Kärnreaktor

En kärnreaktor , även känd som en atomreaktor eller atomhög, är ett system där en kärnklyvningsreaktion sker kontinuerligt som en kedjereaktion på en makroskopisk, teknisk skala.

Distribueras över hela världen kraftreaktorer , kärnreaktoranläggningar, som (genom att dela engelsk klyvning ) av uran eller plutonium första värme och det vanligtvis elektrisk kraft (se kärnkraftverk ) vinner. Forskningsreaktorer, å andra sidan, används för att generera fria neutroner , till exempel för materialforskning eller för produktion av vissa radioaktiva nuklider för medicinska eller liknande ändamål.

I antiken förekom neutroninducerad kärnklyvning också i några uranavlagringar (se Oklo naturliga reaktor ).

Ett kärnkraftverk har ofta flera reaktorer. De två termerna används ofta oprecist. Till exempel betyder påståendet "i Tyskland var 17 kärnkraftverk igång före kärnkraftsavvecklingen " att 17 kärnreaktorer kördes på betydligt färre platser. Exempelvis bestod kärnkraftverket Gundremmingen ursprungligen av tre reaktorblock; varje block består av en reaktor med en ånggenerator och en turbosats .

De flesta kärnreaktorer är fasta installationer. I den atomära euforin i slutet av 1950-talet och början av 1960-talet uppstod tanken på kärnkraftsdrivna fordon, flygplan eller rymdskepp. Det finns nu några kärnreaktorer i ubåtar, ytfartyg och rymdfarkoster.

• USA har tio och Frankrike ett kärnkraftsdrivet hangarfartyg,
• Sex kärnvapenmakter har kärnkraftsbåtar ,
• Några kärnkraftiga isbrytare och kärnkraftsdrivna fraktfartyg är i drift

funktionalitet

Kärnklyvningen

Mycket starka attraktionskrafter verkar mellan protonerna och neutronerna i en atomkärna , men dessa har bara ett mycket begränsat intervall. Därför verkar denna kärnkraft i huvudsak på de närmaste grannarna - nukleoner längre bort bidrar bara till attraktionskraften i liten utsträckning. Så länge kärnkraften är större än den frånstötande Coulomb -kraften mellan de positivt laddade protonerna, håller kärnan ihop. Små atomkärnor är stabila om de innehåller en neutron per proton: ⁴⁰ Ca är den tyngsta stabila nukliden med samma antal protoner och neutroner. Med ett ökande antal protoner krävs ett allt större överskott av neutroner för stabilitet; den frånstötande Coulomb -kraften mellan protonerna kompenseras av de attraktiva kärnkraften hos de extra neutronerna.

Om en mycket tung kärna, såsom uranisotopen ²³⁵ U eller plutoniumisotopen ²³⁹ Pu, fångar en neutron, blir den en mycket upphetsad, instabil ²³⁶ U eller ²⁴⁰ Pu -kärna på grund av den erhållna bindningsenergin . Sådana mycket upphetsade, tunga kärnor försvinner genom kärnklyvning med extremt kort halveringstid . För att uttrycka det klart, orsakar neutronabsorberingen att kärnan vibrerar som en påverkad droppe vatten och rivs in i (mestadels) två fragment (med ett massförhållande på cirka 2 till 3), som flyger isär med hög rörelseenergi; dessutom frigörs cirka två till tre snabba neutroner. Dessa neutroner är tillgängliga för ytterligare kärnklyvning; det är grunden för kärnkedjereaktionen.

Häckningsreaktioner

När neutroner träffar kärnbränsle sker andra kärnreaktioner oundvikligen förutom klyvning . Av särskilt intresse är reaktioner där komponenter i kärnbränslet som inte själva är klyvbara omvandlas till klyvbara. Sådana reaktioner kallas avelsreaktioner, uppfödningsprocessen eller omvandlingen . Man talar dock om en uppfödarreaktor endast när mer nytt klyvbart material produceras än själva reaktorn förbrukar samtidigt, det vill säga omvandlingsfrekvensen är över 1,0.

Det mesta av bränslet i nästan alla kärnreaktorer innehåller uran. Därför är avelsreaktionen vid den icke-klyvbara uranisotopen ²³⁸ U särskilt viktig. Den ²³⁸ U förvandlas genom neutroninfångning i ²³⁹ till U. Detta passerar genom två på varandra följande betaförfall till den klyvbara plutoniumisotopen ²³⁹ Pu:

${\ displaystyle \ mathrm { ^ {238} _ {\ 92} U \ + \ _ {0} ^ {1} n \ \ longrightarrow \ _ {\ 92} ^ {239} U \ {\ xrightarrow {\ beta ^ {-}}} \ _ {\ 93} ^ {239} Np \ {\ xrightarrow {\ beta ^ {-}}} \ _ {\ 94} ^ {239} Pu}}$

Den ²³⁹ Pu digereras partiellt åter fortfarande i reaktorn, delvis det kan, men separeras genom upparbetning det använda bränslet och användas för andra ändamål.

