unterbrechung der Kettenreaktion bei wassermoderierten Reaktoren ist, anders als gelegentlich behauptet, kein Garant dafür, dass es nicht zu einer Kernschmelze kommt, da die Nachzerfallswärme bei Versagen aktiver Kühlsysteme ausreicht, um ebendiese herbeizuführen und im schlimmsten Falle, bei Erreichen der kritischen Masse, eine neue Kettenreaktion in Gang zu setzen. Als inhärent sicher gelten daher beim derzeitigen Stand der Technik nur bestimmte Hochtemperaturreaktoren geringerer Leistung, die eine Kernschmelze prinzipbedingt ausschließen.

Nachwärme

Wird der Reaktor abgeschaltet, so wird durch den radioaktiven Zerfall der Spaltprodukte weiterhin Wärme produziert. Um diese so genannte Restwärme oder auch Nachwärme auch in Notfällen sicher abführen zu können, besitzen alle westlichen Kernkraftwerke ein aufwändiges Not- und Nachkühlsystem. Sollte jedoch der unwahrscheinliche Fall eintreten und auch diese Systeme versagen, so kommt es auch in diesem Fall durch die steigenden Temperaturen zu einer Kernschmelze, bei der die Strukturen des Reaktorkerns und insbesondere der Kernbrennstoff schmelzen. In der Schmelze kann die Kettenreaktion unter Umständen wieder anlaufen und dadurch zusätzliche Wärme erzeugt werden. Aber auch ohne diese Rekritikalität wird der Fall der Kernschmelze als größter anzunehmender Unfall, kurz als GAU bezeichnet. Bei einem GAU ist davon auszugehen, dass radioaktive Stoffe in die Umwelt entweichen. Hält das Reaktorgebäude nicht stand, tritt eine sehr große Menge radioaktiver Stoffe aus, was auch als Super-GAU bezeichnet wird. Siehe auch: Kernspaltung

