Kernreaktoren

Grundlagen der Klassifizierung von Kernreaktoren

Kernreaktoren können nach einer Reihe von Kriterien unterteilt werden.  Hier sind einige von ihnen:

• Energie der spaltenden Neutronen:
• thermischer Reaktor, der thermische Neutronen verwendet, oder auf jeden Fall mit Energien unter etwa 100 eV,
• ein Reaktor, der mit schnellen Neutronen mit Energien hauptsächlich im Bereich von 50 – 100 keV arbeitet.
• Kernbrennstoff (in Form von Metall, Karbiden oder Oxiden, Keramik):
• Reaktor, der mit Natururan betrieben wird,
• Reaktor, der mit angereichertem Uran betrieben wird,
• Reaktor, der mit ^{239 232} Pu betrieben wird,
• ein Reaktor, der mit ²³² Th (genauer ²³³ U) betrieben wird.
• Verteilung von Kernbrennstoff:
• homogenen Reaktor,
• heterogener Reaktor.
• Moderator:
• Wasserreaktor,
• Schwerwasserreaktor,
• Reaktor mit einem Beryllium-Moderator,
• Graphitreaktor,
• Reaktor ohne Modifikator (schneller Reaktor).
• Kühlmittel
• Reaktor gekühlt mit Wasser oder anderen Flüssigkeiten,
• Reaktor gekühlt mit Gas (Luft, Helium, CO₂, Dissoziationsgas),
• Reaktor gekühlt mit Flüssigmetall (flüssiges Natrium und seine Legierungen, Kalium, Bismut).

Es sei daran erinnert, dass die oben genannte Aufteilung nicht die einzige ist. Darüber hinaus kann eine Klassifizierung nach dem Material der Hülle, in der der Brennstoff eingeschlossen ist, dem Anreicherungsgrad des Brennstoffs, der Art der Konstruktion der Brennelemente usw. vorgenommen werden. Die ständige technologische Entwicklung sorgt für das Entstehen neuer Lösungen und macht einige der aufgeführten Reaktoren nur noch von historischer Bedeutung.

Generationen von Reaktoren

Zu den Kernreaktoren der Generation I gehören alle, die in den 1950er und 1960er Jahren entwickelt wurden.  Zugleich waren sie Prototypen für Reaktoren der Generation II.  Die ersten Kernreaktoren hatten Konstruktionen, die von Militärprogrammen übernommen wurden.  Während des Zweiten Weltkriegs wurden sie hauptsächlich zur Herstellung von Plutonium verwendet.  Die Reaktoren der ersten Generation zeichneten sich dadurch aus, dass sie die Möglichkeit hatten, den Brennstoff während des Reaktorbetriebs nachzuladen, ohne ihn abschalten zu müssen. Es waren Graphitreaktoren. Als Brennstoff diente natürliches oder schwach angereichertes Uran. Als Kühlmittel dienten Wasser oder Kohlendioxid.

Die Kernreaktoren der Generation II (gebaut hauptsächlich von 1970 bis 1990) haben sich zum Ziel gesetzt, Strom so effizient wie möglich zu erzeugen. Die heute weit verbreiteten DWR- oder SWR-Reaktoren gehören zur Generation II.

In den späten 1980er Jahren begannen die Forschungsarbeiten zur Einführung einer Reihe von Änderungen und Verbesserungen bei der Konstruktion und dem Betrieb von Kernreaktoren im Hinblick auf die Generation III. Zu dieser nächsten Generation gehören Kernreaktoren, die modifiziert und verbessert wurden, um die Sicherheit zu erhöhen und die Kosten für Bau und Betrieb von Kraftwerken zu senken. Der heutige wettbewerbsorientierte Energiemarkt bedeutet, dass die mit den Kernreaktoren der Generation III eingeführten Lösungen nicht mehr ausreichen.

Bei den Kernreaktoren der Generation IV handelt es sich um ein völlig neues Konzept der Kernenergieerzeugung.  Dabei werden Methoden berücksichtigt, die sich von den derzeit angewandten unterscheiden.  Viele von ihnen sind kleine und mittlere Wasserreaktoren mit originellen Konstruktionen.