Om det separerade plutoniet ska användas för kärnvapenändamål ( vapenplutonium ) måste det vara isotopiskt så rent som möjligt, dvs det får inte innehålla för mycket ²⁴⁰ Pu. Denna nästa tyngre plutoniumisotop skapas när ²³⁹ Pu atomkärnan fångar en annan neutron. Därför kan plutonium av vapenklass endast erhållas från bränsleelement som avlägsnas från reaktorn efter en relativt kort driftstid.

På samma sätt som Pu-239 från U-238 kan den klyvbara U-233 från thorium Th-232 också ” kläckas ”.

Energiutsläpp i kärnklyvning

De nybildade kärnorna av medelmassa, de så kallade klyvningsprodukterna , har en större bindningsenergi per nukleon än den ursprungliga tunga kärnan. Skillnaden i bindningsenergier uppstår mestadels som den kinetiska energin hos sprickfragmenten ( beräkning ). Dessa avger energin som värme genom kollisioner med det omgivande materialet. Värmen släpps ut av ett kylmedel och kan till exempel användas för att generera el, värme eller som processvärme, till exempel för avsaltning av havsvatten.

Cirka 6% av den totala energin som frigörs i en kärnreaktor frigörs i form av elektronantineutrinoer , som nästan obehindrat flyr från reaktorns sprickzon och tränger igenom allt omgivande material. Dessa partiklar har inga märkbara effekter eftersom de knappast reagerar med materia . Din energi kan därför inte användas tekniskt. Den återstående användbara energin från klyvningen på 1 gram U-235 är cirka 0,91 MWd (megawattdagar) eller 21 500 kilowattimmar. Detta motsvarar cirka 9,5 ton brunkol eller 1,8 ton eldningsolja.

Sammantaget genererar de cirka 440 kärnreaktorerna i de 210 kärnkraftverk som för närvarande är i drift i 30 länder runt om i världen en elektrisk effekt på cirka 370 gigawatt . Detta är 15% av den totala elektriska energin världen över (från och med 2009).

Kedjereaktion, termiska neutroner, moderator

Kedjereaktionen består i det faktum att neutroner klyver atomkärnor i kärnbränslet , varvid förutom de högenergiska klyvningsfragmenten också några nya neutroner släpps varje gång; dessa kan splittra ytterligare kärnor etc. Tvärsnittet av kärnorna för klyvning ökar med minskande energi, det vill säga minskande hastighet för neutronen: Ju långsammare neutronen är, desto mer sannolikt är det att den kommer att absorberas av en klyvbar kärna och sedan splittras . Därför bromsas de snabba neutronerna från kärnklyvning i de flesta reaktorer med hjälp av en moderator . Detta är ett material som grafit , tungt eller normalt vatten som innehåller lätta atomkärnor (mindre massantal ) och har ett mycket lågt absorptionstvärsnitt för neutroner. I detta material bromsas neutronerna kraftigt av kollisioner med dess atomkärnor, men absorberas endast sällan. Så de är fortfarande tillgängliga för kedjereaktionen. Neutronerna kan bromsas till hastigheterna hos moderatorns kärnor; deras medelhastighet ges av moderatorns temperatur enligt teorin om brunisk rörelse . Så det finns en termisering . Därför talar man vanligtvis om termiska neutroner istället för att bli bromsade, eftersom neutronerna då har en liknande termisk energifördelning som moderatorns molekyler. En reaktor som använder termiska neutroner för kärnklyvning kallas en termisk reaktor . I motsats till detta använder en snabb reaktor de snabba neutroner som inte bromsas för klyvning (därav namnet snabbuppfödare ).

Initiering och kontroll av kedjereaktionen

När den är avstängd, dvs. H. när styrstavarna dras tillbaka är reaktorn subkritisk . Vissa fria neutroner finns alltid i reaktorn - till exempel frigörs genom spontan klyvning av atomkärnor i kärnbränslet - och utlöser ibland klyvning, men tillväxten av en kedjereaktion förhindras av det faktum att de flesta neutronerna avlägsnas från det material som finns i styrstavarna (t .ex. Bor ) absorberas så att multiplikationsfaktorn k är mindre än ett.

För att starta reaktorn dras styrstavarna ut ur reaktorkärnan i större eller mindre utsträckning, med konstant mätning av neutronflödet , tills lätt överkritik uppnås på grund av fördröjda neutroner , dvs en självbärande kedjereaktion med en gradvis ökande kärnreaktionshastighet . Neutronflödet och värmeeffekten i reaktorn är proportionell mot reaktionshastigheten och ökar därför med den. Med hjälp av styrstavarna - i fallet med tryckvattenreaktorer även via koncentrationen av borsyra i vattnet - regleras neutronflödet till det erforderliga flödet och därmed effektnivån i det kritiska tillståndet och hålls konstant; k är då lika med 1,0. Eventuella förändringar i k på grund av temperaturstegring eller andra påverkan kompenseras genom att justera styrstavarna. I praktiskt taget alla reaktorer sker detta genom en automatisk styrning som reagerar på det uppmätta neutronflödet.

Multiplikationsfaktorn 1.0 innebär att i genomsnitt bara en av de neutroner som frigörs per kärnklyvning utlöser en annan kärnklyvning. Alla andra neutroner absorberas antingen - delvis oundvikliga i konstruktionsmaterialet (stål etc.) och i icke -klyvbara bränslekomponenter, delvis i styrstavarnas absorberande material, mestadels bor eller kadmium - eller flyr från reaktorn till utsidan ( läckage).