Reaktortypen

Reaktoren werden nach der Art der Kühlung, der Moderation und der Bauweise unterteilt. Mit normalem, leichtem Wasser moderierte Reaktionen finden im Leichtwasserreaktor statt, der als Siedewasserreaktor oder Druckwasserreaktor ausgelegt sein kann. Eine Weiterentwicklung des Druckwasserreaktors ist der European Pressurized Water Reactor (EPR). Eine russische Variante ist der WWER-Reaktor. Leichtwasserreaktoren benötigen angereichertes Uran, Plutonium oder Mischoxide (MOX) als Brennstoff. Mit schwerem Wasser moderierte Schwerwasserreaktoren erfordern eine große Menge des teuren schweren Wassers (Deuterium), können aber mit natürlichem, das heißt nicht angereichertem Uran, betrieben werden. Der bekannteste Vertreter dieses Typs ist der in Kanada entwickelte Candu-Reaktor. Gasgekühlte, graphitmoderierte Reaktoren wurden bereits in den 50er Jahren entwickelt und sind daher die ältesten kommerziell genutzten Kernreaktoren. Kühlmittel ist Kohlendioxid. In Großbritannien sind noch eine Reihe dieser wegen des Hüllrohrmaterials der Brennelemente (Magnesiumlegierung) als Magnox-Reaktoren bezeichneten Anlagen in Betrieb. Ähnliche Anlagen wurden auch in Frankreich eingesetzt, sind aber inzwischen alle bereits abgeschaltet. Ein Nachfolger der Magnox-Reaktoren ist der in Großbritannien entwickelte AGR-Reaktor (Advanced Gas-cooled Reactor). Im Unterschied zu den Magnox-Reaktoren verwendet er jedoch leicht angereichertes Urandioxid statt Uranmetall als Brennstoff. Dies ermöglicht höhere Leistungsdichten und höhere Kühlmittelaustrittstemperaturen. Ein Hochtemperaturreaktor (auch Kugelhaufenreaktor) nutzt ebenfalls Graphit als Moderator, als Kühlmittel wird Helium verwendet. Der Kernbrennstoff ist hier in Kugeln aus Graphit eingeschlossen. Dieser Reaktortyp gilt als einer der sichersten, da hier selbst bei einem Versagen der Not- und Nachkühlsysteme eine Kernschmelze aufgrund des hohen Schmelzpunktes des Graphit so gut wie ausgeschlossen ist. Die sowjetischen Reaktoren vom Typ RBMK nutzen ebenfalls Graphit als Moderator. Hier liegt das Graphit allerdings in riesigen Blöcken vor, durch die hunderte oder tausende (abhängig von der Leistung des Reaktors) Kanäle gebohrt sind in denen sich die so genannten Druckröhren mit den Brennelementen und der Wasserkühlung befinden. Diese Reaktortypen gelten aus verschiedenen Gründen als träge (was viel Zeit zum Regeln lässt), aber auch als extrem unsicher, da hier ein Kühlmittelverlust nicht mit einem Moderatorverlust gleichzusetzen ist. Die Reaktorblöcke in Tschernobyl waren von diesem Typ. Daneben gibt es Brutreaktoren (Schnelle Brüter), in denen ²³⁸U in ²³⁹Pu umgewandelt wird. Brutreaktoren arbeiten mit schnellen Neutronen, und verwenden flüssiges Metall, wie beispielsweise Natrium als Kühlmittel. Kleine, nicht brütende Reaktoren mit Metallkühlung (Blei-Bismut-Legierung) wurden in sowjetischen U-Booten eingesetzt. Eine Besonderheit stellt der Naturreaktor in Oklo dar, in dem vor Millionen Jahren eine Kettenreaktion durch das Eindringen von Wasser in eine natürliche Uranlagerstätte in Gang kam. Dies war möglich, da aufgrund der unterschiedlichen Halbwertszeiten von ²³⁵U und ²³⁸U der Anteil an ²³⁵U im Natururan bei etwa 3-5% lag. Heute liegt der Anteil bei nur noch etwa 0,7% und bei einem Anteil von 1,5-5% spricht man von angereichertem Uran. Es gibt auch einige Sondertypen für spezielle Anwendungen. So wurden kleine Reaktoren mit hochangereicherten Brennstoff für die Stromversorgung von Raumflugkörpern konstruiert, die ohne flüssiges Kühlmittel auskommen (diese Reaktoren sind nicht mit den Isotopenbatterien zu verwechseln). Auch luftgekühlte Reaktoren, die stets hochangereicherten Brennstoff erfordern, wurden gebaut, zum Besispiel für physikalische Versuche im BREN-Tower in Nevada. Es wurden auch Reaktoren für den Antrieb von Raumfahrzeugen konstruiert, bei denen flüssiger Wasserstoff zur Kühlung des Brennstoffes dient. Allerdings kamen diese Arbeiten über Bodentests nicht hinaus (Projekt NERVA, Projekt Timberwind). Ebenfalls nicht über das Versuchsstadium hinaus kamen Reaktoren bei denen der Brennstoff in flüssiger oder gasförmiger Form vorliegt (Gaskernreaktor). Derzeit wird weltweit aktiv an neuen Reaktorkonzepten gearbeitet, insbesondere mit Blick auf den erwarteten wachsenden Energiebedarf.

