Gliederung 1 Brennstab 2 Moderator 3 Steuerstab

Brennstab

Der Name „Brennstab“ ist irreführend, weil man dann gleich an Verbrennung denkt. Eine Verbrennung ist eine chemische Reaktion mit Sauerstoff. So eine Reaktion findet aber in Brennst äben nicht statt. In Siedewasser-Druckröhrenreaktoren (Reaktortyp Tschernobyl) sind die Brennst äbe 3,65m lang. In Siedewasserreaktoren sind sie 4,17m lang und haben einen äußeren Durchmesser von 11mm. Der Mantel besteht aus Leichtmetalllegierungen, z.B. aus Zirkaloy, einer Zirkoniumlegierung. Der Mantel hat eine Wandst ärke von 0,65mm.Er verhindert, dass die Spaltprodukte in das Kühlmittel gelangen und er trennt den Kernbrennstoff vom Kühlmittel. Außerdem soll der Mantel mechanische Festigkeit besitzen, korrosions- und hitzebeständig sein und kaum Neutronen absorbieren.

Der Kernbrennstoff ist Urandioxid (Die Kernspaltung betrifft nur die Kerne, chemische Verbindungen betreffen nur die Elektronen der äußeren Schalen). Das Urandioxid wird in Pellets ins Rohr eingebracht. Als Pellets bezeichnet man das zusammengepresste und geschliffene Urandioxid. Eine Endkappe verschlie ßt das Rohr, damit eine Druckfeder auf die Pellets drücken kann und diese so zusammenhält. Oberhalb des Kernbrennstoffes entsteht dann ein so genannter Spaltgasraum. In diesen Spaltgasraum gelangen die bei der Kernspaltung entstehenden Edelgase und andere leicht flüchtige Spaltprodukte, damit der Gasdruck im Brennstoff bei einer starken Erwärmung nicht anwächst.

Mehrere Brennstäbe werden mit Hilfe von Abstandhaltern zu einem Brennelement zusammengefasst. Im Kernkraftwerk Kümmel werden zum Beispiel 72 Brennst äbe zu einem Brennelement zusammengefasst und im Kernreaktor befinden sich 840 Brennelemente, also gibt es dort im Kernreaktor insgesamt 60480 Brennst äbe. Das Kühlmittel Wasser strömt von unten an die erhitzten Brennst äbe vorbei und führt die Wärme ab.

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Moderator

Bei der Spaltung von den U235-Kernen entstehen immer 2-3 schnelle Neutronen. Diese schnellen Neutronen können die U235-Kerne nur mit geringer Wahrscheinlichkeit spalten. Also müssen die schnellen Neutronen durch geeignete Bremsmittel gebremst werden, weil langsame Neutronen die U235 -Kerne sehr leicht spalten können. Die Bremsmittel nennt man Moderatoren. Wenn Moderatoren eingesetzt werden, reicht der Anteil von 0,7% U -235 im natürlichen Uran aus.

Moderatoren sollen die schnellen Neutronen durch wenige St öße abbremsen. (Bei den St ößen verlieren die schnellen Neutronen ihre Energie). Die schnelle Abbremsung hat den Vorteil, dass die schnellen Neutronen nicht vom U-238 absorbiert werden. Durch diese Absorption gehen die Neutronen für weitere Kernspaltungen verloren. Moderatoren, die etwa die gleiche Masse wie die Neutronen haben, können sie durch wenige St öße abbremsen. Außerdem soll der Moderator eine geringe Neigung zum Einfang der Neutronen besitzen, sonst gehen diese Neutronen für weitere Kernspaltungen verloren. Deuterium (in Form von schwerem Wasser) ist der beste Moderator, aber seine Herstellung ist sehr teuer, weil es so selten in der Natur vorkommt. Auch Graphit wird als Moderator eingesetzt, weil es gute thermische und mechanisc he Eigenschaften besitzt (Schmelztemperatur 3550° C). Wasserstoff (in Form von leichtem Wasser) ist das beste Bremsmittel, aber es f ängt sehr leicht Neutronen ein, wobei Deuterium entsteht.

