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Kernreaktor

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Definition: eine Anlage, in der eine nukleare Reaktion durchgeführt wird und häufig Teil eines Kernkraftwerks ist

Englisch: nuclear reactor

Kategorien: Grundbegriffe, Kernenergie

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 03.04.2011; letzte Änderung: 28.09.2015

Ein Kernreaktor (oder Atomreaktor) ist eine Anlage, in der bestimmte nukleare Reaktionen (in aller Regel Kernspaltungsprozesse) mit einer hohen Intensität durchgeführt werden. Hierfür kommen unterschiedliche Anwendungen in Frage:

Der Begriff Atomreaktor ist gleichbedeutend mit Kernreaktor, nur etwas weniger präzise: Es wird nicht deutlich, dass die entscheidenden Prozesse in Atomkernen stattfinden und nicht wie bei chemischen Prozessen in den Elektronenhüllen.

In heutigen Kernreaktoren finden immer Kernspaltungsreaktionen statt. Die Kernspaltung setzt sehr viel Energie in Form von Wärme frei – um Größenordnungen mehr, als es mit der gleichen Menge eines chemischen Brennstoffs möglich wäre. Zusätzlich entsteht eine erhebliche Menge von Wärme auch durch den radioaktiven Zerfall der Spaltprodukte. Diese Nachzerfallswärme stellt eines der erheblichen Sicherheitsprobleme des Reaktorbetriebs dar.

Es ist denkbar, dass zukünftige Kernreaktoren auf Kernfusion (statt Kernspaltung) basieren werden. Ein Kernfusionsreaktor ist jedoch extrem schwer zu realisieren; trotz jahrzehntelanger Bemühungen mit hohem finanziellen Aufwand ist es bisher nicht gelungen, eine Kernfusions-Kettenreaktion für mehr als einige Sekunden aufrecht zu erhalten. Der Rest des Artikels behandelt deswegen ausschließlich Kernspaltungsreaktoren, und zwar unter Ausschluss exotischer Typen, die auf absehbare Zeit ohne technische Bedeutung bleiben werden.

Aspekte der Sicherheit werden in einem separaten Artikel über Reaktorsicherheit behandelt.

Grundprinzip des Kernspaltungsreaktors

Um Kernspaltungen mit einer hohen Rate durchführen zu können (also mit weitaus höherer Leistung als z. B. in einer Isotopenbatterie), braucht man eine nukleare Kettenreaktion. Diese lässt sich bei der Kernspaltung von Materialien wie Uran oder Plutonium relativ einfach realisieren, da einerseits durch Beschuss von spaltfähigen Atomkernen deren Spaltung ausgelöst werden kann und andererseits der Spaltungsprozess selbst wieder mehrere Neutronen freisetzt, die dann also weitere Spaltungen auslösen können.

Voraussetzung für die Kettenreaktion ist, dass die sogenannte Kritikalität erreicht wird: Pro stattfindender Kernspaltung müssen die freigesetzten Neutronen im Mittel mindestens wieder eine weitere Kernspaltung auslösen. (Der Multiplikationsfaktor ist dann mindestens 1.) Dies erfordert, dass eine genügende Menge von spaltbarem Material auf genügend engem Raum konzentriert wird, also die sogenannte kritische Masse erreicht wird. Sonst entweichen zu viele Neutronen ungenutzt nach außen. Der Betrieb mit einem Multiplikationsfaktor etwas unterhalb von 1 ist im Prinzip möglich, wenn eine starke externe Neutronenquelle zur Verfügung steht; diese Möglichkeit wird bisher jedoch nicht genutzt.

Der Start der Kettenreaktion erfolgt problemlos mithilfe von spontan durch radioaktiven Zerfall freigesetzten Neutronen, sobald die Kritikalität erreicht ist. Deswegen wird für den Start eines Reaktors keine spezielle Neutronenquelle benötigt.

