ExtremeTech erklärt: Wie funktioniert Atomkraft?

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Die Kernenergie unterscheidet sich letztendlich nicht wesentlich von der Kohlekraft: Extrahieren Sie eine endliche Ressource und wenden Sie Energie auf ganz bestimmte Weise an, um eine viel größere Menge an Energie freizusetzen, die in diesem Brennstoff gespeichert ist. Bei Kohle wenden wir eine kleine Menge Wärme an die Kohle an, um die in ihren chemischen Bindungen enthaltene Energie freizusetzen. Für Uran wenden wir eine bestimmte Art von Strahlung an, um die darin gespeicherte Energie freizusetzen nuklear Boni, und das ist ein viel lukrativeres Ziel, wenn Sie es bekommen können.

Um eine lebenslange Energieversorgung aus Kohle zu erhalten, muss der Durchschnittsamerikaner mehrere zehn Tonnen festen und luftgetragenen Abfall erzeugen. Die gleiche Zahl für Kernreaktoren liegt bei rund fünf Kilogramm abgebrannter Brennelemente. Um zu verstehen, wie wir zu dieser Art von Energiedichte gekommen sind, müssen wir zum Anfang des Planeten zurückkehren.

In der frühen Geschichte der Erde, als sie Milliarden Jahre jünger war und daher die Elemente, aus denen sie bestand, Milliarden von Jahren näher an ihrem Geburtsdatum in verschiedenen Supernovae lagen, hatte der Planet einen Satz, der sich stark von radioaktiven Isotopen unterschied. Strahlung ist nur Energie, die Atome aufgrund von Instabilität spontan abgeben – sie entfernen alles, was sie instabil macht, bis sie genug verlieren und sich stabilisieren. Dieser Prozess ist als radioaktiver Zerfall bekannt, und mit zunehmendem Alter der Erde geben weniger stabile Isotope schneller Energie ab und zerfallen somit auch schneller. Seit seiner Geburt hat sich das Gesamtverhältnis der Isotope auf der Erde in Richtung energiearmerer Versionen unserer schwereren Elemente verschoben.

Kernzentrifugen

Eine Atomzentrifuge.

Das ist ein Problem, wenn Sie versuchen, diese nuklearen Bindungen in einem Prozess namens Spaltung zu brechen, weil es nukleare Bindungen sind stark. Um die Atome zu brechen und einen Teil der kostbaren Energie freizusetzen, die sie enthalten, brauchen wir Elemente, die bereits sehr energisch sind und kurz vor dem Bruch stehen. Wenn wir eine Uranprobe extrahieren, ist dies eine Mischung aus spaltbaren und nicht spaltbaren Versionen. Hier kommt das Konzept der Bereicherung ins Spiel.

Die Anreicherung ist nur der Prozess des Konzentrierens eines Isotops aus einer Mischung von Isotopen, üblicherweise nach Gewicht, dank Hochgeschwindigkeits-Kernzentrifugen. Diese Zentrifugen setzen das Uran einer enormen Zentrifugalkraft aus und trennen die Materialien entsprechend der Massendifferenz, die durch die Anwesenheit oder Abwesenheit einiger zusätzlicher Neutronen pro Atom verursacht wird. Damit eine Gesamturanprobe spaltbar wird, müssen wir sie so weit anreichern, dass die spaltbaren Isotope 3-5% der Gesamtprobe ausmachen. In der frühen Geschichte der Erde hätten natürliche Proben im Boden einen ausreichend hohen spaltbaren Anteil gehabt.

Kernenergie 2Sobald Sie eine Probe haben, die theoretisch in der Lage ist, die Spaltung aufrechtzuerhalten, müssen Sie diese Spaltung starten, was eigentlich der einfache Teil ist. Die Zersetzung von Uran spuckt ständig Strahlung verschiedener Art aus und schließt, was für unsere Zwecke am wichtigsten ist, hochenergetische Neutronen ein. Diese Neutronen sind für atomare Verhältnisse ziemlich schwer, und wenn sie auf ein instabiles Atom treffen, können sie dieses Atom teilweise zerstören und mehr Neutronen freisetzen, die dann mehr Atome treffen, und so weiter. Damit spaltbare Proben Neutronen aufeinander spucken, müssen Sie lediglich zwei dieser Proben in einem Abstand von Neutronenspucken voneinander platzieren.

