Arbeitsblatt: Kernenergie

BGU: Kernenergie und Kernkraftwerke 1 Kernenergie – Kernkraftwerke Die Kernenergie erzeugt rund 40% der schweizerischen Elektrizität, die Wasserkraft 60%. Dieser CO2 -freie Mix ist einzigartig. Kernkraftwerke produzieren Tag und Nacht ununterbrochen Strom, unabhängig von den Wetterlaunen der Natur und vom Import fossiler Brennstoffe. Nur im Sommer, zu Zeiten tieferen Strombedarfs und erhöhter Wasserkraftproduktion, stehen die Werke für die Jahresrevision während rund eines Monats still. Der geringe Platzbedarf und die problemlose Vorratshaltung des Kernbrennstoffs Uran sowie die geringe Abhängigkeit der Stromerzeugungskosten von den Uranpreisen machen Kernkraftwerke zu einem krisensicheren wirtschaftlichen Standbein der schweizerischen Stromversorgung. Ende 1969 ging mit Beznau-I das erste kommerzielle Kernkraftwerk der Schweiz in Betrieb. 1971 gaben Beznau-II und Mühleberg erstmals Strom ans Netz ab, 1979 folgte Gösgen und 1984 Leibstadt. Die Schweiz gehört mit zu den Vorreitern der friedlichen Nutzung der Kernenergie und erhält von den internationalen Kontrollorganen immer wieder ausgezeichnete Noten für die Betriebsführung ihrer Werke. Diese sind seit ihrer Inbetriebnahme nicht einfach älter geworden, sondern werden laufend dem Stand der Technik angepasst und modernisiert. Heute erzeugen die schweizerischen Kernkraftwerke zusammen rund 24 Milliarden Kilowattstunden Strom pro Jahr. Kernspaltung – Kettenreaktion Die Energieerzeugung in Kernkraftwerken beruht auf der Spaltung von Atomkernen durch Neutronen. Neutronen sind Bausteine der Materie, die zusammen mit den Protonen die Atomkerne bilden. Trifft ein einzelnes Neutron von aussen auf einen spaltbaren Atomkern, so kann dieser unter Abgabe von Energie in zwei oder mehr kleinere Kerne zerbrechen, die Spaltprodukte genannt werden. Dabei werden auch zwei bis drei Neutronen aus dem Atomkern freigesetzt, die weitere Spaltungen auslösen können. Folgt jeder Kernspaltung eine neue, so spricht man von einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion. In Kernkraftwerken wird Wärmeenergie hauptsächlich durch die Spaltung von Uran-Atomkernen erzeugt. Das Element Uran kommt in der Natur in Form von drei Isotopen vor: Uran-238 (99,3 %), Uran-235 (0,7 %) und Uran-234 (Spuren). Sie unterscheiden sich durch die Anzahl Neutronen im Atomkern. Von diesen drei Uranisotopen kann nur das Uran-235 im Reaktor eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion eingehen. Der in Leichtwasserreaktoren eingesetzte Kernbrennstoff enthält einen höheren Anteil an Uran-235 als natürliches Uran. Neben Kernspaltungen können die freigesetzten Neutronen noch weitere Kernreaktionen auslösen. So fängt ein geringer Teil des Uran-238 im Reaktor Neutronen ein und wandelt sich in der Folge in Plutonium-239 um. Dieses ist wie Uran-235 spaltbar, liefert Energie und ermöglicht eine bessere Ausnutzung des Kernbrennstoffs. Bei Kernspaltungen wird sehr viel mehr Energie freigesetzt als bei chemischen Verbrennungsreaktionen. Bei einem Kernbrennstoffbedarf von rund 20 Tonnen pro Jahr erzeugt ein typisches Kernkraftwerk 8 Milliarden Kilowattstunden Strom. Dafür müssten in einem modernen Kohlekraftwerk 2 Millionen Tonnen Steinkohle verfeuert werden. BGU: Kernenergie und Kernkraftwerke 2 Einblick in einen Kernreaktor Kernspaltung erzeugt im Reaktor Wärme. Diese wandelt Wasser in Dampf um, der die Turbine und mit ihr den Generator für die Stromproduktion antreibt. Weltweit sind die meisten Kernkraftwerke mit Leichtwasserreaktoren ausgerüstet. Sie verwenden Wasser als Kühlmittel. Dieses wird mit