Unterstützend wirkt in den meisten Reaktoren (nur nicht bei sogenannten “schnellen” Reaktoren) ein Moderator, d. h. ein Material, welches die bei der Spaltung freigesetzten Neutronen abbremst (aber möglichst ohne Neutronen zu absorbieren). Langsame (“thermische”) Neutronen können nämlich effektiver weitere Spaltungen auslösen. In Leichtwasserreaktoren und Schwerwasserreaktoren dient gewöhnliches Wasser (H2O) bzw. schweres Wasser (D2O) als Moderator (und ebenfalls zum Abtransport der erzeugten Wärme). In manchen Reaktoren besteht der Moderator aus anderen Substanzen wie z. B. Graphit.

Um den Betrieb über lange Zeit mit konstanter Leistung zu erzielen, muss ein delikates Gleichgewicht des Neutronenflusses durch eine schnelle automatische Regelung aufrechterhalten werden: Pro stattfindender Kernspaltung müssen die freigesetzten Neutronen im Mittel wieder genau eine weitere Kernspaltung auslösen. Wäre es auch nur geringfügig mehr, so würde die Leistung exponentiell ansteigen und in kurzer Zeit zur Zerstörung des Reaktors (mit womöglich dramatischen Folgen) führen. (Eine extrem intensive Explosion wie bei einer Atombombe ist allerdings nicht möglich, da die Kettenreaktion als Folge der Überhitzung gebremst würde, bevor ein wesentlicher Teil des spaltbaren Materials umgesetzt werden kann.) Umgekehrt könnte die Kernspaltung schnell zum Erliegen kommen, wenn etwas zu wenig Neutronen Spaltungen auslösen. Die Regelung der Leistung erfolgt mit Hilfe von Steuerstäben, die Neutronen absorbieren und in den Reaktorkern hineingefahren werden können. Sie können z. B. Cadmium enthalten. Je mehr der Kernbrennstoff verbraucht (“abgebrannt”) wird, desto mehr müssen die Steuerstäbe herausgezogen werden. Zur Abschaltung des Reaktors werden sie weit hineingefahren.

Die Kritikalität des Reaktors wird ebenfalls beeinflusst durch die Ansammlung von Spaltprodukten und von deren Zerfallsprodukten. Beispielsweise kann sich bei längerem Teillastbetrieb oder nach einer Abschaltung das stark neutronenabsorbierende Xenon 135 so stark ansammeln, dass die Kritikalität nicht mehr erreicht werden kann; es tritt eine “Xenon-Vergiftung” auf, die nur durch den Zerfall dieses Isotops im Laufe von Stunden wieder nachlässt. Aus solchen Gründen hängen die Kritikalitätseigenschaften eines Reaktors erheblich von den genauen Betriebsbedingungen ab.

Aufbau eines Leichtwasserreaktors

Druckwasserreaktor

Abbildung 1: Aufbau eines Druckwasserreaktors

In diesem Abschnitt wird erläutert, wie ein typischer Leichtwasserreaktor aufgebaut ist, d. h. ein mit gewöhnlichem (leichtem) Wasser gekühlter Reaktor. Dieser Typ ist weltweit bei Weitem am stärksten verbreitet. Andere Reaktortypen werden weiter unten diskutiert.

Spaltbares Material

Jeder Kernspaltungsreaktor muss genügend spaltbares Material enthalten, um die kritische Masse für die Kernspaltung zu erreichen. In den meisten Fällen wird Uran 235 (235U) verwendet, manchmal auch Plutonium 239 oder Uran 233, welches aus Thorium 232 erbrütet werden kann. Das spaltbare Material (der Kernbrennstoff) ist enthalten in Brennstäben, die wiederum zu Brennelementen gebündelt sind. Diese Brennelemente werden mit relativ kleinem Abstand in den Reaktorkern eingebaut und können einzeln ausgewechselt werden.

Steuerung der Leistung

Zwischen den Brennelementen befinden sich etliche neutronenabsorbierende Steuerstäbe (auch Regelstäbe oder Kontrollstäbe), die zur Regelung der Leistung (siehe oben) und zur Abschaltung des Reaktors dienen.

Abtransport der Wärme

Die erzeugte Wärme wird im Leichtwasserreaktor von gewöhnlichem (leichtem) Wasser abgeführt. Dieses ist chemisch geeignet aufbereitet, und es können zusätzliche Substanzen (z. B. Borsalze) beigemischt werden.

