Was ist ein Druckwasserreaktor (PWR)

Kernenergie ist eine wichtige Energiequelle und wird am häufigsten in Druckwasserreaktoren (PWR) eingesetzt. Diese Reaktoren erzeugen durch eine kontrollierte Kettenreaktion Wärme, die wiederum die Turbinen antreibt, die wiederum Strom erzeugen.

Dieser Artikel befasst sich mit der Funktionsweise von Druckwasserreaktoren und erörtert ihre Komponenten, Prozesse und Eigenschaften. Wir untersuchen, wie durch Kernspaltung Energie erzeugt wird, und untersuchen, wie die Systeme des Reaktors aufgebaut sind und welche Vor- und Nachteile diese Bauweise hat.

Was ist ein Druckwasserreaktor?

Ein Druckwasserreaktor (PWR) ist ein Kernreaktortyp, der normales Wasser, auch Leichtwasser genannt, als Kühlmittel und Neutronenmoderator verwendet. Diese Konstruktion zeichnet sich dadurch aus, dass das Wasser im Primärkühlkreislauf unter hohem Druck gehalten wird. Dadurch wird verhindert, dass das Wasser kocht, selbst bei hohen Betriebstemperaturen. Die erzeugte Wärme wird dann an einen Sekundärkreislauf übertragen, der Dampf zur Stromerzeugung erzeugt. Druckwasserreaktoren sind der weltweit am häufigsten in Kernkraftwerken eingesetzte Kernreaktortyp.

Funktionsweise von Druckwasserreaktoren

Der Betrieb eines Druckwasserreaktors umfasst mehrere Schlüsselprozesse, darunter Kernspaltung, Wärmeübertragung, Dampferzeugung, Stromerzeugung und Wasserrecycling.

Kernspaltung

Kernspaltung ist der Prozess, der im Kern der Energieerzeugung in einem Druckwasserreaktor liegt. Dabei werden schwere Atomkerne wie Uran gespalten, wenn sie mit Neutronen bombardiert werden. Dieser Spaltungsprozess setzt eine große Menge Energie in Form von Wärme frei und setzt außerdem weitere Neutronen frei. Diese freigesetzten Neutronen können dann weitere Spaltungsreaktionen auslösen und so eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion im Reaktorkern auslösen. Diese Kettenreaktion wird sorgfältig kontrolliert, indem Steuerstäbe verwendet werden, die Neutronen absorbieren, wodurch eine stabile und sichere Reaktionsrate gewährleistet wird.

Wärmeübertragung

Die durch die Kernspaltung im Reaktorkern erzeugte Wärme wird auf den primären Kühlmittelkreislauf übertragen. Dieser Kreislauf enthält Wasser, das unter hohem Druck steht, damit es nicht siedet. Das erhitzte Wasser zirkuliert durch den Reaktorkern und dann zum Dampferzeuger. Im Dampferzeuger fließt das erhitzte Wasser durch Rohre und überträgt seine Wärme auf das Wasser im sekundären Kreislauf. Der primäre Kühlmittelkreislauf funktioniert als geschlossenes System, in dem dasselbe Wasser wiederholt zirkuliert.

Dampferzeugung

Im Sekundärkreislauf eines Druckwasserreaktors wird Dampf erzeugt. Die vom Primärkreislauf in den Sekundärkreislauf übertragene Wärme erhitzt das Wasser im Sekundärkreislauf. Dieses Wasser wird in Dampf umgewandelt, der unter hohem Druck steht. Dieser Hochdruckdampf wird zum Antrieb der Turbinen verwendet. Die Trennung der Primär- und Sekundärwasserkreisläufe stellt sicher, dass alle radioaktiven Stoffe im Primärkreislauf verbleiben, was die Sicherheit verbessert.

Stromerzeugung

Der im Dampferzeuger erzeugte Hochdruckdampf wird an eine Turbine geleitet. Die Kraft des Dampfes lässt die Schaufeln der Turbine rotieren, die wiederum an einen Stromgenerator angeschlossen ist. Der Generator wandelt die mechanische Energie der rotierenden Turbine in elektrische Energie um. Dieser Strom wird dann über Stromnetze an Haushalte und Industrie verteilt.

Kondensation und Wasserrecycling

Nachdem der Dampf die Turbine passiert hat, wird er abgekühlt und in einem Kondensator wieder zu Wasser kondensiert. Durch diesen Prozess kann das Wasser wieder in den Sekundärkreislauf zurückgeführt werden. Es wird vorgewärmt und zur erneuten Verwendung in den Dampferzeuger zurückgeführt. Dieses geschlossene Kreislaufsystem minimiert den Wasserverbrauch und maximiert die Effizienz.

