Kernkraftwerk

Wir können elektrische Energie durch Kernkraft erzeugen. In einem Kernkraftwerk wird elektrische Energie durch eine Kernreaktion erzeugt. Hier werden schwere radioaktive Elemente wie Uran (U235) oder Thorium (Th232) der Kernspaltung unterzogen. Diese Spaltung erfolgt in einem speziellen Gerät namens Reaktor.

Was ist Kernspaltung?

Im Spaltungsprozess werden die Kerne schwerer radioaktiver Atome in zwei fast gleich große Teile zerbrochen. Während dieser Zerlegung der Kerne wird eine enorme Menge an Energie freigesetzt. Diese Freisetzung von Energie ist auf ein Massendefekt zurückzuführen. Das bedeutet, dass die Gesamtmasse des Ausgangsprodukts während der Spaltung reduziert wird. Dieses Verlust an Masse während der Spaltung wird gemäß der berühmten Gleichung von Albert Einstein in Wärmeenergie umgewandelt.

Das grundlegende Prinzip eines Kernkraftwerks ist das gleiche wie bei einem herkömmlichen thermischen Kraftwerk. Der einzige Unterschied besteht darin, dass anstelle der durch Kohleverbrennung erzeugten Wärme hier die durch Kernspaltung erzeugte Wärme verwendet wird, um Dampf aus Wasser im Kessel zu erzeugen. Dieser Dampf wird verwendet, um eine Dampfturbine anzutreiben.

Diese Turbine ist der Hauptantrieb des Generators. Dieser Generator erzeugt elektrische Energie. Obwohl die Verfügbarkeit von Kernbrennstoff nicht sehr hoch ist, kann eine sehr geringe Menge an Kernbrennstoff eine enorme Menge an elektrischer Energie erzeugen.

Dies ist die einzigartige Eigenschaft eines Kernkraftwerks. Ein Kilogramm Uran entspricht 4500 Metriktonnen hochwertiger Kohle. Das bedeutet, dass die vollständige Spaltung von 1 kg Uran so viel Wärme erzeugen kann, wie sie durch die vollständige Verbrennung von 4500 Metriktonnen hochwertiger Kohle erzeugt werden kann.

Deshalb, obwohl Kernbrennstoff viel teurer ist, ist der Brennstoffkostenanteil pro Einheit elektrischer Energie immer noch geringer als die Kosten für Energie, die durch andere Brennstoffe wie Kohle und Diesel erzeugt wird. Um den konventionellen Brennstoffmangel in der heutigen Zeit zu bewältigen, können Kernkraftwerke die geeignetste Alternative sein.

Vorteile eines Kernkraftwerks

1. Wie bereits erwähnt, ist der Brennstoffverbrauch in diesem Kraftwerk ziemlich gering, daher sind die Kosten für die Erzeugung einer Einheit Energie viel geringer als bei anderen herkömmlichen Stromerzeugungsverfahren. Die benötigte Menge an Kernbrennstoff ist auch geringer.

2. Ein Kernkraftwerk nimmt im Vergleich zu anderen herkömmlichen Kraftwerken derselben Kapazität viel weniger Platz ein.

3. Dieses Kraftwerk erfordert kein großes Wasservolumen, daher ist es nicht notwendig, das Kraftwerk in der Nähe natürlicher Wasserquellen zu errichten. Da auch keine große Menge an Brennstoff erforderlich ist, ist es auch nicht notwendig, das Kraftwerk in der Nähe einer Kohlemine oder an einem Ort mit guten Transportmöglichkeiten zu errichten. Daher kann das Kernkraftwerk sehr nahe am Lastzentrum errichtet werden.

4. Es gibt weltweit große Vorkommen an Kernbrennstoff, daher können solche Anlagen die kontinuierliche Versorgung mit elektrischer Energie für kommende tausend Jahre sicherstellen.

Nachteile eines Kernkraftwerks

1. Der Brennstoff ist nicht leicht verfügbar und sehr teuer.

2. Die anfänglichen Baukosten für ein Kernkraftwerk sind ziemlich hoch.

3. Die Errichtung und Inbetriebnahme dieses Kraftwerks sind viel komplizierter und ausgeklügelter als bei anderen herkömmlichen Kraftwerken.

4. Die Spaltprodukte sind radioaktiv und können hohe radioaktive Verschmutzung verursachen.

5. Die Wartungskosten sind höher und die erforderliche Arbeitskraft zum Betrieb eines Kernkraftwerks ist ziemlich hoch, da spezialisierte ausgebildete Fachkräfte erforderlich sind.

