Kernspaltung und Nachzerfallswärme

22.03.2011

Die Energiegewinnung aus Kernkraft beruht auf Prozessen, die sich in den Atomkernen des Brennstoffes abspielen. Als Brennstoff wird das Uranisotop U-235 verwendet. Wesentlich für das Verständnis der Zusammenhänge ist dabei, dass die Atomkerne des Brennstoffes nicht stabil sind, sondern sich durch radioaktiven Zerfall in andere Atomkerne umwandeln. Atome, die diese Eigenschaft haben, nennt man Radionuklide. Bestimmte Radionuklide kommen in der Natur vor, andere werden durch technische Prozesse erzeugt.                     

Radioaktiver Zerfall und E = m c²

 Bei jedem radioaktiven Zerfall wird ein bestimmter Betrag an Energie frei. Die genauen Hintergründe, die für das Verständnis dieser Energiefreisetzung wichtig sind, stehen im Zusammenhang mit der berühmten Formel E = mc² von Albert Einstein und der Art, wie die Protonen und Neutronen im Atomkern aneinander gebunden sind. Vereinfacht lässt sich sagen, dass bestimmte Konfigurationen des Atomkerns stabiler sind als andere, was sich in unterschiedlichen Energiegehalten dieser Konfigurationen niederschlägt. Die Differenz der jeweiligen Energiegehalte wird beim Übergang in eine stabilere Konfiguration freigesetzt.

Dieses Prinzip, dass bei bestimmten physikalischen oder chemischen Umwandlungsprozessen Energie frei wird, gilt in gleicher Weise für die Energiegewinnung aus der Verbrennung von Kohle oder Gas. Die Umwandlungsprozesse bei Kohle oder Gas spielen sich allerdings in der Elektronenhülle der beteiligten Atome ab und setzen pro Umwandlungsprozess deutlich weniger Energie frei als die Prozesse, die sich im Atomkern abspielen: aus 1 kg Uran-235 kann durch Kernspaltung so viel Energie freigesetzt werden wie durch die Verbrennung von etwa 2,7 Mio. kg Steinkohle oder 2,5 Mio. m³ Erdgas. Dies bedeutet zum einen, dass weniger Brennstoff für die Energieversorgung durch Kernenergie benötigt wird, auf der anderen Seite aber auch, dass die zu beherrschenden Prozesse aufgrund der höheren Energiedichte größere Sicherheitsvorkehrungen erfordern.

Atomkerne, Isotope und Uran-235

 Der Kern (lat.: nucleus) eines Atoms ist aus Protonen und Neutronen zusammengesetzt. Dabei werden die chemischen Eigenschaften eines Atoms ausschließlich von der Anzahl der Protonen im Kern bestimmt. Alle Atome mit derselben Anzahl von Protonen gehören damit demselben chemischen Element an. Der Kern eines Kohlenstoffatoms beispielsweise umfasst immer sechs Protonen, kann sich aber in der Anzahl der Neutronen im Kern von anderen Kohlenstoffatomen unterscheiden. Diese verschiedenen Varianten desselben chemischen Elements werden als Isotope bezeichnet.

Während die chemischen Eigenschaften eines Atoms lediglich durch die Anzahl der Protonen im Atomkern bestimmt werden, sind die kernphysikalischen Eigenschaften wie die Radioaktivität von der Anzahl der Protonen und Neutronen im Atomkern, der sogenannten Massenzahl, abhängig. Für die Bezeichnung eines Radionuklids fügt man die Massenzahl dem Namen des chemischen Elements an: Uran-235 bezeichnet somit bspw. dasjenige Isotop des Urans, dessen Kern aus insgesamt 235 Protonen und Neutronen besteht.

