Wie Atomkraftwerke funktionieren: Energie aus der Kernspaltung

Ein Atomkraftwerk ist eine Anlage zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Kernspaltung. In einem Atomkraftwerk werden Uran- oder Plutoniumatome gespalten, wodurch enorme Mengen an Energie freigesetzt werden. Diese Energie wird genutzt, um Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen, der wiederum eine Turbine antreibt und so Strom erzeugt. Die Funktionsweise eines Atomkraftwerks basiert auf komplexen technischen Prozessen und Sicherheitsmaßnahmen, um die Kontrolle über die Kernspaltung und die Abgabe von radioaktiver Strahlung zu gewährleisten.

Die Funktionsweise eines Atomkraftwerks: Eine detaillierte Erklärung

Das Herzstück eines Kernkraftwerks

Im Kernkraftwerk befindet sich der Reaktor, der das Herzstück der Anlage darstellt. Hier werden die Brennelemente eingesetzt, die aus quadratischen oder hexagonalen Einheiten bestehen. Diese Brennelemente bestehen aus einer festen Hülle und dem eingeschlossenen Brennstoff, meistens Uran-235 oder Plutonium-239. Um eine Kettenreaktion aufrechtzuerhalten, müssen diese Elemente mehrere Eigenschaften erfüllen: Sie müssen bezahlbar sein, leicht durch Neutronen spaltbar sein und bei einer Spaltung mehrere Neutronen freisetzen.

Die Kettenreaktion und das Ausbremsen der Neutronen

Bei einer Kernspaltung zerfällt ein Uran-235-Kern in zwei Fragmente und zwei bis drei einzelne Neutronen. Die freigesetzten Neutronen sind anfangs sehr schnell unterwegs und reagieren nur schwer mit weiteren Atomkernen. Aus diesem Grund sind die Brennstäbe von Wasser umgeben. Durch Stöße mit den Wasserstoffatomen werden die Neutronen abgebremst und verlieren einen Teil ihrer Energie. Dadurch haben sie eine höhere Wahrscheinlichkeit, weitere Kernspaltungen auszulösen.

Regel- und Notfallstäbe zur Kontrolle der Kettenreaktion

Um die Kettenreaktion zu beeinflussen oder im Notfall abbrechen zu können, werden zwischen die Brennstäbe Regel- und Notfallstäbe geschoben. Diese Stäbe enthalten neutronenabsorbierende Materialien wie Cadmium oder Bor. Je tiefer die Regelstäbe in den Reaktorkern eingefahren werden, desto mehr Neutronen werden abgefangen und können keine weiteren Spaltungen auslösen. Dadurch sinkt die Reaktionsrate.

Druckwasser- und Siedewasserreaktoren

In Deutschland gibt es hauptsächlich zwei Arten von Kernkraftwerken: Druckwasser- und Siedewasserreaktoren. Der Unterschied zwischen den beiden liegt vor allem darin, wo der heiße Wasserdampf erzeugt wird, der die Turbine antreibt. Bei Siedewasserreaktoren befinden sich die Brennelemente in einem Druckbehälter, der zu etwa zwei Dritteln mit Wasser gefüllt ist. Die Kettenreaktion erhitzt das Wasser auf über 280 Grad Celsius, wobei ein Druck von rund siebzig Bar vorliegt. Das heiße Wasser verdampft teilweise im Reaktordruckbehälter und treibt eine Turbine an. Bei Druckwasserreaktoren hingegen bleibt das Wasser trotz höherer Temperatur flüssig, da der Druck im Reaktordruckbehälter deutlich höher ist. Die Dampferzeugung findet erst im Sekundärkreislauf statt.

Weitere Kraftwerkstypen

Neben den Druckwasser- und Siedewasserreaktoren gibt es auch noch andere Arten von Kernkraftwerken, wie zum Beispiel Forschungsreaktoren. Diese erzeugen keine heißen Wasserdampf, sondern Neutronen, die für verschiedene wissenschaftliche und medizinische Anwendungen genutzt werden können. In Deutschland gibt es derzeit drei solcher Forschungsreaktoren.

