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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Kernreaktor auf schnelle Neutronen. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Das weltweit erste Kernkraftwerk (KKW), das in der Stadt Obninsk bei Moskau gebaut wurde, gab im Juni 1954 Strom. Seine Leistung war sehr bescheiden - 5 MW. Es spielte jedoch die Rolle einer Versuchsanlage, in der Erfahrungen mit dem Betrieb zukünftiger großer Kernkraftwerke gesammelt wurden. Erstmals wurde die Möglichkeit bewiesen, elektrische Energie auf der Grundlage der Spaltung von Urankernen und nicht durch Verbrennung fossiler Brennstoffe und nicht durch hydraulische Energie zu erzeugen.
Kernkraftwerke verwenden Kerne schwerer Elemente - Uran und Plutonium. Bei der Kernspaltung wird Energie freigesetzt – sie „funktioniert“ in Kernkraftwerken. Sie können jedoch nur Kerne verwenden, die eine bestimmte Masse haben - die Kerne von Isotopen. Die Atomkerne von Isotopen enthalten die gleiche Anzahl an Protonen und eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen, weshalb die Kerne verschiedener Isotope desselben Elements unterschiedliche Massen haben. Uran zum Beispiel hat 15 Isotope, aber nur Uran-235 ist an Kernreaktionen beteiligt. Die Spaltungsreaktion läuft wie folgt ab. Der Urankern zerfällt spontan in mehrere Bruchstücke; Darunter befinden sich hochenergetische Teilchen - Neutronen. Auf 10 Zerfälle kommen durchschnittlich 25 Neutronen. Sie treffen auf die Kerne benachbarter Atome und brechen sie auf, wobei Neutronen und eine große Menge Wärme freigesetzt werden. Die Spaltung von einem Gramm Uran setzt so viel Wärme frei wie die Verbrennung von drei Tonnen Kohle. Der Raum im Reaktor, in dem sich der Kernbrennstoff befindet, wird Kern genannt. Hier erfolgt die Spaltung von Uran-Atomkernen und es wird thermische Energie freigesetzt. Um das Bedienpersonal vor der mit der Kettenreaktion einhergehenden schädlichen Strahlung zu schützen, sind die Wände des Reaktors ausreichend dick ausgeführt. Die Geschwindigkeit einer nuklearen Kettenreaktion wird durch Steuerstäbe gesteuert, die aus einer Substanz bestehen, die Neutronen absorbiert (meistens handelt es sich um Bor oder Cadmium). Je tiefer die Stäbe in den Kern abgesenkt werden, desto mehr Neutronen absorbieren sie, desto weniger Neutronen sind an der Reaktion beteiligt und desto weniger Wärme wird freigesetzt. Umgekehrt, wenn die Steuerstäbe aus dem Kern gehoben werden, steigt die Anzahl der an der Reaktion beteiligten Neutronen, immer mehr Uranatome spalten sich und setzen die in ihnen verborgene thermische Energie frei. Falls der Kern überhitzt, ist eine Notabschaltung des Kernreaktors vorgesehen. Notstäbe fallen schnell in den Kern, absorbieren intensiv Neutronen, die Kettenreaktion verlangsamt sich oder stoppt. Wärme wird einem Kernreaktor mithilfe eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels entzogen, das mit Pumpen durch den Kern gepumpt wird. Der Wärmeträger kann Wasser, metallisches Natrium oder gasförmige Stoffe sein. Es entzieht dem Kernbrennstoff Wärme und überträgt sie auf den Wärmetauscher. Dieses geschlossene System mit einem Kühlmittel wird als Primärkreislauf bezeichnet. Im Wärmetauscher erhitzt die Wärme des Primärkreises das Wasser des Sekundärkreises zum Sieden. Der entstehende Dampf wird einer Turbine zugeführt oder zur Beheizung von Industrie- und Wohngebäuden verwendet.
