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Forschungsreaktoren

Forschungsreaktoren Forschungsreaktoren werden zu Forschungszwecken eingesetzt und dienen im Gegensatz zu konventionellen Reaktoren nicht der Stromerzeugung. Derzeit sind sechs Forschungsreaktoren in Deutschland in Betrieb. In Forschungsreaktoren wird nicht die Wärmeenergie, sondern die Neutronenstrahlung genutzt (Neutronenquelle). Die erzeugten Neutron werden grundsätzlich für verschiedene Zwecke im Bereich von Technik und Medizin verwendet. In Forschungsreaktoren werden zum Beispiel das Verhalten von neuartigen Materialien wissenschaftlich und industriell analysiert, medizinische Anwendungen in der Strahlentherapie durchgeführt, spezielle radioaktive Isotope für die medizinische Diagnostik und Therapie hergestellt, sowie Studenten und das in der Nukleartechnik tätige (Nachwuchs-)Personal aus- und weitergebildet. Neutronen , die bei einer Spaltung von Uran im Reaktorkern produziert werden, haben typischerweise Energien von einigen Megaelektronenvolt und sind für experimentelle Zwecke wenig geeignet. Sie müssen erst abgebremst werden. Zum Abbremsen der Neutronen dient ein Moderator . Oft nimmt man hierfür Wasser oder Graphit. Durch die (elastischen) Zusammenstöße mit den einzelnen Atomen im Moderator verlieren Neutronen einen Teil ihrer Bewegungsenergie. Beim Verlassen des Moderators liegt die Energie der einzelnen Neutronen im Bereich von einigen Millielektronenvolt bis zu ungefähr 100 Millielektronenvolt (die Energie der abgebremsten Neutronen ist also rund 1 Milliarde mal geringer als die Energie der ursprünglichen schnellen Neutronen). Die abgebremsten Neutronen werden als thermische Neutronen bezeichnet und für experimentelle Nutzungen weitergeleitet. Unterschiede zum Leistungsreaktor (Kernkraftwerk) Verglichen mit einem Kernkraftwerk ist die Leistung eines Forschungsreaktors im Allgemeinen deutlich geringer. Entsprechend kleiner ist die eingesetzte Menge an Kernbrennstoff und die erzeugte Menge an radioaktivem Abfall. Daraus ergibt sich gegenüber einem Kernkraftwerk ein entsprechend vielfach geringeres Risikopotential. Forschungsreaktoren unterscheiden sich untereinander teilweise erheblich in der Bauart, der thermischen Leistung, dem verwendeten Kernbrennstoff, dem radioaktiven Inventar sowie dem Standort ( z.B. zentral in der Stadt oder in einem Vorort) und der Betriebsweise. Forschungsreaktoren in Deutschland In Deutschland befinden sich derzeit insgesamt 6 Forschungsreaktoren in Betrieb . Dazu gehören: 1 großer Schwimmbadreaktor: FRM II in Garching bei München mit einer thermischen Leistung von 20 Megawatt (MW ) . In Schwimmbadreaktoren ist der Reaktorkern in einem mit Wasser gefülltem Becken positioniert. Das Wasser erfüllt hier mehrere Funktionen gleichzeitig, u.a. dient es als Kühlmittel für den Reaktorkern und als Moderator für die Neutronen . Die Neutronen werden vom Kern aus durch Strahlrohre zu den einzelnen Experimentierstationen geleitet. Diese Reaktoren sind insbesondere für vielfältige Forschungsanwendungen und für Strahlentherapien geeignet. 1 TRIGA Mark II Reaktor in Mainz mit einer thermischen Leistung von 100 Kilowatt (kW). Von seiner Bauart zählt ein TRIGA-Reaktor (Englisch: T raining, R esearch, I sotopes, G eneral A tomic ) zu den kleinen Schwimmbadreaktoren. Seine Besonderheit sind die Brennelemente, die aus einer homogenen Mischung aus Brennstoff ( Uran ) und Moderator (Zirkonhydrid) bestehen. Daraus ergeben sich günstige Sicherheitseigenschaften, die für einen TRIGA charakteristisch sind: Der TRIGA weist einen prompten negativen Temperaturkoeffizient der Reaktivität auf. Das bedeutet, dass die Anzahl der Neutronen im Reaktorkern schnell abfällt, wenn die Temperatur des Reaktorkerns steigt. Dies wirkt bei einem Leistungsanstieg selbststabilisierend und ermöglicht eine relativ einfache Sicherheitsinstrumentierung und Steuerung des Reaktors. TRIGA-Reaktoren sind insbesondere für Isotopenherstellung und Neutronenaktivierungsanalyse n geeignet. 4 kleine Unterrichtsreaktoren, die sogenannten homogenen Null-Leistungs-Reaktoren: AKR-2 in Dresden mit einer thermischen Leistung von 2 Watt und 3 SURs (Siemens-Unterrichtsreaktoren) in Stuttgart, Furtwangen und Ulm mit einer thermischen Leistung von jeweils 100 Milliwatt (mW). Der Kern besteht bei diesen Unterrichtsreaktoren aus zylindrischen Polyethylenscheiben, in denen der Uranbrennstoff gleichmäßig verteilt ist. Aufgrund der geringen thermischen Leistung benötigen sie keine Kühlung. Die homogenen Null-Leistungs-Reaktoren eignen sich insbesondere für Lehr- und Ausbildungszwecke. Beispiel: Forschungs-Neutronenquelle FRM II in Garching bei München Der neueste und zugleich neutronenstärkste Forschungsreaktor in Deutschland ist die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) an der Technischen Universität München (TUM). Der Reaktor ging im Jahr 2005 in Routinebetrieb, so dass die Nutzer mit den ersten Experimenten beginnen konnten. Der FRM II ist ein Schwimmbadreaktor. Als Kühlmittel für den Kern dient hier Leichtwasser (normales Wasser) und als Moderator zum Abbremsen der schnellen Neutronen Schwerwasser (im Vergleich zum Leichtwasser werden hier die Wasserstoffatome durch deren schwereres Isotop, Deuterium, ersetzt). Der Reaktorkern besteht aus nur einem einzigen Brennelement , in dem 113 einzelne Brennstoffplatten mit kompakt eingebrachtem Uranbrennstoff angeordnet sind. Durch seine einzigartige Konstruktionsweise produziert der Reaktor mit einer vergleichsweise geringen thermischen Leistung von 20 Megawatt sehr viele Neutronen . Die Anzahl der thermischen Neutronen erreicht 800 Billionen pro Quadratzentimeter und pro Sekunde. Mit einer so großen Flussdichte von thermischen Neutronen gehört der FRM II zu den weltweit führenden Hochflussforschungsreaktoren und ermöglicht leistungsfähige Experimentiermethoden. Weil die große Flussdichte von Neutronen auch die Bestrahlungszeit der einzelnen Proben deutlich verkürzt, sind am FRM II auch sehr neutronenintensive Forschungsprojekte möglich. Genehmigung und Aufsicht Obwohl die Forschungsreaktoren ein vergleichsweise geringeres Risikopotential haben, unterliegen sie grundsätzlich den gleichen Anforderungen an das Genehmigungs- und Aufsichtsverfahren wie die Kernkraftwerke. In der Regel wird hier das für Kernkraftwerke entwickelte Regelwerk abhängig vom Risikopotential der jeweiligen Forschungsreaktoranlage abgestuft angewendet. Weitere Informationen Kerntechnische Anlagen in Deutschland "In Betrieb" Herunterladen (PDF, 118KB, barrierefrei⁄barrierearm) Kerntechnische Anlagen in Deutschland "In Stilllegung" Herunterladen (PDF, 234KB, barrierefrei⁄barrierearm) Forschungsreaktoren

