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Wie funktioniert ein Kernreaktor wirklich?
 
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Marianna_2001
Gast





Beitrag Marianna_2001 Verfasst am: 19. Mai 2019 14:19    Titel: Wie funktioniert ein Kernreaktor wirklich? Antworten mit Zitat

Meine Frage:
Hallo,
in der Schule bekommt man sowas beigebracht, wie:
Man beschießt schwere Element wie Uran mit Neutronen, der Kern wird dadurch instabil und spaltet sich auf und setzt dabei Energie und weiter Neutronen frei. Diese Kettenreaktion sorgt dann wie eine Menge Energie, die das angrenzende Wasser erhitzt und der entstehende Dampf treibt Turbinen an.
Ein Moderator (z.B. Graphit) wird dann zwischen die Uran-Stäbe geschoben, um die Reaktion zu verlangsamen bzw. zu beschleunigen.

Das ist alles sehr abstrakt. Auf die Frage, wie das nun tatsächlich abläuft, hatte mein Physik-Lehrer keine Antwort vor mich. Was sind diese Neutronen, die kann ich mir ja nicht kiloweise auf Amazon bestellen und in meine Neutronen-Pistole laden um dann die Uran-Stäbe zu beschießen.

Meine Ideen:
Uranerz ist ja ein Gestein, das beim Abbau und der Gewinnung wohl nicht leuchtet und nicht von anderem Gestein zu unterscheiden ist, oder?
Was wird das Erz dann zu dem Uran, dass dann in diesen metallischen, länglichen Brennstäben landet und was genau ist da drin? Ist das dann eine Art Sand in diesen Stäben?
Aus Bildern kenne ich dann diese "Batterien" mit Hunderten dieser Stäbe in Reih und Glied angeordnet, die dann in diesen riesigen Wasserbecken sind im Kernreaktor.
Jetzt wird ja dann mit "Neutronen beschossen", was auch immer das jetzt bedeutet. Wird da ein gewisser flüssiger, fester oder gasförmiger Stoff diesen Stäben zugeführt, der dann dafür sorgt, dass sich diese Stäbe erhitzen?
Fängt dadurch dann dieser riesige Pool an zu kochen?
Wird das Graphit dann tatsächlich zwischen die einzelnen Stäbe geschoben, um das Ganze zu kontrollieren?

Oder anders gefragt, was brächte man außer eines Stückchen Uran in seinem Wohnzimmer noch, um dafür zusorgen dass das Uran so heiß wird? Und fängt das Uran erst dann an zu leuchten, wenn es heiß ist (die Tscherenkow-Strahlung). Und ist das Uran schon vor der Reaktion so gefährlich und strahlt?

Ich weiß eine Menge Fragen, aber in allen Videos und Texten die ich zum Thema fand, gab es immer nur diese sehr abstrakten Erklärungen, die ich oben schilderte.

Vielen Dank!
Huggy



Anmeldungsdatum: 16.08.2012
Beiträge: 757

Beitrag Huggy Verfasst am: 19. Mai 2019 15:37    Titel: Re: Wie funktioniert ein Kernreaktor wirklich? Antworten mit Zitat

Das sind eine Menge Fragen. Die sind nicht so leicht zu beantworten, da offensichtlich aus deinem Schulunterricht einiges an Grundlagenkenntnissen fehlt.

Marianna_2001 hat Folgendes geschrieben:
Ein Moderator (z.B. Graphit) wird dann zwischen die Uran-Stäbe geschoben, um die Reaktion zu verlangsamen bzw. zu beschleunigen.

Das ist so nicht richtig. Aber diesen Aspekt sollten wir erst mal zurückstellen.

Zitat:
Was sind diese Neutronen, die kann ich mir ja nicht kiloweise auf Amazon bestellen und in meine Neutronen-Pistole laden um dann die Uran-Stäbe zu beschießen.