Quelle: https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/atomkraftwerk/

Atomkraftwerke: Wie sie Energie erzeugen und funktionieren

Spaltung von Atomkernen zur Energiegewinnung

In Kernkraftwerken wird die Spaltung von Atomkernen genutzt, um Energie zu erzeugen. Im Gegensatz zu anderen Kraftwerken, in denen fossile Energieträger verbrannt werden, finden in Kernkraftwerken keine chemischen Reaktionen statt. Dadurch entsteht kein CO2. Bei der Spaltung von Atomkernen wird ein winziger Teil der Masse in Energie umgewandelt.

Brennelemente und Kernbrennstoff

Die Brennelemente im Kernkraftwerk bestehen aus quadratischen oder hexagonalen Einheiten, die wiederum aus einer festen Hülle und dem eingeschlossenen Brennstoff bestehen. Als Brennstoff wird hauptsächlich das Isotop Uran-235 verwendet, das besonders leicht spaltbar ist. In den Brennelementen wird der Anteil an Uran-235 auf drei bis fünf Prozent angereichert. Auch andere schwere Elemente wie Plutonium-239 können als Kernbrennstoff genutzt werden.

Kettenreaktion und Regelstäbe

Damit eine Kettenreaktion aufrechterhalten werden kann, müssen die chemischen Elemente mehrere Eigenschaften aufweisen. Sie müssen bezahlbar sein, leicht durch Neutronen spaltbar sein und bei einer Kernspaltung selbst mehrere Neutronen freisetzen. Um die Kettenreaktion gezielt beeinflussen zu können, werden Regel- und Notfallstäbe zwischen die Brennstäbe geschoben. Diese Stäbe enthalten neutronenabsorbierende Materialien, die die Anzahl der freigesetzten Neutronen reduzieren können.

Druckwasser- und Siedewasserreaktoren

In Deutschland werden vor allem Druckwasser- und Siedewasserreaktoren in Kernkraftwerken eingesetzt. Bei Siedewasserreaktoren befinden sich die Brennelemente in einem Druckbehälter, der zu etwa zwei Dritteln mit Wasser gefüllt ist. Die Kettenreaktion erhitzt das Wasser auf mehr als 280 Grad Celsius, wodurch ein Teil des Wassers verdampft und eine Turbine antreibt. Bei Druckwasserreaktoren gibt es einen zweiten Wasserkreislauf, der vom Reaktor entkoppelt ist und die Turbine antreibt.

Weitere Kraftwerkstypen

Neben den Druckwasser- und Siedewasserreaktoren gibt es auch andere Kraftwerkstypen wie Forschungsreaktoren. Diese erzeugen keine heißen Wasserdampf, sondern Neutronen für verschiedene Anwendungen in Wissenschaft und Medizin. In Deutschland gibt es aktuell drei solcher Forschungsreaktoren.

Quelle: https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/atomkraftwerk/

Einblick in die Technologie eines Atomkraftwerks und seine Arbeitsweise

Arbeitsweise eines Atomkraftwerks

Ein Atomkraftwerk nutzt die Energie, die bei der Spaltung von Atomkernen freigesetzt wird. Im Gegensatz zu anderen Kraftwerken, in denen fossile Brennstoffe verbrannt werden, finden in Kernkraftwerken keine chemischen Reaktionen statt. Dadurch entsteht kein CO2-Ausstoß. Die gewonnene Energie wird genutzt, um Wasser zu erhitzen und mit dem entstehenden Wasserdampf eine Turbine anzutreiben, welche wiederum elektrischen Strom erzeugt.