Natürlicher Kernreaktor

Kernspaltung kann nicht nur durch hochkomplexe technische Systeme erreicht werden, sondern kommt unter bestimmten, wenn auch seltenen, Umständen in der Natur vor. 1972 entdeckten französische Forscher in der Region Oklo des westafrikanischen Landes Gabun die Überreste eines natürlichen Kernreaktors, der vor ca. 2 Milliarden Jahren von selbst entstanden war. Die Forscher stellten fest, dass die Isotopenzusammensetzung des Urans aus der Oklo-Mine Unstimmigkeiten aufwies: es enthielt geringfügig weniger spaltbares Uran-235 als man aufgrund seines Gehaltes an Uran-238 erwarten konnte. Die Wissenschaftler haben auch verschiedene Edelgasisotope, die in einer Materialprobe der Oklo-Mine eingeschlossenen waren, mit einem Massenspektrometer untersucht. Aus der Verteilung der verschiedenen, bei der Uranspaltung entstehenden Xenonisotope in der Oklo-Probe ergab sich, dass der Reaktor in Pulsen gearbeitet hat. Die natürliche Anreicherung von Uran-235 setzte eine Kettenreaktion in Gang, die durch Wasser in den Spalten des Urangesteins moderiert wurde. Das Wasser in den Gesteinsspalten bremste die Neutronen auf die für die Kernspaltung notwendige Geschwindigkeit ab, so dass die Kettenreaktion einsetzen konnte (aktive Phase). Die dadurch freigesetzte Wärme im Urangestein erhitzte das Wasser in den Spalten bis es schließlich verdampfte und nach Art eines Geysirs entwich. Infolgedessen konnte das Wasser nicht mehr als Moderator (Neutronendämpfer) wirken, so dass die Kernreaktion zum erliegen kam (Ruhephase). Daraufhin sank die Temperatur wieder ab, so dass frisches Wasser nachfließen und die Spalten wieder auffüllen konnte. Somit war die Voraussetzung für eine weitere Kettenreaktion geschaffen und der Zyklus konnte von vorne beginnen. Berechnungen zeigen, dass auf die etwa 30 Minuten dauernde aktive Phase (Kettenreaktion) eine Ruhephase folgte, die mehr als zwei Stunden anhielt. Auf diese Weise wurde der natürliche Atommeiler für etwa 150.000 Jahre in Gang gehalten, wobei er über 5 Tonnen Uran-235 verbrauchte. Die Leistung des Reaktors lag bei im Vergleich zu den heutigen Megawatt-Reaktoren geringen 100 Kilowatt. Ein weiterer fossiler Reaktor wurde ebenfalls in Gabun, in Bangombe, etwa 35 km südöstlich der Oklo-Mine entdeckt. Amerikanische Forscher um Alex Meshik von der Washington University in St. Louis fanden jetzt heraus, dass ein natürlicher Kernreaktor im westafrikanischen Gabun mehr als 150 000 Jahre lang Wasser als Moderator nutzte. Trotz intensiver weltweiter Nachforschungen in über 200 Uranlagerstätten konnten bislang keine weiteren natürlichen Reaktoren mehr aufgespürt werden. Dies muss aber nicht bedeuten, dass in der Vergangenheit keine weiteren Reaktoren entstanden sind. Sie könnten z.B. im Laufe der Zeit durch geologische Prozesse tief in die Erdkruste abgesunken oder durch andere Vorgänge verschwunden sein. Ein Grund für das entstehen dieses natürlichen Atomreaktors war, dass zu der Zeit das natürliche Vorkommen von spaltbarem U-235 im Uran ca. 3% betrug. Aufgrund der kürzeren Halbwertszeit von U-235 gegenüber U-238 ist das natürliche Vorkommen von U-235 im Uran derzeit ca. 0,7%. Daher ist ein natürlicher Atomreaktor auf der Erde nicht mehr möglich. Lit.: A. P. Meshik et al.: Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon. Phys. Rev. Lett. 93, 182302 (2004). http://www.curtin.edu.au/curtin/centre/waisrc/OKLO/index.shtml Englischsprachige Web-Seite von Robert Loss mit ausführlichen Informationen zum Oklo-Reaktor

Anwendungen

Die meisten Kernreaktoren dienen der Erzeugung von elektrischer (und manchmal auch von thermischer) Energie in Kernkraftwerken. Daneben werden Kernreaktoren auch zur Erzeugung radioaktiver Substanzen verwendet, entweder, in dem diese aus den abgebrannten Brennstäben extrahiert werden, oder in dem Substanzen der im Kernreaktor herrschenden Neutronenstrahlung ausgesetzt werden (Transmutation, Kernreaktion, Neutronenanlagerung). Theoretisch könnte man in einem Reaktor auch Gold machen (Goldsynthese), was allerdings sehr unwirtschaftlich wäre. Die wichtigste im Reaktor durchgeführte Reaktion zur Stoffumwandlung ist die Erzeugung von Plutonium 239 aus Uran 238, den wichtigsten Uranisotop. Weiterhin dienen Kernreaktoren auch als intensive regulierbare Neutronenquelle für physikalische Untersuchungen aller Art. Eine weitere Anwendung von Kernreaktoren ist der Antrieb von Fahrzeugen (Kernenergieantrieb) und die Energieversorgung von manchen Raumflugkörpern. In letzteren Fall sind diese nicht mit den Isotopenbatterien gleichzusetzen.