6. Plötzliche Lastfluktuationen können von den Kernkraftwerken nicht effizient abgefangen werden.

7. Da die Nebenprodukte der Kernreaktionen hochradioaktiv sind, stellt die Entsorgung dieser Nebenprodukte ein großes Problem dar. Sie können nur tief in der Erde oder im Meer weit weg von der Küste entsorgt werden.

Verschiedene Komponenten eines Kernkraftwerks

Ein Kernkraftwerk hat hauptsächlich vier Komponenten.

1. Kernreaktor

2. Wärmetauscher

3. Dampfturbine

4. Generator

Lassen Sie uns diese Komponenten nacheinander besprechen:

Kernreaktor

In einem Kernreaktor wird Uran-235 der Kernspaltung unterzogen. Es regelt die Kettenreaktion, die beginnt, wenn die Spaltung durchgeführt wird. Die Kettenreaktion muss gesteuert werden, andernfalls wäre die Rate der freigesetzten Energie zu hoch und es könnte zu einer Explosion kommen. Bei der Kernspaltung werden die Kerne des Kernbrennstoffs, wie U235, von langsam fließenden Neutronen bombardiert. Durch dieses Bombardement wird der Kern des Urans gebrochen, was die Freisetzung riesiger Mengen an Wärmeenergie und während des Zerbrechens der Kerne die Emission einer Anzahl von Neutronen verursacht.

Diese emittierten Neutronen werden Fissionsneutronen genannt. Diese Fissionsneutronen verursachen weitere Spaltungen. Weitere Spaltungen erzeugen mehr Fissionsneutronen, die wiederum die Geschwindigkeit der Spaltung beschleunigen. Dies ist ein kumulativer Prozess.

Wenn der Prozess nicht gesteuert wird, wird die Rate der Spaltung in sehr kurzer Zeit so hoch, dass sie riesige Mengen an Energie freisetzt, was zu einer gefährlichen Explosion führen kann. Diese kumulative Reaktion wird Kettenreaktion genannt. Diese Kettenreaktion kann nur durch das Entfernen von Fissionsneutronen aus dem Kernreaktor gesteuert werden. Die Geschwindigkeit der Spaltung kann durch die Änderung der Rate des Entfernens von Fissionsneutronen aus den Reaktoren gesteuert werden.

Ein Kernreaktor ist ein zylindrisch geformtes Druckgefäß. Die Brennstäbe bestehen aus Kernbrennstoff, also Uran, und werden in der Regel von Graphitmoderatoren bedeckt, die die Neutronen vor der Kollision mit den Uran-Kernen verlangsamen. Die Steuerstäbe bestehen aus Cadmium, da Cadmium ein starker Absorber von Neutronen ist.

Die Steuerstäbe werden in den Spaltkammer eingeführt. Diese Cadmium-Steuerstäbe können nach Bedarf nach unten gedrückt oder nach oben gezogen werden. Wenn diese Stäbe ausreichend nach unten gedrückt werden, werden die meisten Fissionsneutronen von diesen Stäben absorbiert, wodurch die Kettenreaktion stoppt. Wenn die Steuerstäbe wieder nach oben gezogen werden, wird die Verfügbarkeit von Fissionsneutronen größer, was die Rate der Kettenreaktion erhöht.

Daher ist klar, dass durch die Anpassung der Position der Steuerstäbe die Rate der Kernreaktion gesteuert und folglich die Erzeugung von elektrischer Energie gemäß der Lastbedingung gesteuert werden kann. In der Praxis wird das Herausziehen und Hineindrücken der Steuerstäbe durch ein automatisches Feedback-System gemäß der Lastbedingung gesteuert. Es wird nicht manuell gesteuert. Die während der Kernreaktion freigesetzte Wärme wird durch einen Kühlmittelkreislauf, der aus Natriummetall besteht, zum Wärmetauscher transportiert.

Wärmetauscher

Im Wärmetauscher wird die von Natriummetall getragene Wärme in Wasser abgegeben und das Wasser wird hier in Hochdruckdampf umgewandelt. Nachdem die Wärme im Wasser abgegeben wurde, kehrt das Natriummetallkühlmittel über eine Kühlmittelzirkulationspumpe zum Reaktor zurück.

Dampfturbine

In einem Kernkraftwerk spielt die Dampfturbine dieselbe Rolle wie in einem Kohlekraftwerk. Der Dampf treibt die Turbine auf die gleiche Weise an. Nachdem sie ihre Arbeit getan hat, kommt der Abstrom in einen Dampfkondensator, wo er kondensiert wird, um Platz für den dahinterliegenden Dampf zu schaffen.

Generator