Nuclear fusion

Nuclear fusion Nuclear fusion is the process of creating energy by fusing two atomic nuclei rather than splitting them. At present, nuclear fusion is a project for the future. It is not possible to predict when the first commercial power station will be able to generate electricity. Nuclear fusion has been under research for decades. The majority of research worldwide focusses on so-called deuterium-tritium fusion (D-T fusion) based on magnetic confinement fusion. In other words, nuclear fusion is to be achieved by means of a magnetic field . View of ‘ITER’, the world's most advanced prototype of a fusion reactor in France © pa/dpa/MAXPPP | Gilles Bader / Le Pictorium There are a handful of experimental facilities around the world that endeavour to generate energy by means of nuclear fusion. To date, however, not a single experimental facility exists anywhere in the world that uses nuclear fusion to produce more energy than it needs to operate, or that might even be able to generate electricity. ‘ITER’ is the most advanced prototype of a fusion reactor under construction worldwide: ‘ITER’ is intended to prove the technical feasibility of a nuclear fusion power plant, without any plans to generate electricity. A great deal of research and development is still needed before the ‘ITER’ fusion reactor prototype can become an electricity-generating experimental reactor. Recently published advances in the field of nuclear fusion, for example in the USA , relate to basic research findings regarding nuclear fusion based on laser fusion. This involves the use of high-energy lasers rather than a magnetic field to achieve fusion. It is currently impossible to predict whether or when the first commercial fusion power plant for generating electricity might be built. The following are examples of nuclear fusion research projects and their envisaged time horizons: In the plasma vessel of the Wendelstein 7-X experimental facility: The first plasma was generated there on 10 December 2015 © picture alliance/dpa | Stefan Sauer The ‘ITER’ experimental reactor has been under construction by an international consortium (China, EU , India, Japan, Korea, Russia and USA ) in Cadarache, France, since 2010. The experimental reactor is intended to prove the basic feasibility of a fusion power plant based on magnetic confinement fusion. This means that nuclear fusion is to be achieved technically by means of a magnetic field . The aim is to generate 500 megawatts of fusion power for longer than 300 seconds (5 minutes). The original plan was to achieve this goal by 2035-2040, but the project is facing considerable delays and cost increases. A new timetable is to be announced in 2024. 'ITER' is purely about fusion power and not about generating electricity. In addition to the ‘ITER’ test reactor, the EUROfusion consortium is pushing ahead with the development of the ‘DEMO’ (magnetic confinement fusion) fusion reactor prototype. Such a prototype is planned for Europe from 2050, and is expected to produce around 500 megawatts of electricity per year (in comparison: nuclear power plants approx. 1400 MW ). The EUROfusion consortium was founded in 2014. It is made up of state research institutions from EU member states (including several German ones) and Switzerland. With the ‘DEMO’ project, EUROfusion is researching a possible commercial utilisation of nuclear fusion. The Wendelstein 7-X, the world's largest experimental facility of the stellarator type, is operated in Greifswald. Its task is to investigate the suitability of this special type of construction for a fusion power plant. The main assembly of Wendelstein 7-X was completed in 2014 and the first plasma was generated on 10 December 2015. Wendelstein 7-X is purely an experimental facility for researching nuclear fusion. The facility is still a long way from being a prototype power plant. Numerous private companies around the world are currently pursuing the topic of nuclear fusion. Many of them intend to build experimental reactors by 2030-2035. Such claims are mostly mere declarations of intent and cannot be independently verified. Information: The IAEA has published the ‘IAEA World Fusion Outlook’ . In Germany, the promotion of nuclear fusion falls within the remit of the Ministry of Education and Research ( BMBF ). The BMBF published a ‘Position Paper on Fusion Research’ on 23 June 2023 (in German). What are the characteristics of nuclear fusion? A fusion process would generate significantly lower activity inventories than nuclear fission (nuclear power plant). According to the classification of the International Atomic Energy Agency ( IAEA ), no high- level radioactive waste would be produced. The radioactive fuel tritium (half-life 12.3 years) would become embedded in materials. Furthermore, the neutron radiation that occurs during nuclear fusion would activate components of the reactor (material-independent half-lives). This would result in the continued production of radionuclides, resulting in low- and intermediate- level radioactive residues, initially in the form of components of the fusion reactor. In the case of nuclear fusion, large quantities of low- and intermediate- level radioactive residues are to be expected. They would have to be further processed, stored temporarily and, in some cases, permanently disposed of safely. The fusion plasma will self-extinguish as soon as the energy supply is interrupted and, in contrast to a nuclear power plant, there is no significant production of residual heat. A catastrophic reactor accident with the same consequences as with a nuclear power plant is, therefore, practically impossible. A major radiological risk of nuclear fusion would be the use of the radioactive fuel tritium (half-life 12.3 years). And, as radioactive substances would be produced during nuclear fusion, there would be a basic radiological risk during the operation, maintenance and dismantling of plants, as well as in the event of possible incidents and accidents. Nuclear fusion is expected to consume a small three-digit kilogramme quantity of each fuel (deuterium and tritium) per year and gigawatt of electrical power plant output; however, this is only an assumption so far. (Source: ‘DEMO’ project, Gianfranco Federici from EUROfusion; FEC 2023; 16-21 October 2023, London, UK). By comparison, nuclear power plants require around 170 tonnes of uranium per year (= around 80,000 tonnes of rock). Nuclear fusion would reduce dependence on raw materials, as tritium fuel could be produced from small quantities of lithium in the fusion power plant itself. However, many questions remain unanswered regarding the breeding of tritium.