Die Neutronen gehen zwar für weitere Kernspaltungen verloren, aber es ist preiswert und kann gleichzeitig als Moderator und als Kühlmittel eingesetzt werden. Der Neutronenverlust wird ausgeglichen, indem man den Anteil von U-235 von 0,7% auf 2-4% erhöht. Man erhält also mehr Spaltungen und auch mehr Neutronen. Die Wirksamkeit des Moderators ist von der Temperatur abhängig. Bei Volllast sind die Brennst äbe innen 800°C heiß, was sich auf den Moderator auswirkt.

In Reaktoren vom Typ Tschernobyl (Siedewasser -Druckröhrenreaktor) ist Graphit der Moderator und Wasser Kühlmittel. Wenn die Anzahl der Kernspaltungen ansteigt, verdampft mehr Wasser, es entstehen mehr Dampfblasen.

Wasserdampf enthält pro m³ weniger Moleküle als flüssiges Wasser, also werden weniger Neutronen absorbiert. So kann der Moderator Graphit mehr Neutronen abbremsen und so steigt die Anzahl der Kernspaltungen. Durch die höhere Anzahl an Kernspaltungen entstehen auch mehr Dampfblasen, der so genannte Dampfblasenkoeffizient des Moderators ist positiv. Sicherheitseinrichtungen verhindern, dass der Leistungsanstieg au ßer Kontrolle gerät. In Leichtwasserreaktoren ist Wasser Kühlmittel und Moderator. Wenn die Anzahl der Kernspaltungen zunimmt, verdampft mehr Wasser (der Dampfblasenanteil nimmt zu). Dadurch, dass das Wasser auch Moderator ist, bedeutet ein höherer Dampfblasenanteil eine „Verdünnung“ des Moderators. Es werden zwar weniger Neutronen absorbiert, aber es werden noch weniger Neutronen abgebremst. So sinkt die Anzahl der Kernspaltungen von selbst. Der Dampfblasenkoeffizient ist negativ.

Für alle Reaktortypen gilt, dass U-238 bei höherer Temperatur mehr Neutronen absorbiert, der Effekt wirkt dem Anstieg freier Neutronen und dem Anstieg von Kernspaltungen entgegen.

Bei Schnellen Brutreaktoren wird sogar kein Moderator verwendet. Dort werden die schnellen Neutronen, die bei der Kernspaltung entstehen, vom U-238 aufgenommen und es wandelt sich in zwei Schritten zu Pu-239 um, welches sich durch schnelle Neutronen leicht spalten lässt.

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Steuerstab

Steuerst äbe oder auch Regelstäbe werden eingesetzt, um die Kettenreaktion zu kontrollieren und die Leistung zu regeln. Stoffe, die eine große Neigung zum Einfang von Neutronen besitzen, werden als Steuerst äbe genutzt. Diese Stoffe sind zum Beispiel Bor, Indium, Silber, Boral (Legierung aus Aluminium und Borcarbit) oder Cadmium. Je tiefer die Steuerstäbe in die Spaltzone geschoben werden, desto mehr Neutronen werden absorbiert. Durch eine Kernreaktion werden Neutronen von Bor oder Cadmium eingefangen, wobei eine Sekund ärstrahlung ausgesandt wird.

Das entstehende Lithium gelangt zum Teil ins Kühlmittel, werden aber durch eine Kühlmittelreinigungsanlage entfernt. Die Alphateilchen wandeln sich in Heliumatome um, nachdem sie Elektronen aufgenommen haben. Die Heliumatome erzeugen in den Röhrchen der Steuerstäbe einen beachtlichen Gasdruck. Der Gasdruck und die Abnahme der Borkonzentration begrenzen die Lebensdauer eines Steuerstabs, sodass die Steuerst äbe etwa alle 6 Jahre ausgetauscht werden müssen.

In Siedewasserreaktoren werden einzelne Steuerst äbe zu einem Steuerelement mit kreuzförmigen Querschnitt zusammengefügt. Steuerelemente werden von einer stählernen Hülle umschlossen und sie werden nicht zwischen die Brennelemente gefahren, sondern es gibt ein Steuerelement für 4 Brennelemente.

Quelle: “Kernenergie Basiswissen“, Informationskreis Kernenergie

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