Kernkraftwerke nutzen die durch die Spaltung freiwerdende Energie und setzen sie für Generatoren ein, die Elektrizität erzeugen. Obwohl die Kernenergie nur etwa 20 Prozent der in den USA erzeugten Elektrizität liefert, ist die Nuklearkapazität des Landes die höchste in jedem anderen Land - 101 Gigawatt im Jahr 2010.
Gemeinsame Komponenten der Kernkraft
Kernreaktoren haben diese Komponenten gemeinsam:
Brennstoff - Uran, ein radioaktives Schwermetallerz, ist der gebräuchlichste Brennstoff für Kernreaktoren. Nach dem Anreicherungsprozess wird Uran zu einem sehr konzentrierten Brennstoff.
Ein kommerzieller Atomreaktor benötigt Tausende von Pfund an angereichertem Uran-Brennstoff, um zu funktionieren. Zivile Atomkraftwerke in den USA kaufen jährlich rund 50 Millionen Pfund Uran (U3O8-Äquivalent), der Großteil davon aus Übersee.
Uran wird weltweit an Standorten abgebaut, vor allem in Kasachstan, Kanada, Australien und Afrika. Die Vereinigten Staaten gehören zu den Top-10-Produzenten von Uran.
Steuerstäbe - Hergestellt aus einem neutronenabsorbierenden Material wie Cadmium, Hafnium oder Bor, werden Kontrollstäbe in den Kern eingeführt oder aus ihm herausgezogen, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu kontrollieren oder, falls erforderlich, zu stoppen.
Moderator - Material im Reaktorkern, das die aus der Spaltung freigesetzten Neutronen verlangsamt, so dass sie mehr Spaltung verursachen.
Der Moderator ist normalerweise gewöhnliches (leichtes) Wasser, kann aber auch schweres Wasser (D20) oder Graphit sein.
Kühlmittel - Flüssigkeit oder Gas, das durch den Kern zirkuliert, um die Wärme von ihm abzuleiten. In Leichtwasserreaktoren fungiert der Wassermoderator auch als Primärkühlmittel.
Eindämmung - Kernreaktoren sind in stark bewehrten Betonstrukturen eingeschlossen, um zu verhindern, dass Radioaktivität in die Atmosphäre entweicht.
Grundlegender Prozess der Kernenergie
Die Kernphysik ist sehr technisch, aber das grundlegende Verfahren zur Erzeugung von Strom mit Kernkraft ist wie folgt:
Der Reaktorkern produziert Wärme und Radioaktivität in einem Prozess namens Spaltung, gemeinhin bekannt als Atom-Splitting. Im Inneren des Reaktorkerns befindet sich Uran-Kernbrennstoff. Wenn sich die Kerne des Urans teilen, setzen sie Neutronen frei. Wenn die Neutronen auf andere Uranatome treffen, teilen sich auch diese Kerne und geben ihre Neutronen frei, um andere Atome anzugreifen, was zu mehr Spaltung führt. Diese kontinuierliche Atomspaltung ist eine Kettenreaktion.
Die Wärme aus kontrollierten Spaltungsreaktionen wird verwendet, um Dampf aus Wasser entweder direkt wie im Siedewasserreaktor (BWR) oder indirekt wie im Druckwasserreaktor (PWR), der einen Dampfgenerator enthält, zu erzeugen.
Der Dampf treibt eine Turbine an, die einen Generator antreibt.
Der Generator produziert Strom, der an das Stromnetz abgegeben wird.
Kernreaktor-Typen
Weltweit werden verschiedene Typen von Kernreaktoren verwendet. Die gebräuchlichsten Typen sind Druckwasserreaktoren (PWR) und Siedewasserreaktoren (BWR), die als Leichtwasserreaktoren klassifiziert sind. In den Vereinigten Staaten sind DWR und BWR die einzigen zwei Arten von kommerziellen Kernkraftwerken, die in Betrieb sind.
- Siedewasserreaktor (SWR) - In diesem Reaktortyp entsteht durch die Spaltung Wärme, die Wasser im Reaktorkern kocht. Dampf aus dem kochenden Wasser treibt eine Turbine an, die einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Die im Erdbeben und Tsunami im März 2011 beschädigten Reaktoren im nordöstlichen japanischen Werk Fukushima Naiishi sind Siedewasserreaktoren.
- Druckwasserreaktor (PWR) - Dieser Reaktortyp ist der gebräuchlichste für die Energieerzeugung. Es verwendet Wasser als Kühlmittel und Moderator, ein Mittel, das hilft, die Geschwindigkeit der Spaltung zu kontrollieren. In dem geschlossenen Primärkühlsystem wird das Wasser, das durch thermische Energie von der Spaltung erhitzt wird, während es durch den Kern strömt, unter hohem Druck gehalten und kocht daher nicht. Dampf wird in einem sekundären Kühlmittelkreislauf erzeugt und wird verwendet, um eine Turbine anzutreiben, die einen elektrischen Generator antreibt.
- CANDU und Schwerwasser moderierte Reaktoren - Diese Designs verwenden schweres Wasser als Moderator. Das schwere Wasser - mit Deuterium, das die beiden Wasserstoffatome ersetzt - als Moderator verlangsamt die Neutronen im Spaltprozess und ermöglicht die Verwendung von natürlichem Uran anstelle von angereichertem Uran als Brennstoff.
- Kugelhaufen-Modulreaktor - Ein Hochtemperaturreaktor, der Helium-Kühlmittel und Brennstoff verwendet, die in Sphären aus Graphit und Siliziumkarbid eingeschlossen sind, um die Spaltprodukteindämmung und die Beständigkeit gegen Schmelzen sicherzustellen.