För att minska effekten och stänga av reaktorn dras styrstavarna tillbaka, vilket gör den subkritisk igen. Multiplikationsfaktorn sjunker under 1, reaktionshastigheten minskar och kedjereaktionen slutar.

En fördröjd superkritisk reaktor ökar sin produktion tillräckligt långsamt för att styrutrustningen kan följa processen. Om den aktiva kontrollen misslyckas i fallet med vattenmodererade reaktorer, dvs att kritikaliteten inte regleras tillbaka till 1, ökar effekten utöver det nominella värdet. Moderatorn värms upp och som ett resultat expanderar eller förångas. Eftersom det är nödvändigt att moderera vatten för att bibehålla kedjereaktionen, återgår reaktorn till det subkritiska området - förutsatt att endast vattnet avdunstar men det rumsliga arrangemanget av bränslet har bibehållits. Detta beteende kallas i sig stabilt.

Detta beteende gäller till exempel inte för grafitmoderade reaktortyper , eftersom grafit behåller sina modererande egenskaper även vid stigande temperatur. Om en sådan reaktor kommer in i det fördröjda överkritiska området på grund av fel i styrsystemen, stannar inte kedjereaktionen, och detta kan leda till överhettning och eventuellt förstörelse av reaktorn. En sådan reaktor är därför inte i sig stabil. Tjernobylreaktorerna var en del av denna typ av konstruktion, som bara finns i Ryssland.

Till skillnad från den fördröjda superkritiska reaktorn kan en omedelbart superkritisk reaktor inte längre regleras och allvarliga olyckor kan inträffa. Neutronflödet och därmed reaktorns termiska effekt ökar exponentiellt med en fördubblingstid inom intervallet ^10–4 sekunder. Den uppnådda effekten kan överstiga den nominella effekten i några millisekunder med mer än tusen gånger, tills den reduceras igen genom att Doppler breddar bränslet som värms upp på detta sätt. Bränslestavarna kan uppvärmas snabbt till temperaturer över 1000 ° C genom denna effekt exkursion. Beroende på konstruktionen och de exakta omständigheterna vid olyckan kan detta leda till allvarliga skador på reaktorn, särskilt från plötsligt förångande (kylande) vatten. Exempel på omedelbart superkritiska lättvattenreaktorer och konsekvenserna visas av BORAX-experimenten eller olyckan i den amerikanska forskningsreaktorn SL-1 . Den största olyckan hittills, orsakad av en reaktor som omedelbart var överkritisk åtminstone i vissa områden, var atomkatastrofen i Tjernobyl , där omedelbart efter kraftutflykten, vätskor, metaller och den efterföljande grafitbranden som plötsligt avdunstade ledde till en utbredd spridning av den radioaktiva inventeringen.

I motsats till vad som ibland hävdas är det automatiska avbrottet av kedjereaktionen under en effektutflykt av en vattenmoderad reaktor ingen garanti för att en kärnsmältning inte kommer att inträffa, eftersom i händelse av ytterligare fel på alla aktiva kylanordningar, nedbrytningsvärme är tillräcklig för att åstadkomma detta. Av denna anledning är kylsystemen konstruerade för att vara redundanta och mångsidiga . En kärnsmältning har beaktats som en designbaserad olycka sedan olyckan på Three Mile Island vid planeringen av kärnkraftverk och är i princip kontrollerbar. På grund av reaktorkärnans möjligen förändrade geometriska uppläggning till följd av kraftutflykten kan förnyad kritikalitet dock inte i grunden uteslutas.

Subkritiska reaktorer

En kedjereaktion med en konstant reaktionshastighet kan också uppnås i en subkritisk reaktor genom att mata in fria neutroner från en oberoende neutronkälla . Ett sådant system kallas ibland för en driven reaktor. Om neutronkällan är baserad på en partikelaccelerator , dvs kan stängas av när som helst, erbjuder principen förbättrad säkerhet mot reaktivitetsolyckor . Nedbrytningsvärmen (se nedan) förekommer dock här precis som i den kritiskt fungerande reaktorn; Försiktighetsåtgärder för att kontrollera förlust av kylolyckor är lika nödvändiga här som med konventionella reaktorer.

Drivna reaktorer har ibland byggts och drivits för experimentella ändamål. De är också utformade som storskaliga anläggningar för energiproduktion och samtidig transmutation av reaktoravfall (se Accelerator Driven System ) och kallas i detta fall ibland hybridreaktorer . De tyngre aktiniderna som produceras i reaktorer , vars generationsfaktor är för liten för en kritisk kedjereaktion, kan också användas som kärnbränsle i dem.

Utsläpp

Genom en frånluftsskorsten och avloppsvatten släpps radioaktiva föroreningar ( tritium , radioaktivt jod, etc., etc.) ut som ständigt uppstår i miljön, även under normal drift . I detta avseende antas det att påstådda ansamlingar av cancerfallstal har orsakssamband med dessa utsläpp.

