Reaktorsteuerung

Im Dossier über den Aufbau eines Kernreaktors konnte man bereits einiges darüber erfahren, was in Kernkraftwerken steckt: Spaltbares Material, der Moderator zum Abbremsen der schnellen Neutronen und die übrigen Elemente eines Kraftwerks.

In diesem Dossier kann man nun erfahren, wie diese Elemente zusammenspielen. Viel Spaß!

Wissenstest

Kernkraftwerk Gundremmingen 
Kernkraftwerk Gundremmingen

Der Wirkungsgrad eines Kraftwerks beträgt 35 Prozent – welche thermische Leistung hat also ein Kernkraftwerk wie Gundremmingen mit einer elektrischen Netto-Leistung von 1.344 Megawatt?

a) 830 Megawatt
b) 1.760 Megawatt
c) 3.840 Megawatt

Die Antwortoption c) ist richtig. Die thermische Leistung des Reaktors beträgt 3.840 Megawatt. Etwa zwei Drittel dieser Leistung, vor allem in Form von Abwärme können nicht genutzt werden.


 
 

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Jetzt geht's los

Das Anfahren eines Reaktors geht nicht so schnell wie das Anlassen eines Autos: Neue Kernreaktoren werden üblicherweise über mehrere Tage hinweg angefahren, während der Zustand und das Verhalten des Reaktors laufend genau überwacht werden.

Zum Anfahren eines Kernkraftwerks mit Druckwasserreaktor wird zuerst der Druck im Reaktor-Wasserkreislauf auf etwa 30 bar erhöht. Dann werden die Hauptkühlmittelpumpen gestartet. Weil die Pumpen bei der Arbeit Wärme abgeben, heizt das den Wasserkreislauf zunächst weiter auf.

Die Steuerstäbe sind dabei noch im Reaktorkern versenkt – die Brennelemente stehen also in Warteposition, der Reaktor wird bis jetzt noch nicht nuklear geheizt.

Erst ab etwa 260 Grad Celsius werden die Steuerstäbe aus dem Reaktor gezogen und die Kettenreaktion kommt langsam in Gang. Die Leistung des Reaktors wird sowohl über die Stellung der Steuerstäbe als auch über die Kühlmittelpumpen geregelt, denn eine Änderung des Kühlmitteldurchsatzes im Kern bedingt eine Änderung des Dampfblasengehalts im Kernbereich, was eine Veränderung der Moderatorwirkung ergibt und somit auf die Kettenreaktion im Reaktorkern rückwirkt.

Der Normalbetrieb

Warte eines Kernkraftwerks 
Warte eines Kernkraftwerks

Beim Normalbetrieb eines Kernkraftwerks beträgt der k-Wert etwa gleich 1, das heißt, der Reaktor soll kritisch sein, beim Anfahren des Reaktors sollte der k-Wert etwas mehr als 1 betragen (überkritischer Reaktor). Zur Erinnerung: Der k-Wert beschreibt das Verhältnis der Anzahl der Spaltungen einer Neutronengeneration zur Anzahl der Spaltungen der vorhergehenden Neutronengenerationen, also den Zustand des Reaktors. Man könnte daher denken, sobald alles richtig eingestellt ist, läuft der Reaktor ohne Eingriff ewig weiter.

Doch im Laufe des Betriebs zerfällt das Uran 235 in den Brennstäben. Man sagt: die Brennelemente „brennen ab“; nach etwa fünf Jahren müssen sie deshalb ausgetauscht werden. Der Reaktor verändert also im Laufe des Betriebs sein Verhalten. Die Zusammensetzung des Kühlwassers ändert sich laufend geringfügig (unter anderem durch die Strahlung) und das Zusammenspiel der vielen technischen Komponenten sorgt ohnedies für ständige kleine Veränderungen im Betrieb.

Zusammengenommen führen diese Effekte dazu, dass man in den Betrieb korrigierend eingreifen muss. Das ist auch bei der Reaktorsimulation zu merken: Hier müssen die Steuerstäbe immer wieder ein wenig gehoben und gesenkt werden. Dies wird im echten Kraftwerk automatisch geregelt und durch die Mitarbeiter überwacht.

Das Abschalten des Reaktors

Einen Reaktor kann man nicht wie eine Nachttischlampe ausknipsen. Wenn der Reaktor kontrolliert zum Beispiel im Rahmen von Wartungsarbeiten heruntergefahren wird, dann erfolgt das in Wirklichkeit innerhalb von einigen Stunden. Man steuert es über die Stellung der Steuerstäbe im Reaktor mit Hilfe von Motoren oder die Strömung des Kühlmittels.