Aufbau eines Kernkraftwerks

Das Herzstück eines Kernkraftwerks ist der Reaktor. Hier befinden sich die Brennelemente, welche aus quadratischen oder hexagonalen Einheiten bestehen. Diese Brennelemente bestehen aus einer festen Hülle und dem eingeschlossenen Brennstoff, meist Uran-235 oder Plutonium-239. Um eine Kettenreaktion aufrechtzuerhalten, müssen diese Elemente leicht durch Neutronen spaltbar sein und selbst mehrere Neutronen bei einer Kernspaltung freisetzen.

Um die Geschwindigkeit der freigesetzten Neutronen zu verringern und somit ihre Wahrscheinlichkeit für weitere Kernspaltungen zu erhöhen, sind die Brennstäbe meist von Wasser umgeben. Durch Stöße mit den Wasserstoffatomen im Wasser werden die Neutronen abgebremst. Dies hat auch zur Folge, dass ein Teil der Energie in Wärme umgewandelt wird und das Kühlwasser erhitzt.

Um die Kettenreaktion zu kontrollieren oder abzubrechen, können Regel- und Notfallstäbe zwischen die Brennstäbe geschoben werden. Diese Stäbe enthalten neutronenabsorbierende Materialien wie Cadmium oder Bor, welche die Anzahl der freien Neutronen verringern und somit die Reaktionsrate senken können.

Unterschiede zwischen Druckwasser- und Siedewasserreaktoren

In Deutschland gibt es verschiedene Arten von Kernkraftwerken, darunter Druckwasser- und Siedewasserreaktoren. Der Unterschied liegt vor allem in der Art und Weise, wie der heiße Wasserdampf erzeugt wird, der die Turbine antreibt.

Bei Siedewasserreaktoren befinden sich die Brennelemente in einem Druckbehälter, der zu etwa zwei Dritteln mit Wasser gefüllt ist. Die Kettenreaktion erhitzt das Wasser auf über 280 Grad Celsius, wobei ein hoher Druck vorliegt. Ein Teil des Wassers verdampft im Reaktordruckbehälter, daher der Name „Siedewasserreaktor“. Der erzeugte Wasserdampf wird zur Turbine geleitet und anschließend im Kondensator abgekühlt und verflüssigt, bevor er wieder zurück in den Reaktordruckbehälter befördert wird.

Druckwasserreaktoren hingegen besitzen einen zweiten Wasserkreislauf, welcher vom Reaktor entkoppelt ist und die Turbine antreibt. Der Druck im Reaktordruckbehälter ist deutlich höher als beim Siedewasserreaktor, wodurch das Wasser trotz höherer Temperatur flüssig bleibt. Die Dampferzeugung findet erst im Sekundärkreislauf statt, welcher über einen Wärmetauscher mit dem Primärkreislauf verbunden ist. Dadurch bleiben sämtliche radioaktiven Substanzen im zentralen Primärkreislauf.

Es gibt noch weitere Arten von Kernkraftwerken, wie zum Beispiel Forschungsreaktoren, welche Neutronen erzeugen. Diese werden für wissenschaftliche oder medizinische Zwecke genutzt.

Quelle: https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/atomkraftwerk/

Der Prozess hinter der Stromerzeugung in einem Atomkraftwerk erklärt

Die Funktionsweise eines Kernkraftwerks

Ein Kernkraftwerk nutzt die Spaltung von Atomkernen, um Energie zu erzeugen. Im Gegensatz zu anderen Kraftwerken findet dabei keine Verbrennung von fossilen Energieträgern statt, wodurch kein CO2 entsteht. Stattdessen werden Brennelemente, wie beispielsweise Uran-235, verwendet. Diese Brennelemente sind in einem Reaktor eingebettet und umgeben von heißem Wasser. Durch die Spaltung der Atomkerne entstehen Bruchstücke und Neutronen, welche mit hoher Geschwindigkeit auseinanderfliegen. Um die Kettenreaktion aufrechtzuerhalten und gezielt kontrollieren zu können, werden Regel- und Notfallstäbe eingesetzt.