Kernreaktoren – Aufteilung aufgrund der Konstruktion

Behälterreaktoren

• Druckwasserreaktor DWR (PWR-Pressurized Water Reactor)

Dies sind die am häufigsten verwendeten Reaktoren für die Stromerzeugung.  Der Kern eines DWR-Reaktors befindet sich in einem Druckbehälter mit einem Wasserbecken.  Das Wasser ist gleichzeitig sowohl Kühlmittel als auch Moderator.  Der Brennstoff des DWR-Reaktors sind Uraniumdioxid-Pellets, die in einer Hülle aus Zirkonium (oder Edelstahl) eingeschlossen sind. Dieser Reaktor hat zwei Kreisläufe. Der Primärkreislauf besteht aus Wasser, das die Brennstäbe umspült und die Wärme zum Dampferzeuger transportiert. Nach dem Abstieg kehrt es zum Reaktor zurück.  Im Sekundärkreislauf treibt der im Dampferzeuger erzeugte Dampf (der durch den Primärkreislauf erhitzt wird) die Reaktorturbinen an.

• Wasser-Wasser-Energie-Reaktor WWER (aus dem Russischen: Wodo-Wodianoj Eniergieticzeskij Rieaktor)

Dabei handelt es sich um mittel- und Hochleistungsreaktoren DWR, die in der UdSSR entwickelt wurden. In ihrer Konstruktion unterscheiden sie sich kaum von westlichen Reaktoren.  Sie sind mit einem vierfachen Leckageschutz ausgestattet. Es wurden zwei Haupttypen von WWER-Reaktoren hergestellt:  WWER – 440 und WWER – 1000.

• Siedewasserreaktor SWR (BWR – Boiling Water Reactor)

Bei diesem Reaktor ist nicht Wasser, sondern Dampf das Kühl- und Betriebsmedium. Das Wasser im Reaktorkern wird zum Sieden gebracht, und am Ausgang des Reaktors entsteht gesättigter Dampf, der die Dampfturbine antreibt. SWR-Reaktoren haben nur einen Kreislauf.

Kanalreaktoren

• Reaktoren CANDU (Canadian Deuterium Uranium)

Der Reaktor CANDU ist ein Beispiel für einen Schwerwasserreaktor – sowohl Kühlmittel als auch Moderator ist Schwerwasser, D₂O.  Seine Aufgabe ist es, die Energie von Neutronen zu senken.  Als Brennstoff wird Natururan (unangereichert) verwendet.  Der Reaktor CANDU wurde ursprünglich in Kanada als erster kommerzieller Schwerwasserreaktor entwickelt und gebaut.

• Reaktoren RBMK (Reaktor Bolszoj Moszcznosti Kanalnyj)

RBMK ist ein Siedewasserreaktor. Als Moderator wird Graphit verwendet. Das Wasser nimmt Wärme auf und bewegt die Turbinen, sobald es in einen Dampfzustand übergeht. In dem Reaktor kein Wasser, sondern Graphit moderiert schnelle Neutronen. Als Brennstoff wird Natururan ohne Anreicherung verwendet. Obwohl der Reaktor RBMK einer der wirtschaftlichsten ist, weist er eine Reihe von Konstruktionsmängeln auf.

Kernreaktoren – Aufteilung nach Anwendungen

Leistungsreaktoren – ihre Hauptfunktion ist die Umwandlung von Kernenergie in Elektrizität. Sie werden in kommerziellen Kraftwerken eingesetzt.

Forschungs-/Ausbildungsreaktoren – diese werden vor allem für Forschung und wissenschaftliche Arbeiten eingesetzt.  In Forschungsreaktoren können Experimente zur Erforschung der Struktur von Festkörpern und zur Untersuchung von Kernmaterialien und Kernbrennstoffen für Leistungsreaktoren durchgeführt werden.

Reaktoren für militärische Zwecke – im militärischen Bereich wurden Kernreaktoren für die Produktion von Plutonium für die Waffenindustrie eingesetzt.

Antriebsreaktoren – eine der Anwendungen der Kernenergie ist der Antrieb von Schiffen oder U-Booten.  Zu diesem Zweck sind speziell konstruierte Antriebsreaktoren erforderlich.

Thermische Reaktoren – sie werden zur Erzeugung der erforderlichen Wärmemenge für Heizzwecke in Kernheizkraftwerken eingesetzt.

Hochtemperaturreaktoren – in Hochtemperaturreaktoren wird Wärme erzeugt, die dann für technologische Zwecke genutzt wird.

Reaktoren für Spezialzwecke – dieser Reaktortyp wird hauptsächlich in der Medizin oder in bestimmten Industriezweigen eingesetzt. Sie produzieren Radioisotope für spezifische Anwendungen.