1

1.1. Grundbegriffe der Energietechnik a) mechanische Energie - kinetische Energie (fahrendes Auto, drehende Welle, bewegtes Wasser im Fallrohr) - potentielle Energie (aufgestautes Wasser, Aufzug[Gegengewicht])

b) chemische Energie chemische Bindung von Atomen. - endotherm (Energie wird zugeführt, z.B. Elektrolyse) - exotherm (Energie wird freigesetzt, z.B. Verbrennung von Öl, Kohle, Gas) c) elektrische Energie - statische Energie (Kondensator) - dynamische Energie ( bewegte Ladung) d) elektromagnetische Energie Energie von elektromagnetischen Wellen/Strahlen (Sonnenstrahlen, Radiowellen, Wärmestrahlung, Mikrowellen) e) Kernenergie Bindungsenergie in den Atomkernen f) Wärmenergie Ungeordnete Bewegung der Teilchen (Atome/Moleküle)

1.2 Energieerhaltung Energieerhaltungssatz (EES): Energie kann weder erzeugt, noch vernichtet werden, sie kann lediglich von einer Form in die andere Form umgewandelt werden. Energie wird nicht verbraucht sondern entwertet.

2

1.3 Energiewandler und Wirkungsgrad

zugeführte

Energiewandler

abgeführte

Energie E kin

GENERATOR

Energie E el

a) Energiewandler:

Mechanisch Elektrisch Chemisch

Mechanische Getriebe E-Motor Muskel

Elektrische Generator Transformator Batterie

Thermisch

Dampfmaschine Thermoelemente

Chemische Akkulator

Thermische Bremsen E-Herd Explosion, Verbrennung, Ölheizung Wärmetauscher

b) Verluste bei der Energieumwandlung

E zu

ENERGIEWANDLER

E ab Verluste

c) Wirkungsgrad – ein Gütermaß für die Energieumwandlung abgeführte Energie Wirkungsgrad = Zugeführte Energie η=

E ab E zu

Der Wirkungsgrad eines Energiewandlers wird meist in Prozent angegeben.

3

η [%]=

E ab E zu

η < 100 % Beispiel einer Energiewandlungskette: E chem. Kohle

Feuerun gskessel

E therm Turbine

η1

η2

E kin

Generator

E el

η3

ηges=η1*η2*η3 η1= 0,85 η2= 0,45 η3= 0,98 ηges= 0,85*0,45*0,98 = 0,38 Das heißt: Von 100 t Kohle werden 38 t in elektrische Energie umgewandelt. Der Inhalt von 62 t geht bei der Umwandlung „verloren“. 1.4 Arten von Energie a) Primärenergie Energie, die von der Natur zur Verfügung gestellt wird. Die Stoffe in der die Energie gespeichert ist werden als Primärenergieträger bezeichnet. Fossile Energieträger: Kohle, Erdöl, Erdgas Kernbrennstoffe: Uran, Plutonium Regenerative Energieträger: Wind, Wasser, Holz, Biomasse, Erdwärme b) Sekundärenergieträger Die Primärenergieträger die nicht zum Transport geeignet sind, werden zu Sekundärenergieträger veredelt. Kohle

Briketts

4

Erdöl

Benzin, Diesel, Heizöl, Petrolium Elektr. Strom

c) Endenergie Sekundär – bzw. Primärenergieträger, der nicht mehr veredelt werden muss und direkt dem Endverbraucher zur Verfügung steht. d) Nutzenergie -

Wärme Mechanische Energie Licht Energie zur Information und Kommunikation

1.5 Energieflussdiagramm

30 % Nutzenergie

Verluste beim Verbraucher Nichtenergetischer Verbrauch Eigenbedarf Umwandlungsverluste

10% Primärenergie

Der nationale Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Primärenergie in Nutzenergie liegt bei 30 % Der internationale Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Primärenergie in Nutzenergie liegt bei 10 % National:

1 kw/h sparen = 3 kw/h weniger Primärnergie

5

International: 1 kw/h sparen = 10 kw/h weniger Primärenergie ENERGIESPAREN LOHNT SICH!!!

