Kernschmelze und wie sie verhindert werden kann

Derzeit gibt es 438 Kernkraftwerke sind heute weltweit in Betrieb. Zwei werden derzeit noch außer Betrieb genommen. 71 befinden sich im Bau. Zusammen erzeugen sie fast 400.000 MWe von Strom. Im Jahr 2014 produzierten Kernreaktoren über 11% der gesamten Energieerzeugung der Welt. Der gesamte Strom aus einer radioaktiven Quelle wirft die wichtige Frage auf: Was würde während einer Kernschmelze passieren?

Mit der Kernenergie sind viele Andeutungen verbunden. In der Geschichte gab es zwei katastrophale Kernschmelzen, die zu Menschenschäden und unzähligen Umweltschäden führten. Seit den Ereignissen nach Tschernobyl und Fukushima wurden Kernreaktoren auf der ganzen Welt jedoch erheblich verändertum sicherzustellen, dass Ereignisse in der Vergangenheit der Geschichte nie wieder auftreten.

Die vielleicht sichersten Reaktoren der Welt gehören keinem anderen als Kanada, einem der weltweit führenden Reaktoren für Kernenergieerzeugung und -technologien.

Der CANDU-Reaktor

Der CANDU-Reaktor verdient seinen Namen von dem Land, in dem er erfunden wurde - Kanada. Er verwendete auch Deuteriumoxid schweres Wasser als Moderator und Uran als Brennstoffquelle.

Die Reaktoren sind insofern einzigartig, als sie Technologien verwenden, mit denen die meisten anderen Reaktoren nicht übereinstimmen können.

Der fortschrittliche Stromgenerator ist der effizienteste aller uranbetriebenen Reaktoren. Im Vergleich zu anderen Reaktortypen verwendet der CANDU-Reaktor etwa 15% weniger Uran als ein Druckwasserreaktor für jedes erzeugte Megawatt Strom.

Der Reaktor benötigt auch kein angereichertes Uran, wodurch die Notwendigkeit eines zusätzlichen Raffinerieschritts entfällt.

"CANDU-Reaktoren können bei voller Leistung betankt werden, während die meisten anderen Konstruktionen zum Betanken abgeschaltet werden müssen. Da natürliches Uran keine Anreicherung erfordert, sind die Brennstoffkosten für CANDU-Reaktoren sehr niedrig." erklärt die Canadian Nuclear Association .

Ohne die Notwendigkeit von angereichertem Uran arbeiten CANDU-Reaktoren mit vergleichsweise weniger Uran und damit geringeren Kosten. Darüber hinaus ist der radioaktive Abfall erheblich weniger gefährlich.

Wie es funktioniert

Kernreaktoren sind bemerkenswert einfach. Beim CANDU-Reaktor wird Energie erzeugt, indem die Energie einer Spaltreaktion genutzt wird. Die Spaltung erfolgt, wenn sich ein instabiles Atom spaltet und Strahlung und Wärme freisetzt.

Die Brennstoffquelle des Reaktors besteht aus natürlich vorkommendem Uran. Die instabilen Eigenschaften von Uran führen dazu, dass sich das Atom in stabilere Isotope aufspaltet, wodurch Wärme und Strahlung freigesetzt werden.

Die resultierende Strahlung erzeugt eine Kettenreaktion, indem andere Kerne gespalten werden, wodurch mehr Wärme und mehr Strahlung erzeugt werden. Ein Teil des Zerfallsprozesses beruht auf der Emission von Neutronenstrahlung.

Wenn Neutronen mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen werden, kollidieren sie mit anderen Kernen, um den Zerfall anderer Atome zu initiieren und die Kette spaltbarer Reaktionen fortzusetzen.

Das gesamte Uran ist in spezialisierten enthalten Brennstäbe .

Die Brennstäbe erwärmen sich erheblich und müssen durch Wasser gekühlt werden. Wasser fließt über die Stäbe, um sie abzukühlen, während sich das Wasser gleichzeitig schnell erwärmt. Die Wärme und der Druck können dann von einer Dampfturbine genutzt werden.

In CANDU-Reaktoren wird schweres Wasser zum Kühlen der Stäbe verwendet. Da das Wasser jedoch über die Stäbe fließt, ist es gefährlichen Strahlungsmengen ausgesetzt.