Atomkraftwerke in Deutschland

Atomkraftwerke in Deutschland Der weltweit am häufigsten in Atomkraftwerken eingesetzte Reaktortyp ist der Leichtwasserreaktor. Zu diesem Reaktortyp zählen Druckwasserreaktoren und Siedewasserreaktoren, die beide in Deutschland in Betrieb waren. Kernkraftwerke dienen der Energieerzeugung und werden mit verschiedenen Reaktortypen betrieben. Die Reaktortypen werden unterschieden nach dem eingesetzten Kernbrennstoff ( z.B. mit Natururan, mit angereichertem Uran -235, mit Thorium), Material für die Neutronenmoderation (Moderatoren bremsen freie, energiereiche Neutronen ab. Häufig wird Wasser als Moderator verwendet) und Kühlmittel zum Transport der Wärmeenergie, die bei der Kernspaltung entsteht ( z.B. Wasser aber auch Gase (z.B. Helium) oder Flüssigmetalle (z.B. Natrium oder Blei). Die gegenwärtig weltweit am meisten eingesetzten Reaktortypen sind Leichtwasserreaktoren. Als Moderator und Kühlmittel kommt bei diesen Anlagen Wasser zum Einsatz. Leichtwasserreaktoren werden unterschieden in Siedewasserreaktoren ( SWR ) und Druckwasserreaktoren ( DWR ). In der Vergangenheit waren in Deutschland sowohl DWR als auch SWR in Betrieb. Info: Leichtwasserreaktoren Die verschiedenen Reaktortypen unterscheiden sich durch das verwendete Kühlmittel (Wasser, Gas oder flüssiges Metall) und den eingesetzten Moderator (ein Stoff, der schnelle Neutronen abbremst und dadurch die Kettenreaktion der Kernspaltung erst ermöglicht und aufrechterhält - thermische Spaltung). Als Moderator kann Wasser oder auch Kohlenstoff in Form von Graphit verwendet werden. Leichtwasserreaktoren Leichtwasserreaktoren kommen weltweit am häufigsten zum Einsatz. Zu den Leichtwasserreaktoren gehören Druckwasserreaktoren und Siedewasserreaktoren. In Leichtwasserreaktoren wird normales Wasser (leichtes Wasser) zur Kühlung eingesetzt. Gleichzeitig dient das Wasser als Moderator . Ein Molekül Wasser (H 2 O) besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Besitzen beide Wasserstoffatome (H) im Kern nur ein Proton (positiv geladener Baustein), aber kein Neutron (ungeladener Baustein des Atomkerns), bezeichnet man die Verbindung mit Sauerstoff als "leichtes Wasser". Bei "schwerem Wasser" hingegen besitzen beide Wasserstoffatome im Kern ein Proton und ein Neutron. Diese Wasserstoffatome bezeichnet man auch als Deuterium - ein Isotop von Wasserstoff. Die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern bestimmen die Massenzahl eines Atomkerns. Die Wasserstoffatome von schwerem Wasser haben eine größere Masse (u≈2) als die Wasserstoffatome in leichtem Wasser (u≈1). Typen von Leichtwasserreaktoren Druckwasserreaktoren Druckwasserreaktoren ( DWR ) gehören wie die Siedewasserreaktoren zu den Leichtwasserreaktoren. Schematische Darstellung eines Druckwasserreaktors (DWR) © Deutsches Atomforum e. V. In Druckwasserreaktoren steht der Reaktordruckbehälter unter einem Druck von zirka 160 bar. Dieser hohe Druck verhindert das Sieden des Wassers im Hauptkühlmittelkreislauf (auch Primärkreislauf genannt) trotz der dort herrschenden Temperatur von etwa 320 Grad Celsius ( °C ). Der für die Stromerzeugung benötigte Dampf wird über Dampferzeuger in einem weiteren Kreislauf - dem Sekundärkreislauf - produziert und dann auf die Dampfturbine weitergeleitet. Primärkreislauf - Hauptkühlmittelkreislauf des DWR Hauptkühlmittelpumpen pumpen das Wasser des Primärkreislaufes in den Reaktordruckbehälter, wo es von unten nach oben durch den Reaktorkern strömt. Das erwärmte Wasser verlässt den Reaktordruckbehälter und strömt in einem Kreislauf durch die Heizrohre der Dampferzeuger zurück zu den Hauptkühlmittelpumpen. Sekundärkreislauf des DWR Das Wasser im Sekundärkreislauf nimmt die Wärme des Primärkreislaufes über die Dampferzeuger auf und erwärmt sich dadurch auf etwa 280 °C . Da im Sekundärkreislauf ein niedriger Druck herrscht (etwa 60 bar), siedet das Wasser. Der entstehende Dampf des Sekundärkreislaufes treibt die Dampfturbine an, die mit einem Generator verbunden ist. Dritter Kreislauf des DWR Der Wasserdampf des Sekundärkreislaufes gibt seine Energie an die Turbine ab und kondensiert in einem Kondensator wieder zu Wasser, das in die Dampferzeuger zurückgespeist wird. Die freigewordene Wärme im Kondensator wird über einen dritten Kreislauf, dem Hauptkühlwassersystem, an den Fluss oder den Kühlturm abgegeben. Radioaktive Stoffe nur im Primärkreislauf Der Reaktordruckbehälter und alle anderen Bestandteile des Primärkreislaufs befinden sich im Reaktorsicherheitsbehälter (Containment). Die Trennung von Hauptkühlmittel- und Sekundärkreislauf im DWR mittels Dampferzeuger verhindert, dass radioaktive Stoffe den Primärkreislauf verlassen können. Das Maschinenhaus mit dem Sekundärkreislauf, der Turbine und dem Generator enthält keine radioaktiven Stoffe. Bei einem Störfall greifen Sicherheitseinrichtungen, um einen sofortigen Gebäudeabschluss des Reaktorsicherheitsbehälters zu erreichen. Steuerung der Kernspaltung im DWR Die Anzahl der Kernspaltungen kann durch neutronenabsorbierendes Material begrenzt werden. Die Steuerstäbe des Reaktors, die neutronenabsorbierendes Material enthalten, werden elektromotorisch (Normalantrieb) von oben in den Reaktorkern eingefahren und regeln über die Eindringtiefe den Reaktor. Bei einer Schnellabschaltung fallen die Steuerstäbe durch die Schwerkraft in den Reaktorkern ein und beenden die Kettenreaktion. Neben den Steuerstäben wird zur Regulierung der Reaktivität im Reaktorkern eines Druckwasserreaktors dem Primärkreislauf Borsäure zugesetzt. Bor absorbiert Neutronen , so dass sich durch Veränderung der Borsäurekonzentration der Reaktor regeln lässt. Siedewasserreaktoren Schematische Darstellung eines Siedewasserreaktors (SWR) © Deutsches Atomforum e. V. Siedewasserreaktoren ( SWR ) gehören wie die Druckwasserreaktoren zur Baulinie der Leichtwasserreaktoren. Im Siedewasserreaktor herrscht im Reaktordruckbehälter im Vergleich zum Druckwasserreaktor ( DWR ) ein relativ geringer Druck (etwa 70 bar, somit circa halb so hoch wie im DWR ). Das Kühlmittel Wasser strömt von unten nach oben durch den Reaktorkern und führt dabei die in den Brennstäben entwickelte Wärme ab. Es verdampft bei etwa 290°C zum Teil oberhalb des Reaktorkerns (Dampfdom). Der entstehende Dampf wird über Dampftrockner, welche die im Wasserdampf enthaltene Feuchte abscheiden, direkt auf die Turbine geleitet und treibt diese an. Hauptkühlwassersystem Der "verbrauchte" Dampf, der einen großen Teil seiner Energie an die Turbine übertragen hat, wird im Kondensator durch einen weiteren Kreislauf (Hauptkühlwassersystem) abgekühlt, wieder zu Wasser kondensiert und durch Pumpen in den Reaktorkern zurückgespeist. Radioaktive Stoffe erreichen Turbine Aus dem Sicherheitsbehälter führen die Rohrleitungen (Frischdampf- und Speisewasserleitungen) in das Maschinenhaus. Da der Wasserdampf radioaktive Stoffe enthalten kann, können die Firschdampfleitungen, die Turbine, der Kondensator und die Speisewasserleitungen radioaktive Ablagerungen enthalten. Daher gehört beim SWR auch das Maschinenhaus zum Kontrollbereich der Anlage mit entsprechenden Schutzeinrichtungen (zum Beispiel Abschirmung der Turbine). Eine Reihe von Sicherheitseinrichtungen ist eingebaut, um bei einer Störung den Reaktor sofort