1.6 Physikalisch Grundlagen, Maßeinheiten a) Arbeit W=F*s Arbeit = Kraft * Weg [Nm] = [N] * [m] 1 Nm = 1 J (Joule) b) Energie Energie ist die Fähigkeit Arbeit zu verrichten. Wenn ein System Energie besitzt, ist in ihm Arbeit gespeichert. System

Zustand

Energie

Auto

Fahrend Stehend Hochbecken Talbecken Heiß Kalt

Groß Klein Groß Klein Groß Klein

Wassermengen Kochtopf

End E2 h=s E1 Anfang W = E2 – E1 = ∆E [J] c) Vorzeichenregelung ∆E > 0 (positives Vorzeichen) System wird Energie zugeführt

6

∆E< 0 (negatives Vorzeichen) System gibt Energie ab. d) Leistung P = W/t = ∆E/t Leistung = Arbeit/Zeit [W] = [J]/[s] W= P * t [J]= [W]*[s] 1 kw/h = 1000 W *(60min/h * 60s/min) = 3,6 * 10^6 Ws = 3,6 *10^6 J

3600s e) Wichtige Einheiten Die Steinkohleeinheit (SkE) 1kg SkE = 8,14 kw/h = 29,3 *10^6 J (Heizwert von 1kg Steinkohle) Einheit

1Ws=1Nm 1kw/h

1t SkE

In J

1

2,93*10^10 1,602*10^-19 4200

3,6*10^6

1 ev

1 kcal

f) Einheitenvorsätze

Vorsatz

Kilo

Kurzzeichen K Bedeutung 10^3

Mega

Giga

Tera

Peta

Exa

M 10^6

G 10^9

T 10^12

P 10^15

E 10^18

1.7 Wichtige Physikalische Formeln a) Potentielle Energie Epot = m*g*h

7

m= Masse in kg h= Höhe in m g= Fallbeschleunigung 9,8 m/s² b) Kinetische Energie Ekin = ½ m*v² v = Geschwindigkeit c) Elektrische Energie E = U*I*t U = Spannung in V I = Stromstärke in A t = Zeit in s d) Wärme Energie Q = c*m*∆T Q = in KJ C = spezifische Wärmekapazität KJ/kg*K ∆T in K

2 2.1 Energieverbrauch a) Weltweit - Der nach wie vor ungebremste Anstieg der Weltbevölkerung führt dazu, dass immer mehr Menschen Energie benötigen - Zusätzlich steigt auch der Pro-Kopf-Energieverbrauch. Während sich in den Industrieländern eine Stagnation des Pro-KopfEnergieverbrauchs auf hohem Niveau abzeichnet, sind in den weniger entwickelten Ländern große Steigerungsraten beim ProKopf-Energieverbrauch festzustellen Kernkraft (ab ca. 1963) b) Bundesrepublik Deutschland

8

- Stärkerer Anstieg des Endenergieverbrauchs in der Nachkriegszeit. Erster Einbruch 1973 als Folge der ersten Erdölkrise. Danach neuer Anstieg mit Maximum 1979 (2. Erdölpreiskrise), seither stagnierender Verbrauch. - Bis 1973 wächst der Anteil des Mineralöls stark an, seither wieder leicht rückläufig. Das Mineralöl hat aber nach wie vor den größten Einzelanteil (41% in 1995) bei der Deckung des Endenergieverbrauchs Deutschlands - Der Anteil der Steinkohle ist bis 1975 rückläufig; ab 1975 dann stagnierend - Die Nutzung des Schadstoffärmsten fossilen Energieträgers Erdgas setzt in größeren Umfang 1970 ein und steigt seither an. - Der Kernenergieanteil ist ab 1965 steigend, macht aber bei der Deckung des Gesamtprimärenergieverbrauchs nur etwa 10% aus (bei der Stromerzeugung liegt er wesentlich höher) - Der Anteil der regenerativen Energie ist gering Energieverbrauch in der Familie: Auto (33%), Heizung (51%), Warmwasserbereitung (9%), Haushaltgeräte (4%), Beleuchtung (1%)

3 3.1 Thermodynamische Grundbegriffe a) Thermodynamisches System Thermodynamisches System (Konkret)