Ist dir der grundsätzliche Aufbau der Materie bekannt? Materie besteht aus Atomen. Die Atome bestehen aus einem Atomkern und einer Hülle. Der Kern besteht besteht aus Protonen und Neutronen. Die Hülle besteht aus Elektronen. Protonen sind elektrisch postiv geladen, die Elektronen negativ. Ein nicht ionisiertes Atom hat genau so viele Protonen wie Elektronen und ist daher elektrisch neutral. Neutronen haben keine elektrische Ladung. Hat ein Atomkern mehrere Protonen, so stoßen sich deren elektrische Ladungen ab. Er würde auseinanderfliegen, wenn es keine Gegenkraft gäbe. Die kommt von den Neutronen. Sie wirken wie eine Art Kitt, der die Protonen zusammenhält.

In einem Kernreaktor werden die Kernspaltungen nicht durch einen Beschuss mit von außen kommenden Neutronen erzeugt. Diese Vorstellung ist falsch. Die Neutronen kommen von spontanen Spaltungen.

https://de.wikipedia.org/wiki/Spontane_Spaltung

Das beantwortet die meisten deiner Fragen noch nicht. Aber bevor wir weiter gehen, müssen diese Aspekte verstanden sein.
franz



Anmeldungsdatum: 04.04.2009
Beiträge: 11573

Beitrag franz Verfasst am: 19. Mai 2019 21:26    Titel: Re: Wie funktioniert ein Kernreaktor wirklich? Antworten mit Zitat

Hallo Marianna_2001!

Ich freue mich über Dein Interesse an sachlicher Information zu dem spannenden und wichtigen Thema der Kernenergie.

Huggy hat Folgendes geschrieben:
Aber bevor wir weiter gehen, müssen diese Aspekte verstanden sein.

Das kann man nur dick unterstreichen! (Wobei übrigens die Entwicklung der Kerntechnik international rasant weitergeht, was Material, Konzepte / Typen, Sicherheit usf. angeht.)
Jacques



Anmeldungsdatum: 30.05.2019
Beiträge: 66

Beitrag Jacques Verfasst am: 08. Jun 2019 02:08    Titel: Re: Wie funktioniert ein Kernreaktor wirklich? Antworten mit Zitat

Willkommen
Wenn Du nur ganz ungefähr wissen willst, wie Kernkraft zur Elektrizitätserzeugung funktioniert, ...
Marianna_2001 hat Folgendes geschrieben:
Meine Frage:... Man beschießt schwere Element wie Uran mit Neutronen, der Kern wird dadurch instabil und spaltet sich auf und setzt dabei Energie und weiter Neutronen frei. Diese Kettenreaktion sorgt dann wie eine Menge Energie, die das angrenzende Wasser erhitzt und der entstehende Dampf treibt Turbinen an.
Ein Moderator (z.B. Graphit) wird dann zwischen die Uran-Stäbe geschoben, um die Reaktion zu verlangsamen bzw. zu beschleunigen.

