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Die Geheimwaffe der Steuerstäbe: Warum stoppen sie Kernreaktionen so schnell?
Steuerstäbe spielen in Kernreaktoren eine entscheidende Rolle. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Spaltungsrate von Kernbrennstoffen (wie Uran oder Plutonium) zu regulieren. Diese Steuerstäbe bestehen aus chemischen Elementen, die wirksame Neutronenabsorber sind, wie etwa Bor, Cadmium, Silber, Hafnium oder Indium, die eine große Anzahl an Neutronen aufnehmen können, ohne selbst zu zerfallen. Verschiedene Elemente haben unterschiedliche Neutroneneinfangsquerschnitte, weshalb die Konstruktion der Steuerstäbe eng mit dem Typ des Kernreaktors zusammenhängt.
Funktionsprinzip
Steuerstäbe werden in den Kern eines Kernreaktors eingeführt. Durch Einstellen der Einstecktiefe der Steuerstäbe wird die Geschwindigkeit der nuklearen Kettenreaktion gesteuert, was wiederum die thermische Leistung des Reaktors, die Dampferzeugungsrate und die Leistungsabgabe des Kraftwerks beeinflusst. Die Anzahl der eingesetzten Steuerstäbe und ihre Tiefe beeinflussen die Reaktivität des Reaktors erheblich. Das heißt, wenn die Reaktivität 1 übersteigt, steigt die Geschwindigkeit der nuklearen Kettenreaktion exponentiell an; umgekehrt sinkt sie exponentiell, wenn die Reaktivität unter 1 liegt.
Wenn alle Steuerstäbe vollständig eingeschoben sind, kann die Reaktivität auf einem Niveau nahe Null gehalten werden, wodurch ein laufender Reaktor schnell verlangsamt und heruntergefahren werden kann.
Um eine stabile Leistungsabgabe aufrechtzuerhalten, muss der langfristige durchschnittliche Neutronenmultiplikationsfaktor nahe bei Eins gehalten werden. Beim Zusammenbau eines neuen Reaktors werden die Steuerstäbe vollständig eingeschoben und dann nach und nach herausgezogen, um die nukleare Kettenreaktion zu starten und die Leistung auf das erforderliche Niveau zu erhöhen.
Materialauswahl
Die Materialauswahl für die Steuerstäbe ist entscheidend, da sie einen hohen Neutroneneinfangquerschnitt aufweisen müssen. Silber, Indium und Cadmium sind einige der häufig verwendeten Materialien, jedoch werden auch andere Elemente wie Bor, Aluminium, Hafnium, Cer, Titan, Silizium usw. als mögliche Materialien in Betracht gezogen. Darüber hinaus bestehen Steuerstäbe üblicherweise aus Legierungen oder Verbindungen, wie etwa aus borreichem Stahl, einer Silber-Indium-Cadmium-Legierung usw.
Steuerstäbe, die einer durch Neutronen hervorgerufenen Ausdehnung standhalten und über gute mechanische Eigenschaften verfügen müssen, bestehen üblicherweise aus röhrenförmigen Strukturen, die mit neutronenabsorbierenden Partikeln oder Pulver gefüllt sind.
In Druckwasserreaktoren werden beispielsweise häufig Silber-Indium-Cadmium-Legierungen (normalerweise 80 % Silber, 15 % Indium und 5 % Cadmium) verwendet. Diese Materialien haben unterschiedliche Eigenschaften im Bereich der Neutronenabsorption, was diese Legierung zu einem hervorragenden Medium zur Neutronenabsorption macht. Gleichzeitig müssen diese Materialien auch Korrosion bei hohen Wassertemperaturen verhindern.
Sicherheitsüberlegungen
Aus Sicherheitsgründen sind bei den meisten Reaktorkonstruktionen die Steuerstäbe über elektromagnetische Vorrichtungen mit der Hebemaschinerie verbunden. Auf diese Weise können bei einem Stromausfall die Steuerstäbe durch die Schwerkraft automatisch nach unten fallen und vollständig in den Reaktor eintauchen, um die Reaktion schnell zu stoppen. Dieser Vorgang der schnellen Abschaltung eines Reaktors wird als „Scramming“ bezeichnet.
Andere Mittel zur Regulierung der Reaktionsfähigkeit
In einigen Reaktoren kann die Reaktivität auch durch die Zugabe löslicher Neutronenabsorber wie Borsäure zum Kühlmittel angepasst werden. Mit Hilfe dieser chemischen Fixiervorrichtung und in den Brennstoffpartikeln eingesetzten abbrennbaren Neutronengiften lässt sich die Reaktivität von Kernreaktoren langfristig regulieren. Darüber hinaus führen die Betreiber eines SWR eine Reaktivitätskontrolle durch, indem sie die Geschwindigkeit der Umwälzpumpen des Reaktors anpassen.
Prävention schwerer Unfälle
Für nukleare Unfälle wie die Explosion der SL-1 und die Katastrophe von Tschernobyl wird häufig eine falsche Handhabung oder ein Versagen der Steuerstäbe verantwortlich gemacht. Zur Bewältigung dieser Krisen werden häufig einheitliche Neutronenabsorber eingesetzt. Die Umsetzung dieser Methoden ist für die Sicherheit der Kernenergie von entscheidender Bedeutung.
Fazit
Durch eine umfassende Betrachtung der Steuerstabkonstruktion, der Materialien und der Reaktivitätsregulierung können wir zur Schaffung einer kontrollierten Kernreaktionsumgebung beitragen und so die sichere Nutzung der Kernenergie gewährleisten. Welchen Spielraum und welche Möglichkeiten sehen Sie dennoch für Verbesserungen in der zukünftigen Nukleartechnologie?