Kontrollierte Kernspaltung

Der radioaktive Zerfall eines Radionuklids geschieht spontan. Der Zeitpunkt des spontanen Zerfalls eines bestimmten Radionuklids ist dabei vollkommen zufällig und nicht vorhersehbar. Anhand der Quantenmechanik können jedoch für die unterschiedlichen Radionuklide Wahrscheinlichkeiten für diesen Zerfall berechnet werden. Je höher diese Wahrscheinlichkeit ist, desto schneller zerfällt eine vorhandene Menge eines Radionuklids in andere Atomkerne. Die Zeitdauer, in der sich die ursprüngliche Menge eines Radionuklids durch diesen Zerfall auf die Hälfte reduziert hat, nennt man Halbwertszeit. Für das natürliche Radionuklid Uran-235 beträgt diese etwa 700 Mio. Jahre, d.h. von 10 kg Uran-235 sind nach 700 Mio. Jahren 5 kg zerfallen und noch 5 kg vorhanden. Nach weiteren 700 Mio. Jahren, also insgesamt 1,4 Mrd. Jahren, ist von dieser Menge wieder die Hälfte zerfallen und es sind noch 2,5 kg vorhanden, usw.

Die physikalischen Eigenschaften, die diesen spontanen Zerfall bestimmen, ändern sich, wenn das Radionuklid ein zusätzliches Neutron einfängt und somit die Anzahl der Neutronen in seinem Atomkern steigt. Erhöht man die Wahrscheinlichkeit dafür, dass solch ein Neutroneneinfang stattfindet, kann man direkten Einfluss auf den Zerfall eines Radionuklids nehmen. Dies ist die Grundlage für die Energiegewinnung aus der Spaltung von Uran-235-Atomkernen. Die durch den Einfang eines Neutrons ausgelöste Spaltung bezeichnet man in Abgrenzung zu dem spontanen zufälligen Zerfall auch als induzierte Kernspaltung oder im Hinblick auf die Nutzung zur Energiegewinnung in einem Kernreaktor als kontrollierte Kernspaltung. 

 

Wie schalte ich einen Kernreaktor ab?

Bei der Spaltung eines Uran-235 Atomkerns durch Neutroneneinfang entstehen zwei kleinere Atomkerne (sogenannte Spaltprodukte) sowie freie Neutronen. Die Isotopenart der Spaltprodukte und die Anzahl der Neutronen, die bei einer Kernspaltung entstehen, können dabei variieren. Ein häufiges Produkt der Spaltung eines Uran-235 Atomkerns sind bspw. die Spaltprodukte Tellur-133 und Zirkonium-101 sowie zwei Neutronen. Die freien Neutronen können nun ihrerseits wieder die Spaltung anderer Uran-235 Atomkerne auslösen. Dadurch dass aus einer Spaltung mehrere freie Neutronen resultieren, die neue Spaltungen auslösen können, erhöht sich bei jeder Spaltung die Anzahl der insgesamt vorhandenen freien Neutronen; ein Prozess, den man als Kettenreaktion bezeichnet. Die Zahl der Spaltungen wächst damit an, wenn man nicht einen Teil dieser freien Neutronen abfängt, bevor sie neue Spaltungen auslösen können.

In dem Reaktorkern eines Kernkraftwerks sind daher technische Vorrichtungen vorhanden, um einen Teil der freigesetzten Neutronen abzufangen und die Anzahl der Kernspaltungen und damit die freigesetzte Energie auf einem konstanten Niveau zu halten. Die Neutronen, die zu einem Anwachsen der Zahl von Spaltungen im Reaktor führen, werden als Überschussneutronen bezeichnet. Diese Überschussneutronen werden im konstanten Betrieb eines Kernreaktors laufend abgefangen, so dass die Anzahl der Kernspaltungen im Mittel gleich und damit auch die im Brennstoff des Kernreaktors erzeugte Leistung konstant bleibt.

Das Abfangen dieser Überschussneutronen kann auf verschiedene Weise erfolgen. Zur Steuerung der Energiemenge, die im Reaktorkern eines Kernkraftwerks erzeugt wird, werden hierzu v. a. sogenannte Steuerstäbe verwendet. Diese können schrittweise zwischen die Brennelemente, die sich im Reaktorkern befinden und die Brennstäbe umfassen, eingefahren werden. Sind die Steuerstäbe komplett in den Reaktorkern eingefahren, werden nicht nur die Überschussneutronen, sondern auch die zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion benötigten Neutronen abgefangen und die Kettenreaktion erlischt vollständig. Der Reaktor kann auf diese Weise kontrolliert in seiner Leistung heruntergefahren und abgeschaltet werden. Die Abschaltung kann auch innerhalb weniger Sekunden durch Einschießen oder Einfallen der Steuerstäbe in den Reaktorkern erfolgen. Solch einen Vorgang bezeichnet man als Reaktorschnellabschaltung.