Um Strahlungslecks zu vermeiden, fließt das schwere Wasser durch einen Wärmetauscher, der den größten Teil seiner Wärme an ein separates Kühlsystem überträgt, ohne das Kühlmittel zu mischen. Die Wärme wird an einen unabhängigen Wasserstrom übertragen, der nicht radioaktiv bleibt.

Von dort kocht das Wasser, um Dampf und Druck zu erzeugen. Eine Turbine kann dann die Energie ernten und selbst für den kleinsten Reaktor reichlich Energie produzieren.

Kleine Reaktoren können Millionen von Haushalten mit Strom versorgen

Kanadas kleinster CANDU-Reaktor in Pickering, Ontario, enthält nur vier CANDU-Reaktoren. Trotz seiner geringen Größe liefert das Kraftwerk genügend Energie für die Versorgung. 2,5 Millionen Haushalte mit Strom.

CANDU-Reaktoren sind unglaublich sicher und effizient zu betreiben. Im Reaktor verbleiben jedoch hochradioaktive Isotope. Bei unsachgemäßer Handhabung wäre das Ergebnis verheerend.

Um die absolute Sicherheit ihrer Anlagen zu gewährleisten, verwenden CANDU-Reaktoren einige der fortschrittlichsten und sichersten Technologien, die das Worst-Case-Szenario verhindern: eine Kernschmelze.

Verhinderung eines nuklearen Zusammenbruchs

Das Herzstück eines Kernkraftwerks ist das Kernreaktor Wasserpumpen zirkulieren kontinuierlich Kühlmittel über die Stäbe und durch den Reaktor, um sicherzustellen, dass die Temperaturen auf einem sicheren Niveau gehalten werden.

Der gesamte Reaktionsprozess ist in der Calandria eine Art hochverstärkte Hülle, die den Reaktor vollständig umgibt.

Im Normalbetrieb wird der Reaktor gesteuert von Erhöhen, Verringern oder Stoppen der Kettenreaktion im Reaktor .

Kontrollstäbe im Reaktorkern können angehoben und abgesenkt werden, um die Spaltungsrate des Urans anzupassen. Kontrollstäbe bestehen aus Elementen wie Bor, Silber, Indium und Cadmium, die alle zur Absorption von Neutronen ausreichen - ein wichtiges Merkmalbei der Verlangsamung von Neutronen die Partikel, die die Kettenreaktion auslösen und verstärken.

Während der Reaktion von Uran wird Neutronenstrahlung freigesetzt. Wenn Neutronen während des Spaltprozesses aus Uran ausgestoßen werden, kollidieren sie mit anderen Atomen und lösen weitere Reaktionen aus.

Da Kontrollstäbe beim Einbringen in den Reaktorkern ausreichend Neutronen absorbieren, fangen sie Schurken-Neutronen ab und verlangsamen den Spaltprozess erheblich.

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Backup-Sicherheitssysteme

Sollten die Steuerstäbe die Reaktionsgeschwindigkeit jedoch nicht auf ein nachhaltiges Niveau verlangsamen, erkennt ein sekundäres Sicherheitssystem die Unregelmäßigkeit und injiziert automatisch ein Gift, das die Kettenreaktion sofort stoppt.

Die Flüssiggiftkontrollsystem führt eine Lösung von Bor als Borsäureanhydrid und Gadolinium als Gadoliniumnitrat, gelöst in D2O schweres Wasser.

Ähnlich wie bei den Kontrollstäben fängt das Gift Neutronen ab und verhindert, dass eine Kettenreaktion in eine Kernschmelze übergeht.

Sowohl die Steuerstäbe als auch das Giftinjektionssystem werden automatisch aktiviert und funktionieren ohne Strom. Sie können jedoch auch manuell gesteuert werden. Die Systeme werden regelmäßig unter strengen Vorschriften getestet und überprüft.

Was passiert bei Stromausfall

Bei einem Stromausfall werden sowohl die Steuerstangen als auch die Einspritzsysteme automatisch aktiviert und die Kettenreaktion gestoppt.

Die Brennstäbe erzeugen jedoch immer noch Wärme und müssen gekühlt werden. Die erzeugte Wärme, bekannt als Zerfallswärme stellt einen kleinen Teil der Wärme dar, die während des normalen Betriebs erzeugt wird.