Förfallna värme

Om en reaktor stängs av fortsätter det radioaktiva sönderfallet av klyvningsprodukterna att producera värme. Utgången från denna så kallade nedbrytningsvärme motsvarar initialt cirka 5–10% av reaktorns värmeeffekt vid normal drift och avtar i stort sett under några dagar. Begreppet restvärme används ofta för detta , men det är vilseledande eftersom det inte handlar om reaktorkärnans kvarvarande värme utan om ytterligare värmeproduktion, som orsakas av de pågående sönderdelningsreaktionerna.

För att säkert kunna sprida sönderfallsvarmen i nödsituationer (om huvudkylsystemet misslyckas) har alla kärnkraftverk ett komplext nöd- och efterkylningssystem . Men om dessa system också skulle misslyckas kan de stigande temperaturerna leda till en kärnsmältning där strukturella delar av reaktorkärnan och, under vissa omständigheter, delar av kärnbränslet smälter. Detta var fallet med kärnsmältningen i Fukushima , eftersom alla aktiva kylsystem stannade på grund av ett fullständigt strömavbrott.

Smältning

När bränslestavarna smälter och skapar en tätning av bränsle ökar multiplikationsfaktorn och snabb, okontrollerad uppvärmning kan uppstå. För att förhindra eller åtminstone fördröja denna process väljs de material som bearbetas i reaktorkärnan i vissa reaktorer på ett sådant sätt att deras neutronabsorptionsförmåga ökar med stigande temperatur, dvs reaktiviteten minskar. I lättvattenreaktorer , som levererar nästan 90% av den totala kärnkraften, är en kärnsmältning inte möjlig under drift, eftersom kärnklyvningsreaktionen endast sker i närvaro av vatten. Om det inte finns tillräckligt med kylning i den avstängda reaktorn är en kärnsmältning möjlig på grund av sönderfallsvärmen , om än under längre tidsperioder. Fallet med kärnsmältningen anses vara den värsta möjliga olyckan ( GAU ), det vill säga den allvarligaste olycka som måste beaktas vid planering av anläggningen och som den måste klara utan att skada miljön. En sådan olycka hände till exempel vid kärnkraftverket Three Mile Island .

Det värsta fallet, till exempel att reaktorbyggnaden inte tål och en större mängd radioaktiva ämnen som långt överskrider de tillåtna gränsvärdena släpps, kallas ett värsta scenario . Detta hände till exempel 1986 med katastrofen i Tjernobyl och 2011 med Fukushima -katastrofen .

Som i och för sig säker teknik är endast vissa giltiga mot nedbrytning i detta skede högtemperaturreaktorer lägre effekt och effekttäthet; I allmänhet är emellertid inte heller denna typ av reaktor i sig säker, eftersom olyckor som grafiteld eller vatteninträngning kan få katastrofala konsekvenser.

Effektdensiteten i MW / m³ (megawatt värmeeffekt per kubikmeter reaktorkärna) avgör vilka tekniska försiktighetsåtgärder som måste vidtas för att avleda nedbrytningsvärmen som genereras efter en nödavstängning. Typiska effekttätheter är 6 MW / m³ för gaskylda högtemperaturreaktorer, 50 MW / m³ för kokvattenreaktorer och 100 MW / m³ för tryckvattenreaktorer.

Den europeiska tryckvattenreaktorn (EPR) har ett speciellt format keramiskt bassäng, kärnappsamlaren , under tryckkärlet för säkerhet vid en kärnsmältning . I detta ska det smälta materialet i reaktorkärnan fångas upp, men förhindras att agglomerera och kylas av ett speciellt kylsystem.

Reaktortyper

De första experimentella reaktorerna var enkla lager av klyvbart material. Ett exempel på detta är Chicago Pile -reaktorn , där den första kontrollerade kärnklyvningen ägde rum. Moderna reaktorer är indelade efter kyltyp, måttlighet, bränsle som används och konstruktion.

Lättvattenreaktor

Reaktioner som modereras med normalt lättvatten sker i lättvattenreaktorn (LWR), som kan utformas som en kokvattenreaktor (BWR) eller en tryckvattenreaktor (PWR). Lätta vattenreaktorer genererar nästan 90% av kärnkraften över hela världen (68% PWR, 20% BWR) och 100% i Tyskland. En vidareutveckling av förkonvojen , konvojen (tyska PWR) och N4 är den europeiska tryckvattenreaktorn (EPR). En rysk tryckvattenreaktor är VVER . Lätta vattenreaktorer kräver anrikat uran, plutonium eller blandade oxider ( MOX ) som bränsle. Oklo naturliga reaktorn var också en lättvattenreaktor .

Den väsentliga egenskapen hos lättvattenreaktorn är den negativa ångbubbla -koefficienten : Eftersom vatten är både ett kylmedel och en moderator är ingen kedjereaktion möjlig utan vatten, det vill säga ingen kärnsmältning under reaktordrift.