Das ist alles sehr abstrakt. Auf die Frage, wie das nun tatsächlich abläuft, hatte mein Physik-Lehrer keine Antwort vor mich. Was sind diese Neutronen, die kann ich mir ja nicht kiloweise auf Amazon bestellen und in meine Neutronen-Pistole laden um dann die Uran-Stäbe zu beschießen.
Die Neutronen sind in diesem Uran von vornherein drin. Wie sie da reingekommen sind, ist eine andere Geschichte.Das ist übrigens der Grund, warum Du auch kein Uran bei Amazon erhältst.
Marianna_2001 hat Folgendes geschrieben:
Meine Ideen:Uranerz ist ja ein Gestein, das beim Abbau und der Gewinnung wohl nicht leuchtet und nicht von anderem Gestein zu unterscheiden ist, oder?
Kommt darauf an, womit man hinschaut. Mit einem Geigerzählrohr findet man das schon raus.
Marianna_2001 hat Folgendes geschrieben:
Was wird das Erz dann zu dem Uran, dass dann in diesen metallischen, länglichen Brennstäben landet und was genau ist da drin?
Nicht viel anders, als wenn man Metalle aus Erz gewinnt. Die radioaktiven Bestandteile des Minerals SIND Metalle. Die meisten jedenfalls. Die "Verhüttung" läuft allerdings etwas anders als bei, sagen wir, Eisenerz. Uran, wie die Hauptkomponente heißt, wird als Oxid "Yellow Cake" chemisch herausgelöst, reduziert und "angereichert" (d.h., die Konz. von 235U wird erhöht).
Marianna_2001 hat Folgendes geschrieben:
Ist das dann eine Art Sand in diesen Stäben?
Die Brennstäbe bestehen aus Hüllröhren aus einer Nioblegierung, weil gewöhnlicher Stahl dem Neutronenfluß nicht dauerhaft standhält, die Brennelemente selber liegen je nach Reaktoreinsatz als Uranlegierung, -Oxidkeramik (Cermet)oder Salzschmelze vor .
Marianna_2001 hat Folgendes geschrieben:
Aus Bildern kenne ich dann diese "Batterien" mit Hunderten dieser Stäbe in Reih und Glied angeordnet, die dann in diesen riesigen Wasserbecken sind im Kernreaktor.
Jetzt wird ja dann mit "Neutronen beschossen", was auch immer das jetzt bedeutet. Wird da ein gewisser flüssiger, fester oder gasförmiger Stoff diesen Stäben zugeführt, der dann dafür sorgt, dass sich diese Stäbe erhitzen?
Nö. Das ist ja der Trick: Das konzentrierte Uranmaterial in ihrem Innern ist derart radioaktiv, daß es sich "von selbst" aufheizt und am Durchbrennen durch dauernde Kühlung und Graphitmoderation gehindert werden muß.
Was Du ansprichst, sind aber vermutlich Brennstäbe im Abklingbecken, wo sie auf die Wiederaufbereitung oder den Einsatz warten.
Marianna_2001 hat Folgendes geschrieben:
Fängt dadurch dann dieser riesige Pool an zu kochen?
Sollte er eher nicht. Die Kraftwerksleute aus Chernobyl haben mal damit experimentiert...
Hierzulande verwendet man Druckreaktoren nach einem Westinghouse-Patent, in die man im Betrieb nicht reingucken kann.
Marianna_2001 hat Folgendes geschrieben:
Wird das Graphit dann tatsächlich zwischen die einzelnen Stäbe geschoben, um das Ganze zu kontrollieren?
Ja, sowohl im Abklingbecken als auch im Druckbehälter ("Dampferzeuger"). Siehe weiter unten .
Marianna_2001 hat Folgendes geschrieben:
Oder anders gefragt, was brächte man außer eines Stückchen Uran in seinem Wohnzimmer noch, um dafür zusorgen dass das Uran so heiß wird? Und fängt das Uran erst dann an zu leuchten, wenn es heiß ist (die Tscherenkow-Strahlung). Und ist das Uran schon vor der Reaktion so gefährlich und strahlt?
Die Cherenkov-Strahlung ist nur ein Sekundäreffekt, wenn sich Neutronen in Wasser schneller als die Phasengeschwindigkeit des Lichts fortbewegen. Auch in Deinem Auge könnte sie entstehen und Du sie als Lichtblitz wahrnehmen. Das Uran selber sieht ganz unscheinbar aus und unterscheidet sich von andern Metallen nicht beim Warmwerden. Aber es strahlt von selbst andauernd Tag und nacht und hört auch sonntags nicht auf damit. Du solltest unbedingt das Kapitel "kritische Masse" verstanden haben, bevor Du Überlegungen zu Uranwürfelchen unbekannter Isotopenzusammensetzung auf dem Wohnzimmertisch vertiefst. Die größte Gesundheitsgefahr geht dabei wahrscheinlich von dem SEK aus, das Dich besucht, wenn Du Dich nicht nach DEREN Vorschriften richtest. Merke: Nur die US-Army darf abgereichertes Uran als Panzerprojektile verwenden.
Marianna_2001 hat Folgendes geschrieben:

Ich weiß eine Menge Fragen, aber in allen Videos und Texten die ich zum Thema fand, gab es immer nur diese sehr abstrakten Erklärungen, die ich oben schilderte.
...dann kurz folgendes:
Ende 19. Jh hat man die sog. natürliche Radioaktivität entdeckt, die einige Mineralien wie z.B. Pechblende aufweisen. Sie hat unter anderem zur Folge, daß diese Mineralien einerseits von selbst andauernd radioaktive Strahlung aussenden und sich andererseits selbst aufheizen, wenn man sie konzentriert und isoliert.
Also war die Idee, das eigentlich strahlende Material aus diesen Mineralien zu extrahieren (so, wie man Eisen aus Erz gewinnt, aber auf chemischem Wege, statt in einem Hochofen) und so weit aufzukonzentrieren, daß es nicht nur warm, sondern, wenn nur ausreichend davon auf einem Haufen liegt, richtig heiß wird, so daß man es so ähnlich wie einen Tauchsieder in ein Wasserbad tunken und dieses Wasser damit verdampfen kann (also so, wie Du das weiter oben vermutet hast) um mit dem Dampf Turbinen anzutreiben. Aber, anders als ein Tauchsieder, ohne elektrische Heizenergie hineinzustecken, sondern geradezu umgekehrt, seine von selbst vorhandene radioaktive Zerfallswärme dazu zu nutzen, Elektrizität zu gewinnen.
Und genau wie Kohlekraftwerke brauchen Kernkraftwerke daher Kühltürme, um den Dampf nach seiner Arbeitsverrichtung vollends abzukühlen und wieder in den Druckkreislauf zu speisen.
So weit der ganz grobe Schnelldurchlauf. Jetzt noch ein paar Anmerkungen.
1. Dieses Konzept des "viel radioaktioves Material auf einem Haufen macht eine Menge Hitze, die man dann zum Dampferzeugen nutzt" hat ein paar Schwachstellen. Anders als die gewöhnliche chemische Verbrennung, die zum Stillstand kommt, wenn man die Glut mit Kohle zuschüttet (weil dann kein Sauerstoff mehr dazutreten kann), wird der Zerfall des Kernbrennstoffes erst so richtig angefacht, weil es zu einer sogenannten Kettenreaktion kommt. Diese besteht darin, daß der radioaktive Zerfall Neutronen freisetzt, die Urankerne spalten können. Diese setzen, wenn sie zerplatzen, ihrerseits wiederum Neutronen frei. Das Ganze kann sich in Sekundenbruchteilen aufschaukeln und damit außer Kontrolle geraten und kurzfristig sehr viel mehr Energie freisetzen, als der Dampferzeuger abführen kann. Also muß der Prozeß sehr sorgfältig eingehegtwerden, indem der Neutronenfluß penibel unter Kontrolle gehalten wird. Neutronen werden besonders wirkungsvoll von Graphit absorbiert, also kann man dadurch, daß man Graphit zwischen die Brennstäbe schiebt, das Ganze nicht nur unter Kontrolle halten, sondern in begrenzter Weise an den Leistungsbedarf anpassen bzw. den Reaktor "herunterfahren". Gestrahlt wird dann zwar immer noch, aber nicht mehr, als man an Abwärme über die Kühltürme los wird. Sonst würde jeder Turbinenschaden zu einem Desaster führen.
2. Irgendwann hat sich's ausgestrahlt und die Neutronenfreisetzung reicht nicht mehr hin, Wasser zu verdampfen. Dann muß so ein Brennelement ausgetauscht werden (so wie die normale Kohlenasche auch aus dem herkömmlichen Kraftwerk geräumt werden muß).
Das Ganze ist allerdings - da gibt es nichts zu bagatellisieren oder zu beschönigen - wieder sehr aufwendig, denn die Bestrahlung, der die Materie ausgesetzt ist, läßt eine ganze Reihe von Zerfallsprodukten entstehen, die zwar kaum noch brauchbare Neutronenausbeute hat, aber sehr heftig sehr lange Zeit vor sich hin strahlt. Außerdem sind die Kernbrennstäbe unter Waffenbrüdern begehrt, weil man sie auch dazu verwenden kann, Bombenmaterial zu extrahieren. Man bedient sich dazu der Wiederaufbereitungsanlagen und spezieller Kernreaktoren. Aber selbst wenn man das Plutonium abgetrennt und in Kernreaktoren sinnvollerweise zur Elektrizitätserzeugung einsetzt (außer in D, das lieber Kohlekraftwerke betreibt), bleibt noch eine Menge anderes radioaktives Material übrig, das durch seine langen Halbwertszeiten besticht. In D ist die Dehatte, was damit anzufangen sei, nicht viel über die Entscheidung, jetzt aber ganz entschlossen mal nach einem Endlagerort zu suchen, hinausgekommen. An anderen Unternehmungen, die dieses Problem womöglich entschärfen, jedenfalls aber den Umfang des hochaktiven Materials mindern könnten, beteiligt man sich nicht. Obwohl es sie gibt.