Komponenten von Druckwasserreaktoren

Ein Druckwasserreaktor besteht aus mehreren Hauptkomponenten:

Reaktorkern

Im Reaktorkern findet die Kernspaltung statt und besteht aus:

• Brennstäbe und Brennelemente: Brennstäbe, die den Kernbrennstoff enthalten, sind in Baugruppen angeordnet. Diese Baugruppen werden im Reaktorkern in Wasser getaucht.
• Kraftstoff: Als Brennstoff wird angereichertes Uran verwendet. Es liegt typischerweise in Form von Keramikpellets vor.
• Steuerstäbe: Diese Stäbe bestehen aus neutronenabsorbierenden Materialien wie Bor oder Cadmium. Sie werden in den Kern eingeführt, um die Geschwindigkeit der Kernspaltung durch Absorption von Neutronen zu regulieren und eine stabile Kettenreaktion aufrechtzuerhalten.

Reaktordruckbehälter

Der Reaktordruckbehälter ist ein großer, robuster Behälter, der den Reaktorkern, das Kühlmittel und andere interne Komponenten beherbergt. Er ist so konstruiert, dass er hohen Temperaturen und Drücken standhält.

Moderator und Kühlmittel

Gewöhnliches Wasser (leichtes Wasser) dient in einem Druckwasserreaktor sowohl als Neutronenmoderator als auch als Kühlmittel. Als Moderator verlangsamt es die bei der Kernspaltung freigesetzten Neutronen, wodurch es wahrscheinlicher wird, dass sie weitere Spaltungsreaktionen auslösen. Als Kühlmittel führt es die bei der Kernspaltung entstehende Wärme ab.

Druckhalter

Der Druckhalter ist ein Behälter, der an den Primärkreislauf angeschlossen ist und das System auf einem hohen, konstanten Druck hält. Er verwendet Heizgeräte und Wasser, um den Druck des Primärkühlmittels zu regeln und es vor dem Sieden zu bewahren.

Dampfgenerator

Der Dampferzeuger überträgt Wärme vom Primärkühlmittelkreislauf zum Sekundärkreislauf. Wasser im Sekundärkreislauf wird in Dampf umgewandelt, der dann zum Antrieb der Turbinen verwendet wird.

Primärer Kühlmittelkreislauf

Der Primärkühlkreislauf ist ein geschlossenes System, das den Reaktorkern, den Druckhalter und den Dampferzeuger enthält. Er zirkuliert Hochdruckwasser, um Wärme vom Reaktorkern zum Dampferzeuger zu übertragen.

Sekundärer Kühlmittelkreislauf

Der sekundäre Kühlmittelkreislauf enthält den Dampferzeuger, die Turbine, den Kondensator und die zugehörigen Rohrleitungen. Er ist vom primären Kreislauf getrennt. Er transportiert Dampf zur Turbine und Wasser zurück zum Dampferzeuger.

Hauptmerkmale von Druckwasserreaktoren

Druckwasserreaktoren zeichnen sich durch mehrere wesentliche Merkmale aus:

• Druckwassersystem: Der primäre Kühlmittelkreislauf wird unter hohem Druck gehalten, um ein Sieden des Wassers zu verhindern und so eine effiziente Wärmeübertragung bei hohen Temperaturen zu ermöglichen.
• Zwei-Loop-System: Die Trennung des primären und sekundären Kühlmittelkreislaufs verhindert, dass radioaktive Stoffe in die Dampfturbine gelangen und gewährleistet so die Sicherheit.
• Leichtwasserreaktor: Druckwasserreaktoren verwenden als Neutronenmoderator und Kühlmittel gewöhnliches Wasser, das sowohl leicht verfügbar als auch für den Prozess wirksam ist.

Vorteile von Druckwasserreaktoren

• Stabiler Betrieb: Durch die Verwendung eines negativen Temperaturkoeffizienten wird sichergestellt, dass der Reaktor selbstregulierend ist. Steigt die Temperatur, verringert sich die Spaltungsrate, wodurch unkontrollierte Leistungsspitzen vermieden werden.
• Effektive Wärmeübertragung: Wasser ist ein hervorragendes Kühlmittel und ermöglicht eine effiziente Wärmeabfuhr aus dem Reaktorkern.
• Trennung der Schleifen: Durch die Trennung des Primär- und Sekundärkreislaufs wird das Eindringen radioaktiver Stoffe in das Dampfturbinensystem verhindert und so die Sicherheit erhöht.

Nachteile von Druckwasserreaktoren

• Hochdruck: Der hohe Druck im Primärkühlmittelkreislauf erfordert robuste und teure Eindämmungssysteme.
• Angereichertes Uran: Druckwasserreaktoren benötigen angereicherten Uranbrennstoff, dessen Herstellung teurer und komplexer ist.
• Korrosion: Die hohen Temperaturen und Drücke im Reaktorsystem können im Laufe der Zeit zur Korrosion der Komponenten führen, was regelmäßige Wartungen und Inspektionen erforderlich macht.
• Unfallgefahr: Zwar wurden Sicherheitsmaßnahmen ergriffen, doch besteht weiterhin die Möglichkeit eines schweren Unfalls mit Freisetzung radioaktiver Strahlung. Daher sind erweiterte Sicherheitsvorkehrungen und Notfallpläne erforderlich.
• Abfallwirtschaft: Druckwasserreaktoren erzeugen radioaktive Abfälle, die sorgfältig gehandhabt, gelagert und entsorgt werden müssen und somit eine langfristige Herausforderung für die Umwelt darstellen.