Kernkraftwerke
Kernreaktoren dienen zur Erzeugung von Energie bzw. Radionukliden. Dies geschieht unter Ausnutzung der geregelten Kettenreaktion. Als spaltbares Material wird natürliches Uran, angereichertes Uran (der Anteil von U-235 von 0,72% im natürlichen Uran wird erhöht, da fast ausschließlich dieses Isotop an der Kernspaltung beteiligt ist) oder künstlich erzeugtes Plutonium oder Uran genutzt. Die eigentliche Kernspaltung wird durch Neutronen verursacht, wobei es wichtig ist die Kettenreaktion in Gang zuhalten, wofür eine ausreichende Menge spaltbaren Materials vorhanden sein muss. Die kritische Masse kann je nach Anordnung und Art zwischen 1 kg und mehreren Tonnen liegen. Im Kernreaktor wird die entstehende Kettenreaktion geregelt.Arbeitsweise
Durch das Auftreffen eines Neutrons wird ein U-235-Kern gespalten. Als Spaltprodukte entstehen zwei meist radioaktive Kerne (Massenzahl zwischen 72 und 160) sowie 2 oder 3 schnelle Neutronen. Diese freiwerdenden schnellen Neutronen werden mittels eines Moderators abgebremst. Es ist dabei besonders wichtig, zu verhindern das die Neutronen von anderen Kernen wieder eingefangen werden, da immer ein Neutron zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion benötigt wird. Neben dem Einfangen treten noch Verluste durch Absorption im Moderator und nach außen entweichender Neutronen auf. Das Entweichen nach außen wird deshalb und zum Schutz der Umgebung durch einen den Reaktor umgebenden Reflektor aus Graphit reduziert. Für den ständigen Betrieb eines Kernreaktors muss der Neutronenmultiplikationsfaktor genau den Wert eins besitzen. Dies bedeutet das nur eines der pro Spaltung freiwerdenden Neutronen eine weitere Spaltung auslösen darf. Lösen mehr Neutronen Spaltungen aus nimmt die Kettenreaktion einen ansteigenden Verlauf, lösen weniger Neutronen Spaltungen aus erlischt die Kettenreaktion schließlich ganz.Zum Verhindern einer ansteigenden Kettenreaktion werden die überschüssigen Neutronen eingefangen. Dazu werden Absorber in vorgesehene Kanäle im Reaktor eingelassen. Diese Absorber sind Stäbe aus Material welches besonders stark langsame Neutronen absorbiert, wie Kadmium, Hafnium und Bor. Bei einem Anstieg des Multiplikationsfaktors über eins werden die Stäbe tiefer in den Reaktor eingeführt. Diese Regelung wird durch die verzögerte Neutronenfreisetzung erleichtert. 99 % der entstandenen Neutronen stoßen bereits nach ca. 10-8s mit anderen Kernen zusammen. Die restlichen Neutronen werden jedoch erst nach ca. 10s verzögert freigesetzt. Die Kettenreaktion im Reaktor wird computergestützt überwacht. Im Störfall wird die Kettenreaktion durch zusätzliche Absorberstäbe zum Erliegen gebracht. Außerdem besitzen moderne Reaktoren mehrere Notfallsysteme wie zum Beispiel eine Notkühlung beim Ausfall des regulären Kühlkreises. Der Reaktorkern selbst ist von seiner Umwelt mit einem Betonmantel abgeschirmt, um Strahlungsaustritte zu verhindern.
Die beiden in Deutschland eingesetzten Reaktoren zur Stromgewinnung sind:
Druckwasserreaktor
Im Druckwasserreaktor wird schwach angereichertes Uran als Brennstoff verwendet, welches sich in Stahlhüllen befindet, um zu verhindern das radioaktive Spaltprodukte in den Kreislauf geraten.Die Brennstäbe hängen in einem Druckwasserbehälter in welchem hoher Druck das Sieden des Wassers verhindert. Im Reaktorgebäude befindet sich ein Wärmetauscher, in welchem erst der erforderliche Dampf gewonnen wird. Durch diesen Wärmetauscher entsteht ein Primär- und ein Sekundärkreislauf. Dies verhindert, dass das radioaktive (aktivierte) Wasser des Reaktorkreislaufs die Umgebung kontaminiert. Als Moderator und als Wärmeableiter fungiert Wasser.
Siedewasserreaktor
In diesem Reaktortyp siedet das Wasser, welches gleichzeitig als Moderator und Wärmeableiter dient an der Oberfläche der Brennstäbe. Dieser Reaktortyp besitzt nur einen Wasserkreislauf wodurch mit der Zeit die Umgebung, wie zum Beispiel die Turbine kontaminiert wird.Kernkraftwerke wandeln die durch Kernspaltung im Reaktor entstehende Wärme über einen Wärmeaustauscher in Dampf um. Über Dampfturbinen treibt dieser Dampf Turbogeneratoren, mit welchen Strom erzeugt wird.