De bränsleelementen enligt den LWR är känsliga för termodynamiska och mekaniska belastningar. För att undvika detta krävs sofistikerade, tekniska och operativa skyddsåtgärder som formar kärnkraftverkets utformning i sin helhet. Detsamma gäller reaktortryckskärlet med risk för sprängning . De återstående riskerna för kärnsmältning av bränslepatronerna på grund av sönderfallsvärmen och sprängningen av reaktortryckskärlet förklarades under lång tid irrelevant i kärnkraftsindustrin på grund av det osannolika att de inträffade, till exempel av Heinrich Mandel .

Tungvattenreaktor

Tungvattenreaktorer modereras med tungt vatten kräver en stor mängd av den dyra tungt vatten, men kan användas med naturliga, icke inredda uran . Den mest kända representanten för denna typ är CANDU-reaktorn som utvecklats i Kanada .

Grafitreaktortyper

Gaskylda, grafitmodererade reaktorer utvecklades redan på 1950-talet, först och främst för militära ändamål (plutoniumproduktion). De är de äldsta kommersiellt använda kärnreaktorerna; kylvätskan i detta fall är koldioxid . På grund av bränslestavens kapsling tillverkad av en magnesiumlegering , är denna typ av reaktor som kallas Magnox reaktorn . Den 30 december 2015 var Wylfa-1 den sista av Storbritanniens Magnox-reaktorer som stängdes. Liknande system användes också i Frankrike, men har nu alla stängts av.

Den 17 oktober 1969, kort efter att reaktorn togs i drift, smälte 50 kg bränsle i den gaskylda grafitreaktorn i det franska kärnkraftverket Saint-Laurent A1 (450 MW _el ). Reaktorn stängdes sedan 1969 (dagens kärnkraftverkets reaktorer är reaktorer under tryck ).

En efterföljare till Magnox-reaktorerna är Advanced Gas-cooled Reactor (AGR) som utvecklats i Storbritannien . Till skillnad från Magnox -reaktorerna använder den lätt anrikad urandioxid istället för uranmetall som bränsle. Detta möjliggör högre effekttätheter och kylvätskeutloppstemperaturer och därmed bättre termisk verkningsgrad . Med 42%uppnådde EGR den högsta effektivitetsnivån för alla tidigare kärnkraftverk.

Högtemperaturreaktorer (HTR) använder också grafit som moderator; heliumgas användssom kylvätska. En möjlig konstruktion av högtemperaturreaktorn är stenbäddsreaktorn enligt Farrington Daniels och Rudolf Schulten , där bränslet är helt inneslutet i grafit. Denna typ av reaktor har länge ansetts vara en av de säkraste, för om nöd- och efterkylningssystem misslyckas är en kärnsmältning omöjlig på grund av grafitens höga smältpunkt. Det finns dock ett antal andra allvarliga typer av olyckor, till exempel vatteninträngning eller luftinträngning med grafiteld, som ifrågasätter de påstådda säkerhetsfördelarna, som Rainer Moormann , som fick2011 års visselblåsarpris , påpekade . Ett antal olösta praktiska problem har också förhindrat kommersialisering av konceptet. Dessutom är anläggningskostnaderna för HTR högre än för lättvattenreaktorn. I Tyskland utfördes forskning vid AVR: s experimentella kärnkraftverk (Jülich) och THTR-300 prototypkraftverk byggdesi Schmehausen , det senare med ett reaktortryckskärl av förspänd betong . Båda stängdes ner 1989.

De sovjetiska reaktorerna av typen RBMK använder också grafit som moderator, men lätt vatten som kylmedel. Här finns grafiten i block, genom vilka många kanaler borras, i vilka det finns tryckrör med bränsleelementen och vattenkylningen. Denna typ av reaktor är trög (det tar mycket tid att reglera) och mer osäkert än andra typer eftersom ångbubbla -koefficienten är positiv: till skillnad från i lättvattenreaktorer betyder förlust av kylvätska inte förlust av moderator, men det minskar neutronupptagningen av kylvätskan; så det ökar reaktiviteten istället för att minska den. Den resulterande ökade värmeeffekten utan tillräcklig kylning kan snabbt leda till en kärnsmältning. Den förstörda reaktorn i Tjernobyl var av denna typ. Denna typ av reaktorer finns bara i Ryssland nuförtiden.

Uppfödare

Det finns också uppfödarreaktorer ( snabbuppfödare ) där ²³⁸ U , förutom frigörelse av energi, omvandlas till ²³⁹ Pu, så att mer nytt klyvbart material skapas än som förbrukas samtidigt. Denna teknik är också mer krävande vad gäller säkerhet än för andra typer. Dess fördel är att med det kan jordens uranreserver användas upp till 50-100 gånger bättre än om bara ²³⁵ U "bränns". Uppfödarreaktorer arbetar med snabba neutroner och använder flytande metall som natrium som kylvätska.

Mindre icke -avelsreaktorer med kylande flytande metall ( bly - vismut - legering ) löstes i båtar som användes av Sovjetunionen .

Smält saltreaktor

(I en smält saltreaktor cirkulerar engelska MSR för smält saltreaktor eller LFTR för flytande fluorid Thoriumreaktor ) en saltsmälta som innehåller kärnbränslet (såsom torium och uran) i en krets. Smältan är både bränsle och kylvätska. Denna typ av reaktor har emellertid inte kommit längre än experimentstadiet.