vom Maschinenhaus zu trennen (sogenannter Durchdringungsabschluss). Steuerung der Kernspaltung im SWR Im Reaktordruckbehälter vermischen dort integrierte Umwälzpumpen das aus dem Kondensator zurückgepumpte Speisewasser mit dem im Reaktordruckbehälter nicht verdampften Wasser. Je nach Umwälzmenge des Kühlwassers verändert sich die Temperatur des Kühlmittels, das die Brennelemente durchströmt. Dadurch wird auch der Anteil an Dampf im Bereich des Reaktorkerns beeinflusst. Dampf hat eine geringere Moderationswirkung als Wasser. Je mehr Dampf im Bereich des Reaktorkerns vorhanden ist, desto weniger Kernspaltungen laufen ab und somit sinkt die Reaktorleistung (negativer Dampfblasenkoeffizient). Durch Änderung der Drehzahl der Umwälzpumpen kann die Reaktorleistung somit über den Anteil der Dampfblasen im Kühlwasser beeinflusst werden. Ein geringerer Kühlmitteldurchsatz senkt die Reaktorleistung durch Erhöhung des Dampfblasenanteils und umgekehrt. Die Steuerstäbe des Reaktors, die neutronenabsorbierendes Material (sogenanntes Neutronengift) enthalten, werden elektromotorisch (Normalantrieb) von unten in den Reaktorkern eingefahren und regeln den Reaktor. Bei einer Schnellabschaltung werden die Steuerstäbe pneumatisch in den Reaktorkern "eingeschossen" und beenden die Kettenreaktion. Typen von Leichtwasserreaktoren Druckwasserreaktoren Druckwasserreaktoren ( DWR ) gehören wie die Siedewasserreaktoren zu den Leichtwasserreaktoren. Schematische Darstellung eines Druckwasserreaktors (DWR) © Deutsches Atomforum e. V. In Druckwasserreaktoren steht der Reaktordruckbehälter unter einem Druck von zirka 160 bar. Dieser hohe Druck verhindert das Sieden des Wassers im Hauptkühlmittelkreislauf (auch Primärkreislauf genannt) trotz der dort herrschenden Temperatur von etwa 320 Grad Celsius ( °C ). Der für die Stromerzeugung benötigte Dampf wird über Dampferzeuger in einem weiteren Kreislauf - dem Sekundärkreislauf - produziert und dann auf die Dampfturbine weitergeleitet. Primärkreislauf - Hauptkühlmittelkreislauf des DWR Hauptkühlmittelpumpen pumpen das Wasser des Primärkreislaufes in den Reaktordruckbehälter, wo es von unten nach oben durch den Reaktorkern strömt. Das erwärmte Wasser verlässt den Reaktordruckbehälter und strömt in einem Kreislauf durch die Heizrohre der Dampferzeuger zurück zu den Hauptkühlmittelpumpen. Sekundärkreislauf des DWR Das Wasser im Sekundärkreislauf nimmt die Wärme des Primärkreislaufes über die Dampferzeuger auf und erwärmt sich dadurch auf etwa 280 °C . Da im Sekundärkreislauf ein niedriger Druck herrscht (etwa 60 bar), siedet das Wasser. Der entstehende Dampf des Sekundärkreislaufes treibt die Dampfturbine an, die mit einem Generator verbunden ist. Dritter Kreislauf des DWR Der Wasserdampf des Sekundärkreislaufes gibt seine Energie an die Turbine ab und kondensiert in einem Kondensator wieder zu Wasser, das in die Dampferzeuger zurückgespeist wird. Die freigewordene Wärme im Kondensator wird über einen dritten Kreislauf, dem Hauptkühlwassersystem, an den Fluss oder den Kühlturm abgegeben. Radioaktive Stoffe nur im Primärkreislauf Der Reaktordruckbehälter und alle anderen Bestandteile des Primärkreislaufs befinden sich im Reaktorsicherheitsbehälter (Containment). Die Trennung von Hauptkühlmittel- und Sekundärkreislauf im DWR mittels Dampferzeuger verhindert, dass radioaktive Stoffe den Primärkreislauf verlassen können. Das Maschinenhaus mit dem Sekundärkreislauf, der Turbine und dem Generator enthält keine radioaktiven Stoffe. Bei einem Störfall greifen Sicherheitseinrichtungen, um einen sofortigen Gebäudeabschluss des Reaktorsicherheitsbehälters zu erreichen. Steuerung der Kernspaltung im DWR Die Anzahl der Kernspaltungen kann durch neutronenabsorbierendes Material begrenzt werden. Die Steuerstäbe des Reaktors, die neutronenabsorbierendes Material enthalten, werden elektromotorisch (Normalantrieb) von oben in den Reaktorkern eingefahren und regeln über die Eindringtiefe den Reaktor. Bei einer Schnellabschaltung fallen die Steuerstäbe durch die Schwerkraft in den Reaktorkern ein und beenden die Kettenreaktion. Neben den Steuerstäben wird zur Regulierung der Reaktivität im Reaktorkern eines Druckwasserreaktors dem Primärkreislauf Borsäure zugesetzt. Bor absorbiert Neutronen , so dass sich durch Veränderung der Borsäurekonzentration der Reaktor regeln lässt. Siedewasserreaktoren Schematische Darstellung eines Siedewasserreaktors (SWR) © Deutsches Atomforum e. V. Siedewasserreaktoren ( SWR ) gehören wie die Druckwasserreaktoren zur Baulinie der Leichtwasserreaktoren. Im Siedewasserreaktor herrscht im Reaktordruckbehälter im Vergleich zum Druckwasserreaktor ( DWR ) ein relativ geringer Druck (etwa 70 bar, somit circa halb so hoch wie im DWR ). Das Kühlmittel Wasser strömt von unten nach oben durch den Reaktorkern und führt dabei die in den Brennstäben entwickelte Wärme ab. Es verdampft bei etwa 290°C zum Teil oberhalb des Reaktorkerns (Dampfdom). Der entstehende Dampf wird über Dampftrockner, welche die im Wasserdampf enthaltene Feuchte abscheiden, direkt auf die Turbine geleitet und treibt diese an. Hauptkühlwassersystem Der "verbrauchte" Dampf, der einen großen Teil seiner Energie an die Turbine übertragen hat, wird im Kondensator durch einen weiteren Kreislauf (Hauptkühlwassersystem) abgekühlt, wieder zu Wasser kondensiert und durch Pumpen in den Reaktorkern zurückgespeist. Radioaktive Stoffe erreichen Turbine Aus dem Sicherheitsbehälter führen die Rohrleitungen (Frischdampf- und Speisewasserleitungen) in das Maschinenhaus. Da der Wasserdampf radioaktive Stoffe enthalten kann, können die Firschdampfleitungen, die Turbine, der Kondensator und die Speisewasserleitungen radioaktive Ablagerungen enthalten. Daher gehört beim SWR auch das Maschinenhaus zum Kontrollbereich der Anlage mit entsprechenden Schutzeinrichtungen (zum Beispiel Abschirmung der Turbine). Eine Reihe von Sicherheitseinrichtungen ist eingebaut, um bei einer Störung den Reaktor sofort vom Maschinenhaus zu trennen (sogenannter Durchdringungsabschluss). Steuerung der Kernspaltung im SWR Im Reaktordruckbehälter vermischen dort integrierte Umwälzpumpen das aus dem Kondensator zurückgepumpte Speisewasser mit dem im Reaktordruckbehälter nicht verdampften Wasser. Je nach Umwälzmenge des Kühlwassers verändert sich die Temperatur des Kühlmittels, das die Brennelemente durchströmt. Dadurch wird auch der Anteil an Dampf im Bereich des Reaktorkerns beeinflusst. Dampf hat eine geringere Moderationswirkung als Wasser. Je mehr Dampf im Bereich des Reaktorkerns vorhanden ist, desto weniger Kernspaltungen laufen ab und somit sinkt die Reaktorleistung (negativer Dampfblasenkoeffizient). Durch Änderung der Drehzahl der Umwälzpumpen kann die Reaktorleistung somit über den Anteil der Dampfblasen im Kühlwasser beeinflusst werden. Ein geringerer Kühlmitteldurchsatz senkt die Reaktorleistung durch Erhöhung des Dampfblasenanteils und umgekehrt. Die Steuerstäbe des Reaktors, die neutronenabsorbierendes Material (sogenanntes Neutronengift) enthalten, werden elektromotorisch (Normalantrieb) von unten in den Reaktorkern eingefahren und regeln den Reaktor. Bei einer Schnellabschaltung werden die Steuerstäbe pneumatisch in den Reaktorkern "eingeschossen" und beenden die Kettenreaktion.

