Atomenergie und Atomkraftwerke

Atomenergie & Atomkraftwerke
sowie die damit verbundenen Probleme


DAS GRUNDPRINZIP DER KERNSPALTUNG

Kernspaltung wird herbeigef├╝hrt, wenn man ein Uranatom mit einem Neutron beschie├čt. Diese Atomgeschosse durchdringen die Atomh├╝lle und zertr├╝mmern den Atomkern in einzelne Bestandteile. Dadurch werden weitere Neutronen frei, die wiederum andere Atomkerne spalten. Bei dieser Kettenreaktion entstehen radioaktive Spaltprodukte.
Kernkraftwerke, auch Atomkraftwerke genannt (AKW), wandeln Kernenergie in elektrischen Strom um. Im Kernreaktor entsteht durch Kernspaltung Hitze, welche Wasser im Dampferzeuger in Wasserdampf verwandelt. Damit wird die Dampfturbine mit dem angeschlossenen Generator betrieben. Der elektrische Strom wird in das Netz eingespeist. Das Wasser wird im K├╝hlturm gek├╝hlt und erneut durch den Kernreaktor geleitet.
Die Kernenergie stellt hierbei eigentlich eine sehr umweltfreundliche und effiziente Art der Stromgewinnung dar.

Entdeckung der Kernspaltung

Ende 1938/Anfang 1939 entdeckte Otto Hahn in Berlin zusammen mit Fritz Stra├čmann die Spaltung des Uran - Atomkerns.Wichtige Beitr├Ąge lieferte seit 1907 auch Hahns Mitarbeiterin Lise Meitner, die allerdings den Erfolg ihrer Arbeiten in Berlin nicht mehr erleben konnte. Sie lieferte aber die entscheidenden theoretischen Berechnungen, die Hahn letztendlich dazu veranlassten, seine Entdeckung zu ver├Âffentlichen.
Nicht vergessen sollte man auch die junge Freiburger Chemikerin Ida Noddack, die schon 1934 in der "Zeitschrift f├╝r angewandte Chemie" die Vermutung des Zerplatzens der Kerne nach dem Beschu├č mit Neutronen ├Ąu├čerte, aber von Fermi und Hahn nicht ernst genommen worden war.








Gefahr eines Bombensprengstoffes

Bald nach Hahns Entdeckung wurde erkannt, dass sich hieraus wom├Âglich eine Kettenreaktion solcher Spaltungen unter gro├čer Energiefreisetzung entwickeln lie├če. Schon im Sommer 1939 ver├Âffentlichte Siegfried Fl├╝gge einen Zeitungsaufsatz, in dem diese M├Âglichkeit ├Âffentlich er├Ârtert wurde.
Mit dem Beginn des Zweiten Weltkrieges wurden die Arbeiten als geheim erkl├Ąrt und in die Verantwortung des Herreswaffenamtes in Berlin gelegt und von Kurt Diebner betreut. Diebner setzte auch das Kaiser - Wilhelm - Institut
f├╝r Physik ein. Die Leitung ├╝bernahm Werner Heisenberg.


Die Arbeiten im Krieg

Die gesamten deutschen Arbeiten w├Ąhrend des Krieges konzentrierten sich auf den Bau eines Atomreaktors. Allerdings erkannte v. Weizs├Ącker fr├╝h, dass mit Plutonium, das im Reaktor entstehen und leicht abzutrennen sein w├╝rde, eine Atombombe realisierbar sein w├╝rde.


Die Entscheidung

Auf einer Sitzung im Herreswaffenamt im Februar 1942 antwortete Heisenberg auf die Frage, ob innerhalb eines dreiviertel Jahres eine kriegsentscheidende Waffe produziert werden k├Ânne, mit einem klaren Nein. Daraufhin verloren die Nazis ihr Interesse an dem Projekt und das ganze Unternehmen wurde dem Heereswaffenamt entzogen und dem Reichsforschungsrat unterstellt. 1944 ├╝bernahm Walther Gerlach dessen Leitung.
├ťber Spionagekan├Ąle wurde die M├Âglichkeit, eine Bombe zu bauen, den deutschen Kriegsgegnern bekannt und versetzte diese in gro├čen Schrecken. Mit dem Einsatz gro├čer Mittel wurde daher in Amerika die Atombombe entwickelt, welche sp├Ąter in Hiroshima eingesetzt wurde.