Das Kraftwerk verfügt über mehrere Notstromquellen, einschließlich des Stroms, den es selbst erzeugt, um die Pumpen zirkulieren zu lassen und den Reaktor kühl zu halten. Das Kernkraftwerk benötigt nur einen Reaktor, um alle Wasserpumpen zum Kühlen der Brennstäbe anzutreiben.

Sollte jedoch jeder Reaktor ohne externe Stromversorgung abgeschaltet werden, werden Notstromgeneratoren vor Ort aufbewahrt, um sicherzustellen, dass die Wasserpumpen kontinuierlich mit Strom versorgt werden.

In jedem Kernkraftwerk in Kanada gibt es mindestens zwei oder drei Standby-Stromerzeuger, zwei oder drei Notstromgeneratoren und Notbatterien.

Im äußerst unwahrscheinlichen Fall eines Totalstationsausfalls verfügen Kernkraftwerke über noch mehr Backup-Systeme, um sicherzustellen, dass die Anlage nicht schmilzt.

natürliche Zirkulation

Zu diesem Zeitpunkt würden ohne Zugang zu externer Stromversorgung und mit dem Ausfall mehrerer Sicherheitssysteme Notfall-Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet.

Unter der Annahme, dass keine externe Stromversorgung, interne Stromversorgung und keine Stromversorgung durch Notstromaggregate vorhanden ist, kühlen CANDU-Reaktoren die Reaktoren weiterhin auf natürliche Weise über eine natürliche Zirkulation.

Die Zerfallswärme des Reaktorkerns wird ständig ohne Pumpen mit Wasser versorgt, solange das Wasserbecken über dem Reaktor voll ist.

Eine Reservewasserversorgung versorgt die Dampferzeuger mit Wasser, um die Kühlmittelzirkulation aufrechtzuerhalten. Über längere Zeiträume muss dem Becken kontinuierlich Wasser hinzugefügt werden, um eine konstante Zirkulation sicherzustellen.

Notfall-Backup-Ausrüstung

Während dieser Zeit werden Notfallminderungsgeräte eingesetzt, um sicherzustellen, dass der Reaktor ständig gekühlt wird. Als Reaktion auf die Katastrophe von Fukushima verfügen alle kanadischen Kraftwerke jetzt über mobile Notfallgeräte im Standby-Modus. Mobile Pumpen und Feuerwehrautos können zum Kühlen des Reaktors verwendet werdenReaktor.

Aus den Dampferzeugern kann Dampf freigesetzt werden, um den Wärme- und Druckaufbau zu verringern. Dieser Dampf stammt aus dem Sekundärkühlsystem und ist absolut sicher und nicht radioaktiv.

Bis zu diesem Zeitpunkt wurde keine Strahlung freigesetzt und der Reaktor wurde nicht beschädigt. Nach Angaben der kanadischen Regierung kann das Kraftwerk nach einer Reihe von Überprüfungen weiterhin wieder in Betrieb genommen werden.

Total System Failure: Der Beginn eines Meltdowns

Unter der Annahme, dass alle Backup-Sicherheitsausrüstung ausfällt und die natürliche Zirkulation nicht aufrechterhalten wird, beginnt das schwere Wasser im Gewölbe zu kochen. Es wird radioaktiver Dampf erzeugt, das Reaktorgebäude enthält jedoch die gesamte Strahlung.

Das schwere Wasser kocht weiter, bis es vollständig verdunstet ist. Das in den Kalandrien enthaltene schwere Wasser würde ebenfalls kochen und die Brennstäbe beschädigen.

Es ist wichtig zu beachten, dass Notfallsysteme die Beschädigung des Reaktors durch Zugabe von Wasser zu den Kalandrien stoppen können.

Wenn jedoch keine Sofortmaßnahmen ergriffen werden, kocht das Wasser weiter und der Reaktor wird erheblich beschädigt. Es wird mehr radioaktiver Dampf erzeugt, wodurch der Druck im Reaktorgebäude ansteigt.

Druckminderungssysteme

Um Schäden am Reaktorgebäude zu vermeiden, muss der Druck gesenkt werden.

In Einzelreaktoranlagen wird Notwasser in das Gebäude gesprüht. Das Wasser kühlt und kondensiert den Dampf, wodurch der Druck erheblich reduziert wird.