Olika säkerhets- och hållbarhetsargument har framförts till förmån för smält saltreaktorer: Fluoridsalterna som används är inte vattenlösliga, vilket gör det svårt att förorena miljön vid en olycka. Som uppfödarreaktorer kan de smälta saltreaktorerna använda bränslet mycket effektivt och kan drivas med ett brett utbud av bränslen. Dessa reaktorer undersöktes i USA på 1960 -talet för framdrivning av flygplan. Utvecklingen gavs upp omkring 1975, främst på grund av korrosionsproblem. Det var inte förrän på 2000 -talet som konceptet togs upp bland annat. även i Generation IV -begreppen .

Särskilda typer

Det finns också några speciella typer för speciella applikationer. Till exempel konstruerades små reaktorer med mycket anrikat bränsle för att driva rymdfarkoster som inte kräver flytande kylvätska. Dessa reaktorer ska inte förväxlas med isotopbatterierna . Luftkylda reaktorer, som alltid kräver mycket anrikat bränsle, byggdes också, till exempel för fysiska experiment i BREN-tornet i Nevada. Reaktorer konstruerades för framdrivning av rymdfarkoster, där flytande väte används för att kyla bränslet. Detta arbete gick dock inte längre än jordtester ( NERVA -projektet, Timberwind -projektet ). Reaktorer där bränslet är i gasform ( gasreaktor ) kom inte heller bortom försöksstadiet .

Vi arbetar för närvarande aktivt med nya reaktorkoncept runt om i världen, Generation IV -koncepten , särskilt med tanke på det förväntade växande energibehovet. Dessa bör uppfylla särskilda kriterier för hållbarhet, säkerhet och ekonomisk effektivitet. Framför allt uppnår uppfödarreaktorer en betydligt högre effektivitet vid utnyttjande av bränsle och en lägre mängd radioaktivt avfall. Risken för kärnsmältning på grund av sönderfallsvärme reduceras till noll med tillräckligt stark passiv kylning. De första Gen IV -reaktorerna ska användas från 2030.

En annan typ av reaktor som för närvarande fortfarande är i experimentstadiet är den roterande axelreaktorn . Om implementeringen lyckas lovar detta koncept en mycket effektivare användning av kärnbränslet och en massiv minskning av problemet med radioaktivt avfall , eftersom en reagerande vågreaktor kan drivas med radioaktivt avfall och systematiskt skulle använda det i processen.

• Bilder på kärnreaktorer
• 

  Forskningsreaktor (Japan, 1960)

• 

  Insida (aktiv, belyst)

• 

  Inifrån (ej upplyst)

• 

  Blåaktig Cherenkov -strålning i kärnreaktorn

Oklo naturlig reaktor

En kärnklyvskedjereaktion kräver inte nödvändigtvis komplexa tekniska system. Under vissa - om än sällsynta - omständigheter kan det också utvecklas i naturen. År 1972 upptäckte franska forskare resterna av den naturliga Oklo -kärnreaktorn i Oklo -regionen i det västafrikanska landet Gabon, som skapades av naturliga processer för cirka två miljarder år sedan, i proterozoikum . Totalt har bevis på tidigare klyvningsreaktioner hittats på 17 platser i Oklo och en angränsande uranfyndighet.

En förutsättning för att de naturligt förekommande klyvningskedjereaktionerna skulle inträffa var den mycket högre naturliga andelen klyvbara ²³⁵ U i uran i antiken . Då var det cirka 3%. På grund av den kortare halveringstiden på ²³⁵ U jämfört med ²³⁸ U är det naturliga innehållet av ²³⁵ U i uran för närvarande bara cirka 0,7%. Med detta låga innehåll av klyvbart material kan nya kritiska klyvningskedjereaktioner inte längre ske naturligt på jorden.

Utgångspunkten för upptäckten av Oklo-reaktorn var observationen att uranmalmen från Oklo-gruvan hade något lägre innehåll av isotopen uran-235 än väntat. Forskarna använde sedan en masspektrometer för att bestämma mängderna av olika ädelgasisotoper som var inneslutna i ett materialprov från Oklo -gruvan. Från fördelningen av de olika xenonisotoper som bildades under uranklyvning i provet fann man att reaktionen ägde rum i pulser. Bergens ursprungliga uranhalt ledde till moderatoreffekten av vatten som finns i kolonnerna i uranbergsvattnet för kritik. Värmen som frigörs på detta sätt i uransten upphettade vattnet i sprickorna tills det slutligen avdunstade och rymde som en gejser . Som ett resultat kunde vattnet inte längre fungera som moderator, så att kärnreaktionen stannade (vilofas). Temperaturen sjönk sedan igen så att färskt vatten kunde sippra in och fylla sprickorna igen. Detta skapade grunden för förnyad kritik och cykeln kunde börja om. Beräkningar visar att den aktiva fasen (kraftproduktion), som varade i cirka 30 minuter, följdes av en vilofas som varade mer än två timmar. På detta sätt hölls den naturliga klyvningen igång i cirka 500 000 år och förbrukade över fem ton uran-235. Den utsignal reaktorn var (jämfört med dagens megawattreaktorer) vid en låg 100 kilowatt.