Kernfusion

Kernfusion Bei der Kernfusion wird die Energie nicht durch Spaltung sondern durch Verschmelzung zweier Atomkerne gewonnen. Derzeit ist die Kernfusion ein Zukunftsprojekt. Wann ein erstes kommerzielles Kraftwerk zur Stromerzeugung realisiert werden könnte, lässt sich nicht prognostizieren. Die Kernfusion befindet sich seit Jahrzehnten im Stadium der Erforschung. Wissenschaftler:innen weltweit forschen mehrheitlich an der sogenannten Deuterium- Tritium -Fusion (D-T Fusion), auf Basis der Magnetfusion. Das heißt, dass die Kernfusion technisch mittels eines Magnetfeldes realisiert werden soll. Blick auf „ITER“, den weltweit fortgeschrittensten Prototyp eines Fusionsreaktors in Frankreich © pa/dpa/MAXPPP | Gilles Bader / Le Pictorium Es existieren weltweit eine Handvoll Experimentiereinrichtungen, die mit Hilfe der Kernfusion versuchen, Energie zu erzeugen. Weltweit existiert bis heute jedoch keine Versuchsanlage, die mittels Kernfusion mehr Energie erzeugt als freisetzt als sie für ihren Betrieb benötigt, oder die gar Strom erzeugen könnte. Mit „ITER“ ist weltweit der fortgeschrittenste Prototyp eines Fusionsreaktors im Bau: „ITER“ soll die technische Machbarkeit eines Kernfusionskraftwerks demonstrieren, wobei eine Stromerzeugung nicht geplant ist. Von dem Prototyp eines Fusionsreaktors „ITER“ hin zu einem stromerzeugenden Versuchsreaktor muss noch viel Forschung und Entwicklung stattfinden. Jüngst öffentlich vermeldete Fortschritte beim Thema Kernfusion, zum Beispiel in den USA , betreffen Ergebnisse aus der Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Kernfusion auf Basis der Laserfusion. Hierbei wird die Fusion nicht mittels eines Magnetfeldes, sondern mittels hochenergetischer Laser realisiert. Es ist derzeit nicht prognostizierbar, ob oder wann ein erstes kommerzielles Fusionskraftwerk zur Stromerzeugung realisiert werden könnte. Im Folgenden finden Sie exemplarische Kernfusions-Forschungsprojekte und deren anvisierte Zeithorizonte: Im Plasmagefäß der Experimentieranlage Wendelstein 7-X: Das erste Plasma wurde dort am 10. Dezember 2015 erzeugt. © picture alliance/dpa | Stefan Sauer Seit 2010 wird durch ein internationales Konsortium (China, EU , Indien, Japan, Korea, Russland und USA ) im französischen Cadarache der Versuchsreaktor „ITER“ errichtet. Der Versuchsreaktor soll die prinzipielle Machbarkeit eines Fusionskraftwerks, basierend auf der Magnetfusion, demonstrieren. Das heißt, dass die Kernfusion technisch mittels eines Magnetfeldes realisiert werden soll. Ziel ist, 500 Megawatt Fusionsleistung für länger als 300 Sekunden (5 Min.) erzeugen zu können. Geplant war dieses Ziel ursprünglich bis 2035-2040 zu realisieren, das Projekt ist jedoch mit erheblichen Zeit- und Kostensteigerungen konfrontiert. Für 2024 ist ein neuer Zeitplan angekündigt. Bei „ITER“ geht es rein um Fusionsleistung und nicht darum, Strom zu erzeugen. Begleitend zu dem „ITER“-Versuchsreaktor wird durch das Konsortium EUROfusion die Entwicklung des Fusionsreaktor-Prototyps „DEMO“ (Magnetfusion) vorangetrieben. Geplant ist ein solcher Prototyp in Europa ab 2050. Er soll jährlich rund 500 Megawatt Strom produzieren (zum Vergleich: AKW ca. 1400 MW ). Das Konsortium EUROfusion wurde 2014 gegründet. Es besteht aus staatlichen Forschungseinrichtungen aus EU -Mitgliedsstaaten ( u.a. mehrere deutsche) und der Schweiz. EUROfusion forscht mit dem Projekt „DEMO“ an einer möglichen kommerziellen Nutzung der Kernfusion. In Greifswald wird mit dem Wendelstein 7-X die weltweit größte Experimentieranlage vom Typ Stellarator betrieben. Ihre Aufgabe ist es, die Eignung dieses speziellen Bautyps für ein Fusionskraftwerk zu untersuchen. Die Hauptmontage von Wendelstein 7-X wurde 2014 abgeschlossen, das erste Plasma wurde am 10. Dezember 2015 erzeugt. Der Wendelstein 7-X ist eine reine Experimentalanlage zur Erforschung von Kernfusion. Die Anlage ist noch weit von einem Prototyp -Kraftwerk entfernt. Aktuell verfolgen weltweit zahlreiche private Unternehmen das Thema Kernfusion. Diese Unternehmen nehmen sich vielfach vor, Versuchsreaktoren schon bis 2030-2035 zu realisieren. Diese Angaben sind meist reine Absichtserklärungen und nicht unabhängig überprüfbar. Hinweise: Die IAEA hat den „ IAEA W orld Fusion Outlook“ veröffentlicht. In Deutschland liegt die Förderung der Kernfusion im Verantwortungsbereich des Ministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) . Das BMBF hat am 23.06.2023 ein „Positionspapier Fusionsforschung“ veröffentlicht. Fragen und Antworten zur Kernfusion Wie funktioniert die Kernfusion? Ein Computerbild zeigt das erste Plasma aus der Experimentieranlage Wendelstein 7-X. © picture alliance / dpa | Stefan Sauer Vor etwa hundert Jahren wurde die Kernfusion als Energiequelle der Sonne entdeckt. Bei der Kernfusion werden zwei Atomkerne verschmolzen, im Gegensatz dazu werden bei der Kernspaltung ( AKW ) Atomkerne gespalten. Durch die Verschmelzung zweier Atomkerne kann Energie freigesetzt werden, bei der pro Reaktion im Vergleich zur Verbrennung fossiler Brennstoffe eine millionenfach höhere Energiefreisetzung stattfindet. Um den Kernfusionsprozess in einem Fusionsreaktor in Gang setzen zu können, muss das sogenannte Fusionsplasma, ein geeignetes Stoffgemisch auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden, für z.B. Deuterium- Tritium auf Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius. Bisher ist es noch nicht gelungen, aus dem Kernfusionsprozess nutzbare Energie zu gewinnen. Wissenschaftler:innen weltweit forschen mehrheitlich an der sogenannten Deuterium-Tritium-Fusion (D-T Fusion), auf Basis der Magnetfusion. Das heißt, dass die Kernfusion technisch mittels eines Magnetfeldes realisiert werden soll. Bei der D-T Fusion werden die chemischen Elemente Deuterium (nicht radioaktiv) und das radioaktive Tritium als Brennstoffe verwendet. Deuterium und Tritium sind Isotope des Elements Wasserstoff. Zunehmend werden alternative Konzepte wie z.B. die Laserfusion für die Energieerzeugung verfolgt. Hierbei wird die Fusion nicht mittels eines Magnetfeldes, sondern mittels energiereicher Laser realisiert. Bei der Fusion eines D- und T-Kerns entsteht ein Helium-Kern und ein Neutron . Das Neutron trägt die freigewordene Energie in Form von Bewegungsenergie (Neutronenstrahlung). Die Energie des Helium-Kerns wird dazu verwendet, die Plasmatemperatur aufrecht zu erhalten, jedoch ist zusätzlich noch Heizenergie nötig. Zudem muss das Plasma durch ein Magnetfeld – im Fall der Magnetfusion - eingeschlossen werden. Die Fusionsreaktion verläuft dann im Plasma des erhitzten D- T -Gemischs, welches sich in einer Vakuumkammer befindet. Um dann Strom erzeugen zu können, soll die Energie des Neutrons bzw. der Neutronenstrahlung in speziellen Bauteilen, sogenannten Blanket, in Wärme umgewandelt werden. Die Wärme soll dann mittels eines Kühlmediums und durch Wärmetauscher eine Turbine zur Stromerzeugung antreiben – ähnlich wie in einem konventionellen AKW oder konventionellen fossilen Kraftwerken. Für ein mögliches Kraftwerk mit 1000 Megawatt elektrischer Leistung werden für die D- T Fusion die Brennstoffe Deuterium und Tritium jeweils in einer kleinen dreistelligen Kilogrammmenge pro Jahr veranschlagt; jedoch sind dies bislang nur Annahmen. (Quelle: „DEMO“-Projekt, Gianfranco Federici von EUROfusion; FEC 2023; 16.