Ein Kernreaktor, auch Atomreaktor oder Atommeiler ist eine Anlage, in der eine Kernspaltungsreaktion kontinuierlich als Kettenreaktion im makroskopischen, technischen Maßstab abläuft.
Weltweit verbreitet sind vor allem die Leistungsreaktoren, d. h. Kernreaktoranlagen (siehe Kernkraftwerk), die durch die Spaltung () von Uran oder Plutonium zunächst thermische Energie (Wärme) und über einen Dampfkreislauf (vgl. auch Clausius-Rankine-Kreisprozess) daraus meist elektrische Energie gewinnen. Dagegen dienen Forschungsreaktoren zur Erzeugung von freien Neutronen, etwa für Zwecke der Materialforschung oder zur Herstellung von bestimmten radioaktiven Nukliden für medizinische oder ähnliche Zwecke.
Ein Kernkraftwerk verfügt in der Regel über mehrere Reaktoren, die auch als „Reaktorblöcke“ oder kurz „Blöcke“ bezeichnet werden. Die beiden Begriffe werden oft ungenau verwendet. Zum Beispiel ist mit der Aussage „in Deutschland liefen bis zum Atomausstieg 17 Kernkraftwerke“ gemeint, dass an deutlich weniger Standorten insgesamt 17 Kernreaktoren liefen. So etwa bestand das Kernkraftwerk Gundremmingen ursprünglich aus drei Reaktorblöcken; jeder Block besteht aus einem Reaktor mit Dampferzeuger und einer Dampfturbine bzw. Turbosatz.
Die meisten Kernreaktoren sind ortsfeste Anlagen. Die Nutzung von Kernenergie bzw. Kernreaktoren für Antriebe entstand jedoch bereits in den 1950er Jahren. Ein typisches Beispiele sind die Atom-U-Boote oder nukleargetrieben Flugzeugträger. Weitere Schiffe sind die Atomeisbrecher und atombetriebene Frachter.
Geschichte
Im Proterozoikum kam es in wenigen Uran-Lagerstätten zu natürlichen Kettenreaktion (siehe Naturreaktor Oklo/Naturreaktor Gabun), die jedoch keinen technisch-wirtschaftlichen Nutzen haben im Vergleich zu Kernreaktoren.
Der erste von Menschen gebaute Kernreaktor war der Chicago Pile 1, der am 2. Dezember 1942 kritisch wurde. Er war ein von Enrico Fermi und anderen Kerntechnikingenieuren entworfener experimenteller „Haufen“ von Uran und nuklearen Graphit. Er läutete das Zeitalter der Nutzung von Kernenergie ein, womit die Menschheit im Atomzeitalter angekommen war. Die Erforschung der Radioaktivität hatte bereits um 1900 begonnen.
Funktionsweise Die Kernspaltung
Zwischen den Protonen und den Neutronen eines Atomkerns wirken sehr starke anziehende Kräfte, die jedoch eine nur sehr begrenzte Reichweite haben. Daher wirkt diese Kernkraft im Wesentlichen auf die nächsten Nachbarn – weiter entfernte Nukleonen tragen zu der anziehenden Kraft nur in geringem Maße bei. Solange die Kernkraft größer ist als die abstoßende Coulombkraft zwischen den positiv geladenen Protonen, hält der Kern zusammen. Kleine Atomkerne sind stabil, wenn sie je Proton ein Neutron enthalten: 40Ca ist das schwerste stabile Nuklid mit gleicher Protonen- und Neutronenzahl. Mit zunehmender Protonenzahl wird ein immer höherer Neutronenüberschuss zur Stabilität erforderlich; die abstoßende Coulombkraft der Protonen untereinander wird durch die anziehende Kernkraft der zusätzlichen Neutronen kompensiert.
Fängt ein sehr schwerer Kern, etwa des Uranisotops 235U oder des Plutoniumisotops 239Pu, ein Neutron ein, so wird er durch die gewonnene Bindungsenergie zu einem hoch angeregten, instabilen 236U- beziehungsweise 240Pu-Kern. Solche hochangeregten schweren Kerne regen sich mit extrem kurzen Halbwertszeiten durch Kernspaltung ab. Anschaulich gesagt gerät der Kern durch die Neutronenabsorption wie ein angestoßener Wassertropfen in Schwingungen und zerreißt in (meist) zwei Bruchstücke (mit einem Massenverhältnis von etwa 2 zu 3), die mit hoher Bewegungsenergie auseinanderfliegen; außerdem werden etwa zwei bis drei schnelle Neutronen frei. Diese Neutronen stehen nach Abbremsung durch eine Moderatorsubstanz für weitere Kernspaltungen zur Verfügung; das ist die Grundlage der nuklearen Kettenreaktion.