Oklos naturliga reaktor användes för att bedöma säkerheten vid slutförvaring av radionuklider ( kärnavfall ). Den låga migrationen av vissa klyvningsprodukter och avelsplutonium som observerats där under miljarder år tolkades av kärnkraftsförespråkare på ett sådant sätt att kärnkraftsförvar i en liknande sten möjligen är tillräckligt säkra under långa tidsperioder.

Ansökningar

De flesta kärnreaktorer används för att generera elektrisk (sällan: endast termisk) energi i kärnkraftverk . Dessutom används kärnreaktorer också för att generera radionuklider, till exempel för användning i radioisotopgeneratorer eller i kärnmedicin . De sökta nukliderna

• antingen, om de förekommer i klyvningsprodukterna , extraherade från det använda bränslet
• eller genereras på ett målinriktat sätt genom att exponera stabila isotoper av de berörda elementen för neutronstrålning som råder i kärnreaktorn (se neutronavskiljning ).

Teoretiskt sett kan man också producera guld i en reaktor, men det skulle vara väldigt oekonomiskt.

Den viktigaste materialomvandlingsreaktionen som äger rum i reaktorn (förutom generationen av klyvningsprodukter) är uppfödning (se ovan) av plutonium-239 från uran-238, den vanligaste uranisotopen. Det förekommer oundvikligen i alla urandrivna reaktorer. Det finns dock militära reaktorer speciellt optimerade för detta ändamål, som särskilt är inrättade för att ta bort bränslet efter bara en kort driftsperiod, så att ²³⁹ Pu är tillgängligt med endast ett lågt innehåll på ²⁴⁰ Pu.

Kärnreaktorer fungerar också som intensivt kontrollerbara neutronkällor för fysiska undersökningar av alla slag.Fler tillämpningar är framdrivning av fordon ( kärnkraftsdrivning ) och energiförsörjning av vissa rymdfarkoster.

Säkerhet och politik

Efter år av eufori sedan 1970 -talet har den potentiella fara som kärnreaktorer utgör och den hittills olösta frågan om lagring av det radioaktiva avfallet som har lett till protester från kärnkraftsmotståndare och till en ny bedömning av kärnkraft i många länder . Medan utfasningen av kärnkraft förökades i Tyskland på 1990-talet, försökte man göra kärnkraften socialt acceptabel igen mellan 2000 och 2010 mot bakgrund av blekande minnen av riskerna ( Tjernobylkatastrofen var för 20 år sedan) . Anledningen till detta är att minska koldioxid ₂ utsläppen som krävs av internationella avtal vid förbränning av fossila bränslen. Detta kompenseras av ett växande energibehov i tillväxtekonomier som Kina.

Av dessa skäl beslutade vissa europeiska länder att investera i nya kärnkraftverk. Till exempel bygger den tyska Siemens -gruppen och den franska Areva -gruppen en tryckvattenreaktor av EPR -typen i Olkiluoto , Finland , som är planerad att gå online 2021. Ryssland vill förnya sina gamla och delvis sjuka kärnkraftverk och börja bygga en ny reaktor varje år i minst tio år. Förhandlingar pågår också i Frankrike om att bygga en ny reaktor. Sverige stoppade sina kärnkraftsplaner. Det finns också mindre och större nya byggprojekt i Iran , Folkrepubliken Kina , Indien , Nordkorea , Turkiet och andra länder. (Huvudartikel: Kärnkraft efter land ). Dessutom utvecklar många länder i forskningsförbundet Generation IV International Forum sex nya reaktortyper som ska garantera större hållbarhet, säkerhet och ekonomisk effektivitet.

Kärnkraftsolyckorna i det japanska kraftverket Fukushima-Daiichi i kölvattnet av jordbävningen med styrka 9 och den efterföljande tsunamin den 11 mars 2011 väckte nya överväganden nästan överallt. Till skillnad från olyckan i Tjernobyl, i en grafitmoderad RMBK- reaktor, visade olyckorna i Fukushima en svaghet i lättvattenreaktorer, den vanligaste typen.

Kärnreaktorernas livslängd är inte obegränsad. Reaktortryckkärlet utsätts i synnerhet för konstant neutronstrålning, vilket leder till sprödhet av materialet. Hur snabbt detta händer beror bland annat på hur bränslepatronerna är anordnade i reaktorn och vilket avstånd de är från reaktortryckskärlet. Kärnkraftverken i Stade och Obrigheim var också de första som togs ur nätet eftersom detta avstånd var mindre än med andra, nyare kärnreaktorer. Operatörerna av kärnkraftverk försöker för närvarande minska neutronbelastningen på reaktortryckkärlet genom en smart laddning av bränsleelement och ytterligare moderatorstavar. Helmholtz Center Dresden-Rossendorf , bland andra, forskar om detta problem.