Sicherheit und Politik

Das von Kernreaktoren ausgehende Gefahrenpotential sowie die bislang ungelöste Frage der Lagerung der anfallenden radioaktiven Abfälle haben nach Jahren der Euphorie seit den 70 Jahren des 20. Jahrhunderts in vielen Ländern zu Protesten von Atomkraftgegnern und zu einer Neubewertung der Kernkraft geführt. Während in den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts allgemein der Ausstieg aus der Kernkraft propagiert wurde, findet in vielen Ländern momentan ein Umdenken statt. Gründe sind neben den hohen Kosten für regenerative Energiequellen und fossile Energieträger die Versorgungsunsicherheit bei Öl und Gas. Daneben stellt die inzwischen durch internationale Verträge gesicherte Reduktion des CO₂-Austoßes ein weiteres Hindernis für fossile Energieträger dar. Diesem Problem klassischer Energieträger steht ein wachsender Energiebedarf durch aufstrebende Volkswirtschaften wie etwa China gegenüber. Aus diesen Gründen entschlossen sich einige europäische Staaten, wieder in die Kernkraft zu investieren. So bauen derzeit der deutsche Konzern Siemens und die französische Gruppe Areva einen Druckwasserreaktor vom Typ EPR im finnischen Olkiluoto; er soll 2009 ans Netz gehen. Russland will seine alten und teilweise maroden Kernkraftwerke erneuern und für mindestens 10 Jahre pro Jahr einen neuen Reaktorbau beginnen. In Frankreich wird ebenfalls über den Neubau eines Reaktors verhandelt, als Termin für die Fertigstellung wird das Jahr 2010 genannt. Schweden stoppte seine Pläne zum Atomausstieg. Daneben gibt es kleinere und größere Neubauprojekte in Iran, China, Nordkorea, und anderen Staaten. Die Lebensdauer von Kernreaktoren ist nicht unbegrenzt. Besonders der Reaktordruckbehälter ist ständiger Neutronenstrahlung ausgesetzt, die zur Versprödung des Materials führt. Wie sehr das Material versprödet, hängt unter anderem davon ab, wie die Brennelemente im Reaktor angeordnet sind und welchen Abstand sie zum Reaktordruckbehälter haben. Die Kernkraftwerke Stade und Obrigheim wurden auch deshalb als erste vom Netz genommen, weil hier dieser Abstand geringer war als bei anderen, neueren Kernreaktoren. Zur Zeit versuchen die Betreiber von Kernkraftwerken, durch eine geschickte Beladung mit Brennelementen und zusätzlichen Moderatorstäben die Neutronenbelastung des Reaktordruckbehälters zu reduzieren.

Orte mit Kernreaktoren

- Liste der Kernkraftanlagen
- Liste der Kernkraftwerke in Deutschland
- Liste der Kernreaktoren in Österreich
- [http://www.world-nuclear.org/wgs/decom/database/php/reactorsdb_index.php Datenbank der World Nuclear Association mit allen Kernkraftwerken weltweit]
- [http://www.energie-fakten.de/html/oklo.html Kernreaktoren und nukleare Endlager - eine Erfindung des Menschen ?] Über natürliche Reaktoren in Oklo (Gabun)

Bekannte Nuklearunfälle

- 29. September 1957 Mayak im Russischen Ural
- 8. Oktober 1957 in Sellafield (früher Windscale) Vereinigtes Königreich - siehe Windscale-Brand
- 21. Januar 1969 in Lucens VD, Schweiz
- 28. März 1979 Three Mile Island bei Harrisburg, Pennsylvania, USA
- 26. April 1986 Tschernobyl, Ukraine Siehe auch: Reaktorphysik, Kernkraftwerk, Liste der nuklearen Unfälle, Kernenergieantrieb

Siehe auch

- [http://www.kernenergie-wissen.de Basiswissen zur Kernenergie] ja:原子炉 Kategorie:Kernenergie

Wasser

Wasser ist eine chemische Verbindung aus den Elementen Sauerstoff und Wasserstoff. Die Bezeichnung Wasser wird besonders für den flüssigen Aggregatzustand verwendet, im festen, also gefrorenen Zustand wird es Eis genannt, im gasförmigen Zustand Wasserdampf oder einfach nur Dampf. Dampf

Etymologie und alternative Bezeichnungen

Das Wort Wasser leitet sich vom althochdeutschen wazzar „das Feuchte, Fließende“ ab. Andere chemische Bezeichnungen für Wasser sind:
- Wasserstoffoxid (auf deutsch die korrekte, weil einfachste Bezeichnung)
- Diwasserstoffmonoxid, Wasserstoffhydroxid, Dihydrogeniumoxid, Hydrogeniumoxid, Hydrogeniumhydroxid oder Dihydrogenmonoxid