Druckwasser- und Siedewasserreaktoren

In Deutschland kommen vor allem Druckwasser- und Siedewasserreaktoren zum Einsatz. Bei Siedewasserreaktoren befinden sich die Brennelemente in einem Druckbehälter, der zu etwa zwei Dritteln mit Wasser gefüllt ist. Die Kettenreaktion erhitzt das Wasser auf über 280 Grad Celsius, wodurch ein Teil des Wassers verdampft. Der heiße Dampf treibt eine Turbine an, welche wiederum einen Generator antreibt. Bevor das Wasser zurück in den Reaktordruckbehälter befördert wird, muss es im Kondensator abgekühlt und verflüssigt werden, um den Wasserkreislauf geschlossen zu halten.

Druckwasserreaktoren besitzen einen zweiten Wasserkreislauf, der vom Reaktor entkoppelt ist und die Turbine antreibt. Der Druck im Reaktordruckbehälter ist deutlich höher als beim Siedewasserreaktor, wodurch das Wasser trotz höherer Temperatur flüssig bleibt. Die Dampferzeugung findet erst im Sekundärkreislauf statt.

Weitere Kraftwerkstypen

Neben Druckwasser- und Siedewasserreaktoren gibt es auch andere Kraftwerkstypen, wie beispielsweise Forschungsreaktoren. Diese erzeugen Neutronen anstelle von heißem Wasserdampf und werden für wissenschaftliche oder medizinische Anwendungen genutzt.

Quelle: https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/atomkraftwerk/

Wie arbeitet ein Atomkraftwerk? Ein umfassender Überblick über die Funktionsweise

1. Die Umwandlung von Masse in Energie

In Kernkraftwerken wird die Energie aus der Spaltung von Atomkernen gewonnen. Im Gegensatz zu anderen Kraftwerken, in denen fossile Energieträger verbrannt werden, finden in Kernkraftwerken keine chemischen Reaktionen statt. Dadurch entsteht kein CO2. Die gewonnene Energie wird genutzt, um Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen, der eine Turbine antreibt und elektrischen Strom erzeugt.

2. Der Reaktor und die Brennelemente

Das Herzstück eines Kernkraftwerks ist der Reaktor. Hier befinden sich die Brennelemente, die aus quadratischen oder hexagonalen Einheiten bestehen. Als Brennstoff wird vor allem das chemische Element Uran verwendet, speziell das Isotop Uran-235, das leicht spaltbar ist. Die Brennelemente sind von Wasser umgeben, da die freigesetzten Neutronen abgebremst werden müssen, um weitere Spaltungen auszulösen.

3. Regel- und Notfallstäbe

Um die Kettenreaktion im Reaktor kontrollieren oder stoppen zu können, werden Regel- und Notfallstäbe eingesetzt. Diese Stäbe enthalten neutronenabsorbierende Materialien wie Cadmium oder Bor und können zwischen die Brennstäbe geschoben werden. Je tiefer sie eingefahren werden, desto mehr Neutronen werden abgefangen und die Reaktionsrate sinkt.

4. Druckwasser- und Siedewasserreaktoren

In Deutschland gibt es hauptsächlich zwei Arten von Kernkraftwerken: Druckwasser- und Siedewasserreaktoren. Bei Siedewasserreaktoren befinden sich die Brennelemente in einem Druckbehälter, der mit Wasser gefüllt ist. Die Kettenreaktion erhitzt das Wasser, sodass ein Teil davon verdampft und eine Turbine antreibt. Bei Druckwasserreaktoren gibt es einen separaten Wasserkreislauf, der die Turbine antreibt. Der Druck im Reaktordruckbehälter bleibt hoch genug, damit das Wasser trotz hoher Temperatur flüssig bleibt.

5. Weitere Kraftwerkstypen

Neben den Druckwasser- und Siedewasserreaktoren gibt es auch andere Kraftwerkstypen wie Forschungsreaktoren. Diese erzeugen Neutronen für verschiedene wissenschaftliche oder medizinische Anwendungen.