Doch im Falle einer Störung muss das Herunterfahren viel schneller gehen. Dazu kann man einen Gang höher schalten und die Steuerstäbe besonders schnell in den Reaktor schieben. Eine andere Methode zur sofortigen Abschaltung ist die sogenannte „Borvergiftung”.

Abschalten

Bei einer Schnellabschaltung im Druckwasserreaktor fallen die Steuerstäbe aufgrund des Eigengewichtes in den Kern ein. Beim Siedewasserreaktor werden Sie mit Hilfe von Hydraulik in den Kern eingeschossen.

Bei einem Druckwasserreaktor wird der Reaktor mit Hilfe der Steuerstäbe schnell oder mit Bor langsam gesteuert.

Bei einem Siedewasserreaktor kann man auch durch eine verschieden starke Umwälzung des Wassers dafür sorgen, dass an den Brennstäben mehr oder weniger Dampf entsteht. Folge: Der Moderator wirkt mehr oder weniger stark – und der Reaktor gibt entsprechend mehr oder weniger Gas.

Sofort aus mit Hilfe von Bor

Warum ist Bor so eine Reaktorbremse?

a) Das Element Bor fängt Neutronen ein.

b) Bor kühlt den Reaktor ab.

c) Das Element Bor verbindet sich mit dem Uran in den Brennstäben zu einem neuen, stabilen Element.

Kernreaktion bei Neutroneneinfang mittels Bor in den Steuerstäben eines Reaktors 
Kernreaktion bei Neutroneneinfang mittels Bor in den Steuerstäben eines Reaktors

Die Antwortoption a) ist richtig. Wie auf der Skizze zu sehen ist, kann ein Bor-Kern ein Neutronaufnehmen und sich in einen Lithiumkern und einen Heliumkern umwandeln. Zusätzlich wird Gammastrahlung emittiert. Die vom Bor eingefangenen Neutronen stehen nicht mehr für Spaltungen von Uran-Kernen zur Verfügung, so wird die Kettenreaktion im Reaktor gebremst.

Sicherheit

Beim Reaktorbetrieb hat der Schutz von Mensch und Umwelt allerhöchste Priorität. Um den Reaktor von der Umwelt abzuschirmen, sind mehrere Sicherheitseinrichtungen und -systeme nötig, zum Beispiel die Betonabschirmung um den Reaktordruckbehälter.

Sicherheitselemente

Kernkraftwerke sind mit modernsten Sicherheitseinrichtungen ausgestattet. Mehrere nacheinander gestaffelte Barrieren sorgen dafür, dass Radioaktivität, die bei der Kernspaltung entsteht, sicher eingeschlossen bleibt.

Die Sicherheitssysteme sind mehrfach vorhanden und funktionieren automatisch und unabhängig voneinander. Mehr darüber kann im Modul "Sicherheit im Kernkraftwerk" nachgelesen werden.

Außerdem verfügen westliche Reaktoren über eine druckfeste und gasdichte Hülle, die den Reaktordruckbehälter umschließt.

Der Sicherheitsbehälter

Die druckfeste und gasdichte Umhüllung um den Reaktor wird Sicherheitsbehälter oder auch Containment genannt. Der Sicherheitsbehälter umschließt den nuklearen Teil der Anlage. So ist sichergestellt, dass keine Radioaktivität in die Atmosphäre entweichen kann.

Bei einem Druckwasserreaktor ist der Sicherheitsbehälter eine stählerne Kugel mit bis zu 60 m Durchmesser. Der Stahl ist bis zu sieben Zentimeter dick; in einigen Zentimetern Abstand davon befindet sich eine weitere Stahlhaut von etwa vier Millimetern Dicke. Die Luft dazwischen wird ständig abgesaugt. So verhindert man, dass radioaktive Gase nach außen treten. Im Inneren des Sicherheitsbehälters befindet sich der Reaktordruckbehälter, in dem der eigentliche Reaktor steckt. Und um alles herum steht das Reaktorgebäude aus dickem Beton zum Schutz gegen äußere Einwirkungen.

Im Dossier "Sicherheit im Kernkraftwerk" werden die Schutzeinrichtungen im Kernkraftwerk genauer erklärt.

Zusammenfassung

In diesem Dossier konnte man lernen, wie die Elemente eines Kernkraftwerks zusammenspielen, um eine Kettenreaktion steuern und kontrollieren zu können. Und in einer Simulation gab´s die Möglichkeit, selbst mal einen Reaktor zu steuern und die Kettenreaktion in Gang zu halten.

Im nächsten Dossier erklären wir, wie Energie in Kraftwerken umgewandelt wird und wie das genau in einem Kernkraftwerk abläuft.

 

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