GAS

Umgebung Systemgrenzen

Thermodynamisches System (Abstrakt) System

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b) Standardsystem Gasgefüllter Arbeitszylinder mit verschiedenen Kolben. - abgeschlossenes System Bsp.: Thermoflasche Def.: keine Wechselwirkung zur Umgebung (keine Wärm, keine Materie wird ausgetauscht) - geschlossenes System Bsp.: Heizkreislauf, Kühlschrank, Erde Def.: Austausch von Energie mit der Umgebung aber kein Austausch von Materie. Für die Technik relevant: Arbeitszylinder mit festeingeschlossenen Gas. - offenes System Bsp.: Ottomotor, Körper (Mensch) Def.: Energieaustausch mit der Umgebung und Materialaustausch möglich

- adiabates System System, das den Wärmeaustausch mit der Umgebung unterbindet. Materie und Energie dürfen in Form von (Energie) Arbeit die Systemgrenze nicht überschreiten.

Arbeitszylinder mit Styropor

GAS

c) Zustandsgrößen - Temperatur υ in °C T in K T= υ[°C] + 273,2 K υ= T – 273,2 K

10

In der Thermodynamik wird nur in K gerechnet. ∧ 0°C = 273 K - Druck (pressure) Kraft P=

[N] =

Fläche

[m²]

1N/m² = 1 Pa (Pascal) 1*10^5 Pa = 1 bar - atmosphärischer Druck 1 013 hPa = 1,013 bar

- Volumen V V = A * h (Grundfläche * Höhe) V[m³] 1m³ = 1000 l

h

A

3.2 Gleichgewichtszustand Ein System befindet sich im Gleichgewichtszustand, wenn sich seine Zustandsgrößen zeitlich nicht ändern und räumlich nicht verschieden sind. a) Zustandsänderung

11

Zustandänderung P1, T1, V1 Thermodynamischer Prozess Anfangszustand

P2, T2, V2 Endzustand

b) Gesetz von Boyle – Mariotte (T = const.) Druck und Volumen veränderbar, Temperatur aber bleibt konstant. p

Isotherme

V v-p – Diagramme p * v = const.

p1 * v1 = p2 * v2

c) Gesetz von Gay – Lussac (p = const.) T

Isochore

v V

V1

= Const. T

V2 = T1 T2

d) Gesetz von Amontons (v = konst.)

12

p

Isochore

T p/T = konst. p1/T1 = p2/T2

e) Zustandsgleichung für ideale Gase - Für eine beliebige Zustandsänderung Zustand 1

Zwischenzustand Isotherm T1=Tz

p1, v1, T1

isobar pz=p2 pz, vz, Tz

p1*v1 = p2*v2 vz/T1 = vz/Tz

vz = (vz*T1)/Tz

p1*v1 = (p2*v2*T1)/T2 (p1*v1)/T1 = (p2*v2)/T2

: T2 (p*v)/T = konst

(p*v)/T ist zwar konstant, aber nicht für alle Gase gleich (p*v)/T ist von der Gassorte und von der Masse abhängig (p*v)/T = m*Ri p*v = m*Ri*t

Zustand 2

*T Ri = allgemeine Gaskonstante

p2, v2, T2

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In der Thermodynamik werden oft Größen auf die Masse bezogen. Diese werden mit dem Wort „spezifisch“ bezeichnet und mit einem kleinen Buchstaben gekennzeichnet. Spezifisches Volumen v= V/m = 1/ς „Kehrwert der Rohdichte“ p*v = Ri*T

3.3 Isobare Prozess (p = konst.)

Wärmedicht ∆s Wärme wird zugeführt

p, v2

Zustand 1

Zustand 2

p 1

2

W

V Q12 = zugeführte Energie Verrichtete Arbeit im System: W = F*∆s p = F/A W = p* A * ∆s

p, v2

F= p*A

14

∆v = v1 – v2 W = p* ∆v

a) Vorzeichenbetrachtung ∆v ist im Beispiel positiv Def.: laut Buch 1.2 „Das Vorzeichen ist negativ wenn vom System Arbeit verrichtet wird.“ b) Arbeit eines Isobaren Prozesses: W12 = - p * ∆v = - p (v2 – v1) Man beachtet: Der Betrag der Arbeit ist gleich dem Flächeninhalt unter der Prozesskurve zwischen den Zuständen 1 und 2. Zahlenbeispiel S. 49 c) Wärme Q12 wird als Wärme dem System zugeführt Q12 = cp*m*∆T

cp= Druck bleibt Konstant

Benennung p, v, T werden als Zustandsgrößen bezeichnet W12, Q12 werden als Prozessgrößen bezeichnet