Vorkommen

Erde

Große Teile der Erde sind vom Wasser bedeckt, wobei dies besonders auf der Südhalbkugel der Fall ist und sich als Extrem an der Wasserhalbkugel zeigt. Die Versorgung der Weltbevölkerung mit hygienisch und toxikologisch unbedenklichem Trinkwasser, sowie einer ausreichenden Menge Nutzwasser, stellt eine der größten Herausforderungen der Menschheit in den nächsten Jahrzehnten dar. Die Wasservorkommen der Erde belaufen sich auf circa 1 386 Millionen km³, wovon allein 1 338 Millionen km³ (96,5 %) auf das Salzwasser der Weltmeere entfallen. Nur 48 Millionen km³ (3,5 %) des irdischen Wassers liegen als Süßwasser vor. Das mit 24,4 Millionen km³ (1,77 %) meiste Süßwasser ist dabei als Eis an den Polen, Gletschern und Dauerfrostböden gebunden und somit nicht der Nutzung zugänglich. Einen weiteren wichtigen Anteil macht das Grundwasser mit 23,4 Millionen km³ aus. Das Wasser der Fließgewässer und Binnenseen (190 000 km³), der Atmosphäre (13 000 km³), des Bodens (16 500 km³) und der Lebewesen (1 100 km³) ist im Vergleich rein mengenmäßig recht unbedeutend. Dabei ist jedoch nur ein geringer Teil des Süßwassers auch als Trinkwasser verfügbar. Insgesamt liegen 98,233 % des Wassers in flüssiger, 1,766 % in fester und 0,001 % in gasförmiger Form vor. In seinen unterschiedlichen Formen weist das Wasser dabei spezifische Verweilzeiten auf und zirkuliert fortwährend im globalen Wasserkreislauf. Diese Anteile sind jedoch nur näherungsweise bestimmbar und wandelten sich auch stark im Laufe der Klimageschichte, wobei im Zuge der globalen Erwärmung von einem Anstieg des Wasserdampfanteils ausgegangen wird.

Sonnensystem

Auch außerhalb der Erde kommt zwar Wasser vor, aber nur in sehr geringen Mengen und dann als Eis oder Wasserdampf. Als Eis wurde Wasser in Kometen („schmutzige Schneebälle“), auf dem Mars und auf einigen Monden der äußeren Planeten nachgewiesen. Viele Hinweise deuten darauf hin, dass der Mars in der Frühzeit seiner Entwicklung offene Wasserflächen enthielt. Zu den Monden zählen die Jupitermonde Europa, Ganymed und Kallisto, der Neptunmond Triton, sowie Charon, der einzige bekannte Mond Plutos. Hinweise auf das Vorhandensein von Eis in Meteoritenkratern in Polnähe gibt es sogar bei Merkur, dem sonnennächsten Planeten. Es ist möglich, dass auf dem Erdenmond in den Polregionen am Grund tiefer Krater Eisvorkommen als Relikte von Kometeneinschlägen überlebt haben. Solche Vorkommen wären wichtige Wasser- und Sauerstoffquellen für künftige Mondbasen, sind jedoch bis auf weiteres spekulativ.

Herkunft

Hauptartikel: Herkunft des irdischen Wassers Die Herkunft des Wassers auf der Erde, insbesondere die Frage, warum auf der Erde deutlich mehr Wasser vorkommt als auf den anderen erdähnlichen Planeten, ist bis heute nicht befriedigend geklärt. Ein Teil des Wassers dürfte durch das Ausgasen der Magma entstanden sein, also letztlich aus dem Erdinneren stammen. Ob dadurch aber die Menge an Wasser erklärt werden kann, ist fragwürdig. Weitere große Anteile könnten aber auch durch Einschläge von Kometen, transneptunischen Objekten oder wasserreichen Asteroiden (Protoplaneten) aus den äußeren Bereichen des Asteroidengürtels auf die Erde gekommen sein. Messungen des Isotopenverhältnisses von Deuterium zu Protium (D/H-Verhältnis) deuten dabei eher auf Asteroiden hin, da in Wassereinschlüssen in kohligen Chondriten ähnliche Verhältnisse gefunden wurden wie in ozeanischem Wasser, wohingegen bisherige Messungen dieses Isotopenverhältnisses an Kometen und transneptunischen Objekten nur schlecht mit irdischem Wasser übereinstimmten.