Das Kühlwasser wird von starken Kühlmittelpumpen mit hohem Druck in einem geschlossenen Kühlkreislauf durch den Reaktor befördert und strömt dabei zwischen den Brennstäben hindurch. Je nach Reaktortyp wird das Wasser im Reaktor verdampft und gelangt dann in eine Dampfturbine, oder es bleibt durch den hohen Druck flüssig und gelangt einen Dampferzeuger als Wärmeübertrager (siehe unten).

Grundsätzlich hat der Wärmetransport durch das Kühlwasser zwei wichtige Funktionen: Einerseits wird so die Wärme der Nutzung zugeführt, und andererseits wird der Reaktor vor Überhitzung geschützt. Das Kühlwasser hat aber noch eine weitere Funktion: Es moderiert die Neutronen (d. h. es bremst diese ab) und ermöglicht dadurch das Erreichen der Kritikalität mit einer wesentlich geringeren Brennstoffmenge bzw. einem geringeren Anreicherungsgrad als ohne Moderator.

Sicherheitsbehälter

Die meisten Reaktoren enthalten um den Reaktordruckbehälter herum einen zusätzlichen Reaktorsicherheitsbehälter, der auch als Containment bezeichnet wird. Er soll beim Versagen des Reaktordruckbehälters möglichst das Austreten radioaktiver Stoffe verhindern. In seinem unteren Teil kann auch Kühlwasser aufgefangen werden, welches bei Leckagen austreten kann.

Siedewasser- und Druckwasserreaktoren

Bei den Leichtwasserreaktoren gibt es eine weitere Unterscheidung:

  • Siedewasserreaktoren stehen unter mäßigem Druck von meist unter 100 bar, und das Kühlwasser wird im Reaktor zu Dampf, der direkt eine Turbine antreiben kann.
  • Bei Druckwasserreaktoren (siehe Abbildung 1) wird das Verdampfen trotz der hohen Temperatur von mehreren hundert Grad Celsius verhindert, in dem der Reaktor unter sehr hohen Druck (weit über 100 bar) gesetzt wird. Die Dampferzeugung für eine Turbine geschieht dann in einem Wärmeübertrager, dem Dampferzeuger.

Anlagen mit Siedewasserreaktoren haben eine einfachere Bauart, da sie keinen separaten Dampferzeuger benötigen, und können ein etwas höheren Wirkungsgrad der Stromerzeugung erzielen. Zu den Nachteilen gehört jedoch, dass bei Defekten von Brennelementen radioaktive Substanzen die ganze Turbinenanlage kontaminieren (verseuchen), während bei einem Druckwasserreaktor nur der primäre Kreislauf (bis zum Dampferzeuger) kontaminiert wird.

Andere Reaktortypen

Im Folgenden werden verschiedene andere Reaktortypen kurz beschrieben, die alle weitaus weniger gebräuchlich sind als die oben beschriebenen Leichtwasserreaktoren. Da Kernreaktoren nach unterschiedlichen Aspekten kategorisiert werden (etwa Art des Kühlmittels, Temperaturniveau, Verwendung schneller oder langsamer Neutronen), gibt es hier wesentliche Überschneidungen.

Schwerwasserreaktoren

Manche Forschungsreaktoren arbeiten mit schwerem Wasser (D2O), da dieses weniger Neutronen absorbiert und deswegen die kritische Masse reduziert. Der Reaktor kann dann meist mit Natururan oder schwächer angereichertem betrieben werden und ggf. auch kompakter sein, d. h. weniger Kernbrennstoff enthalten. Da schweres Wasser sehr teuer ist, kommt dieses Konzept nur für relativ kleine Reaktoren in Frage.

Gasgekühlte Reaktoren

Es gibt gasgekühlte Reaktoren, in denen beispielsweise Heliumgas oder Kohlendioxid unter hohem Druck die Wärme abtransportiert. Dies ermöglicht sehr hohe Temperaturen, also den Bau von Hochtemperaturreaktoren (siehe unten). Eine wesentliche neutronenabbremsende (moderierende) Wirkung hat das Gas nicht, weswegen entweder ein zusätzlicher Moderator (z. B. Graphit) verwendet wird oder (bei “schnellen Reaktoren”) auf einen Moderator verzichtet wird.