-21.10.2023, London, UK) Zum Vergleich: AKW benötigen jährlich rund 170 Tonnen Uran (= rund 80.000 Tonnen Gestein). Der Rohstoff Deuterium wird aus Wasser gewonnen. Das radioaktive und leicht flüchtige Wasserstoffisotop Tritium mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren muss im Blanket erbrütet (=kernphysikalische Reaktion) werden. Wie das Erbrüten des Tritiums realisiert werden soll, dazu gibt es noch viele ungelöste technische Fragen. Welche radioaktiven Abfälle entstehen bei der Kernfusion? Obwohl es bei der Kernfusion auch darum geht, langlebige Abfälle zu vermeiden, werden dennoch radioaktive Stoffe mit längerlebigen Nukliden entstehen, vor allem dadurch, dass Neutronen auf bestimmte Legierungsbestandteile in den Bauteilen treffen. Deshalb fällt auch bei der Kernfusion schwach- ( LAW ) und zu einem geringen Anteil auch mittelradioaktiver Abfall ( MAW ) an. Hochradioaktiver Abfall entstünde nicht, was ein klarer Vorteil dieser Energieerzeugung gegenüber heutigen Atomkraftwerken wäre. Allein schon aufgrund seiner Größe ist bei Fusionsreaktoren insgesamt – sowohl im Betrieb, als auch im Rückbau - mit größeren Mengen dieser schwach- und mittelradioaktiven Reststoffen zu rechnen, als bei einem konventionellen Atomkraftwerk (Beispiel: Vakuumbehälter Fusionsreaktor „ITER“ ca. 5000t (ohne Einbauten); AKW -Reaktordruckbehälter ca. 500t). Unter anderem der radioaktive Brennstoff Tritium trägt zu einer größeren Abfallmenge bei, da sich Tritium leicht in Baumaterialien einlagert und dadurch mehr radioaktive Abfälle entstünden. Zu der großen Abfallmenge trägt zudem bei, dass wegen dem Verschleiß der Materialien damit gerechnet wird, dass manche Anlagenkomponenten teilweise oder ganz alle fünf bis zehn Jahre ausgetauscht werden müssen. Gemäß Studien würden z.B. für den Versuchsreaktor „DEMO“ von EUROfusion bei einer Lebensdauer von 20 Jahren potentiell bis zu 50.000 Tonnen radioaktive Abfälle anfallen, die zwischen- oder endgelagert werden müssten (Quelle: Committee on Radioactive Waste Management (CoRWM), November 2021, London, UK). Diese radioaktiven Reststoffe müssten abklingen und sicher verwahrt werden. Wiederum ein Teil davon müsste möglicherweise auch über einen längeren Zeitraum (>100 Jahre) hinaus sicher eingelagert werden. Klar ist also, dass bei der Kernfusion größere Mengen schwach- und zum Teil auch mittelradioaktive Abfälle entstehen werden, die sicher verwahrt werden müssen. In welchem Umfang Abfälle entstehen die dauerhaft sicher einlagert werden müssen, wird abhängig von den im Fusionsreaktor eingesetzten Materialien sein und ist Gegenstand von Forschung und Entwicklung. Welche Sicherheitsrisiken gibt es bei der Kernfusion? Das radioaktive Tritium , Bestandteil des Brennstoffs bei der D- T Fusion, ist ein radiologisches Risiko für das Personal eines möglichen Fusionsreaktors. Das Personal wäre zudem auch durch aktivierte Bauteile in einem solchen Reaktor belastet. Da bei der Kernfusion radioaktive Stoffe entstehen, bestehen also grundsätzlich radiologische Risiken für das Personal bei Betrieb, Wartung und Demontage von Anlagen. Im Vergleich zur Kernspaltung entstehen bei der Kernfusion jedoch wesentlich geringere Aktivitätsinventare bei Bauteilen und Materialien im Reaktor und auch keine hochradioaktiven Abfälle . Ein katastrophales Reaktorunglück, mit Folgen wie bei einem AKW , ist zudem praktisch nicht möglich, da das Fusionsplasma in einem Störfall selbstständig erlischt und im Gegensatz zu KKW keine Nennenswerte Nachwärmeproduktion erfolgt. Da bei der Kernfusion kein Spaltmaterial eingesetzt wird, ist das diesbezügliche von Anlagen zur Kernspaltung - beispielsweise Kernkraftwerken - unmittelbar ausgehende Proliferationsrisiko nicht gegeben. Jedoch stellt der Brennstoff Tritium eine wesentliche Komponente in modernen Kernwaffen dar. Zudem könnte ein Fusionsreaktor missbräuchlich für das Erbrüten von spaltbaren Materialien für den Kernwaffenbau verwendet werden. Mögliche Proliferationspotentiale gilt es somit zu beobachten und unter ein wirksames internationales Kontrollregime zu stellen. Welche Regeln könnten für künftige Fusionsreaktoren gelten? Fällt die Kernfusion unter Atomrecht? Stellaratorspule Wendelstein 7-AS im Zukunftsmuseum in München: Auch ein rechtlich bindendes Reglement für die Kernfusion ist Aufgabe für die Zukunft. © picture alliance/dpa | Daniel Karmann Ob zukünftige Fusionsreaktoren nach Atomrecht behandelt werden, ist noch offen. Der Versuchsreaktor „ITER“ in Frankreich ist bislang das einzige Projekt weltweit mit einem Bezug zur technisch nutzbaren Energieerzeugung. Jedoch geht es auch bei „ITER“ bislang rein um Fusionsleistung und nicht darum, Strom zu erzeugen. Alle anderen Fusionsprojekte haben noch keinen Bezug zur technisch nutzbaren Energieerzeugung, die Frage nach einem fusionsspezifischen Regelwerk hat sich bisher noch nicht gestellt. Großbritannien und die USA beabsichtigen jedoch, künftige Versuchsfusionsreaktoren nicht unter Atomrecht zu stellen. Aus regulatorischer Sicht sind bei der Kernfusion im Vergleich zur Kernspaltung die maximalen radiologischen Folgen eines Unfalls zwar erheblich kleiner anzusetzen, jedoch würden die Unterschiede zwischen einem Fusionsreaktor und einem Atomkraftwerk erfordern, dass das Regelwerk für den sicheren Bau, Betrieb, Stilllegung und Abbau für Fusionskraftwerke erheblich angepasst oder neu aufgesetzt wird. Zu diesem Schluss kommt die Gesellschaft für Reaktorsicherheit in einer 2022 veröffentlichten Studie, die von der Europäischen Atomgemeinschaft ( EURATOM ) in Auftrag gegeben wurde. Ein solches Regelwerk für die Kernfusion existiert bislang nicht. Die Internationale Atomenergie-Organisation ( IAEO ) beabsichtigt für die Kernfusion Sicherheitsstandards zu entwickeln. Auch hinsichtlich eines Proliferationsrisikos, das heißt dem Missbrauch von Kernfusionsanlagen für den Erwerb von Kernwaffen, diskutieren u.a. die Internationale Atomenergie-Organisation ( IAEO ) und wissenschaftliche Organisationen derzeit Konzepte zum Umgang hiermit. Es gibt bislang kein rechtlich bindendes Reglement. Was sind die Charakteristika der Kernfusion? Bei einem Fusionsprozess entstünden wesentlich geringere Aktivitätsinventare als bei der Kernspaltung ( AKW ). Es entstünde gemäß der Klassifikation der Internationalen Atomenergie-Organisation ( IAEO ) kein hochradioaktiver Abfall. Der radioaktive Brennstoff Tritium ( Halbwertszeit 12,3 Jahre) würde sich in Materialien einlagern. Auch die bei der Kernfusion stattfindende Neutronenstrahlung würde Bauteile des Reaktors aktivieren (materialunabhängige Halbwertszeiten). Somit entstünden also weiterhin Radionuklide und somit schwach- und mittelradioaktive Reststoffe, zuerst in Form von Bauteilen des Fusionsreaktors. Bei der Kernfusion ist mit großen Mengen an schwach- und mittelradioaktiven Reststoffen zu rechnen, die weiterverarbeitet, zwischen- und teilweise dauerhaft sicher endgelagert werden müssten. Das Fusionsplasma erlischt selbstständig, sobald die Energiezufuhr unterbrochen ist und im Gegensatz zur Kernspaltung erfolgt keine nennenswerte Nachwärmeproduktion. Ein katastrophales Reaktorunglück mit Folgen wie bei einem AKW ist daher praktisch nicht möglich. Ein grundsätzliches radiologisches Risiko der Kernfusion wäre der verwendete radioaktive Brennstoff Tritium ( Halbwertszeit 12,3 Jahre). Und da bei der Kernfusion radioaktive Stoffe entstünden, würden grundsätzliche radiologische Risiken bei Betrieb, Wartung und Demontage von Anlagen bestehen sowie bei möglichen Stör- und Unfallszenarien. Bei der Kernfusion wird voraussichtlich eine kleine dreistellige Kilogrammmenge je Brennstoff (Deuterium und Tritium ) pro Jahr und Gigawatt elektrischer Kraftwerksleistung verbraucht; jedoch sind dies bislang nur Annahmen. (Quelle: „DEMO“-Projekt, Gianfranco Federici von EUROfusion; FEC 2023; 16.