3.4 Isochore Prozess (v = konst.)

15

p1, v

p2, v

p ----------------------2 Q12

----------------------1 v

a) Arbeit Es wird keine mechanische Arbeit verrichtet W12 = 0 Keine Fläche unter der Prozesskurve b) Wärme Q12 wird dem System zugeführt Q12 = cv * m* ∆T Cv = spez. Wärmekapazität für isochoren Prozess cp > cv

3.5 Isotherme Prozess ( T = konst.) Beim isothermen Prozess muss die Temperatur konstant gehalten werden. In der Praxis nicht leicht, da die Temperatur bei : - Expansion abfällt (Feuerzeug Befüllung)

16

- Kompression steigt (Luftpumpe) Lösung: Reservoir

Q 12

p1

v1

T = konst. Der Arbeitszylinder wird mit guter Wärmeleitender Schale in ein Wasserbad gestellt, dass sozusagen als Reservoir die Wärme aufnimmt bzw. speichert. p * v = konst. y*x=1 y = 1/x

p

v

p * v = m* Ri * T p

v v1

v2

W12 = - m * Ri * T ∫1/v * d*v

= - m *Ri * T * [ln v]

W12 = - m *Ri * T * ln(v2/v1) = - m *Ri * T * ln (p1/p2)

17

- Spezifische Arbeit w12 = W12 / m

w12 = - Ri * T * ln (v2/v1) = - Ri * T * ln (p1/p2)

3.6 Adiabate Prozess Zustandsänderung ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung Häufige Prozesse von Maschinen z.B. Kompression eines Gases in einem Kolbenmotor Kompression läuft so schnell ab, dass kein Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet. Die adiabatengleichung: Kompression Gas

Temperaturanstieg (vgl. Isothermer Prozess)

T Isotherme Adiabate

v Graph steigt steiler als bei der Isotherme an. Adiabatenexponent: Κ= cp / cv “Kappa” a) Adaiabatengleichung

1 Tmin am effektivsten die Wärme in Arbeit umwandelt. Es gibt keinen Kreisprozess, der einen besseren, thermischen Wirkungsgrad aufweist. Prozessschritte: Wärme Q12 = - W12

1→ 2 Isotherme Expansion 2→ 3 Q23 = 0 adiabate Expansion 3→ 4 Q34 = - W34 Isotherme Kompression 4→ 1 Q41 = 0 adiabate Kompression Prozesskurve:

1 2

│WN│ 4 3

V4 V1

V3 V2

Der Carnotsche Wirkungsgrad: η = 1 – (Tmin/Tmax)

Arbeit W12 = - m*Ri*Tmax*ln(v2/v1) W23 = - (m*Ri)/(1-κ) * (Tmin-Tmax) W34 = -m*Ri*Tmin*ln(v4/v3) W41 = (m*Ri)/(1-κ) *(Tmax – Tmin)

24

4 4.1 Verbrennungsmotoren a) Ottomotor Aufbau: Einlassventil (EV), Auslassventil (AV), Kolben (K), Verbrennungsraum (VR), Pleuelstange (P), Kurbelwelle (KW), Zündkerze (Z) Funktionsweise: 1. Takt: Ansaugen ( 0 > 1; Isobare Prozess): Benzin-Luftgemisch wird vom Vergaser über das Einlassventil in den Zylinder angesaugt. Kolben bewegt sich nach unten. 2. Takt: Verdichten ( 1 > 2; Adiabate Prozess): Kolben bewegt sich nach unten und verdichtet bei geschlossenen Ventilen Gas und erwärmt es. 3. Takt: Arbeiten (2 > 3; Isochore Prozess): Im Moment der größten Verdichtung wird das Benzin-Luftgemisch durch die Zündkerze gezündet. (3 > 4; Adiabate Prozess) durch explosionsartige Verbrennung wird Kolben nach unten gedrückt, es wird an ihm Arbeit verrichtet. 4. Takt: Ausschieben (4 > 0; Isobare Prozess): Verbrannte Gase werden durch das geöffnete Auslassventil und die Kolbenbewegung nach oben ausgestoßen

b) Ottomotor Aufbau: Motorgehäuse, Kurbeltrieb, Motorsteuerung, Einspritzanlagen, Hilfseinrichtungen