Wassermolekül

Chondriten Chondriten Hauptartikel: Wassermolekül Das Molekül des Wassers besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Geometrisch ist das Wassermolekül gewinkelt, so dass die zwei Wasserstoffatome und die zwei Elektronenpaare in die Ecken eines gedachten Tetraeders gerichtet sind. Der Winkel, den die beiden O-H-Bindungen einschließen beträgt 104,45°. Er weicht aufgrund des erhöhten Platzbedarfs der freien Elektronenpaare vom idealen Tetraederwinkel (~109,47°) ab. Die Bindungslänge der O-H-Bindungen beträgt jeweils 95,84 Picometer. Sauerstoff hat in der Pauling-Skala mit 3,5 eine höhere Elektronegativität als Wasserstoff mit 2,1. Das Wassermolekül weist dadurch ausgeprägte Partialladungen auf. In Kombination mit der dreieckigen Geometrie kommt es auf der Seite des Sauerstoffs zu einer negativen und auf der Seite der beiden Wasserstoffatome zu einer positiven Polarität. Diese bewirkt das Dipolmoment, das in der Gasphase 1,84 Debye beträgt. Wassermoleküle wechselwirken miteinander über Wasserstoffbrückenbindungen und besitzen dadurch ausgeprägte zwischenmolekulare Anziehungskräfte. Es handelt sich dabei um keine beständige, feste Verkettung. Der Verbund der über Wasserstoffbrückenbindungen unbeständig verketteten Wassermoleküle besteht nur Bruchteile von Sekunden, wonach sich die einzelnen Moleküle wieder aus dem Verbund lösen und sich in einem ebenso kurzen Zeitraum erneut verketten. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig und führt letztendlich zur Ausbildung eines variablen Clusters. Hierdurch werden wichtige Eigenschaften wie die Dichteanomalie hervorgerufen. Je nach Isotopenzusammensetzung des Wassermoleküls unterscheidet man „schweres Wasser“, „halbschweres Wasser“ und „überschweres Wasser“.

Eigenschaften des Wassers

Hauptartikel: Eigenschaften des Wassers, Stoffdaten des Wassers

Synthese, Elektrolyse und Nachweis

Wasser wurde zum ersten Mal synthetisiert, als Henry Cavendish ein Gemisch aus Wasserstoff und Luft zum Explodieren brachte. Da Wasserstoff in der Zukunft Energieträger werden soll, ist geplant, durch die Elektrolyse des Wassers diesen Wasserstoff zu gewinnen. Allerdings ist ein hoher Energieaufwand für die Elektrolyse nötig. Mittlerweile ist es Forschern gelungen, Wasser durch Anwesenheit eines Katalysators nur mittels Sonnenlicht in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten: :

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Wasser färbt weißes Kupfersulfat hellblau und blaues Cobalt(II)-chloridpapier wird durch Wasser rot gefärbt, Karl-Fischer-Titration.

Geschichte der Wassernutzung

Hauptartikel: Geschichte der Wassernutzung Die Geschichte der menschlichen Nutzung des Wassers und somit jene der Hydrologie, der Wasserwirtschaft und besonders des Wasserbaus, ist durch eine vergleichsweise geringe Zahl von Grundmotiven geprägt. Von den ersten sesshaftwerdenen Menschen zu den Hochkulturen der Antike über das Mittelalter bis zur Neuzeit, stand im Zentrum immer ein Konflikt zwischen einem zu viel und einem zu wenig an Wasser. Ihm war man dabei fast immer ausgeliefert, ob durch Dürren die Ernte einging oder Hochwasser Leben und Besitz bedrohte. Ohne die Kenntnis woher das Wasser kam und wohin es ging, wurde es zu einem Gegenstand der Mytholgie und später auch Naturphilosophie. Noch heute kommt dem Wasser in den meisten Religionen der Welt eine Sonderstellung zu, besonders dort, wo die Frage des Überlebens von der Lösung der zahleichen Wasserprobleme abhing. Ziel war es allen Nutzungsansprüchen gerecht zu werden und dabei auch jedem Menschen den ihm zustehenden Teil des Wassers zu garantieren. Hierzu wurde das Wasserrecht als eine der ersten Rechtsformen zum Mitbegründer der ersten zentralistischen Zivilisationen von Mesopotamien und Ägypten, bis in die Flusstäler Chinas und Indiens. Die lange Geschichte der Wassernutzung zeigt sich dabei, wie die Menschheitsgeschichte insgesamt, nicht als ein kontinuierlicher Entwicklungspfad. Sie wurde vor allem durch einzelne Zentren hohen wasserwirtschaftlichen Standards sowie immer wiederkehrende Brüche geprägt, neben oft Jahrhunderte lang währenden Stagnationsphasen. So beeindruckend die frühen wasserbaulichen Anlagen dabei auch waren, wie groß sich Innovationskraft und Kreativität unserer Vorfahren auch zeigte, letztlich war und ist man auch heute noch abhängig von der Natur, die man jedoch erst in vergleichsweise jüngster Zeit anfing wirklich zu verstehen.