Beste Empfehlung
jh8979
Moderator


Anmeldungsdatum: 10.07.2012
Beiträge: 7889

Beitrag jh8979 Verfasst am: 08. Jun 2019 14:52    Titel: Re: Wie funktioniert ein Kernreaktor wirklich? Antworten mit Zitat

Jacques hat Folgendes geschrieben:
Neutronen werden besonders wirkungsvoll von Graphit absorbiert, also kann man dadurch, daß man Graphit zwischen die Brennstäbe schiebt, das Ganze nicht nur unter Kontrolle halten, sondern in begrenzter Weise an den Leistungsbedarf anpassen bzw. den Reaktor "herunterfahren".

Graphitstäbe dienen nicht der Reaktorsteuerung (zumindest nicht so wie beschrieben): Graphit absorbiert Neutronen nicht besonders gut, verlangsamt aber schneller Neutronen. Daher dient es als Moderator und ist wichtig damit die Kettenreaktion überhaupt in Gang bleibt. Denn schnelle Neutronen haben einen kleinen Wirkungsquerschnitt zum spalten weiterer Kerne, langsame einen grossen.
https://de.wikipedia.org/wiki/Moderator_(Physik)
https://de.wikipedia.org/wiki/Graphitmoderierter_Kernreaktor

Als Steuerstäbe in dem gewünschten Sinne zur Absorption von Neutronen dienen üblicherweise Cadmium- oder Borverbindungen.
https://de.wikipedia.org/wiki/Steuerstab
Jacques



Anmeldungsdatum: 30.05.2019
Beiträge: 66

Beitrag Jacques Verfasst am: 08. Jun 2019 21:39    Titel: Re: Wie funktioniert ein Kernreaktor wirklich? Antworten mit Zitat

jh8979 hat Folgendes geschrieben:

Graphitstäbe dienen nicht der Reaktorsteuerung (zumindest nicht so wie beschrieben): Graphit absorbiert Neutronen nicht besonders gut, verlangsamt aber schneller Neutronen. Daher dient es als Moderator und ist wichtig damit die Kettenreaktion überhaupt in Gang bleibt. Denn schnelle Neutronen haben einen kleinen Wirkungsquerschnitt zum spalten weiterer Kerne, langsame einen grossen....
Als Steuerstäbe in dem gewünschten Sinne zur Absorption von Neutronen dienen üblicherweise Cadmium- oder Borverbindungen....
Besten Dank für die Ergänzung bzw. Richtigstellung.
franz



Anmeldungsdatum: 04.04.2009
Beiträge: 11573

Beitrag franz Verfasst am: 09. Jun 2019 00:52    Titel: Re: Wie funktioniert ein Kernreaktor wirklich? Antworten mit Zitat

Hallo Jacques,

und danke für die geduldige Erläuterung!
(Bei der Gelegenheit ein Hinweis auf diese sympathischen Hobbyisten.)
mfG! smile
Jacques



Anmeldungsdatum: 30.05.2019
Beiträge: 66

Beitrag Jacques Verfasst am: 09. Jun 2019 23:55    Titel: Re: Wie funktioniert ein Kernreaktor wirklich? Antworten mit Zitat

franz hat Folgendes geschrieben:
Hallo Jacques,
und danke für die geduldige Erläuterung!
(Bei der Gelegenheit ein Hinweis auf diese sympathischen Hobbyisten.)
mfG! smile
Keine Ursache, ist ja Zweck des Forums. Dank gebührt wegen der sorgfältigen Redaktion dann auch jh8979. Ich habe vor allem die Bemerkung über einen Physiklehrer, der noch nicht mal ansatzweise das Kraftwerksprinzip erläutern mochte, zum Anlaß genommen, die paar Sätze zu schreiben. Der Link ist ganz interessant. Zumal auch Kohlekraftwerke ganz ordentliche Kühltürme aufweisen.
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