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Kernkraftwerk – Reaktortypen

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Die Autor*innen
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Jakob Köbner
Kernkraftwerk – Reaktortypen
lernst du in der Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse

Kernkraftwerk – Reaktortypen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Kernkraftwerk – Reaktortypen kannst du es wiederholen und üben.
  • Fasse die Brennstoffe, die Moderatoren und die Vor- und Nachteile von den jeweiligen Reaktortypen zusammen.

    Tipps

    Ordne erst die Brennstoffe zu.

    Ordne dann die Moderatoren zu.

    Danach ordne die Vorteile jedes Reaktortyps zu.

    Zum Schluss ordne die Nachteile jedes Reaktortyps zu.

    Lösung

    Für die bessere Vorschau der Reaktortypen fasst man ihre Brennstoffe, ihre Moderatoren, ihre Vor- und Nachtteile mithilfe einer Tabelle zusammen.

    $\begin{array}{|l|l|l|l|l|} \hline \small{\textbf{Reaktortyp}} & \small{\textbf{Druckwasser}} & \small{\textbf{Siedewasser}} & \small{\textbf{Schwerwasser}} & \small{\textbf{Brut}}\\ \hline \small{\textbf{Brennstoff}} & _{ }^{ 235 }{ U }& _{ }^{ 235 }{ U }& _{ }^{ 238 }{ U } & _{ }^{ 238 }{ U }\\ \hline \small{\textbf{Moderator}} &{ H }_{ 2 }O & { H }_{ 2 }O & { D }_{ 2 }O & \small{\text{kein}}\\ \hline \small{\textbf{Vorteile}} & \small{\text{billiger Moderator}} & \small{\text{einfacher Aufbau}} & \small{\text{keine}}\ U\small{\text{-Anreicherung}} & Na\ \small{\text{als Wärmeträger}}\\ ~ & ~ & ~ & ~ & \small{\text{keine}}\ U\small{\text{-Anreicherung}}\\ \hline \small{\textbf{Nachteile}} & \small{\text{Platzerngefahr}} & \small{\text{Kontaminierung}} & \small{\text{teurer Moderator}} & \small{\text{mehr Energie}}\\ ~ & ~ & ~ & \small{\text{erzeugt Tritium}} & \small{\text{erzeugt}}\ Pu\\ \hline \end{array}$

  • Gib die Kernkraftwerke an, die zwei Kreisläufe anwenden.

    Tipps

    Normalerweise besitzen Reaktoren zwei verschiedene Kreisläufe, wenn ein flüssiger Moderator angewendet wird.

    Lösung

    Druckwasser- und Schwerwasserreaktor sind die beiden Reaktortypen, die zwei Kreisläufe benötigen. Die Existenz der zwei Kreisläufe beider Reaktoren vermeidet die Verschmutzung der anderen Teile des Kernkraftwerkes. Aus diesem Grund erhält das radioaktive Wasser, das durch den Primärkreislauf zirkuliert, nur Kontakt mit dem Brennstoff und nicht mit den Energie erzeugenden Turbinen.

  • Gib in einem Kernkraftwerk den Druckwasserreaktor, den Wärmetauscher, die Turbine und den Kondensator an.

    Tipps

    Die Turbine ist mit dem Sekundärkreislauf verbunden.

    Lösung

    Ein Kernkraftwerk (KKW) besteht im Allgemeinen aus mehreren verschiedenen Teilen, z. B. Reaktorgefäß, Wärmetauscher, Turbine, Generator, Kondensator und Kühlturm. Jeder Teil hat seine eigene Funktion und eigene Wichtigkeit in einem KKW. Das dargestellte Schema dieser Aufgabe ist ein Druckwasserreaktor-KKW und davon wurden vier Teile nach ihrer Wichtigkeit gewählt:

    1. das Reaktorgefäß, in dem der Brennstoff und der Moderator gelagert werden, die im Primärkreislauf geschlossen sind. Der Primärkreislauf verhindert die Verschmutzung der anderen Teile des KKWs;
    2. den Wärmetaucher, in dem das Wasser des Sekundärkreislaufs erhitzt wird und Dampf erzeugt;
    3. die Turbine, die der Dampf antreibt, um elektrische Energie herzustellen; und
    4. der Kondensator, in dem der Dampf des Sekundärkreislaufs abgekühlt wird, um den Sekundärkreislauf mit flüssigem Wasser zu versorgen für eine kontinuierliche Stromerzeugung.

  • Erläutere die Unterschiede zwischen Kernkraftwerken.

    Tipps

    Alle Wörter kommen jeweils nur einmal vor.