Bedeutung des Wassers in den Wissenschaften

Zur Bedeutung für das Leben und die Welt allgemein siehe: Bedeutung des Wassers Wasser spielt wegen seiner besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften, vor allem des Dipolmoments, der Wasserstoffbrückenbindung und der Dichteanomalie, eine zentrale Rolle in vielen Wissenschaften und Anwendungsgebieten. Es ist der wahrscheinliche Entstehungsort des irdischen Lebens und unter Umständen auch eine Bedingung für dieses. In Organismen und in unbelebten Bestandteilen der Geosphäre spielt es als vorherrschendes Medium bei fast allen Stoffwechselvorgängen beziehungsweise geologischen und ökologischen Elementarprozessen eine entscheidende Rolle. Die Erdoberfläche ist zu circa 72 % von Wasser bedeckt, wobei Ozeane hieran den größten Anteil tragen. Süßwasserreserven bilden lediglich 2,53 % des irdischen Wassers und nur 0,3 % sind als Trinkwasser zu erschließen (Dyck 1995). Durch die Rolle des Wassers in Bezug auf Wetter und Klima, als Landschaftsgestalter im Zuge der Erosion und durch seine wirtschaftliche Bedeutung unter anderem in den Bereichen der Land-, Forst- und Energiewirtschaft ist dieses zudem in vielfältiger Weise mit Geschichte, Wirtschaft und Kultur der menschlichen Zivilisation verbunden. Die Wissenschaft, welche sich mit der räumlichen wie zeitlichen Verteilung des Wassers und dessen Eigenschaften beschäftigt, bezeichnet man als Hydrologie. Insbesondere untersucht die Ozeanologie das Wasser der Weltmeere, die Limnologie das Wasser der Binnengewässer, die Hydrogeologie das Grundwasser und die Aquifer, die Meteorologie den Wasserdampf der Atmosphäre und die Glaziologie das gefrorene Wasser unseres Planeten. In flüssiger Form wurde Wasser bislang nur auf der Erde nachgewiesen.

Wasserchemie

Die Chemie beschäftigt sich unter anderem mit der Analyse von im Wasser gelösten Stoffen, den Eigenschaften des Wassers, dessen Nutzung, dessen Verhaltensweise in verschiedenen Zusammenhängen. Wasser ist ein Lösungsmittel für viele Stoffe, für Ionenverbindungen, aber auch für hydrophile Gase und hydrophile organische Verbindungen. Sogar gemeinhin als in Wasser unlöslich geltende Verbindungen können in Spuren im Wasser enthalten sein. Daher liegt Wasser auf der Erde nirgends in reinem Zustand vor. Es hat je nach Herkunft die unterschiedlichsten Stoffe in mehr oder weniger großen Konzentrationen in sich gelöst. In der Analytik unterscheidet man unter anderem folgende Wassertypen:
- Reinstwasser
- Demineralisiertes Wasser
- Destilliertes Wasser
- Enteisentes Wasser
- Ätherisches Wasser
- Rohwasser
- Regenwasser
- Grundwasser
- Oberflächenwasser (Fließ- und Stehgewässer),
- Süßwasser/Salzwasser/Brackwasser
- Mineralwasser
- Trinkwasser
- schweres Wasser
- Abwasser, (Haushalts-Abwässer, landwirtschaftliche Abwässer,Industrie-Abwässer) Aber auch bei den wässrigen Auslaugungen (Eluaten) von Sedimenten, Schlämmen, Feststoffen, Abfällen und Böden wird die Wasseranalytik eingesetzt. Um die Eigenschaften des Wassers und eventuell darin gelöster Stoffe, bzw. damit in Kontakt stehender fester Phasen aufzuklären hat sich die Molekulardynamik-Simulation bewährt. Siehe auch: Wasserhärte, Gewässergüteklasse, Hydrophobie, Hydrophilie