Vor der Katastrophe im Kernkraftwerk in Tschernobyl sagten sowjetische Wissenschaftler zuversichtlich, dass in den kommenden Jahren zwei Haupttypen von Reaktoren in der Kernenergieindustrie weit verbreitet sein würden. Einer von ihnen, VVER, ist ein wassergekühlter Leistungsreaktor, und der andere, RBMK, ist ein Hochleistungsreaktorkanal. Beide Typen sind mit langsamen (thermischen) Neutronenreaktoren verwandt. In einem Druckwasserreaktor ist die aktive Zone von einem riesigen, 4 Meter im Durchmesser und 15 Meter hohen Stahlzylindergehäuse mit dicken Wänden und einem massiven Deckel umgeben. Im Inneren des Gehäuses erreicht der Druck 160 Atmosphären. Der Wärmeträger, der in der Reaktionszone Wärme abführt, ist Wasser, das von Pumpen durchgepumpt wird. Dasselbe Wasser dient auch als Neutronenmoderator. Im Dampferzeuger erhitzt es das Sekundärwasser und verwandelt es in Dampf. Der Dampf tritt in die Turbine ein und dreht sie. Sowohl der erste als auch der zweite Stromkreis sind geschlossen. Alle sechs Monate wird der ausgebrannte Kernbrennstoff durch frischen ersetzt, wofür der Reaktor angehalten und gekühlt werden muss. In Russland arbeiten Novovoronezh, Kola und andere Kernkraftwerke nach diesem Schema. In RBMK dient Graphit als Moderator und Wasser als Kühlmittel. Der Dampf für die Turbine wird direkt im Reaktor erzeugt und nach dem Einsatz in der Turbine dorthin zurückgeführt. Der Brennstoff im Reaktor kann schrittweise ersetzt werden, ohne ihn zu stoppen oder zu dämpfen. Das weltweit erste Kernkraftwerk Obninsk gehört zu diesem Typ. Die Hochleistungsstationen Leningrad, Tschernobyl, Kursk, Smolensk wurden nach dem gleichen Schema gebaut. Eines der gravierenden Probleme von Kernkraftwerken ist die Entsorgung von Atommüll. In Frankreich wird dies beispielsweise von einer großen Firma, Cogema, durchgeführt. Brennstoff, der Uran und Plutonium enthält, wird mit großer Sorgfalt in speziellen Transportbehältern - versiegelt und gekühlt - zur Verarbeitung und Abfall - zur Verglasung und Beerdigung geschickt. „Uns wurden mit größter Sorgfalt die einzelnen Schritte der Verarbeitung von aus Kernkraftwerken mitgebrachtem Brennstoff gezeigt", schreibt I. Lagovsky in der Zeitschrift Science and Life. „Entlader, eine Entladekammer. Man kann durch das Fenster hineinsehen. Die Dicke des Glases im Fenster beträgt 1 Meter 20 Zentimeter "Ein Manipulator am Fenster. Unvorstellbare Sauberkeit rundherum. Weiße Overalls. Sanftes Licht, künstliche Palmen und Rosen. Ein Gewächshaus mit echten Pflanzen zum Entspannen nach der Arbeit in der Zone. Schränke mit Steuerung Ausrüstung der IAEA - der Internationalen Atomenergiebehörde. Der Raum des Bedieners - zwei Halbkreise mit Displays ", - von hier aus steuern sie das Entladen, Schneiden, Auflösen, Verglasen. Alle Operationen, alle Bewegungen des Behälters werden nacheinander auf den Displays der dargestellt Die Hallen für die Arbeit mit hochaktiven Materialien selbst sind ziemlich weit entfernt, auf der anderen Straßenseite. Verglaster Abfall hat ein geringes Volumen. Sie werden in Stahlbehältern eingeschlossen und in belüfteten Schächten gelagert, bis sie zur endgültigen Grabstätte gebracht werden ... Die Container selbst sind eine Ingenieurskunst, deren Zweck es war, etwas zu bauen, das nicht zerstört werden kann. Mit Containern beladene Bahnsteige wurden entgleist, mit voller Geschwindigkeit von entgegenkommenden Zügen gerammt, andere denkbare und unvorstellbare Unfälle während des Transports wurden arrangiert – die Container hielten alles aus. Nach der Katastrophe von Tschernobyl im Jahr 1986 begannen Wissenschaftler an der Sicherheit von Kernkraftwerken und insbesondere von Reaktoren vom Typ RBMK zu zweifeln. Der VVER-Typ ist in dieser Hinsicht wohlhabender: Bei dem Unfall auf der amerikanischen Station Three Mile Island im Jahr 1979, bei dem der Reaktorkern teilweise schmolz, ging die Radioaktivität nicht über das Schiff hinaus. Der lange störungsfreie Betrieb japanischer Kernkraftwerke spricht für VVER. Und dennoch gibt es noch eine Richtung, die laut Wissenschaftlern die Menschheit für das nächste Jahrtausend mit Wärme und Licht versorgen kann. Dies bezieht sich auf schnelle Neutronenreaktoren oder Brutreaktoren. Sie verwenden Uran-238, aber nicht für Energie, sondern für Treibstoff. Dieses Isotop absorbiert schnelle Neutronen gut und verwandelt sich in ein anderes Element - Plutonium-239. Schnelle Neutronenreaktoren sind sehr kompakt: Sie brauchen keine Moderatoren oder Absorber – ihre Rolle spielt Uran-238. Sie werden Brutreaktoren