starken Pumpen durch den Reaktor befördert und führt die Wärmeenergie aus den Brennelementen weg. Der Reaktorkern eines Leichtwasserreaktors besteht aus einer Anordnung von Brennelementen und Steuerstäben, die vom Kühlmittel Wasser durchströmt werden. Die Brennelemente enthalten die Urantabletten, die in zahlreichen dünnen Rohren – sogenannten Brennstäben – eingeschlossen sind. Das Kühlmittel wird durch die Brennelemente gepumpt und nimmt die durch Kernspaltung frei werdende Wärmeenergie auf. Das Wasser hat gleichzeitig die Funktion des sogenannten Moderators: Es sorgt dafür, dass die bei der Kernspaltung entstehenden schnellen Neutronen abgebremst werden. Aus physikalischen Gründen können in herkömmlichen Reaktoren nur langsame Neutronen eine Kettenreaktion aufrechterhalten. Kreislaufschema des Siedewasserreaktors Man unterscheidet zwei Varianten von Leichtwasserreaktoren: den Siedewasserreaktor und den Druckwasserreaktor. Beim Siedewasserreaktor kommt das Kühlmittel beim Durchströmen des heissen Reaktorkerns zum Sieden. Der Dampf wird über einen Wasserabscheider und Dampftrockner vom Wasser befreit und direkt zur Turbine geführt. Im Druckwasserreaktor steht das Kühlmittel unter höherem Druck als im Siedewasserreaktor und kann trotz einer Temperatur von über 300C nicht sieden. Dafür wird das erhitzte Reaktorkühlwasser durch spezielle Dampferzeuger gepumpt, die ausserhalb des Reaktors liegen. Die Leistung des Siedewasserreaktors wird durch das Ein- und Ausfahren der Steuerstäbe und durch Veränderung der Wasserumwälzmenge geregelt. Der Druckwasserreaktor wird ebenfalls über die Steuerstäbe geregelt. Die Langzeitregelung BGU: Kernenergie und Kernkraftwerke 3 erfolgt über die Borkonzentration im Kühlmittel. Bor kann wie das Steuerstabmaterial Neutronen schlucken. 1 Reaktorkern 2 Dampfturbine 3 Generator 4 Dampferzeuger 5 Kondensator 6 Pumpe Kreislaufschema des Druckwasserreaktors Aus Wärme wird Strom Die Umwandlung von Wärme in elektrische Energie erfolgt bei Kernkraftwerken nach dem gleichen Prinzip wie bei kohle-, öl- oder gasbefeuerten Kraftwerken. Der im Reaktorteil des Kernkraftwerks erzeugte Dampf gelangt über Leitungen ins Maschinenhaus. Hier befindet sich die Dampfturbine, die die Wärmeenergie des Dampfs in mechanische Energie umwandelt. Der heisse Dampf treibt die Schaufeln der Turbine an und bringt diese mit 3000 Umdrehungen pro Minute zum Drehen. Um dem Dampf möglichst viel Energie zu entziehen, ist die Turbine mehrstufig. Der Optimierung des Wirkungsgrades dienen auch Hilfseinrichtungen für die Dampfaufbereitung. Turbine BGU: Kernenergie und Kernkraftwerke Generator 4 Der Generator ist über eine starre Welle direkt mit der Turbine verbunden und wird von dieser angetrieben. Durch die rasche Drehung der auf der Welle befestigten Elektromagnete wird in den Wicklungen des Generators Strom erzeugt und damit die mechanische Rotationsenergie der Turbine in elektrische Energie umgewandelt. Es handelt sich hier um den gleichen Vorgang wie bei den Dynamos von Fahrrädern, nur ist die Leistung des Generators in Kernkraftwerken ungleich grösser. Ein moderner Leichtwasserreaktorblock hat eine elektrische Nettoleistung von 1000 bis 1500 Megawatt und kann eine Millionenstadt mit Strom versorgen. Vom Kraftwerk zur Steckdose Der im Generator erzeugte elektrische Strom muss transportfähig gemacht und zum Verbraucher geführt werden. Das geschieht durch die Erhöhung der Spannung in Transformatoren beim Kernkraftwerk. Da die elektrische Leistung das Produkt aus Strom und Spannung ist, muss bei gleich bleibender Leistung umso weniger Strom durch die