Kühlung mit flüssigen Metallen oder Salzen

Diverse Typen von Reaktoren werden mit geschmolzenen Metallen wie Natrium oder Blei gekühlt. Beispielsweise kommt Natrium bei gewissen schnellen Brutreaktoren zum Einsatz. Dies ermöglicht einen effektiven Abtransport der Wärme bei hohen Temperaturen, ohne dass Neutronen stark abgebremst oder absorbiert werden; Natrium eignet sich deswegen für Brutreaktoren (siehe unten).

Leider ist metallisches Natrium recht gefährlich; insbesondere brennt es bei Kontakt mit Luft unter starker Rauchbildung und Hitzeentwicklung, und der Kontakt mit Wasser kann zu Wasserstoffexplosionen führen. Außerdem darf der Reaktor dann nie ganz abgekühlt werden, weil das Natrium sonst fest würde. Dies gilt auch für die Kühlung mit anderen Metallen wie z. B. Blei.

Brutreaktoren

Brutreaktoren sind solche Reaktoren, die speziell daraufhin optimiert sind, dass sie möglichst viel spaltbares Material aus ursprünglich nicht spaltbarem Material “erbrüten”, und zwar durch Beschuss mit Neutronen. Der wichtigste Typ des Brutreaktors ist der “schnelle Brüter”, der aus Uran 238 Plutonium 239 erbrütet. Der Reaktoraufbau ist aus verschiedenen Gründen hier deutlich anders als bei Leichtwasserreaktoren. Wasser kann nicht als Kühlmittel verwendet werden, da es die Neutronen abbremsen würde, für den Brutprozess jedoch schnelle Neutronen benötigt werden. Deswegen wird ein anderes Kühlmittel benötigt, etwa Helium oder flüssiges Natrium (siehe oben). Das eigentliche Brüten erfolgt hauptsächlich in einer speziellen Brutzone, die um die Spaltzone herum angeordnet ist.

Die Vor- und Nachteile dieses Konzepts werden im Artikel über Brutreaktoren erläutert.

Hochtemperaturreaktoren

Hochtemperaturreaktoren (oder auch Höchsttemperaturreaktoren) sind Reaktoren, die Wärme bei besonders hohen Temperaturen (z. B. 750 °C) liefern können. Dies ermöglicht sehr hohe Temperaturen und damit einen höheren Wirkungsgrad der Stromerzeugung sowie die Nutzung von Hochtemperatur-Prozesswärme, beispielsweise zur Erzeugung von Wasserstoff.

Hochtemperaturreaktoren sind auf ganz unterschiedliche Weisen realisiert worden. Ein Beispiel ist der Kugelhaufenreaktor (PBMR = pebble bed modular reactor), bei dem der Kernbrennstoff in Kugeln beispielsweise aus Graphit eingebettet ist. Diese Brennstoffkugeln können beispielsweise mit Helium gekühlt werden.

Kernreaktoren der Generation IV

Die Entwicklung von Kernreaktoren wird grob in Generationen eingeteilt. Die heute eingesetzten und auch die heute neu gebauten Kernreaktoren gehören praktisch alle den Generationen II und III an; viele Reaktoren der Generation I wurden bereits stillgelegt. Für die Generation IV existieren diverse recht unterschiedliche Pläne, mit denen vor allem die folgenden Ziele verfolgt werden:

  • Der Kernbrennstoff soll effizienter als mit den bisherigen Leichtwasserreaktoren genutzt werden, die den größten Teil des Urans nicht verwenden können (selbst mit Wiederaufarbeitung des benutzten Brennstoffs).
  • Allgemein soll die Wirtschaftlichkeit verbessert werden, da die bisherige Kostenentwicklung sehr negativ war, im starken Kontrast zu den ursprünglichen Erwartungen.
  • Es soll eine höhere Reaktorsicherheit erzielt werden – beispielsweise soll nach dem Abschalten eine passive Kühlung durch Konvektion genügen, so dass auch ohne den Betrieb von Kühlwasserpumpen eine Kernschmelze vermieden wird. Solche Eigenschaften gehören zur inhärenten Sicherheit.
  • Höhere Kühlmitteltemperaturen sollen den Wirkungsgrad der Stromerzeugung erhöhen und/oder die Nutzung als Prozesswärme z. B. für die chemische Industrie, die Wasserstoffherstellung oder die Kohleveredelung ermöglichen.
  • Die Gefahr der Proliferation (Weiterverbreitung von Atomwaffen) soll durch geeignete Gestaltung des Brennstoffkreislaufs vermindert werden.
  • Teilweise wird auch ein Einsatz zur Transmutation zwecks Verringerung der Gefahren radioaktiver Abfälle angestrebt.

Leider sind diese Ziele kaum gleichzeitig erreichbar. Beispielsweise ist eine inhärente Sicherheit eher mit kleinen Reaktoren erreichbar, die aber in aller Regel höhere spezifische Kosten aufweisen. Eine wesentlich erhöhte Ausnutzung des Urans erfordert in der Regel zusätzliche teure und risikobehaftete Prozessschritte wie Wiederaufarbeitung oder die Handhabung von Plutonium, die unter Umständen auch die Proliferationsgefahren erhöhen. Die Kosten neuartiger Konzepte sind zumindest unsicherer und häufig wesentlich höher als bei konventionellen Reaktortypen.

Reaktoren der Generation IV werden frühestens in einigen Jahrzehnten zur Verfügung stehen, sind also allenfalls für die langfristige Nutzung der Kernenergie relevant.

Austausch des Kernbrennstoffs

Da Kernbrennstoffe einen enormen Energiegehalt haben, kann ein Kernreaktor für relativ lange Zeit (Monate oder gar Jahre) ohne Austausch des Brennstoffs mit hoher Leistung betrieben werden. Ein Austausch zumindest eines Teils der Brennelemente wird jedoch nötig, wenn der Abbrand zu hoch wird. Dann sinkt nämlich die Konzentration spaltbaren Materials, während die Konzentration von neutronenabsorbierenden Substanzen zunimmt. Irgendwann würde die Kritikalität nicht mehr erreicht.

Zum Austausch von Brennelementen muss normalerweise der Reaktordruckbehälter geöffnet werden. In der Regel wird nach Entlastung vom Überdruck ein Deckel entfernt, und die Brennelemente werden mit einem Kran herausgezogen und in ein Abklingbecken befördert. Dort müssen sie für einige Jahre in ständig gekühltem Wasser lagern, bis ihre Nachwärme ausreichend abgeklungen ist, um den Abtransport ohne ständige Wasserkühlung zu ermöglichen.

Beim Kugelhaufenreaktor lassen sich die Brennstoffkugeln auch während des Betriebs austauschen.

Verbrauchter Kernbrennstoff enthält noch wesentliche Mengen von spaltbarem Material. Bei den üblichen Uran-Brennstäben handelt es sich um restliches Uran 235 sowie um erbrütetes Plutonium 239. Die manchmal praktizierte Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen beinhaltet die Abtrennung und Wiederverwendung dieser Stoffe in neuen Brennelementen. Die dazu nötigen Verfahren sind allerdings sehr teuer (definitiv nicht wirtschaftlich im Vergleich zur Verwendung von Natururan) und gefährlich, und außerdem erhöhen sie das Risiko des Missbrauchs für Atomwaffen, insbesondere durch die Gewinnung von Plutonium, auch wenn dieses Reaktorplutonium aufgrund seiner Isotopenzusammensetzung für Kernwaffen weniger gut geeignet ist als speziell aus Uran 238 erbrütetes Plutonium.

Mit oder ohne Wiederaufbereitung entstehen aus verbrauchten Kernbrennstoffen hochgefährliche radioaktive Abfälle, die über lange Zeit sicher gelagert werden müssen, also keinesfalls in die Biosphäre gelangen dürfen.

Siehe auch: Kernspaltung, Brutreaktor, Reaktorsicherheit, radioaktiver Abfall, Transmutation
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, Kernenergie

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