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Uranium – als Brennstoff • Brennelemente sind zu quadratischen oder hexagonalen Einheiten zusammengefasste Brennstäbe, die aus einer festen Hülle und dem eingeschlossenen Brennstoff bestehen. • Als Brennstoff nutzt man vor allem das chemische Element Uran • Das häufigste Uranisotop ist Uran-238 • In Kernkraftwerken nutzt man das Isotop Uran-235, das drei Neutronen weniger besitzt und besonders leicht spaltbar ist • In natürlichen Mineralien,Uran-235 nur in Mengen> 1%. In den Brennelementen wird der Anteil auf drei bis 5% angereichert. • Neben Uran-235 eignen sich aber auch einige andere schwere Elemente als Kernbrennstoff, wie etwa Plutonium-239 benützt
Kernspaltung • Trifft ein Neutron auf einen Uran-235-Kern, kann dieser zerfallen – meist in zwei Fragmente und zwei bis drei einzelne Neutronen. Anschließend fliegen die Bruchstücke mit hohen Geschwindigkeiten auseinander. • Anfangs so schnell, dass sie schlecht mit weiteren Atomkernen reagieren • Aus diesem Grund sind die Brennstäbe meist von Wasser umgeben • Das Ausbremsen hat aber noch einen weiteren Effekt: Denn die bei den Kollisionen verlorene Energie wird in Wärme umgewandelt – dadurch heizt sich das umgebende Kühlwasser auf.
Regelstäbe • Um die Kettenreaktion kontrollieren zu können, lassen sich zwischen die Brennstäbe eines Kernreaktors Regel- und Notfallstäbe schieben • In diesen Stäben befinden sich stark neutronenabsorbierende Materialien wie Cadmium oder Bor
Der Unterschied zwischen A-Bomben und Kraftwerken • AKWs verwenden als Reaktorfüllung angereicherte Spaltprodukte. • Angereichert heißt um 3-4% Gesamtgehalt. • AKW Brennstoffe, praktisch stark verdünnt und die Kernreaktion (Kettenreaktion) wird nur durch Einsatz von Moderatoren aufrechterhalten • Für Atombomben (Spaltbomben) werden hochangereicherte Produkte (>85%) verwendet.
Radioaktiver Abfall • Teils Substanzen wie Cäsium 137, die aus abgebrannten Brennelementen extrahiert wurden, teils um gezielt durch Bestrahlung in Reaktoren erzeugte Substanzen wie Cobalt 60. • In einem Kernkraftwerk mit 1 GW elektrischer Leistung fallen davon rund 20 Tonnen pro Jahr an • Diese Brennelemente sind so stark radioaktiv, dass die Zerfallsprozesse zu einer starken Wärmeerzeugung führen. • Müssen deswegen ständig gekühlt werden • Die Aktivität des Materials kann in Bq (Becquerel = Anzahl Zerfälle pro Sekunde) angegeben werden – oft auch bezogen auf einen Kubikmeter des Materials. • Plutonium 239 - Halbwertszeit über 24 000 Jahre • Uranium 235 - Halbwertszeit ca. 700 Mil. Jahre
Reaktorkatastrophe von Tschernobyl • graphit-moderiert Kernreaktoren • Großteil der Steuerstäbe hatte am unteren Ende Graphitspitzen, die beim Einfahren aus der oberen Endlage zunächst eine positive Reaktivitätsveränderung (Leistungssteigerung) bewirken • Leistungsminderung erst bei größerer Einfahrtiefe.