Brutreaktionen
Wenn Neutronen auf Kernbrennstoff treffen, finden neben der Kernspaltung unvermeidlich auch andere Kernreaktionen statt. Von besonderem Interesse sind Reaktionen, in denen Bestandteile des Kernbrennstoffs, die selbst nicht spaltbar sind, in spaltbare umgewandelt werden. Solche Reaktionen heißen Brutreaktionen, der Vorgang Brüten oder Konversion.W. T. Hering: Angewandte Kernphysik. Stuttgart/Leipzig: Teubner, 1999, S. 272, ISBN 3-519-03244-9 Von einem Brutreaktor (auch: Schneller Reaktor oder oder ) spricht man allerdings erst dann, wenn mehr neues spaltbares Material erzeugt wird, als der Reaktor selbst in der gleichen Zeit verbraucht, die Konversionsrate also über 1,0 beträgt.
Der Brennstoff fast aller Kernreaktoren enthält hauptsächlich Uran. Daher ist die Brutreaktion an dem nicht spaltbaren Uranisotop 238U besonders wichtig. Das 238U wandelt sich durch Neutroneneinfang in 239U um. Dieses geht durch zwei aufeinander folgende Betazerfälle in das spaltbare Plutoniumisotop 239Pu über:
Das 239Pu wird teilweise noch im Reaktor wieder gespaltenDer Fachausdruck in Physik und Kerntechnik lautet 'gespalten', nicht 'gespaltet'., teilweise kann es aber durch Aufarbeitung des gebrauchten Brennstoffes abgetrennt und zu anderen Zwecken verwendet werden.
Falls das abgetrennte Plutonium zu Kernwaffenzwecken dienen soll (Waffenplutonium), muss es isotopisch möglichst rein sein, d. h., es darf nicht zu viel 240Pu enthalten. Dieses nächstschwerere Plutoniumisotop entsteht, wenn der 239Pu-Atomkern ein weiteres Neutron einfängt. Daher erhält man waffenfähiges Plutonium nur aus solchen Brennelementen, die schon nach relativ kurzer Betriebszeit dem Reaktor entnommen werden.
In entsprechender Weise wie Pu-239 aus U-238 kann das spaltbare U-233 aus Thorium Th-232 „erbrütet“ werden.
Energiefreisetzung bei der Kernspaltung Die neu entstandenen Kerne mittlerer Masse, die so genannten Spaltprodukte, haben eine größere Bindungsenergie pro Nukleon als der ursprüngliche schwere Kern. Die Differenz der Bindungsenergien tritt größtenteils als kinetische Energie der Spaltfragmente auf (Berechnung). Diese geben die Energie durch Stöße an das umgebende Material als Wärme ab. Die Wärme wird durch ein Kühlmittel abgeführt und kann beispielsweise zur Stromerzeugung, Heizung oder als Prozesswärme etwa zur Meerwasserentsalzung genutzt werden.
Etwa 6 % der gesamten in einem Kernreaktor frei werdenden Energie wird in Form von Elektron-Antineutrinos frei, die praktisch ungehindert aus der Spaltzone des Reaktors entweichen und das gesamte Material der Umgebung durchdringen. Diese Teilchen üben keine merklichen Wirkungen aus, da sie mit Materie kaum wechselwirken. Ihre Energie kann daher nicht technisch genutzt werden. Die verbleibende, nutzbare Energie aus der Spaltung von 1 Gramm U-235 beträgt etwa 0,91 MWd (Megawatt-Tage) oder 21500 Kilowattstunden.R. Zahoransky (Hrsg.): Energietechnik. 5. Auflage, Vieweg/Teubner, 2010, ISBN 978-3-8348-1207-0, S. 81 Dies entspricht etwa 9,5 Tonnen Braunkohle oder 1,8 Tonnen Heizöl.Brockhaus Enzyklopädie, 21. Aufl., unter Kernenergie
Zusammengenommen erzeugten im Jahr 2022 die rund 413 Kernreaktoren weltweit etwa 2546 TWh elektrische Energie. Dies waren 9,2 % der gesamten elektrischen Energie weltweit, wobei der Höchstwert jemals bei 17,5 % im Jahre 1996 lag.