Um den Innendruck in einem Reaktor mit mehreren Einheiten zu steuern, kann der Druck durch Ablassen von Dampf in eine massive Vakuumkammer entlastet werden.

Wie die zuvor genannten Sicherheitssysteme arbeitet das Vakuumgebäude weiterhin ohne Strom.

Wasser kann auch in die Vakuumkammer injiziert werden, um den Dampf weiter zu reduzieren. Als eine der letzten Sicherheitsstufen wird eine Reserveversorgung mit flüssigem Stickstoff injiziert, um den Reaktor zu kühlen.

Wenn bei Notfällen die Kalandrien immer noch nicht mit Wasser gefüllt werden, verdunstet das schwere Wasser vollständig und der Kernbrennstoff schmilzt. Der Brennstoff erwärmt das Wasser im Tresorraum, in dem sich der Reaktor befindet.

Wasserstoffproduktion

Wenn das Uran schmilzt, produziert es Wasserstoff. Weitere Sicherheitsvorrichtungen wandeln einen Teil des Wasserstoffs in Wasser um und verhindern, dass sich das explosive Gas im Reaktorgebäude ansammelt.

Bis zu diesem Zeitpunkt sind keine Strahlungslecks in die Umwelt gelangt. In diesem Stadium werden jedoch Notfallmaßnahmen durchgeführt, sodass durch kontrollierte Entlüftung ein Teil des radioaktiven Wasserstoffgases und des radioaktiven Schwerwassers freigesetzt werden kann.

Wenn immer noch nicht genügend Rettungsdienste eingesetzt werden, verdampft der Kraftstoff das gesamte Wasser im Tresorraum. Der Kraftstoff schmilzt durch das Fundament auf einer dicken Betonplatte.

Evakuierungsverfahren hätten eingeleitet, um Personen in einem großen Radius zu entfernen. Dann würden Wiederherstellungsvorgänge durchgeführt, um den Standort einzudämmen.

Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Ereignis in ein derart schwerwiegendes Szenario übergeht, ist jedoch äußerst unwahrscheinlich. In modernen Kernreaktoren gewährleisten viele Ausfallsicherungen die größtmögliche Sicherheit der Umwelt und der Menschen in ihrer Umgebung.

VERBINDUNG: "ZERBROCHENE PFEILE" - DIE VERLORENEN KERNWAFFEN DER WELT

Jenseits der Gefahren

Atomkraft bietet eine praktikable Alternative zur Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen. In den letzten Jahren haben Kernreaktoren die Kohlenstoffbelastung des Planeten erheblich reduziert. In der Geschichte gab es einige kleinere Zwischenfälle, zwei Hauptvorfälle, bei denen Strahlung freigesetzt wurde.

Bei richtiger Anwendung ist die Kernenergieerzeugung jedoch ein effizientes Mittel zur Stromerzeugung. Derzeit stehen nicht genügend erneuerbare Energiequellen zur Verfügung, um die unglaubliche Menge an Energie zu sammeln, die Kernkraftwerke produzieren.

Mit der globalen Erwärmung kann es sich die Welt nicht leisten, fossile Kraftwerke hinzuzufügen, um das Atomkraftwerk auszugleichen. Derzeit sind Atomkraftwerke notwendig, um die Welt mit ausreichend Strom zu versorgen.

Allerdings muss wesentlich mehr Forschung in die Suche nach tragfähigen Alternativen für erneuerbare Energien investiert werden. Außerdem müssen noch Entdeckungen gemacht werden, um Methoden für den sicheren Umgang mit radioaktiven Abfällen zu entwickeln.

Möglicherweise besteht die Lösung darin, die Spaltungstechnologien anstelle der Fusionskraft ganz aufzugeben. Derzeit investieren die Regierungen jedoch nicht genug Geld in alternative Quellen.

Bis dahin muss unbedingt sichergestellt werden, dass Kernkraftwerke, die bis heute in Betrieb sind, die strengsten Vorschriften für die Umsetzung und Sicherheit ihres Betriebs einhalten müssen, um eine Kernschmelze zu verhindern.

Es ist leider keine perfekte Lösung, es ist eine Lösung, die funktioniert - vorerst.

Geschrieben von Maverick Baker