Diese Informationen basieren auf dem Artikel „Wie arbeitet ein Atomkraftwerk? Ein umfassender Überblick über die Funktionsweise“ von Dirk Eidemüller und Hermann-Friedrich Wagner auf weltderphysik.de.

Das Innenleben eines Atomkraftwerks: Wie es funktioniert und Strom erzeugt

Der Reaktor und die Brennelemente

Im Kernkraftwerk befindet sich das Herzstück, der Reaktor. Hier sind die Brennelemente untergebracht, die aus quadratischen oder hexagonalen Einheiten bestehen. Diese Brennelemente bestehen aus einer festen Hülle und dem eingeschlossenen Brennstoff. Als Brennstoff wird hauptsächlich das chemische Element Uran verwendet, genauer gesagt das Isotop Uran-235, das besonders leicht spaltbar ist. Die natürlichen Vorkommen von Uran-235 sind jedoch sehr gering, weshalb der Anteil in den Brennelementen auf drei bis fünf Prozent angereichert wird.

Kettenreaktion und Regelstäbe

Um eine Kettenreaktion aufrechtzuerhalten, müssen die chemischen Elemente bestimmte Eigenschaften aufweisen. Sie sollten bezahlbar sein, leicht durch Neutronen spaltbar sein und bei einer Kernspaltung selbst mehrere Neutronen freisetzen. Wenn ein Neutron auf einen Uran-235-Kern trifft, kann dieser zerfallen und dabei zwei Fragmente sowie zwei bis drei einzelne Neutronen freisetzen. Um die Kettenreaktion zu kontrollieren oder zu stoppen, können sogenannte Regel- und Notfallstäbe zwischen die Brennstäbe geschoben werden. Diese Stäbe enthalten Materialien wie Cadmium oder Bor, die Neutronen absorbieren und somit weitere Spaltungen verhindern.

Siedewasserreaktoren und Druckwasserreaktoren

In Deutschland gibt es sowohl Siedewasser- als auch Druckwasserreaktoren. Bei Siedewasserreaktoren befinden sich die Brennelemente in einem Druckbehälter, der zu etwa zwei Dritteln mit Wasser gefüllt ist. Die Kettenreaktion erhitzt das Wasser auf über 280 Grad Celsius, wodurch ein Druck von rund siebzig Bar entsteht. Ein Teil des Wassers verdampft im Reaktordruckbehälter und wird zu einer Turbine geleitet, die einen Generator antreibt. Der Wasserdampf muss anschließend gekühlt und verflüssigt werden, bevor er zurück in den Reaktordruckbehälter gelangt.

Druckwasserreaktoren haben einen zweiten Wasserkreislauf, der vom Reaktor entkoppelt ist und die Turbine antreibt. Der Druck im Reaktordruckbehälter steigt auf rund 150 Bar an, obwohl das Wasser trotz einer höheren Temperatur von 325 Grad Celsius flüssig bleibt. Die Dampferzeugung findet im Sekundärkreislauf statt.

Diese verschiedenen Kraftwerkstypen ermöglichen es, elektrischen Strom durch die Nutzung der im Kernkraftwerk erzeugten Energie zu erzeugen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Atomkraftwerk durch den Prozess der Kernspaltung Energie erzeugt. Dabei wird die Bindungsenergie von Atomkernen freigesetzt und in Form von Wärme umgewandelt. Diese Wärmeenergie wird anschließend genutzt, um Dampf zu erzeugen, der wiederum eine Turbine antreibt und elektrischen Strom erzeugt. Obwohl Atomkraftwerke eine effiziente Energiequelle darstellen, sind sie mit Risiken verbunden, wie beispielsweise radioaktive Abfälle und potenzielle Unfälle. Die Nutzung dieser Technologie erfordert daher strenge Sicherheitsmaßnahmen und eine verantwortungsvolle Entsorgung der Abfälle.