25

Arbeitsweise: 1. Takt (Ansaugen): Frischluft wird durch Kolbenbewegung nach unten angesaugt. 2. Takt (Verdichten): Luft wird verdichtet und bis auf 900°C erhitzt (adiabate Kompression) 3. Takt (Arbeiten): Luft-Kraftstoffgemisch zündet selbst durch hohe Hitze. Kolben bewegt sich nach unten (adiabate Expansion) 4. Takt (Ausstoßen): Die unter Überdruck stehende Verbrennungsgase gelangen durch das Auslassventil in die Auspuffanlage. Verbrennungsverfahren: Indirekte Einspritzung: Kraftstoff-Luftgemisch gelangt über Umwege in den Brennraum (z.B. Vorkammerverfahren, Wirbelkammerverfahren). Direkte Einspritzung: Kraftstoff wird unter Hochdruck eingespritzt (z.B. Common Rail – Technik, Pumpe – Düsen Technik). Vorteile gegenüber Ottomotor: Weiter Drehzahlbereich, niedrige CO und HC – Emissionen, geringer CO2 – Ausstoß, geringer Kraftstoffverbrauch, höherer Nutzwirkungsgrad. Vergleich Otto – und Dieselmotor: Ottomotor Ansaugen u. Benzin – Verdichten Luftgemisch; Verdichtungstemp. unter Selbstzündetemp. Verdichtungsverhält 6 ... 12 nis Verbrennung Gleichraumverbrennu ng Wirkungsgrad εOtto= 1 – (1/ εκ-1) (theoret.) 25% - 30% Ottomotor

Dieselmotor Nur Luft wird angesaugt; Verdichtungstemp. über Selbstzündetemp.

12 ... 24 Gleichdruckverbrennung εDiesel = 1 – (1/εκ-1)*(φκ-1/κ(φ-1)) 35% - 50% Dieselmotor

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Indikatordiagramme

c) Wankelmotor Aufbau des Kreiskolbenmotors (KKM): - Gehäuse mit 8-förmiger Querschnittsform (Trichoidenkurve) - Läufer/Kreiskolben mit Bogendreiecksform, welcher die 3 Kammern voneinander trennt - Exzentner und Exzentnerwelle, welche Kraftübertragende Funktion besitzen Vorteile Hohe Leistung Leicht, durch geringe Teilchenzahl Geringer Raumbedarf Laufruhe wg. 2 rotierenden Teilen

4.2 Die Wärmepumpe Prinzip:

Nachteile Hoher Fertigungsaufwand und Kosten Hoher Schadstoffausstoß Hoher Verbrauch an Öl und Treibstoff

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Wie Kühlschrank, nur wird hier versucht Wärme zu gewinnen. Wärme kann auf verschiedene Art und Weise gewonnen werden: - Aus der Luft - Aus tieferen Erdbereich (PE-Rohre) - Wasser (Flüsse, Seen) Arbeitsschritte: 4 – 1; Verdampfer: Aufnehmen der Wärme aus Umgebung 1 – 2; Verdichter: Temperatur wird mit Hilfe eines Kompressors herauf gesetzt 2 – 3; Verflüssiger: Kältemittel gibt gespeicherte Wärme an Heizung ab 3 – 4; Entspannungsventil: Kältemittel wird entspannt Einsatzgebiete: - Heizung in Gebäuden - Warmwasserbereitung - Fußbodenheizung Vorteile: -

Energiegewinnung aus Erdwärme Billiger als Ölheizung Ersparnis von 50% gegenüber Heizung Emission von Kohlenstoffdioxid ist halb so hoch Platzersparnis Förderung durch Regierung

4.3 Turbolader Füllungsverbesserung durch: Luftfilter, Turbolader/Kompressor, NOSLachgaseinspritzung; Es gelangt mehr zündfähiges Gas in den Brennraum Mechanik und Elektronik: Chiptuning, Nockenwelle und Ventile, Hubraum; Verbesserung des Motors Abgasverbesserung: Fächerkrümmer, Auspuffanlage

4.4 Großtechnische Energiewandler Die Primärenergie ist im allgemeinen schlecht für den Endverbraucher nutzbar. Notwendigkeit:

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Primärenergie

Umwandlung

Sekundärenergie

Gründe: a) bessere Umwandlungsfähigkeit b) bessere Transportfähigkeit c) bessere Speicherfähigkeit

4.4.1 Elektrische Energie Dieser Energieträger erfüllt vorbildlich Punkt a) und b) Vorteile: -

gute Umwandlung in andere Energien (reine Exergie) Transport und Umwandlung sehr Umweltfreundlich Lässt sich aus Primärenergie erzeugen Masselos und nicht Stoffgebunden Rasche, saubere und mit geringen Verlusten verteilbar Gut messbar, steuerbar und regelbar In Kommunikationstechnik unverzichtbar

Nachteile: -

nicht in großen Mengen speicherbar wird von Wärmekraftmaschinen erzeugt (ηWKM niedrig) Kostenintensive (Stromleitungen, Kraftwerke) Leistungsgebunden

4.4.2 Primärenergie zur Stromerzeugung Wasserkraft (3,4%), Kernenergie (30,2%), Erdgas (6%), Heizöl (1%), Braunkohle (29,8%), Steinkohle (28%) Sonstige (1,6%); In Bayern überwiegt die Wasserkraft zur Stromerzeugung. Kohle, Kernenergie haben den größten Anteil bei der Stromerzeugung Einschub: Heizen mit regenerativen Energien

Definition

Pellets Gepresste Sägespäne

Hackschnitzel Naturbelassenes

Biogas Vergährte,

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Heizwert Kosten Lagerraum Größe

4,9 kWh/kg 3,5 ct/kWh 1kg = 0,9 m² D= 5-6 L= 10 – 25mm

Holz 3,7 kWh/kg 2,5 ct kWh 1kW = 1,6 – 2 m² 30 – 50 mm

organische Masse 4 – 7,5 kWh/m³ ----150 – 500m³ -----

4.5 Bedeutung der elektrischen Energie Spitzenlastbereich Mittellastbereich

Grundlastbereich Uhrzeit Kraftwerke für Lastbereiche: a) Grundlastbereich - Kraftwerke werden nicht abgeschaltet - Stromerzeugung ist relativ günstig (Primärenergie) - KW laufen mit konstanter Leistung Typen: Atomkraft-, Flusskraft- und Kohlekraftwerke (spez. Braunkohle) b) Mittellastbereich - Kraftwerke sind relativ gut zu steuern - Werden bei Bedarf zugeschaltet Typen: Steinkohlekraftwerke

c) Spitzenlastbereich - Kraftwerke müssen sehr schnell am Netz, und schnell vom Netz sein - Energieerzeugung ist relativ teuer Typen: Speicher-, Pumpspeicher- und Gasturbinenkraftwerke

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4.6 Kohlekraftwerk (KKW) Energieflussbild eines KKW

Turbine

Kessel

16% Kesselverluste

46% über Kühlturm

Generato r

2% Generator

2% Eigenbedarf

Leitungsverluste < 10% Endverbraucher ≈ 30%

5.

Radioaktivität

5.1 Strahlungsarten α – Strahlung (aus Heliumkernen; zwei Protonen und zweit Neutronen) β – Strahlung (Elektronenstrahlung; Neutron wandelt sich in ein Proton und Elektron um) γ – Strahlung ( Photonenstrahlung; elektromagnetische Wellen)

5.2 Kernspaltung - Beschießung eines Kernes (ungerader Massenzahl) mit Neutronen - Bildung eines Zwischenkernes - Neutronen werden Freitag

5.3 Kettenreaktion - Neutronen spalten U – 235 Kerne - Energie und Neutronen werden frei - Freigewordene Neutronen spalten wieder U – 235 Kerne

5.4 Wechselwirkung

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a) Spaltung - Gerade Massenzahl (schnelle Neutronen) - Ungerade Massenzahl (thermische Neutronen) b) Streuung - Neutron und Kern stoßen zusammen - Neutronen werden langsamer (vgl. Billardkugel) Moderator Stoffe: - schweres Wasser (H2O mit vielen Neutronen) - Beryllium - Grafit c) Absorption - Neutronen werden vom Kern eingefangen

d) Kernbrennstoffe Nur schwere Stoffe (U-235) Kernbrennstoffe bestehen aus: - 0,7 % thermischer Neutronen - 99,3 % U-238 - geringere Konzentrationen Brennelemente beschleunigen die Kettenreaktion

