Fail-Safe Prinzip erklären
Fail Safe bedeutet :
dass bei einem Ausfall/Unfall/Unvorhergesehenes der Schutzmechanismus automatisch greift.
Genauer in Abbildung:
Bei Stromausfall: die Steuerstäbe fallen schwerkraftgetrieben in den Reaktor, da die elektrischen Antriebe, die die Steuerstäbe im Normalbetrieb in obiger Position halten, nicht mehr in Betrieb sind.
Wie hängen die Bindungsenergie 𝐵 und der Massendefekt Δ𝑀 zusammen?
𝐵=𝛥𝑀⋅𝑐^2 (mit c = Lichtgeschwindigkeit)
Was ist der Massendefekt?
Die Masse des Atomkerns ist kleiner als die Summe der Neutronen und Protonen im Kern. Die fehlende Masse bzw. die Massendifferenz 𝛥𝑀 ist der Massendefekt. Der Massendefekt entspricht der bei Kernreaktionen freisetzbaren Energie.
Durch die Coulombkraft stoßen sich die positiv geladenen Protonen im Atomkern ab. Warum ist der Atomkern trotzdem stabil?
Die Bindungsenergie (Kernenergie) hält den Kern zusammen.
5 Komponenten für kontrollierte Kernspaltung
Ausreichend spaltbares Material für eine Kettenreaktion (kritische Masse, critical mass)
Stoff zum Abbremsen der Neutronen (Moderator, z.B. Wasser)
Vorrichtung zum Einfangen von Neutronen (Steuer- bzw. Regelstäbe), z.B. Stahlstäbe gefüllt mit Cadmium, Borcarbid, …, die als Neutronengift fungieren
Medium zur Wärmeabfuhr (z.B. Wasser)
Barrieren für den Strahlenschutzung und die Rückhaltung radioaktiver Stoffe (Beton, Schwerbeton, Blei)
Welche Energieform, die bei der Kernspaltung freigesetzt wird, ist betragsmäßig am größten und führt zur Erwärmung der Kernbrennstäbe? (0,5 Punkte)
Wodurch wird die entstehende Wärme abgeführt? (0,5 Punkte)
Die kinetische Energie der Spaltprodukte (entstehenden kleineren Atome (Atomkerne)) führt zur Erwärmung der Brennstäbe.
Die Wärme wird über das Kühlmedium, z.B. Wasser, abgeführt.
Was sind die 2 Funktionen von Steuerstäben?
Einfangen der Neutronen/Steuerung der Kettenreaktion
Regulierung der Leistung/Wärmeentstehung und damit Leistung des Kraftwerks
3 unterschiedliche Kernraktortypen
Druckwasserreaktor (DWR)
Siedewasserreaktor (SWR)
Schwerwasserreaktor (SchWR)
Warum werden im Siedewasserreaktor die Steuerstäbe von unten in den Reaktor hineingefahren?
Aufgrund der Tröpfchenabscheider (Dampftrocknung) am Kopf des Reaktors (Platzmangel für Steuerstäbe)
2 Unterschiede zw. Druck- und Siedewasserreaktoren
Steuerstäbe von unten beim Siedewasser, von oben beim Druckwasser
Siedewasserreaktor besitzt nur einen Wasserkreislauf, der Druckwasserreaktor zwei
Welche drei Schutzziele verfolgen Sicherheitskonzepte von Kernkraftwerken?
Kontrolle der Reaktivität (nachhaltige Beendigung der Kettenreaktion)
Kühlung der Brennelemente (Abfuhr der Nachzerfallswärme) (Schmelzen der Kernbrennstäbe in Fukushima)
Einschluss radioaktiver Stoffe und Begrenzung der Auswirkungen auf die Umwelt und Bevölkerung (Abschirmungen und Barrieren (Stahlbetonhülle, Stahlkugel, Reaktorkühlsystem, Brennstoffhüllrohr, …))
Wozu dient neben der Wärmeabfuhr das Kühlwasser im Reaktor? Wie werden Medien genannt, die diese Funktion ausüben?
Das Wasser bremmst die Neutronen ab (schelle Neutronen werden zu thermischen Neutronen), die bei der Kernspaltung entstehen, sodass diese nicht durch die anderen Kerne „hindurch“ fliegen, sondern mit ihnen wechelwirken, neue Kerne zum „Schwingen“ bringen und diese ebenfalls zerfallen.
—> Medien, die die Neutronen abbremsen, werden Moderatoren genannt.
Grenzen Sie die fünf Sicherheitsebenen eines Kernkraftwerks voneinander ab.