    Lösung

    In Kernkraftwerken werden je nach Baujahr unterschiedliche Reaktortypen eingesetzt, die sich im Wesentlichen durch die verwendeten Kernbrennstoffe, Kühlkreisläufe und Moderatoren unterscheiden.

    Die beiden Leichtwasserreaktoren, Druckwasserreaktor und Siedewasserreaktor, sind am weitesten verbreitet, benötigen jedoch $_{ }^{ 235 }{ U }$ als Brennstoff.

    Schwerwasserreaktoren können auch mit $_{ }^{ 238 }{ U }$ als Brennstoff funktionieren. Sie umgehen dieses Problem dadurch, dass sie als Moderator ${ D }_{ 2 }{ O }$ verwenden, das aber sehr teuer herzustellen ist. Zudem bildet sich bei der Kernreaktion das giftige Tritium.

    In einem Brutreaktor werden die Neutronen nicht durch einen Moderator gebremst. wodurch aus dem nicht-spaltbaren $_{ }^{ 238 }{ U }$ spaltbares $_{ }^{ 239 }{ Pu }$ entsteht. Dieser Reaktortyp nutzt den Brennstoff deutlich besser aus, jedoch sind der Wärmeträger und die Spaltprodukte auch viel gefährlicher und der Reaktor dadurch wartungsintensiver. Dieser Reaktortyp hat besonders durch den Super-Gau von Tschernobyl stark an Reputation eingebüßt.

  • Gib die Vor- und Nachteile des Gebrauches schweren Wassers als Moderator an.

    Tipps

    Gib erst die Vorteile an.

    Lösung

    Deuterium ist ein Isotop des Wasserstoffes. In seinem Kern kommen ein Proton und ein Neutron vor, wohingegen im Kern des Wasserstoffes nur ein Proton vorkommt. Deshalb ist Deuterium schwerer als Wasserstoff. Also bezeichnet man das Wasser, das aus Deuterium und Sauerstoff besteht, als schweres Wasser (auch ${ D }_{ 2 }O$ geschrieben). Als Moderator verwendet man vorzugsweise ${ D }_{ 2 }O$, da es Neutronen ebenfalls sehr gut bremst. ${ D }_{ 2 }O$ absorbiert deutlich weniger Neutronen als leichtes Wasser. Diese Eigenschaft vereinfacht die Verwendung des Natururans als Brennstoff. Da das Natururan mehrere Neutronen absorbiert, wird es instabil und spaltbar. Deswegen ist die Urananreicherung in diesem Fall unnötig. Der Nachteil dabei sind die hohen Kosten, um schweres Wassers herzustellen. Außerdem entsteht durch die Neutronenaufnahme beim Deuterium das radioaktive Tritium, welches ein sehr gefährliches Isotop des Wasserstoffs ist.

  • Ordne die Ereignisse einer Natururanspaltung in einem Brutreaktor nach dem Eingang eines Neutrons.

    Tipps

    Fange an mit dem Eingang eines schnellen Neutrons in das Natururan.

    Die Massenzahl des Natururans nimmt zu.

    Das spaltbare Uran zerfällt in ein vermittelndes Element durch Betaminus-Strahlung.

    Das vermittelnde Element (Neptunium-239) zerfällt in spaltbares Plutonium durch Betaminus-Strahlung.

    Lösung

    In einem Brutreaktor wird das Uran-238 mit schnellen Neutronen beschossen. Als Konsequenz verwandelt es sich in Uran-239.

    $_{ 0 }^{ 1 }n+_{ 92 }^{ 238 }{ U } \rightarrow _{ 92 }^{ 239 }{ U }$

    Da das Uran-239 instabil wird, zerfällt es in Neptunium-239 und strahlt ein Betaminus-Teilchen aus.

    $\xrightarrow [ ]{ \beta } _{ 92 }^{ 239 }{ Np }+_{ -1 }^{ 0 }{ e }$

    Da das Neptunium-239 auch instabil ist, zerfällt es in Plutonium-239 und strahlt wiederum ein Betaminus-Teilchen aus.

    $\xrightarrow [ ]{ \beta } _{ 94 }^{ 239 }{ Pu }+_{ -1 }^{ \quad 0 }{ e }$

    Die Reaktionskette des ganzen Prozesses, der sogenannte „Plutonium-Brutprozess“, wird wie folgt beschrieben:

    $_{ 0 }^{ 1 }n+_{ 92 }^{ 238 }{ U }\rightarrow _{ 92 }^{ 239 }{ U }\xrightarrow [ ]{ \beta } _{ 92 }^{ 239 }{ Np }+_{ -1 }^{ 0 }{ e } \xrightarrow [ ]{ \beta } _{ 94 }^{ 239 }{ Pu }+_{ -1 }^{ \quad 0 }{ e }$

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