-21.10.2023, London, UK). Zum Vergleich: AKW benötigen jährlich rund 170 Tonnen Uran (= rund 80.000 Tonnen Gestein). Die Kernfusion würde die Rohstoffabhängigkeit verringern, da der Brennstoff Tritium im Fusionskraftwerk aus geringen Mengen von Lithium selbst erzeugt werden könnte. Zur Erbrütung von Tritium gibt es jedoch noch viele ungelöste Fragen. Fragen und Antworten zur Kernfusion Wie funktioniert die Kernfusion? Ein Computerbild zeigt das erste Plasma aus der Experimentieranlage Wendelstein 7-X. © picture alliance / dpa | Stefan Sauer Vor etwa hundert Jahren wurde die Kernfusion als Energiequelle der Sonne entdeckt. Bei der Kernfusion werden zwei Atomkerne verschmolzen, im Gegensatz dazu werden bei der Kernspaltung ( AKW ) Atomkerne gespalten. Durch die Verschmelzung zweier Atomkerne kann Energie freigesetzt werden, bei der pro Reaktion im Vergleich zur Verbrennung fossiler Brennstoffe eine millionenfach höhere Energiefreisetzung stattfindet. Um den Kernfusionsprozess in einem Fusionsreaktor in Gang setzen zu können, muss das sogenannte Fusionsplasma, ein geeignetes Stoffgemisch auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden, für z.B. Deuterium- Tritium auf Temperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius. Bisher ist es noch nicht gelungen, aus dem Kernfusionsprozess nutzbare Energie zu gewinnen. Wissenschaftler:innen weltweit forschen mehrheitlich an der sogenannten Deuterium-Tritium-Fusion (D-T Fusion), auf Basis der Magnetfusion. Das heißt, dass die Kernfusion technisch mittels eines Magnetfeldes realisiert werden soll. Bei der D-T Fusion werden die chemischen Elemente Deuterium (nicht radioaktiv) und das radioaktive Tritium als Brennstoffe verwendet. Deuterium und Tritium sind Isotope des Elements Wasserstoff. Zunehmend werden alternative Konzepte wie z.B. die Laserfusion für die Energieerzeugung verfolgt. Hierbei wird die Fusion nicht mittels eines Magnetfeldes, sondern mittels energiereicher Laser realisiert. Bei der Fusion eines D- und T-Kerns entsteht ein Helium-Kern und ein Neutron . Das Neutron trägt die freigewordene Energie in Form von Bewegungsenergie (Neutronenstrahlung). Die Energie des Helium-Kerns wird dazu verwendet, die Plasmatemperatur aufrecht zu erhalten, jedoch ist zusätzlich noch Heizenergie nötig. Zudem muss das Plasma durch ein Magnetfeld – im Fall der Magnetfusion - eingeschlossen werden. Die Fusionsreaktion verläuft dann im Plasma des erhitzten D- T -Gemischs, welches sich in einer Vakuumkammer befindet. Um dann Strom erzeugen zu können, soll die Energie des Neutrons bzw. der Neutronenstrahlung in speziellen Bauteilen, sogenannten Blanket, in Wärme umgewandelt werden. Die Wärme soll dann mittels eines Kühlmediums und durch Wärmetauscher eine Turbine zur Stromerzeugung antreiben – ähnlich wie in einem konventionellen AKW oder konventionellen fossilen Kraftwerken. Für ein mögliches Kraftwerk mit 1000 Megawatt elektrischer Leistung werden für die D- T Fusion die Brennstoffe Deuterium und Tritium jeweils in einer kleinen dreistelligen Kilogrammmenge pro Jahr veranschlagt; jedoch sind dies bislang nur Annahmen. (Quelle: „DEMO“-Projekt, Gianfranco Federici von EUROfusion; FEC 2023; 16.-21.10.2023, London, UK) Zum Vergleich: AKW benötigen jährlich rund 170 Tonnen Uran (= rund 80.000 Tonnen Gestein). Der Rohstoff Deuterium wird aus Wasser gewonnen. Das radioaktive und leicht flüchtige Wasserstoffisotop Tritium mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren muss im Blanket erbrütet (=kernphysikalische Reaktion) werden. Wie das Erbrüten des Tritiums realisiert werden soll, dazu gibt es noch viele ungelöste technische Fragen. Welche radioaktiven Abfälle entstehen bei der Kernfusion? Obwohl es bei der Kernfusion auch darum geht, langlebige Abfälle zu vermeiden, werden dennoch radioaktive Stoffe mit längerlebigen Nukliden entstehen, vor allem dadurch, dass Neutronen auf bestimmte Legierungsbestandteile in den Bauteilen treffen. Deshalb fällt auch bei der Kernfusion schwach- ( LAW ) und zu einem geringen Anteil auch mittelradioaktiver Abfall ( MAW ) an. Hochradioaktiver Abfall entstünde nicht, was ein klarer Vorteil dieser Energieerzeugung gegenüber heutigen Atomkraftwerken wäre. Allein schon aufgrund seiner Größe ist bei Fusionsreaktoren insgesamt – sowohl im Betrieb, als auch im Rückbau - mit größeren Mengen dieser schwach- und mittelradioaktiven Reststoffen zu rechnen, als bei einem konventionellen Atomkraftwerk (Beispiel: Vakuumbehälter Fusionsreaktor „ITER“ ca. 5000t (ohne Einbauten); AKW -Reaktordruckbehälter ca. 500t). Unter anderem der radioaktive Brennstoff Tritium trägt zu einer größeren Abfallmenge bei, da sich Tritium leicht in Baumaterialien einlagert und dadurch mehr radioaktive Abfälle entstünden. Zu der großen Abfallmenge trägt zudem bei, dass wegen dem Verschleiß der Materialien damit gerechnet wird, dass manche Anlagenkomponenten teilweise oder ganz alle fünf bis zehn Jahre ausgetauscht werden müssen. Gemäß Studien würden z.B. für den Versuchsreaktor „DEMO“ von EUROfusion bei einer Lebensdauer von 20 Jahren potentiell bis zu 50.000 Tonnen radioaktive Abfälle anfallen, die zwischen- oder endgelagert werden müssten (Quelle: Committee on Radioactive Waste Management (CoRWM), November 2021, London, UK). Diese radioaktiven Reststoffe müssten abklingen und sicher verwahrt werden. Wiederum ein Teil davon müsste möglicherweise auch über einen längeren Zeitraum (>100 Jahre) hinaus sicher eingelagert werden. Klar ist also, dass bei der Kernfusion größere Mengen schwach- und zum Teil auch mittelradioaktive Abfälle entstehen werden, die sicher verwahrt werden müssen. In welchem Umfang Abfälle entstehen die dauerhaft sicher einlagert werden müssen, wird abhängig von den im Fusionsreaktor eingesetzten Materialien sein und ist Gegenstand von Forschung und Entwicklung. Welche Sicherheitsrisiken gibt es bei der Kernfusion? Das radioaktive Tritium , Bestandteil des Brennstoffs bei der D- T Fusion, ist ein radiologisches Risiko für das Personal eines möglichen Fusionsreaktors. Das Personal wäre zudem auch durch aktivierte Bauteile in einem solchen Reaktor belastet. Da bei der Kernfusion radioaktive Stoffe entstehen, bestehen also grundsätzlich radiologische Risiken für das Personal bei Betrieb, Wartung und Demontage von Anlagen. Im Vergleich zur Kernspaltung entstehen bei der Kernfusion jedoch wesentlich geringere Aktivitätsinventare bei Bauteilen und Materialien im Reaktor und auch keine hochradioaktiven Abfälle . Ein katastrophales Reaktorunglück, mit Folgen wie bei einem AKW , ist zudem praktisch nicht möglich, da das Fusionsplasma in einem Störfall selbstständig erlischt und im Gegensatz zu KKW keine Nennenswerte Nachwärmeproduktion erfolgt. Da bei der Kernfusion kein Spaltmaterial eingesetzt wird, ist das diesbezügliche von Anlagen zur Kernspaltung - beispielsweise Kernkraftwerken - unmittelbar ausgehende Proliferationsrisiko nicht gegeben. Jedoch stellt der Brennstoff Tritium eine wesentliche Komponente in modernen Kernwaffen dar. Zudem könnte ein Fusionsreaktor missbräuchlich für das Erbrüten von spaltbaren Materialien für den Kernwaffenbau verwendet werden. Mögliche Proliferationspotentiale gilt es somit zu beobachten und unter ein wirksames internationales Kontrollregime zu stellen. Welche Regeln könnten für künftige Fusionsreaktoren gelten? Fällt die Kernfusion unter Atomrecht? Stellaratorspule Wendelstein 7-AS im Zukunftsmuseum in München: Auch ein rechtlich bindendes Reglement für die Kernfusion ist Aufgabe für die Zukunft. © picture alliance/dpa | Daniel Karmann Ob zukünftige Fusionsreaktoren nach Atomrecht behandelt werden, ist noch offen. Der Versuchsreaktor „ITER“ in Frankreich ist bislang das einzige Projekt weltweit mit einem Bezug zur technisch nutzbaren Energieerzeugung. Jedoch geht es auch bei „ITER“ bislang rein um Fusionsleistung und nicht darum, Strom zu erzeugen. Alle anderen Fusionsprojekte haben noch keinen Bezug zur technisch nutzbaren Energieerzeugung, die Frage nach einem fusionsspezifischen Regelwerk hat sich bisher noch nicht gestellt. Großbritannien und die USA beabsichtigen jedoch, künftige Versuchsfusionsreaktoren nicht unter Atomrecht zu stellen. Aus regulatorischer Sicht sind bei der Kernfusion im Vergleich zur Kernspaltung die maximalen radiologischen Folgen eines Unfalls zwar erheblich kleiner anzusetzen, jedoch würden die Unterschiede zwischen einem Fusionsreaktor und einem Atomkraftwerk erfordern, dass das Regelwerk für den sicheren Bau, Betrieb, Stilllegung und Abbau für Fusionskraftwerke erheblich angepasst oder neu aufgesetzt wird. Zu diesem Schluss kommt die Gesellschaft für Reaktorsicherheit in einer 2022 veröffentlichten Studie, die von der Europäischen Atomgemeinschaft ( EURATOM ) in Auftrag gegeben wurde. Ein solches Regelwerk für die Kernfusion existiert bislang nicht. Die Internationale Atomenergie-Organisation ( IAEO ) beabsichtigt für die Kernfusion Sicherheitsstandards zu entwickeln. Auch hinsichtlich eines Proliferationsrisikos, das heißt dem Missbrauch von Kernfusionsanlagen für den Erwerb von Kernwaffen, diskutieren u.a. die Internationale Atomenergie-Organisation ( IAEO ) und wissenschaftliche Organisationen derzeit Konzepte zum Umgang hiermit. Es gibt bislang kein rechtlich bindendes Reglement.