5.5 Reaktortypen a) Leichtwasserreaktoren (LWR) - leichtes Wasser wird als Moderator verwendet - Reaktordruckgefäß - Wasser dient als Kühlmittel und transportiert Wärme ab

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c) Siedewasserreaktoren (SWR) -

Brennelemente bringen Wasser zum Sieden Wasserdampf wird zur Turbine gebracht Nur ein Kreislauf Abschirmungen (Siehe 5.6)

d) Druckwasserreaktoren - Wärme wird aus Reaktor abtransportiert (Wasser siedet nicht, da der Druck zu hoch ist) - Wärme wird über Wärmetauscher abgegeben

5.6 Sicherheitsbarriere in Kernkraftwerken a) Der Brennstab Da bei der Kernspaltung in Siedewasserreaktoren heutzutage Uran-235 verwendet wird, ist der Brennstab von einer Zirkonium-Legierung mit einer Wandstärke von 0,65mm umhüllt. Das Material der Brennstäbe trennt den Kernbrennstoff vom Kühlmittel des Primärkreislaufes und verhindert dadurch, dass bei der Kernspaltung entstehenden radioaktiven Stoffe in den Kühlmittelkreislauf gelangen. Die Pellets die aus Uranoxid (UO2) gepresst, geschliffen und gesintert sind, werden in ein mit Endklappen versehendes, geschlossenes Rohr eingebracht. Die Pellets werden durch eine Druckfeder die von oben auf sie drückt zusammengehalten. Der Spaltungsraum verhindert ein Anwachsen des Gasdruckes im Brennstoff bei der Erwärmung.

b) Das Reaktordruckgefäß Das Reaktordruckgefäß ist ein zylindrischer Stahlbehälter der mit dem Rohrleitungssystem des Kühlmittels angeschlossen ist. Das Reaktordruckgefäß hat die Funktion der Strahlenabschirmung. Da bei der Vielzahl der Brennstäbe in einem Kernkraftwerk vereinzelte Undichtigkeiten Auftreten, können radiaktive Substanzen in das Kühlmittel gelangen. Außerdem befinden sich im Wasser zum Teil Neutronen aktivierte Korrosionsprodukte. Ein Austreten dieser Aktivitäten verhindert das Reaktordruckgefäß und die Wandungen des Kühlmittelkreises. Die Dichtigkeit der einzelnen Teile des Kühlmittelkreises wird durch besondere Verfahren (Ultraschall, Röntgenstrahlen) in regelmäßigen Zeitabständen

33

nachgewiesen. Damit das Kühlmittel nicht austreten kann werden geeignete technische Maßnahmen vorgesehen. c) Der Sicherheitsbehälter Der Sicherheitsbehälter umschließt das Reaktordruckgefäß und die daran liegenden Rohrleitungen. Bei Siedewasserreaktoren wird ein Sicherheitsbehälter mit Druckabbau verwendet, um sich einen niedrigeren Druck bei einem Kühlmittel Auslauf auslegen zu können. Die Wandstärke des Sicherheitsbehälters beträgt maximal 30mm. In cm-Abständen befindet sich an der Außenwand des Behälters noch zusätzlich eine Dickhaut, da solche Behälter nicht absolut gasdicht hergestellt werden können. Um unkontrollierte Aktivitätsabgabe zu verhindern, wird der Zwischenraum durch Absaugung ständig auf Unterdruck kontrolliert.

5.7 Der Transport und die Endlagerung von radioaktiven Material a) Der Castor Cask for Storage and Transport of radiokative Material

Sicherheitstest:

34

- Sturz aus 9m Höhe, Aufprall mit der Behälterkante auf ein unnachgiebiges Fundament - Sturz aus 1m Höhe auf einen 15cm dicken Metalldorn der mindestens 20m hoch ist - Feuer für 30min mindestens 800°C an allen Seiten des Castors - Drucksimulation, eine Stunde lang von einer Wassertiefe von 200m (21bar Umgebungsdruck) b) Endlager Deutschland hat zurzeit keine aktives Endlager! Endlager: Zwischenlager:

Morsleben, Asse, Konrad, Gorleben Ahaus, Greifswald, Rubenow, Gorleben

Sicherheitsanalysen Übewachungsmaßnahmen