Se även

• Kärnkraftverk
• Tryckrörsreaktor

Listor

• Lista över kärnreaktorer i Tyskland
• Lista över kärnreaktorer i Österrike
• Lista över kärnreaktorer i Schweiz
• Lista över kärntekniska anläggningar
• Lista över kärnkraftverk
• Lista över olyckor i kärntekniska anläggningar
• Lista över rapporterbara händelser i tyska kärntekniska anläggningar

litteratur

• S. Glasstone, MC Edlund: The Elements of Nuclear Reactor Theory. Van Nostrand, New York 1966.
• A. Ziegler, H.-J. Allelein (Hrsg.): Reaktortechnik : Fysiskt-tekniska grunder . 2: a upplagan, Springer-Vieweg, Berlin, Heidelberg 2013, ISBN 978-3-642-33845-8 .
• Dieter Smidt: Reaktorteknik . 2 volymer, Karlsruhe 1976, ISBN 3-7650-2018-4
• Dieter Emendörfer, Karl-Heinz Höcker: Teori om kärnreaktorer . BI-Wiss-Verlag, Mannheim / Wien / Zürich 1982, ISBN 3-411-01599-3 .
• Julia Mareike Neles, Christoph Pistner (red.): Kärnkraft: en teknik för framtiden? Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-24328-8 , doi : 10.1007 / 978-3-642-24329-5 . 
• Günther Kessler (* 1934): Hållbar och säker kärnklyvningsenergi: Teknik och säkerhet för snabba och termiska kärnreaktorer . Springer, Berlin 2012, ISBN 978-3-642-11990-3 , doi : 10.1007 / 978-3-642-11990-3 . 
• Ulrich Goetz, Georg Fischer (foton): Uran: Elementet som rör världen . I: Geo-Magazin . Nej. 6 . Gruner & Jahr, juni 1979, ISSN  0342-8311 , sid. 8–42 (informativ rapport med översikter: "Cirkulationsstörningar", argument för och emot kärnkraft, samt "Anatomi av en elpatron"). 

webb-länkar

• Sök efter kärnreaktor In: Deutsche Digitale Bibliothek
• Sök efter kärnreaktor i tyska nationalbibliotekets katalog
• Sök efter kärnreaktor i onlinekatalogen för Berlins statsbibliotek - preussiska kulturarv . Observera : Databasen har ändrats; kontrollera resultatet och SBB=1ställ in
• Finns det naturliga reaktorer? från tv-serien alfa-Centauri (cirka 15 minuter). Första sändningen den 16 augusti 2006.
• Generation IV -koncept
• Förenklad simulering av en reaktorkärna för nedladdning

Individuella bevis

1. ↑ Atomisk eufori på 1950 -talet ; för mer se kärnkraft efter land # historia
2. ↑ WT Hering: Tillämpad kärnfysik . Stuttgart / Leipzig: Teubner, 1999, s. 272, ISBN 3-519-03244-9
3. ↑ Den tekniska termen i fysik och kärnteknik är "split", inte "split".
4. ↑ R. Zahoransky (red.): Energiteknik . 5: e upplagan, Vieweg / Teubner, 2010, ISBN 978-3-8348-1207-0 , s.81
5. ↑ Brockhaus Encyclopedia, 21: a upplagan, under kärnkraft
6. ^ Gerstner, E.: Kärnkraft: Hybriden återvänder . I: Naturen . 460, 2009, s. 25. doi : 10.1038 / 460025a .
7. ↑ H. Borgwaldt et al.: SUAK, en snabb subkritisk anläggning för pulserade neutronmätningar . (1965)
8. ↑ Y. Rugama et al.: Experimentella resultat från bullermätningar i en källdriven subkritisk snabbreaktor. Progress in Nuclear Energy Vol. 44 (2004) s. 1-12
9. ↑ WT Hering: Tillämpad kärnfysik: introduktion och översikt . Teubner, 1999, ISBN 978-3-519-03244-1 , s. 303
10. ↑ Utsläpp från kärnkraftverk och strålningsexponering . German Atomic Forum e. V. 2008. Arkiverad från originalet den 15 december 2017. Info: Arkivlänken infogades automatiskt och har ännu inte kontrollerats. Kontrollera original- och arkivlänken enligt instruktionerna och ta sedan bort detta meddelande. Hämtad 23 februari 2017. @1@ 2Mall: Webachiv / IABot / www.kernenergie.de
11. ↑ Kärnkraftverk, över hela världen, reaktortyper; European Nuclear Society, 2015
12. ↑ Mandel, Heinrich: Frågor om platsen för kärnkraftverk , atw atomwirtschaft 1/1971, s. 22-26
13. ↑ Bränsleborttagning klar vid Wylfa. 19 september 2019, öppnad den 11 juni 2021 . 
14. ^ Olyckor: 1960 -talet. I: Nuclear Age Peace Foundation. 14 mars 2011, åtkomst den 14 mars 2011 .  Samt kärnkraft i Schweiz. I: World Nuclear Association. 14 mars 2011, åtkomst den 14 mars 2011 . 
15. ↑ Technology Roadmap Update of Gen IV , from the Nuclear Energy Agency of OECD , January 2014. Åtkomst 10 juli 2015 (engelska)
16. ↑ AP Meshik et al.: Protokoll över cykeldrift av den naturliga kärnreaktorn i Oklo / Okelobondo -området i Gabon. Phys. Rev Lett. 93, 182302 (2004)
17. ^ Pressmeddelande från FZD från 9 augusti 2010