Kettenreaktion, thermische Neutronen, Moderator mini|Ein Brennstab und Uranoxid-Pellets, der Brennstoff der meisten Leistungsreaktoren
Die Kettenreaktion besteht darin, dass Neutronen Atomkerne des Kernbrennstoffs spalten, wobei außer den energiereichen Spaltfragmenten auch jeweils einige neue Neutronen frei werden; diese können weitere Kerne spalten. Der Wirkungsquerschnitt der Kerne für Spaltung nimmt bei den meistgenutzten Brennstoffen mit abnehmender Energie, also abnehmender Geschwindigkeit des Neutrons zu: Je langsamer das Neutron ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass es von einem spaltbaren Kern absorbiert wird und dieser sich anschließend spaltet. Daher bremst man in den meisten Reaktoren die schnellen Neutronen aus der Kernspaltung mittels eines Moderators ab. Dies ist ein Material wie etwa Graphit, schweres oder normales Wasser, das leichte Atomkerne (kleinere Massenzahl) enthält und einen sehr niedrigen Absorptionsquerschnitt für Neutronen hat. In diesem Material werden die Neutronen durch Stöße mit dessen Atomkernen stark abgebremst, aber nur selten absorbiert. Sie stehen also der Kettenreaktion weiter zur Verfügung. Die Neutronen können bis herunter auf die Geschwindigkeiten der Kerne des Moderators abgebremst werden; deren durchschnittliche Geschwindigkeit ist nach der Theorie der Brownschen Bewegung durch die Temperatur des Moderators gegeben. Es findet also eine Thermalisierung statt. Man spricht daher statt von abgebremsten meist von thermischen Neutronen, denn die Neutronen besitzen anschließend eine ähnliche thermische Energieverteilung wie die Moleküle des Moderators.
Thermische vs. Schnelle Reaktoren Ein Reaktor, der zur Kernspaltung thermische Neutronen verwendet (und somit auf einen Moderator angewiesen ist), wird als Thermischer Reaktor bezeichnet. Im Gegensatz dazu nutzt ein schneller Reaktor die nicht abgebremsten, schnellen Neutronen zur Spaltung – er benötigt keinen Moderator. Die schnellen Neutronen werden nicht nur direkt zur Kernspaltung für die Energiegewinnung genutzt, sondern auch zum Neutroneneinfang – womit aus nicht spaltbarem Material spaltbarer Kernbrennstoff entsteht („erbrütet“ wird). Wird ein nicht zu vernachlässigender Anteil des Materials mittels Neutronen erbrütet, spricht man von einem Brutreaktor; werden dazu schnelle Neutronen genutzt, von einem Schnellen Brüter. Als Reaktorkonzepte werden Gasgekühlte (Gas-cooled Fast Reactor, GFR), Natriumgekühlte (Sodium-cooled Fast Reactor, SFR) und Bleigekühlte (Lead-cooled Fast Reactor, LFR) Schnelle Reaktoren näher erforscht.Alternative Reaktorkonzepte bund.de
Einleitung und Steuerung der Kettenreaktion
Im abgeschalteten Zustand, d. h. bei eingefahrenen Steuerstäben, ist der Reaktor unterkritisch. Einige freie Neutronen sind zwar stets im Reaktor vorhanden – beispielsweise freigesetzt durch Spontanspaltung von Atomkernen des Kernbrennstoffs – und lösen zum Teil Spaltungen aus, aber das Anwachsen einer Kettenreaktion wird dadurch unterbunden, dass die meisten Neutronen von dem in den Steuerstäben enthaltenen Material (z. B. Bor) absorbiert werden, so dass der Multiplikationsfaktor k unter 1 liegt.
Um die Kettenreaktion bei einem frisch beladenen Reaktor (noch nie im Betrieb gewesen) in Gang zu setzen, befindet sich meist eine Neutronenquelle im Reaktor, diese besteht meist aus Californium-252 (Spontanspalter).
Zum Wiederanfahren des Reaktors werden die Steuerstäbe unter ständiger Messung des Neutronenflusses mehr oder weniger weit aus dem Reaktorkern herausgezogen, bis leichte Überkritikalität durch verzögerte Neutronen, also eine selbsterhaltende Kettenreaktion mit allmählich zunehmender Kernreaktionsrate, erreicht ist. Neutronenfluss und Wärmeleistung des Reaktors sind proportional zur Reaktionsrate und steigen daher mit ihr an. Mittels der Steuerstäbe – bei Druckwasserreaktoren auch über die Konzentration von Borsäure im Wasser – wird der Neutronenfluss auf das jeweils gewünschte Fluss- und damit Leistungsniveau im gerade kritischen Zustand eingeregelt und konstant gehalten; k ist dann gleich 1,0. Etwaige Änderungen von k durch Temperaturanstieg oder andere Einflüsse werden durch Verstellen der Steuerstäbe ausgeglichen. Dies geschieht bei praktisch allen Reaktoren durch eine automatische Steuerung, die auf den gemessenen Neutronenfluss reagiert.
Der Multiplikationsfaktor 1,0 bedeutet, dass durchschnittlich gerade eines der pro Kernspaltung freiwerdenden Neutronen eine weitere Kernspaltung auslöst. Alle übrigen Neutronen werden entweder absorbiert – teils unvermeidlich im Strukturmaterial (Stahl usw.) und in nicht spaltbaren Brennstoffbestandteilen, teils im Absorbermaterial der Steuerstäbe, meist Bor oder Cadmium – oder entweichen aus dem Reaktor nach außen (Leckage).