Kernkraftwerk – Reaktortypen

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle! Wir sind immer noch in der Atom- und Kernphysik und wollen uns heute noch mal die verschiedenen Reaktortypen, die es bei Kernkraftwerken gibt, genauer ansehen. Für dieses Video solltet ihr unbedingt die beiden anderen Videos zur Kettenreaktion, über die Atombombe und das Kernkraftwerk gesehen haben. So, los geht's. Wir lernen heute, worin sich Kernkraftwerke eigentlich unterscheiden können und was die Eigenschaften von Druckwasserreaktoren, Siedewasserreaktoren, Schwerwasserreaktoren und Brutreaktoren sind. Bevor wir die verschiedenen Reaktortypen genauer unter die Lupe nehmen, wollen wir uns erst mal ansehen, worin denn so die Hauptunterschiede bestehen. Zuerst wäre da mal der Brennstoff. In der Natur vorkommendes Uran besteht zu circa 99,3% aus dem nicht-spaltbaren Uran-238 und nur zu 0,7% aus dem spaltbaren Uran-235, das uns für den Kernreaktor interessiert. Die Anreicherung von Uran ist ein sehr komplizierter und teurer Prozess. Es ist also ein großer Pluspunkt, wenn der Reaktor normales Uran verwenden kann. Der nächste interessante Punkt ist der Moderator, also der Stoff, der die Neutronen bremst. Denn wir ihr euch vielleicht erinnert, benötigt Uran-235 langsame Neutronen um zur Spaltung angeregt zu werden. Als Moderator kann man mehrere verschiedene Stoffe verwenden. Da wäre zum Beispiel Wasser, aber auch so genanntes schweres Wasser oder - früher - Graphit. Da die Technik des Graphitreaktors aber ein wenig veraltet und vor allem unsicher ist - Tschernobyl zum Beispiel war ein Graphitreaktor - ist er hier nur der Vollständigkeit halber angemerkt. Je nachdem für welchen Zweck der Reaktor verwendet werden soll und vor allem, welche Ressourcen man zur Verfügung hat, sind verschiedene Kombinationen möglich. Fangen wir einmal an mit dem Druckwasserreaktor. Das ist übrigens der Reaktor, den wir uns im letzten Film genauer angesehen haben. Der Druckwasserreaktor verwendet gewöhnliches Wasser als Moderator, das die Neutronen zwar bremst, aber auch einige davon schluckt. Deshalb benötigt ein Druckwasserreaktor angereichertes Uran. Statt der gewöhnlichen Konzentration von circa 0,7% benötigt ein Druckwasserreaktor 3-4% Uran-235. Trotzdem haben die meisten - nämlich etwa 2/3 aller Kernkraftwerke Druckwasserreaktoren. Die Vorteile liegen ja auch auf der Hand. Der verwendete Moderator - Wasser - ist extrem billig, um es vorsichtig zu sagen. Außerdem hat der Druckwasserreaktor den Vorteil, dass die Verschmutzung auf einen sehr kleinen Bereich, nämlich den Primärkreislauf, begrenzt ist. Der Nachteil ist, dass so ein Druckwasserreaktor natürlich relativ gut gebaut sein muss, da er wegen des hohen Drucks sehr anfällig für Lecks ist. Als Nächstes wollen wir uns den Siedewasserreaktor ansehen. Der funktioniert eigentlich haargenau so wie der Druckwasserreaktor mit einem einzigen wichtigen Unterschied: Er hat keinen Sekundärkreislauf. Er verwendet also - genau wie der Druckwasserreaktor - angereichertes Uran als Brennstoff und Wasser als Moderator. Der Unterschied zwischen den beiden liegt im Aufbau. Während im Druckwasserreaktor das Wasser im Primärkreislauf immer flüssig bleibt und das Wasser im Sekundärkreislauf verdampft, wird beim Siedewasserreaktor das Wasser direkt an den Brennstäben verdampft und von dort in die Turbinen getrieben. Das ist zwar einfacher zu bauen und braucht auch nur einen billigen Moderator, hat aber einen deutlichen Nachteil, nämlich: Die Turbine, die damit mit Wasser betrieben wird, das direkt von den Brennstäben kommt, ist also ebenfalls radioaktiven Partikeln ausgesetzt. Das bedeutet, dass