Kraftwerk Ringhals

Die Vielfalt der Kernreaktoren

Im Jahr 1938 wurde entdeckt, dass sich die Kerne des Uranisotops 235 durch den Einfang von Neutronen spalten und dabei große Mengen an Energie in Form von Wärme freigesetzt werden. Seitdem sind zahlreiche, verschiedene Kernreaktoren entwickelt worden, um diese Energie für friedliche Zwecke zu nutzen. Nur wenige Typen von Reaktoren haben sich aber bis heute für die großtechnische Nutzung durchsetzen können.

Alle konzipierten Typen für Kernreaktoren lassen sich prinzipiell nach vier verschiedenen Merkmalen einteilen:

  1. Die Energie der Neutronen: Die Neutronen, die bei der Spaltung des Urans entstehen, haben eine hohe Energie. Sie werden deshalb auch schnelle Neutronen genannt. Für erneute Kernspaltungen ist diese Energie jedoch zu groß. Deshalb werden die Neutronen auf so genannte thermischen Geschwindigkeiten abgebremst, wie sie für eine Aufrechterhaltung der Kettenreaktion in einem Reaktor erforderlich sind. Solche Reaktoren nennt man deshalb auch thermische Kernreaktoren. Die Abbremsung der Neutronen erfolgt durch Moderatoren. Da dieser Prozess durch Kollisionen mit Atomkernen erfolgt, sind solche Moderatoren besonders effizient, deren Kerne die gleiche oder eine ähnliche Masse haben wie das Neutron. Das gilt vor allem Wasserstoff und Deuterium, beide eingebunden in leichtem und schwerem Wasser. Des Weiteren kommen Beryllium und Graphit in Frage. Daneben wurde auch mit organischen Materialien wie Terphenyl experimentiert. Schnelle Neutronen werden in so genannten schnellen Brutreaktoren verwendet, bei denen aus dem nicht spaltbaren Isotop Uran-238 das spaltbare Isotop Plutonium-239 erzeugt wird.

  2. Die Art der Kernbrennstoffe: Kernreaktoren können mit unterschiedlichen Arten von Kernbrennstoffen betrieben werden. Verwendet werden natürliches Uran, mit Uran-235 angereichertes Uran, Plutonium, Thorium oder Mischungen aus diesen Brennstoffen wie z.B. Uran und Plutonium. Die Art, in der diese chemischen Elemente als Brennstoffe in Reaktoren eingesetzt werden, ist unterschiedlich. Es kann sich um metallische Formen, Legierungen mit anderen Metallen, Keramiken oder Sinterkörper handeln, aber auch um Oxide, Karbide, Nitride oder Lösungen etwa von Uranylnitrat in Wasser sowie Salzschmelzen. Die festen Brennstoffe können im Reaktor als Brennelemente mit oder ohne Umhüllungen eingesetzt werden. Verschiedene Umhüllungen kommen hierfür in Betracht: Aluminium, Beryllium, Edelstahl, Magnesium oder Magnesiumoxid (Magnox), Niob oder Zirkonium. Auch die Brennelemente in den Reaktoren können unterschiedliche Formen aufweisen, nämlich als Stäbe, Platten, Rohre oder Kugeln wie beim so genannten Hochtemperaturrektor.

  3. Die Art der Kühlmittel: Weit verbreitet als Kühlmittel sind leichtes und schweres Wasser oder Gase wie zum Beispiel Helium. Aber auch flüssige Metalle wie Quecksilber, Natrium oder Kalium, sowie organische Stoffe können als Kühlmittel eingesetzt werden. Bei der Verwendung von leichtem Wasser als Kühlmittel unterscheidet man zwischen Druckwasser- und Siedewasser-Reaktoren, je nachdem ob das Wasser unter konstantem Druck gehalten werden muss oder ob es sieden kann, also direkt in Dampf zum Antrieb der Dampfturbine umgewandelt wird. Im Fall des Druckwasserreaktors wird das heiße Wasser durch Wärmetauscher gepumpt, in denen dann der Dampf für den Antrieb der Turbine erzeugt wird.

  4. Die Art des Verwendungszwecks: Nicht alle Kernreaktoren dienen der Energieerzeugung. Man unterscheidet zwischen Leistungsreaktoren zur Stromgewinnung, Versuchs-, Forschungs- oder Bestrahlungsreaktoren sowie Reaktoren zur Produktion von Radioisotopen, zum Beispiel für die Anwendung in der Medizin.
Blau schimmerndes Wasserbecken mit Gerüsten drumherum, im Inneren einer Maschinenhalle
Reaktorbecken des Kernkraftwerks Forsmark

Die Auflistung der Merkmale verdeutlicht, dass infolge aller denkbaren und reaktorphysikalisch machbaren Kombinationen eine große Anzahl an Reaktorkonzepten möglich ist. Allerdings haben sich nur einige davon in der technischen und wirtschaftlichen Praxis durchgesetzt. In Deutschland sind es für die Stromerzeugung derzeit nur die thermischen Leicht-Wasserreaktoren in Form des Druck- und Siedewasserreaktors.

Thermische Leistungsreaktoren

Bei den thermischen Leistungsreaktoren, also Reaktoren, bei denen im Unterschied zu schnellen Brutreaktoren die Spaltneutronen durch Moderatorstoffe auf niedrige Geschwindigkeiten abgebremst werden, haben sich zwei Hauptfamilien durchgesetzt: die gasgekühlten und die mit Wasser gekühlten Anlagen. Die Tabelle gibt eine Übersicht über einige Kombinationen der verschiedenen Merkmale bei den thermischen Reaktoren, die bisher realisiert worden sind.

In Deutschland waren Ende 2016 noch sechs Druckwasserreaktoren mit einer Gesamtleistung von 8669 Megawatt brutto an unterschiedlichen Standorten und zwei Siedewasserreaktoren (Gundremmingen B und C) mit einer Gesamtleistung von 2688 Megawatt brutto in Betrieb.

 

Übersicht über die Vielfalt der thermischen Leistungsreaktoren

Reaktortyp

Magnox-Reaktoren

Fortgeschrittene Gasgekühlte Reaktoren (AGR)

Hochtemperatur-Reaktoren (HTR)

Leichtwasser-(Siede- & Druckwasser)-Reaktoren (LWR)

Schwerwasser-Reaktoren (SWR)

Spaltstoff

Natururan Metall

Angereichertes Uranoxid

Angereichertes Uranoxid und Thoriumcarbid

Angereichertes Uranoxid

Natururan, angereichertes Uranoxid

Hüllenwerkstoff

Magnox

Stahl

Graphit

Zirkaloy

Zirkaloy

Kühlmittel

CO2

CO2

Helium

Leichtes Wasser

Leichtes- oder schweres Wasser, Gas, organische Flüssigkeit

Moderator

Graphit

Graphit

Graphit

Leichtes Wasser

Schweres Wasser