DER ERSTE ATOMREAKTOR

Der Versuch B8 in Haigerloch

Die Verlegung des Labors nach Haigerloch
Wahrscheinlich erinnerte sich Prof. Gerlach, der in T├╝bingen Physik studierte und dort auch Professor war, der Gegend um Hechingen und Haigerloch. Er machte den Vorschlag, im schmalen Muschelkalktal der Eyach ein Bunkerlabor zu bauen, da man sich hier sicherer f├╝hlte vor Luftangriffen. Zuf├Ąllig entdeckten die Wissenschaftler den Bierkeller des Schwanenwirtes in Haigerloch und mieteten diesen f├╝r ihre Arbeit an.
In einer abenteuerlichen Lastwagenfahrt, auf die hier nicht n├Ąher eingegangen wird, wurde Uran und Schweres Wasser von Berlin nach Haigerloch ├╝berf├╝hrt, wo Ende M├Ąrz/Anfang April 1945 der Versuch begann.
Der Aufbau

Der Kernreaktor befand sich in einem Betonzylinder. Zwischen der ├Ąu├čeren Betonummantelung und dem inneren Mantel aus Aluminium war f├╝r die K├╝hlung normales Wasser eingef├╝llt. In diesem Aluminiumkessel mit 210 cm Querschnitt und 210 cm H├Âhe war ein weiterer Kessel aus Magnesium. Zwischen die beiden Kesselw├Ąnde kam eine etwa 40 cm dicke Graphitschicht. Dadurch sollte der Reaktor nach au├čen hin abgeschirmt werden, damit die enstehenden Neutronen nicht entweichen konnten. Die am Deckel festgemachte Anordnung mit 664 Uranw├╝rfel (Kantenl├Ąnge 5 cm) wurde nun in den inneren Magnesiumzylinder eingelassen. Es lag also ein r├Ąumliches Gitter vor, der Abstand n├Ąchster Nachbarn betrug 14 cm. Dann wurde der Deckel auf das Reaktorgef├Ą├č aufgeschraubt.

Die Durchf├╝hrung

Im Zentrum der Anordnung befand sich die Neutronenquelle, die durch den sog. Kamin eingelassen wurde. Au├čerdem befanden sich im Deckel Kan├Ąle, durch die Neutronensonden eingef├╝hrt werden konnten. Damit erhielt man eine genaue Messung der Neutronenverteilung im Inneren der Anordnung, in dem umgebenden Graphit und im Leichten Wasser des Au├čenraumes. Das Schwere Wasser wurde zuletzt und vorsichtig eingef├╝llt und dauernd die Vermehrung der Neutronen verfolgt. W├Ąre der Reaktor kritisch geworden, dann w├Ąre der Versuch abgebrochen worden.






Das Ergebnis

Leermessung: Man bestimmte die Neutronenzahl ohne Uran und ohne Schwerers Wasser, aber mit eingefahrener Neutronenquelle, im Au├čenraum.
Vollmessung: Man bestimmte die Neutronenzahl ebenfalls im Au├čenraum mit eingebrachter Uran - und Schwerwasserf├╝llung.
Der Vermehrungsfaktor (das Verh├Ątnis Voll - zu Leermessung) ergab sich etwa zu 7. Damit war der Haigerlocher Reaktor nicht kritisch geworden. Berechnungen ergaben, dass etwa die eineinhalbfache Reaktorgr├Â├če notwendig gewesen w├Ąre. Eine Vergr├Â├čerung war im April 1945 nicht mehr m├Âglich, weil weder weiteres Uran noch Schweres Wasser vorhanden war.


AUFBAU EINES KERNREAKTORS


Hier am Beispiel des Ungl├╝cksreaktors der (bis jetzt) gr├Â├čten Atomkatastrophe in Tschernobyl im Jahre 1986. Dabei wurden weite Teile Europas strahlenverseucht.

Die Reaktoreinheit 4 des AKW Tschernobyl war vom Typ RBMK - 1000. Sie hatte eine thermische Leistung von 3200 MW sowie eine elektrische Leistung von 1000 MW. Sie wurde im Dezember 1983 in Betrieb genommen.
Der Aufbau dieses Reaktortyps stellt sich folgenderma├čen dar: Eine Reihe von Graphitbl├Âcken sind zwischen den senkrechten Kan├Ąlen mit dem Brennstoff und den Kan├Ąlen f├╝r die Leichtwasser - Siedek├╝hlung plaziert. Das Graphit fungiert hier als Moderator und bremst den Aussto├č von Neutronen w├Ąhrend der Spaltung ab.
Der W├Ąrmeaustausch zwischen den Graphitbl├Âcken wird durch eine Mischung aus Helium und Stickstoff reguliert. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass kein gro├čer Druckk├Ârper erforderlich ist. Das Graphit erlaubt die Verwendung von Brennstoff, welcher nur niedrig mit Uran - 235 angereichert wurde.