oder Brüter genannt (vom englischen Wort "breed" - multiplizieren). Die Nachbildung von Kernbrennstoff ermöglicht eine dutzendefach vollständigere Nutzung von Uran, daher gelten schnelle Neutronenreaktoren als einer der zukunftsträchtigen Bereiche der Kernenergie. In Reaktoren dieses Typs wird neben Wärme auch sekundärer Kernbrennstoff erzeugt, der in Zukunft genutzt werden kann. Dabei herrscht weder im ersten noch im zweiten Kreis hoher Druck. Das Kühlmittel ist flüssiges Natrium. Es zirkuliert im Primärkreislauf, erwärmt sich und gibt im zweiten Kreislauf Wärme an Natrium ab, das wiederum das Wasser im Dampf-Wasser-Kreislauf erhitzt und in Dampf umwandelt. Die Wärmetauscher sind vom Reaktor isoliert. Eine dieser vielversprechenden Stationen – sie erhielt den Namen Monju – wurde in der Region Shiraki an der Küste des Japanischen Meeres in einem Erholungsgebiet vierhundert Kilometer westlich der Hauptstadt errichtet. „Für Japan“, sagt K. Takenouchi, Leiter der Abteilung der Kansai Nuclear Corporation, „bedeutet der Einsatz von Brutreaktoren die Fähigkeit, die Abhängigkeit von importiertem Natururan durch die wiederholte Verwendung von Plutonium zu verringern „schnelle Reaktoren“ zu verbessern und ein technisches Niveau zu erreichen, das in puncto Effizienz und Sicherheit mit modernen Kernkraftwerken konkurrieren kann, ist nachvollziehbar. Die Entwicklung von Brutreaktoren sollte in naher Zukunft das Hauptprogramm zur Stromerzeugung sein." Der Bau des Monju-Reaktors ist bereits die zweite Stufe der Entwicklung schneller Neutronenreaktoren in Japan. Das erste war die Planung und der Bau des 50-100-MW-Experimentalreaktors Joyo (japanisch für „ewiges Licht“), der 1978 in Betrieb genommen wurde. Es untersuchte das Verhalten von Kraftstoff, neuen Strukturmaterialien und Komponenten. Das Monju-Projekt begann 1968. Im Oktober 1985 begannen sie mit dem Bau einer Station - um eine Baugrube zu graben. Während der Entwicklung des Standorts wurden 2 Millionen 300 Tausend Kubikmeter Gestein ins Meer gekippt. Die thermische Leistung des Reaktors beträgt 714 MW. Der Brennstoff ist eine Mischung aus Plutonium- und Uranoxiden. In der aktiven Zone befinden sich 19 Steuerstäbe, 198 Brennstoffblöcke, die jeweils 169 Brennstäbe (Brennelemente – TVELs) mit einem Durchmesser von 6,5 Millimetern aufweisen. Sie sind von radialen Brennstoff produzierenden Einheiten (172 Einheiten) und Neutronenschildeinheiten (316 Einheiten) umgeben. Der gesamte Reaktor ist wie eine Nistpuppe zusammengebaut, nur lässt er sich nicht mehr zerlegen. Der riesige Reaktorbehälter aus Edelstahl (Durchmesser - 7,1 Meter, Höhe - 17,8 Meter) wird in einem Schutzgehäuse untergebracht, falls bei einem Unfall Natrium verschüttet wird. "Die Stahlkonstruktionen der Reaktorkammer", berichtet A. Lagovsky in der Zeitschrift Science and Life, "die Schalen und Wandblöcke sind zum Schutz mit Beton gefüllt. Die primären Natriumkühlsysteme sind zusammen mit dem Reaktorbehälter von einem umgeben Notschale mit Versteifungsrippen - ihr Innendurchmesser beträgt 49,5 Meter hoch und 79,4 Meter hoch. Der ellipsenförmige Boden dieses Schüttguts ruht auf einem massiven Betonpolster von 13,5 Metern Höhe. Die Schale ist von einem anderthalb Meter langen Ringspalt umgeben, und dann folgt eine dicke Schicht (1-1,8 Meter) aus Stahlbeton. Die Kuppel des Rohbaus wird ebenfalls durch eine 0,5 Meter dicke Schicht aus Stahlbeton geschützt. Nach der Notfallhülle ist ein weiteres Schutzgebäude angeordnet - ein Hilfsgebäude - mit einer Größe von 100 mal 115 Metern, das den Anforderungen des erdbebensicheren Bauens entspricht. Warum kein Sarkophag? Im Hilfsreaktorbehälter befinden sich sekundäre Natriumkühlsysteme, Dampf-Wasser-Systeme, Brennstoffbe- und -entladevorrichtungen und ein Lagertank für abgebrannten Brennstoff. In separaten Räumen befinden sich ein Turbogenerator und Standby-Dieselgeneratoren. Die Stärke der Nothülle ist sowohl für einen Überdruck von 0,5 Atmosphären als auch für ein Vakuum von 0,05 Atmosphären ausgelegt. Beim Ausbrennen von Sauerstoff im Ringspalt kann sich beim Auslaufen von flüssigem Natrium ein Vakuum bilden. Alle Betonflächen, die mit dem Natriumaustritt in Berührung kommen können, sind vollständig mit Stahlblechen verkleidet, die dick genug sind, um thermischen Belastungen standzuhalten. So schützen sie sich, falls das doch gar nicht passieren sollte, denn für Rohrleitungen und alle anderen Teile der kerntechnischen Anlage sollte es eine Garantie geben. Autor: Musskiy S.A.
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