Schachtbrunnen Kaiserquelle Aachen (Grundwassergüteüberwachung)

Grundwassermessstellen dienen der Überwachung des Grundwassers. Dieser Datensatz enthält die Messdaten der Messstelle Kaiserquelle Aachen. Horizont: Oberdevon Leiter: Devon, Kalk Wasserart: Quellwasser

gefasste Quelle Rosenqu.Burtscheid (Grundwassergüteüberwachung)

Grundwassermessstellen dienen der Überwachung des Grundwassers. Dieser Datensatz enthält die Messdaten der Messstelle Rosenqu.Burtscheid. Horizont: Oberdevon Leiter: Devon, Kalk Wasserart: Quellwasser

gefasste Quelle Rosenqu.Komphausbad (Grundwassergüteüberwachung)

Grundwassermessstellen dienen der Überwachung des Grundwassers. Dieser Datensatz enthält die Messdaten der Messstelle Rosenqu.Komphausbad. Horizont: Oberdevon Leiter: Devon, Kalk Wasserart: Quellwasser

Study of reactions between dry rocks and heat exchange fluids

Das Projekt "Study of reactions between dry rocks and heat exchange fluids" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Karlsruhe, Mineralogisches Institut durchgeführt. Objective: To study the reaction between water and rock in order to obtain a better understanding of reactions that happen in a hot dry rock system. General information: reactions between rocks and heat exchange fluid change both the structure and chemical composition of the heated source rocks. Since the surfaces are of foremost interest, the investigations will be mainly concerned with these. The reaction mechanisms will be determined on the basis of measured reaction rates and reaction products. Major and trace elements will be measured in solution as well as surface structures and secondary minerals. Hdo will be used to study the possible replacement of metal cations by h3o+. Solids and liquids will be analysed with sims and mass spectrometry. See also contracts 0001/b, 0079/b, 0002/d, 0057/uk and 0010/f. Advancement: this contract started on 1.10.86 as a continuation of contract 0002/D. Achievements: The aim of the work has been to get closer understanding of water rock interaction at the conditions of hot dry rock energy exploitation by studying its initial reaction. Investigations have been carried out to prove the idea that during the initial phase of the reaction between feldspars and aqueous fluids an exchange between alkali and alkaline earth cations with hydronium ions takes place building a hydronium feldspar at the very outer layers of the mineral. The compositions of the reaction fluids were measured by atomic absorption spectrometry (AAS) and the investigations on the solid samples were carried out by infrared (IR) spectrometry, X-ray diffractometry (XRD), X-ray Guinier camera and secondary ion mass spectrometry (SIMS). Investigations on thin cleaved fragments with the IR method did not show any change of the absorption bands compared to the starting material. XRD investigations on powdered samples gave some evidence for the existence of (D3O) AlSi3O8 by the splitting of the (201) reflection. However these results were not unambiguous. They could not be substanciated with the X-ray Guinier method. SIMS investigations gave a clear direct indication for the incorporation of deuterium in feldspar along with simultaneous depletion of both potassium and aluminium. This result indicates an exchange reaction of deuterium oxide (D3O) for potassium and a disintegration reaction of the (Al, Si)O4 network to occur simultaneously.

Water consumption and carbon capture by trees of an evergreen and a dry forest in the Andes of South Ecuador as functional indicators of slow environmental changes

Das Projekt "Water consumption and carbon capture by trees of an evergreen and a dry forest in the Andes of South Ecuador as functional indicators of slow environmental changes" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bayreuth, Fachgruppe Biologie, Bayreuther Zentrum für Ökologie und Umweltforschung (BayCEER), Lehrstuhl für Pflanzenphysiologie durchgeführt. This transfer project contributes to the development of a multifactorial indicator prototype for global change effects. It uses water and carbon relations of trees as primary functional indicators of subtle environmental changes which cannot be directly observed. Acquisition of carbon by a tree and its concomitant water loss by transpiration is coupled as water use efficiency (WUE), which as a parameter integrating two ecophysiological processes should display a high sensitivity to ambiental conditions. The project is based on a new model allowing computation of the entire crown. Parameterization of the model is by data of leaf gas exchange, total water loss, and structural data of the crown. Total water consumption will be determined either by stem flow monitoring or by the D2O injection method. Net carbon gain by the entire crown can be calculated from a crown-specific WUE. The described measurements will be supplemented by data on stem growth, phenology (longevity of leaves and foliage dynamics), long-term water relations (13C discrimination data) and tree hydrology (natural abundance of deuterium). To extend the indicator from the single tree scale to a wider area, project C5 will collaborate with project C6 which will investigate WUE using multispectral satellite and airborne data. For calibration transfer functions to remotely sensed data must be developed. Since Eddie covariance analysis cannot be used, project C6 will measure atmospheric dynamics of heat and water vapour above the canopy of an assemblage of such trees by scintillometry. These measurements shall be calibrated by C5. Of all trees on the study plots total transpiration will be measured and correlated with simultaneously recorded scintillometer data. Thus projects C5 and C6 will use the same plots and trees. Using the calibrated scintillometer data, project C6 will up-scale the functional indicator WUE to the landscape level. Because of their general applicability, functional indicators like WUE are especially useful for modelling approaches.

Vorhersage und Erklaerung des Verhaltens und der Belastbarkeit von Oekosystemen unter veraenderten Umweltbedingungen - Teilprojekt M5: Physik des Wasser- und Stofftransportes in Waldoekosystemen - Theorie und Modellierung

Das Projekt "Vorhersage und Erklaerung des Verhaltens und der Belastbarkeit von Oekosystemen unter veraenderten Umweltbedingungen - Teilprojekt M5: Physik des Wasser- und Stofftransportes in Waldoekosystemen - Theorie und Modellierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bayreuth, Bayreuther Institut für Terrestrische Ökosystemforschung, Lehrstuhl für Ökologische Modellbildung durchgeführt. Bewaldete Einzugsgebiete wurden anhand abiotischer Fluesse ueber ihre Raender charakterisiert. Dazu wurden Zeitreihen vieler Observablen mit verschiedenen Methoden untersucht. Hierbei erwiesen sich die Konzepte Zufaelligkeit und Komplexitaet als geeignet. Die Filterhypothese fuer Oekosysteme konnte bestaetigt werden, wenn unter Filterung die Abnahme von Zufaelligkeit verstanden wird. Die Komplexitaet von Input und Output haengt aber von der gewaehlten Zeitaufloesung ab. Um maximale Information bei maximaler Komplexitaet zu bekommen, sollte man z.B. Niederschlag alle paar Stunden, Abfluss alle wenige Tage messen. Die Masse (z.B. algotithmische Komplexitaet oder metrische Entropie) koennen auch zum eindeutigen Nachweis evt. Datenmanipulationen dienen. Vergleiche von Einzugsgebieten zeigen Aehnlichkeiten in bzgl. des Informationsabstands zwischen Input und Output; deutlicher werden die Unterschiede bei Massen, die die Geschichte des Systems beruecksichtigen (Wiederkehrdiagramme, Leistungsspektren, Hurst-Koeffizienten). Die Analyse von Durchbruchskurven aus einer von uns durchgefuehrten Serie von Tracerversuchen auf Einzugsgebietsebene ergab, das Bromid ein unter diesen Bedingungen nicht inerter Tracer ist; Deuterium kann dagegen mit scharf definierten Transportparametern rekonstruiert werden. Eine explizite Simulation des Lehstenbach-Abflusses zeigte deutlich das Vorhandensein zweier beitragender Komponenten. Eine verlaessliche Abschaetzung effektiver Transportparameter ist fuer dieses Gebiet anscheinend nicht moeglich. Die effektive Dimensionalitaet der Lehstenbach-Abflusschemie ist niedrig, wie durch eine Hauptkomponentenanalyse gezeigt werden konnte. Ein neuronales Netz war in der Lage, bei Eingabe von nur vier Hauptkomponenten 16 verschiedene Ionen abzubilden. Die Charakterisierung von Zeitreihen aus Oekosystemen mit Komplexitaetsmassen und aehnlichen Groessen hat sich als wertvolles Instrument bewaehrt. Innerhalb von bestimmten Empfindlichkeitsschranken werden Eintraege vom System benutzt, um Information zu extrahieren sowie Entropie zu exportieren; die Eingangsgroessen werden gefiltert und verwandeln sich in Richtung Systemausgang zu weniger zufaelligen, aber u.U. strukturreicheren Signalen. (Abschlussbericht 1998).

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