Schema eines Reaktors vom Typ RBMK - 1000:

In einem Reaktor vom Typ RBMK - 1000 zirkuliert das K├╝hlmittel in einem Kreislauf, der unter Druck steht. Der erzeugte Dampf wird direkt auf die Generatorturbine geleitet. Nachdem der Dampf die Turbine angetrieben hat, wird er kondensiert und zur├╝ckgeleitet. Es gibt zwei getrennte K├╝hlsysteme. Jedes von ihnen besitzt vier Pumpen. Es gibt auch ein Notk├╝hlsystem, das in Aktion tritt, wenn ein K├╝hlkreislauf versagt. Dass das K├╝hlmittel durch R├Âhren gepumpt wird, ist einer der gr├Â├čten Unterschiede zu den meisten anderen Reaktortypen, bei denen ein gro├čes Druckgef├Ą├č alle Elemente des Kerns enth├Ąlt.
Kleine K├╝gelchen, sogenannte "Pellets" mit Urandioxid, angereichert mit 2% Uran - 235 werde in eine 3,65m lange R├Âhre, den "Brennstab" eingeschlossen. Zwei S├Ątze von 18 Brennst├Ąben sind zu einem B├╝ndel von 10 Meter L├Ąnge zusammenmontiert. Diese Brennelementb├╝ndel k├Ânnen durch die Bohrungen in den Reaktor hinein - und wieder herausgefahren werden. Es gab in Block 4 insgesamt 1659 solcher Brennelementb├╝ndel mit rund 114,7 kg Uran pro B├╝ndel. Die Gesamtmasse des Urans im Reaktorkern betrug somit 190,2 Tonnen.
Die besondere Reaktorkonstruktion erlaubt das Ersetzen des Brennstoffes, w├Ąhrend der Reaktor in Betrieb ist. Es gab zum Zeitpunkt des Unfalls Brennelementb├╝ndel mit sehr unterschiedlich stark abgebranntem Uran.
Der Reaktorkern ist mit einem biologischen Schild in Form eines zylindrischen Tanks mit einem Durchmesser von 16,6 Metern umgeben, der mit Wasser gef├╝llt ist. Dieser blieb nach dem Unfall ├╝brigens praktisch unbesch├Ądigt. Tank und Reaktorkern sind oben und unten mit zwei zylindrischen Deckeln aus Spezialstahl verschlossen, durch die verschiedene Leitungen hindurchf├╝hren. W├Ąhrend der Explosion wurden diese Teile des Reaktors herausgerissen. Durch die entstandenen ├ľffnungen gelangte der Inhalt des Kerns dann nach au├čen.
Das Kontroll - und Sicherheitssystem beruht im wesentlichen auf 211 Kontrollst├Ąben, die mit Borkarbid gef├╝llt sind. Diese St├Ąbe k├Ânnen manuell, automatisch und in besonderen Notf├Ąllen in den Reaktorkern eingeschoben werden. Normalerweise wird das Ein - und Ausfahren der Kontrollst├Ąbe durch besondere Detektoren im Kern automatisch geregelt. Gibt es St├Ârungen, so k├Ânnen die Kontrollst├Ąbe sofort in den Kern fallen gelassen werden. Dadurch wird dann die Spaltungsaktivit├Ąt - theoretisch - sofort gestoppt. Nach Auffassung einer Gruppe internationaler Experten, entsprechen die im AKW Tschernobyl vorhandenen Kontroll - und Schutzvorschriften aber mit Abstand nicht den modernen Sicherheitsanforderungen, wie sie in westlichen Atomkraftwerken Standard sind.
Es gibt zwar ein System zum Auffangen von radioaktivem Material. Dieses dient aber nur zum Sammeln von kondensiertem radioaktiven Wasser und ist nicht f├╝r den Zusammenbruch des Kerns gedacht. Was im Unterschied zu westlichen Reaktoren v├Âllig fehlt, ist ein zus├Ątzlicher Stahlbetonmantel, der die ganze Reaktoreinheit umgibt, und der theoretisch auch einer Zerst├Ârung des Reaktorkerns standhalten soll.





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