Leitungen übertragen werden, je höher die Spannung ist. Daher kann die gesamte vom Kernkraftwerk erzeugte elektrische Leistung nach Transformation des Stroms auf Hochspannung mit ganz normalen, relativ dünnen elektrischen Leitungen wegtransportiert und ins Netz eingespeist werden eine auf den ersten Blick erstaunliche Tatsache. Das Hochspannungsnetz dient der Überbrückung grösserer Distanzen. In weiteren Transformatorstationen wird die Spannung wieder abgesenkt, zuerst für die Übertragung in Mittelspannungs- und schliesslich in Niederspannungsleitungen, die den Strom zu den Konsumenten bringen. Strahlenmessung und die Strahlenbelastung des Menschen Der Mensch hat kein Sinnesorgan für elektromagnetische Strahlung, nur mit speziellen Geräten kann Strahlung nachgewiesen werden. Vielleicht ist das ein Grund dafür, dass viele Menschen diffuse Ängste vor Strahlen haben. Der vorliegende Beitrag soll ein wenig dazu beitragen, das Wissen zu vertiefen, beschränkt sich aber auf die elektromagnetische Gammastrahlung, weil diese vermutlich die grösste Gefährdung darstellt. Was ist Strahlung? Ein Vergleich mit einem Springbrunnen erleichtert das Verständnis: Wieviel Wasser verspritzt ein Springbrunnen? Die Wassermenge entspricht der Strahlenmenge total, die Einheit heisst Bequerel [Bq] Wieviel von diesem Wasser trifft mich? Diese Wassermenge entspricht der Strahlendosis, die Einheit heisst Sievert [Sv] BGU: Kernenergie und Kernkraftwerke 5 Wieviel Wasser mich nun trifft, hängt im Wesentlichen von drei Faktoren ab: Distanz zum Springbrunnen, Aufenthaltszeit und Schutz, z.B. Schirm Welches sind die wichtigsten Strahlenquellen? a) Natürliche Quellen: kosmische Strahlung aus dem All, terrestrische Strahlung aus der Erde und Eigenstrahlung durch Lebensmittel, Trinkwasser und Rauchen. b) Künstliche Quellen: Den Löwenanteil liefert die Medizin, Atomwaffentests in der Atmosphäre und der Reaktorunfall von Tschernobyl. Normaler Reaktorbetrieb, Rauchmelder, Fernseher und die Fliegerei können dosismässig vernachlässigt werden. Der Grenzwert bei Menschen, die beruflich mit Strahlung in Kontakt kommen, liegt bei 50 [mSv/a]. Die Organe des Menschen erhalten unterschiedliche Dosen Strahlung, am meisten kriegt die Lunge ab durch das Einatmen von Radon (Radioaktives Edelgas) und Tabakrauch. Das Radon kommt vom Zerfall von radioaktivem Gestein in der Erde und kann sich in Kellern zu recht hohen Mengen ansammeln. Hier hilft Lüften sehr gut. Deutlich weniger erhält das Knochenmark bei Röntgenaufnahmen, ebenfalls wenig der Magen-Darmtrakt durch die Nahrung. Diese Strahlung kann körperliche Schäden bewirken. Allgemein kann von folgenden Werten ausgegangen werden: ab ca 250 [mSv] einmaliger Dosis treten klinisch erfassbare Effekte auf, z.B. Veränderung des Blutbildes ab ca 1000 [mSv] einmaliger Dosis gibt es vorübergehende Strahlenkrankheit (Erbrechen, Fieber,) ab ca 4000 [mSv] einmaliger Dosis gibt es schwere Strahlenkrankheiten, hier kann der LD 50-Test angewendet werden (Letale Dosis 50%) ab 7000 [mSv] ist die Dosis tödlich. Solche hohen Dosen werden nur bei Atombombenexplosionen im direkten Falloutbereich oder in unmittelbarer Nähe von Reaktorkatastrophen wie in Tschernobyl erreicht. Bemerkenswert ist, dass verschiedene Lebewesen eine deutlich andere Strahlenempfindlichkeit aufweisen, LD 50% beim Menschen bei 3-5 [Sv]*, bei der Ratte erst ab 8 [Sv] und bei der Wespe erst bei 1000 [Sv]. Das lässt den Schluss zu, dass im Falle einer nuklearen Katastrophe Ratten und Insekten uns Menschen überleben werden. Dosis in Sievert [Sv] für eine Sterblichkeit von 50% innerhalb von 30 Tagen