Wasser in den Geowissenschaften

Hydrophilie In den Geowissenschaften haben sich Wissenschaften herausgebildet, die sich besonders mit dem Wasser beschäftigen: die Hydrogeologie, die Hydrologie, die Glaziologie, die Limnologie, die Meteorologie und die Ozeanographie. Besonders interessant für die Geowissenschaften ist, wie Wasser das Landschaftsbild verändert (von kleinen Veränderungen über einen großen Zeitraum bis hin zu Katastrophen, bei denen Wasser innerhalb weniger Stunden ganze Landstriche zerstört), dies geschieht zum Beispiel auf folgende Weisen:
- Flüsse oder Meere reißen Erdmassen mit sich und geben sie an anderer Stelle wieder ab (Erosion).
- Durch sich bewegende Gletscher werden ganze Landschaften umgestaltet.
- Wasser wird von Steinen gespeichert, gefriert in diesen und sprengt die Steine auseinander, weil es sich beim Gefrieren ausdehnt (Frostverwitterung).
- Durch Dürren werden die natürlichen Ökosysteme stark beeinflusst. Wasser ist nicht nur ein bedeutender Faktor für die mechanische und chemische Erosion von Gesteinen sondern auch für die klastische und chemische Sedimentation von Gesteinen. Dadurch entstehen unter anderem Grundwasserleiter. Auch interessiert Geowissenschaftler die Vorhersage des Wetters und besonders von Regenereignissen (Meteorologie). Siehe auch: Gewässer, Gletscher, Permafrostboden, Binnenmeer, Binnensee, Teich, Meer, Ozean, Fluss, Bach, Flussaue.

Wasser in der Hydrodynamik

Die verschiedenen strömungstechnischen Eigenschaften und Wellentypen auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene werden intensiv untersucht, wobei folgende Fragestellungen im Mittelpunkt stehen:
- Optimierung von Bootskörpern und exponierter Baukörper (zum Beispiel Wehre) - Minimierung des Strömungswiderstandes
- Optimierung des Wirkungsgrades von wassergetriebenen Turbinenrädern
- Untersuchung von Strömungsphänomenen und Resonanzkatastrophen (Tsunami, Monsterwellen)
- Untersuchung der Konsistenz und Qualität des Mediums Wasser aus der Analyse seiner charakterisierenden Strömungseigenschaften. Mit diesem Aspekt beschäftigt sich das Institut für Strömungswissenschaften in Herrischried im Südschwarzwald.

Kulturelle Bedeutung des Wassers

Aufgrund der großen Bedeutung des Wassers wurde es nicht zufällig bereits bei den frühesten Philosophen zu den vier Urelementen gezählt. Thales von Milet sah im Wasser sogar den Urstoff allen Seins.

Wasser in der Mythologie

Thales von Milet Wasser ist in der von Empedokles eingeführten und dann vor allem von Aristoteles vertretenen Vier-Elemente-Lehre neben Feuer, Luft und Erde ein Element. Ebenso ist Wasser in der taoistischen Fünf-Elemente-Lehre (neben Holz, Feuer, Erde, Metall) vertreten. Die Bezeichnung Elemente ist hier jedoch etwas irreführend, da es sich um verschiedene Wandlungsaspekte eines zyklischen Prozesses handelt. Im antiken Griechenland wurde dem Element Wasser das Ikosaeder als einer der fünf Platonischen Körper zugeordnet.

Wasser in der Religion

In den Religionen hat Wasser häufig einen hohen Stellenwert. Oft wird die reinigende Kraft des Wassers beschworen, zum Beispiel bei den Moslems in Form der rituellen Fußwaschung vor dem Betreten einer Moschee, oder im Hindu-Glauben beim rituellen Bad im Ganges. Die christliche Taufe wurde bis ins späte Mittelalter durch Untertauchen oder Übergießen mit Wasser als Ganzkörpertaufe vollzogen, im Westen heute meist nur noch durch Besprengen mit Wasser. Die Taufe bedeutet Hinwendung zu Christus und Aufnahme in die Kirche. Sie steht auch symbolisch für Sterben (Untertauchen) und Auferstehen (ankommen am Ufer des neuen Lebens). In der katholischen und orthodoxen Kirche spielt das Weihwasser eine besondere Rolle. Vor allem die reinigende Kraft des Wassers gab immer wieder Anlass, über die Bedeutung des Wassers für das Leben und auch für ein Leben nach dem Tod nachzudenken.

Wasser in der Esoterik

In der Esoterik heißt es, Wasser sei in seiner Struktur veränderbar und übertrage so Informationen. Diese Wasser werden als "Polywasser", "levitertes", "formatiertes" oder Belebtes Wasser bezeichnet und gehen zum Teil zurück auf Masaru Emoto, Viktor Schauberger oder Wilfried Hacheney.

Wasser als Trinkwasser und Produkt

Wilfried Hacheney Die zur Trinkwasserversorgung nutzbaren Wasservorkommen werden unterschieden in Niederschlagswasser, Oberflächenwasser in