Ebene 1: Normaler Betrieb (Sicherheitszuschläge bei Auslegung, Betriebshandbücher befolgen, Dokumentation, regelmäßige Prüfung von Rohrleitungen, …
Ebene 2: Anormaler Betrieb (Regelungs-/Begrenzungseinrichtungen, Zustands- und Störmeldungen für die Leitwarte zum manuellen Gegensteuern, …
Ebene 3: Auslegungsstörfälle (Diversitäre Redundanz, Fail-Safe, Überflutungsschutz, Erdbebenschutz, …)
Ebene 4: Risikominimierung (Flugzeugabsturz, Druckentlastung, …)
Ebene 5: Unterstützung der Behörden beim Katastrophenschutz (Baupläne, Kooperation, Notfallnummern, …)
3 Beispiele ür sicherheitsfördernde Auslegungsgrundsätze
Redundanz (eng verbunden mit Diversität)
Entmaschung (Nachbarsysteme werden voneinander (räumlich, leittechnisch) entkoppelt, damit keine Kettenreaktionen/Dominoeffekte auftreten können)
Automatische Leittechnik
und auch 4. Fail-Safe
Nennen Sie zwei Besonderheiten des RBMK Reaktortyp, der auch in Tschernobyl zum Einsatz kam.
Betrieb fast ausschließlich in Russland (mit Außnahme Tschernobyl (Ukraine) nicht in sozialistischen Bruderstaaten)
Austausch der Brennelementstäbe während des Betriebs
Welches Problem kann auftreten (und ist in Tschernobyl aufgetreten), wenn statt Wasser als Kühl-medium und Moderator Graphit als Moderator und Wasser als Kühlmedium verwendet wird?
Wenn das Kühlwasser fehlt, dann wird die Kernreaktion durch die Graphitstäbe aufrecht erhalten. Zuvor hat das Kühlwasser auch als Neutronenabsorber fungiert.
Beschreiben Sie stichpunktartig, wie es zum Reaktorunglück in Fukushima kommen konnte.
Erdbeben, Tsunami, Fukushima am Meer gelegen (Meerwasserkühlung), Schutzmauer 5,7 m viel kleiner als 14 m Tsunami, Überflutung, Schaltanlagen ausgefallen
Notabschaltung Reaktor hat zwar funktioniert, jedoch von 13 Notstromdieselaggregaten hat nur noch ein Aggregat funktioniert (Kühlung der Nachzerfallswärme schwierig), Kernschmelze, Radiolyse von Wasser(Dampf) (daher eher in Siedewasserreaktoren),
Gammastrahlen spalten Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, Mischung mit Luft (daher Sicherheitskonzept Inertisierung N2 und/oder Katalysatoren zur Abreaktion von H2), Knallgasreaktion
Wie liegt die in der Kernspaltung freigesetzte Energie vor?
in Form von
kinetischer Energie der Spaltprodukte und Spaltneuronen
sowie in Form von Gammastrahlung
Eine kontrollierte Kernspaltung benötigt unter anderem Steuer- bzw. Regelstäbe.
Richtig.
Siedewasserreaktoren haben nur einen Wasserkreislauf.
Die übergeordneten Schutzziele für Kernreaktoren sind unter anderem die Kontrolle der Reaktivität, die Kühlung der Brennelemente sowie der Einschluss der radioaktiven Stoffe.
Das Sicherheitskonzept für Kernkraftwerke ist in verschiedene Ebenen aufgeteilt, die sich nach der Schwere der potentiellen Störfälle richtet.
Redundanz bedeutet, dass immer mindestens ein weiteres Aggregat in Reserve zur Verfügung steht.
Fail-Safe bedeutet, dass sich ein sicherer Zustand von allein im Fall einer Störung einstellt.
Die INES-Skala bewertet Kernenergieereignisse anhand ihrer Bedeutung.
Die Graphitmoderatoren waren beim Tschernobylunfall mitschuldig, da die Kettenreaktion auch nach Ausfall der Kühlung (Wasserverlust) am Laufen gehalten wurde.
Richitg.
Der Tsunami in Fukushima überschritt die Auslegungshöhe der Schutzmauer (5,7 m) um mehr als das Doppelte.
In Fukushima wurden die Dieselnotstromaggregate (u.a. zum Betrieb der Kühlpumpen) überschwemmt und größtenteils außer Betrieb gesetzt.
Bei der Kernfusion verschmelzen ein Deuterium- und ein Tritium- zu einem Heliumkern.
Zeigen Sie in einer Skizze den Zusammenhang zwischen Bindungsenergie je Nukleon und der Massenzahl eines Atoms. In welchem Bereich der Massenzahl liegen die Atome mit der höchsten und niedrigsten Bindungsenergie je Nukleon? Zeichnen Sie im Diagramm die ungefähre Position und die Massenzahl von Uran ein. In welchen Bereichen ist Kernfusion und Kernspaltung möglich?
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