Durch nachfolgendes Ausfahren der Steuerstäbe können die durch den spontanen Zerfall der Uran-235 Atomkerne freigesetzten Neutronen erneut eine Kettenreaktion in Gang setzen. Es kann damit wieder ein von der Stellung der Steuerstäbe abhängiges Leistungsniveau erzeugt werden. Dieser Zusammenhang ermöglicht das Wiederanfahren eines Kernkraftwerks, nachdem es bspw. zu Wartungszwecken abgeschaltet wurde.

 

Nachzerfallswärme

Nach Erlöschen der Kettenreaktion wird keine Energie mehr durch die kontrollierte Kernspaltung freigesetzt. Dennoch laufen mit dem weiterhin stattfindenden spontanen Zerfall des Urans und der Spaltprodukte noch kernphysikalische Prozesse in den Brennstäben des Reaktorkerns ab, die Energie erzeugen. Da bei jeder Kernspaltung radioaktive Spaltprodukte entstehen (bspw. Tellur-133, das weiter zu Jod-133 zerfällt) verändert sich im Laufe des Brennstoffabbrands allmählich die Zusammensetzung des radioaktiven Inventars in den Brennstäben. Während das Uran-235 durch die Kernspaltungen abnimmt, vermehrt sich die Menge der radioaktiven Spaltprodukte. Nach Abschalten des Reaktors und Erlöschen der Kettenreaktion zerfallen diese Spaltprodukte weiter durch den spontanen Zerfall. Die dabei noch freigesetzte Energie bezeichnet man als Nachzerfallswärme. Nach dem Abschalten des Reaktors wird sie noch in einer solchen Größenordnung freigesetzt, dass sie über spezielle Kühlsysteme abgeführt werden muss.  

Direkt nach Abschalten des Kernreaktors beträgt die Nachzerfallswärme noch etwa 6,5 % derjenigen Leistung, die vor Abschalten im Kernreaktor durch die Kettenreaktion der Kernspaltungen abgegeben wurde. Nach einer Minute beträgt sie noch etwa 3,2 %, nach einer Stunde noch ca. 1,6 % und nach einem Tag noch etwa 0,8 %. Bei einer thermischen Leistung von ca. 4000 MW im Leistungsbetrieb eines Kernreaktors entspricht dies direkt nach Abschaltung also noch einer Wärmeproduktion von 260 MW, nach einer Minute noch ca. 130 MW, nach einer Stunde noch etwa 65 MW und nach einem Tag noch ca. 32 MW. 

 

Brennelementlagerbecken bzw. Abklingbecken

Üblicherweise wird einmal im Jahr etwa ein Drittel des Brennstoffinventars des Reaktorkerns gegen frischen Brennstoff ausgetauscht. Aufgrund der Nachzerfallswärme müssen die in den Brennelementen zusammengefassten Brennstäbe weiter gekühlt werden, was zunächst im sogenannten Brennelementlagerbecken geschieht. Dieses Becken ist mit Wasser gefüllt und die produzierte Nachzerfallswärme wird über die Kühlsysteme des Brennelementlagerbeckens abgeführt. Da die für die Nachzerfallswärme verantwortlichen Spaltprodukte in den Brennstäben der Brennelemente mit der Zeit in stabile Atome zerfallen, die selbst nicht mehr radioaktiv sind, nimmt die Radioaktivität der Brennelemente mit der Zeit allmählich ab. Aus diesem Grund wird das Brennelementlagerbecken auch als Abklingbecken bezeichnet.

Nach ca. fünf Jahren ist die Radioaktivität so weit abgeklungen, dass die Brennelemente nicht mehr mit Wasser gekühlt werden müssen und in sogenannte CASTOR®-Behälter umgeladen werden können. Sie produzieren weiterhin Wärme, aber in einer Größenordnung, die über die Kühlrippen der CASTOR®-Behälter an die Luft abgegeben werden kann. Die Höhe der produzierten Nachwärme spielt letztlich auch bei der Klassifizierung von radioaktivem Abfall eine Rolle, da sie Einfluss darauf hat, wie der Abfall gelagert werden kann.