ein viel größerer Bereich unseres Kraftwerks nicht so einfach betreten werden kann, da Strahlungsgefahren bestehen. Außerdem ist der Siedewasserreaktor durch das Entstehen von Wasserdampf von den Brennstäben viel schwieriger zu regeln als ein Druckwasserreaktor. Ihr habt es vorhin vielleicht schon gelesen und euch gewundert. Jetzt ist er an der Reihe, der Schwerwasserreaktor. Dieser benutzt, wie der Name schon sagt, schweres Wasser als Moderator. Das ist Wasser, in dem das schwerere Isotop, Deuterium, statt normalem Wasserstoff vorkommt. Man kann also auch schreiben D2O. Man verwendet schweres Wasser, da es ebenfalls die Neutronen gut bremst, aber vor allem deutlich weniger schluckt als leichtes Wasser. Und das führt auch schon zum größten Vorteil des Schwerwasserreaktors. Dadurch, dass deutlich weniger Neutronen von Wasser geschluckt werden, reicht Natururan für den Reaktor aus, das heißt, es muss kein Anreicherungsvorgang betrieben werden. Damit lohnt sich ein Schwerwasserreaktor zum Beispiel sehr für Länder, die hohe Uranvorkommen haben, aber sich keine Anreicherungsanlage leisten wollen. Er hat aber auch einen deutlichen Nachteil: Die Herstellung von schwerem Wasser ist sehr teuer. Außerdem entsteht durch Neutroneneinfang aus Deuterium das radioaktive Tritium, ein sehr gefährliches Isotop des Wasserstoffs. So, zuletzt wollen wir uns noch das Kraftwerk ansehen, das mit Abstand den schlechtesten Ruf hat, nämlich der Brutreaktor, man sagt auch der schnelle Brüter. Im Brutreaktor wird ebenfalls Natururan verwendet. Als Moderator verwendet der Brutreaktor gar nichts. Oder sagen wir so: Als Wärmeträger für die Energiegewinnung verwendet er Natrium, das aber so gut wie keinen Neutronen bremsenden Effekt hat. Der Trick beim Brutreaktor ist Folgendes: Wie wir vorhin schon gehört haben, enthält Natururan circa 99,7% nicht-spaltbares Uran-238 und nur 0,7% spaltbares Uran-235. Wenn Uran-238 jedoch mit schnellen Neutronen beschossen wird, verwandelt es sich in Uran-239, das wiederum durch zwei Beta-Zerfälle zum wieder spaltbaren Plutonium-239 wird und daher auch der Name "schneller Brüter". "Schnell", weil er schnelle Neutronen verwendet und "Brüter", weil er aus nicht-spaltbarem Material Spaltbares ausbrütet. Der Vorteil des Brutreaktor ist also, dass er die großen Mengen Uran-238, die sonst kaum nutzbar sind, verwendet. Dadurch kann aus den Uranvorräten deutlich mehr Energie gewonnen werden, nämlich circa die 60-fache Menge, die Wasserreaktoren gewinnen. Brutreaktoren haben jedoch auch deutliche Nachteile. Das als Wärmeträger verwendete Natrium macht nicht nur das Kraftwerk sehr wartungsintensiv, sondern ist auch ein hochgefährlicher Stoff. Es entzündet sich bei Kontakt mit Wasser und ist auch ansonsten sehr reaktionsfreudig. Außerdem ist natürlich das bei der Reaktion erzeugte Plutonium äußerst giftig. So, wir wollen noch mal zusammenfassen was wir heute gelernt haben. Die Leichtwasserreaktoren, also sowohl der Druckwasserreaktor als auch der Siedewasserreaktor, sind am weitesten verbreitet, benötigen aber angereichertes Uran. Schwerwasserreaktoren umgehen dieses Problem dadurch, dass sie als Moderator schweres Wasser verwenden, das aber sehr teuer herzustellen ist. Ein Brutreaktor - oder "schneller Brüter" - ist ein Kernkraftwerk, in dem die Neutronen nicht gebremst werden, wodurch aus dem nicht-spaltbaren Uran-238 spaltbares Plutonium-239 entsteht. Das nutzt den Brennstoff deutlich besser aus, ist aber auch viel gefährlicher und wartungsintensiver. So, das war's schon wieder für heute. Ich hoffe ich konnte euch helfen. Einen schönen Tag wünsche ich euch, vielleicht bis zum nächsten Mal! Euer Kalle