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Warum sind Silber, Cadmium und Hafnium die Starelemente der Steuerstäbe in Kernkraftwerken?
Steuerstäbe spielen bei der Kernenergieerzeugung eine entscheidende Rolle. Sie können die Geschwindigkeit der Kernspaltung wirksam steuern und so die Sicherheit und den stabilen Betrieb des Reaktors gewährleisten. In diesem Artikel wird untersucht, warum die drei Elemente Silber, Cadmium und Hafnium als die wichtigsten Elemente der Steuerstäbe von Kernkraftwerken gelten und welche Rolle sie bei der Energieerzeugung spielen.
Grundsätze der Steuerstabfunktion
Steuerstäbe werden in den Kern eines Kernreaktors eingeführt, um die Geschwindigkeit der nuklearen Kettenreaktion zu regulieren. Diese Steuerstäbe bestehen aus chemischen Elementen, die große Mengen an Neutronen absorbieren. Typische Vertreter dieser Elementart sind Silber, Cadmium und Hafnium.
Das Einsetzen und Entfernen von Steuerstäben wirkt sich direkt auf die Reaktivität des Reaktors und die von ihm erzeugte Wärme und Energie aus.
Es gibt noch weitere Reaktorbauarten wie Siedewasserreaktoren (BWR) und Druckwasserreaktoren (PWR), die je nach Energieverteilung der Neutronen unterschiedliche Steuerstabmaterialien verwenden. Wenn der berechnete Reaktivitätsindex eines Reaktors 1 überschreitet, nimmt die Geschwindigkeit der nuklearen Kettenreaktion mit der Zeit exponentiell zu. Wenn die Reaktivität unter 1 liegt, nimmt die Geschwindigkeit der Kettenreaktion allmählich ab.
Warum Silber, Cadmium und Hafnium?
Diese drei Elemente sind aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften bei der Neutronenabsorption die erste Wahl als Steuerstabwerkstoff. Beispielsweise wird eine Silber-Cadmium-Nickel-Legierung (AIC) häufig in vielen kommerziellen Druckwasserreaktoren verwendet. Gleichzeitig verfügt Cadmium über eine gute mechanische Festigkeit und bleibt auch in Umgebungen mit hohen Temperaturen stabil, was es zu einem hervorragenden Material zur Neutronenabsorption macht.
Aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit ist Hafnium eine wichtige Wahl für Reaktoren für bestimmte militärische Anwendungen.
Obwohl Silber, Cadmium und Hafnium über hervorragende Eigenschaften zum Einfangen von Neutronen verfügen, wirkt sich die Verfügbarkeit und die Kosten der einzelnen Elemente auf ihre Verwendung bei der Erzeugung von Kernenergie aus. Nehmen wir Silber als Beispiel. Obwohl es sich gut für den Neutroneneinfang eignet, ist seine Seltenheit für eine Anwendung im großen Maßstab begrenzt.
Materialwünsche und -bewertung
Bei der Auswahl der Materialien für die Steuerstäbe berücksichtigen die Wissenschaftler nicht nur die Wirksamkeit der Neutroneneinfangung, sondern auch die Hitzebeständigkeit des Materials, die Bearbeitbarkeit und zukünftige Kostenfaktoren. Aus diesem Grund sind gängige Elementsynthesekombinationen wie beispielsweise borreicher Stahl oder Silber-Cadmium-Legierungen in den Fokus der Forschung gerückt.
Materialien mit höherer Erfassungseffizienz und Haltbarkeit verbessern tendenziell die Gesamtsicherheit des Reaktors.
Aufgrund dieser Faktoren werden in Zukunft auch Kobalt, Nickel und andere Seltenerdelemente untersucht und könnten bei der Konstruktion von Steuerstäben berücksichtigt werden. Dadurch verbessert sich nicht nur die Verfügbarkeit, sondern auch die Möglichkeiten der Kernenergiebranche werden erweitert.
Sicherheits- und Notfallmaßnahmen
Die Sicherheit eines Kernreaktors hängt stark von der Konstruktion der Steuerstäbe ab. Die meisten modernen Reaktoren sind mit Sicherheitsmechanismen ausgestattet, die bei einem Stromausfall dafür sorgen, dass die Steuerstäbe automatisch in den Kern absinken und so die Reaktion rasch stoppen. Diese Funktion ist in der Kernenergie-Gemeinschaft als „SCRAM“ (Rapid Reactor Shutdown) bekannt.
Die schnelle Reaktionsfähigkeit von Steuerstäben ist die Grundlage für den sicheren Betrieb von Reaktoren.
Obwohl die Betriebsart des Siedewasserreaktors anders ist, sorgt bei einer erforderlichen Notabschaltung ein speziell entwickeltes Wasserdrucksystem dafür, dass die Steuerstäbe sofort in Position gebracht werden und eine sichere Abschaltung erfolgt. Dies zeigt, wie wichtig die Berücksichtigung der Sicherheit bei der Reaktorkonstruktion ist. .
Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Silber, Cadmium und Hafnium wichtige Materialien für Steuerstäbe in Kernkraftwerken sind. Aufgrund ihrer hervorragenden Neutronenabsorptionsleistung und anderer physikalischer Eigenschaften sind sie die bevorzugte Wahl im Reaktorbau. Können wir jedoch bei der Suche nach sichereren und wirtschaftlicheren Energiequellen andere, revolutionärere Materialien finden, um diese traditionellen Elemente zu ersetzen?