Hier stoßen wir auf die Unterscheidung zwischen zwei Arten von Kernreaktoren: leichtes Wasser gegenüber schwerem Wasser. Es ist ein bisschen ein Widerspruch, aber es stellt sich heraus, dass, wenn ein Neutron geht zu schnell kann es Atome nicht richtig treffen und eine Spaltreaktion auslösen. Der letzte Schritt bei der Erzeugung dieser Reaktion besteht darin, den Raum zwischen den beiden spaltbaren Proben mit einem Neutronen- “Moderator” zu füllen. In “Leichtwasser” -Reaktoren verwenden wir normales Wasser, das Neutronen bis zu dem Punkt verlangsamt, an dem die Spaltung in Proben bei unserer Anreicherungsschwelle von 3 bis 5% beginnen kann.

Kernenergie 3

In “Schwerwasser” -Reaktoren verwenden wir eine sehr teure Version von Wasser, die das Schwerwasserstoffisotop Deuterium (D) enthältzweiO statt H.zweiO), was die Neutronen weiter verlangsamt. Durch die Verwendung eines Schwerwassermoderators können wir den Reaktor mit viel weniger angereicherten Kernproben beladen, ein ordentlicher Trick, obwohl die unglaublichen Kosten für das Befüllen des Tanks mit Schwerwasser in erster Linie möglicherweise Kostensteigerungen eliminieren.

In beiden Fällen verwenden wir einen Moderator, um die Wärme aus dem Reaktor zu erfassen und diese Wärme in ein separates Wasserreservoir zu übertragen, das in Dampf kocht und eine Turbine dreht, wodurch Strom erzeugt wird.

AtomkühltürmeDie meisten anderen Reaktorkonstruktionen sind in diesem Bereich evolutionär. Salzschmelze-Reaktoren verwenden gut geschmolzenes Salz als Kühlmittel, was höhere Betriebstemperaturen ermöglicht, ohne den Systemdruck zu stark zu erhöhen. Viele sehen Potenzial in der Verwendung von Thorium als Kernbrennstoff im Gegensatz zu Uran oder Plutonium, da es weniger gefährliche Abfälle erzeugt und kein lukratives Ziel für Terroristen darstellt.

Im Laufe der Jahre wurden alle Arten von Sicherheitsmaßnahmen hinzugefügt, die ermutigendsten “passiven” Maßnahmen, für die keine Dieselgeneratoren im Fukushima-Stil erforderlich sind, die hypothetisch ausfallen könnten. Viele moderne Reaktoren haben zum Beispiel einen sogenannten “Gefrierstopfen” am Boden des Reaktors, der nur durch Energieeintrag fest gehalten wird. Bei einem Stromausfall schmilzt dieser Stecker und der Kernbrennstoff fällt zur sicheren Rückgewinnung zu einem späteren Zeitpunkt in einen Betonspeicher.

Gespeicherte Kernbrennstäbe leuchten in einem eindringlichen und unverwechselbaren Blau.

Die meisten neuen abgebrannten Brennstäbe (“Schrott”) werden derzeit vor Ort in den Reaktoren gelagert, in denen sie hergestellt wurden.

Hinter jeder Aussage zur Atomkraft steht natürlich die Aussicht auf eine Atomkatastrophe. Die große Gefahr der Kernenergie geht von etwas aus, das wir bereits besprochen haben: Sobald Sie zwei spaltbare Proben mit einem geeigneten Neutronenmoderator dazwischen haben, werden die Proben aufgrund ihrer natürlichen Eigenschaften von selbst gespalten. In der Tat ist es schwierig, wenn alle Bedingungen für die Spaltung erfüllt sind Stop eine nukleare Reaktion. Und wenn eine Kernreaktion in einem geschlossenen Druckbehälter nicht gestoppt wird, führt dies zu immer höheren Temperaturen und schließlich zum Schmelzen.

Kernfusion ist, wenn die Wärme im Reaktor so groß sein darf, dass das Kernmaterial, das diese Wärme erzeugt, schmilzt und das geschmolzene Uran, das noch spaltet, a ist ernst fick es Bis heute sind sich die Forscher nicht ganz sicher, wo die geschmolzenen Kernproben aus Fukushima im Reaktor gelandet sind oder welchen Schaden sie angerichtet haben. Letztendlich ist es nicht das Schlimmste, was in einem Reaktor passieren kann. Das Schlimmste ist, was in Tschernobyl passiert ist, mit einer riesigen konventionellen Explosion, die alles möglich gemacht hat. Innerhalb der Reaktor, um die Umgebung zu beeinflussen. Der Zusammenbruch in Fukushima, unglaublich energisch wie er war, blieb bestehen hauptsächlich im Reaktor enthalten und damit viel weniger Schaden verursacht.

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