Kernenergie: Kraftwerkstypen, Entwicklungen und Risiken

Inhaltsverzeichnis
1: Einleitung
2: Kernreaktionen
	2.1	 Grundbegriffe
	2.2	 Allgemeine Klassifikationen der Kernreaktionen
	2.3	 Physikalische Grundlagen der Kernenergie
		2.3.1	 Kernmodelle
			2.3.1.1	 Radioaktivität
				2.3.1.1.1 Alpha-Zerfall (α-Zerfall)
				2.3.1.1.2 Betazerfall (ß-Zerfall)
				2.3.1.1.3 Gammastrahlung (ɣ-Strahlung)
		2.3.2	 Durchgang von geladenen Teilchen und ɣ-Quanten durch Materie
		2.3.3	 Kernreaktionen
			2.3.3.1	 Grundbegriffe
			2.3.3.2	 Allgemeine Klassifikation der Kernreaktionen
			2.3.3.3	 Prinzip der Energieumwandlung
		2.3.4	 Neutronenausbeute beim Spaltprozess
			2.3.4.1	 Neutronenfluss und Reaktionsrate
			2.3.4.2	 Kettenreaktion und kritische Bedingung
			2.3.4.3	 Moderation der Neutronen
			2.3.4.4	 Thermisch, epithermische und schnelle Spaltprozesse
			2.3.4.5	 Homogene und heterogene Anordnungen
		2.3.5	 Konversion und Brüten
3: Auslegung von Kernreaktoren
	3.1	 Einleitung
	3.2	 Transport- und Diffusionsgleichungen für die Neutronenflussdichte
		3.2.1	 Diffusionsgleichungen für die energieabhängige Neutronenflussverteilung
		3.2.2	 Neutronenphysikalische Betrachtungen von Materialien
			3.2.2.1	 Einleitung
			3.2.2.2	 Mittelung über das thermische Spektrum
			3.2.2.3	 Der homogene thermische Reaktor (Vierfaktorenformel)
			3.2.2.4	 Der heterogene thermische Reaktor
			3.2.2.5	 Numerische Berechnungsmethoden
	3.3	 Langzeitverhalten von Reaktoren
		3.3.1	 Der Uran-Plutonium- und der Thorium-Uran-Zyklus
		3.3.2	 Spaltproduktvergiftung
			3.3.2.1	 Xenonvergiftung unter stationärem Fluss
			3.3.2.2	 Xenonaufbau nach dem Abschalten
			3.3.2.3	 Samariumvergiftung unter stationärem Fluss
			3.3.2.4	 Samariumaufbau nach dem Abschalten
	3.4	 Fluss- und Leistungsformfaktor
	3.5	 Beschickungsmethoden
	3.6	 Reaktor-Regelung
		3.6.1	 Reaktivität, Generationsdauer, Reaktorperiode
			3.6.1.1	 Bor
			3.6.1.2	 Cadmium
			3.6.1.3	 Hafnium
		3.6.2	 Neutronengifte zur Reaktorregelung und Flussglättung
4: Kühlmittel
	4.1	 Einleitung
	4.2	 Kerntechnische Eigenschaften
		4.2.1	 Notwendigkeit geringer Absorption und starker Streuwirkung
		4.2.2	 Schwache Aktivierung
	4.3	 Temperaturverlauf im Brennelement
		4.3.1	 Einführung
		4.3.2	 Wärmeleitung im zylindrischen Brennelement
		4.3.3	 Wärmeleitung in einem kugelförmigen Brennelement
	4.4	 Wärmeleitung in der Brennstoffhülle
	4.5	 Wärmeübertragung im Spalt zwischen Brennstoff und Hülle
	4.6	 Axialer Temperaturverlauf im Brennelement und im Kühlmittel
	4.7	 Kühlmittelströmung
		4.7.1	 Wärme- und Impulsübertragung
			4.7.1.1	 Ähnlichkeitsbetrachtung und dimensionslose Kennzahlen
			4.7.1.2	 Gebrauchsformeln für den Wärmeübergang und den Druckverlust
	4.8	 Kühlmittelumwälzleistung für einen Kanal
	4.9	 Radiale Verteilung des Kühlmittelstroms im Reaktor-Core
		4.9.1	 Umwälzleistung und Netto-Wirkungsgrad
	4.10	 Fehlerbetrachtung bei der Core-Auslegung
5: Aspekte der Reaktor-Core-Auslegung
	5.1	 Druckwasserreaktor
	5.2	 Siedewasserreaktor
		5.2.1	 Schwerwasserreaktoren (Candu) und (RBMK)
	5.3	 Gasgekühlter Reaktor
		5.3.1	 Einführung
		5.3.2	 Auslegungsprinzipien
	5.4	 Natriumgekühlte Brutreaktoren
6: Thermodynamische Analyse der Kreisprozesse von Kernkraftwerken
	6.1	 Einleitung
	6.2	 Analyse des Clausius-Rankine Prozesses unter Kernkraftwerksbedingungen
		6.2.1	 Design von Dampferzeugern und Wärmeübertrager
			6.2.1.1	 Druckwasserreaktor
			6.2.1.2	 Gasgekühlter Reaktor
			6.2.1.3	 Natrium gekühlter Reaktor
	6.3	 Umwälzpumpen
		6.3.1	 Wassergekühlter Reaktor
		6.3.2	 Gasgekühlte Reaktoren
		6.3.3	 Natriumgekühlter Reaktor
	6.4	 Designkonzepte von Reaktor-Druckbehältern
		6.4.1	 Druck- und Siedewasserreaktorbehälter
			6.4.1.1	 Zerstörungsfreie Prüfverfahren
		6.4.2	 Gasgekühlte Reaktoren
		6.4.3	 Natriumgekühlte Reaktoren
	6.5	 Be- und Entladeeinrichtungen
		6.5.1	 Wassergekühlter Reaktor
		6.5.2	 Natrium gekühlter Schneller Brüter
	6.6	 Wirkungsgradanalyse der verschiedenen Reaktortypen
7: Regelsysteme
	7.1	 Einleitung
	7.2	 Druckwasserreaktor
	7.3	 Siedewasserreaktor
	7.4	 Gasgekühlter Reaktor
	7.5	 Natrium gekühlter Schneller Brüter
8: Sicherheit von Kernreaktoren
	8.1	 Einleitung
	8.2	 Sicherheitskonzepte von Kernreaktortypen
		8.2.1	 Druckwasserreaktor
		8.2.2	 Siedewasserreaktor
		8.2.3	 Gasgekühlter Reaktor
		8.2.4	 Natriumgekühlter schneller Reaktor
	8.3	 Analyse des Reaktorcores unter Sicherheitsaspekten
		8.3.1	 Reaktorcorereaktionen
			8.3.1.1	 Durchbrechen des Reaktordruckbehälters
			8.3.1.2	 Wechselwirkungen zwischen Corium und Beton
			8.3.1.3	 Beispiel für ein Sicherheitssystem
				8.3.1.3.1 Karenzzeit
		8.3.2	 Wahrscheinlichkeitsanalysen
	8.4	 Biologische Auswirkungen der radioaktiven Strahlung
		8.4.1	 α-Strahlung
		8.4.2	 β-Strahlung
		8.4.3	 γ-Strahlung
		8.4.4	 Neutronenstrahlung
	8.5	 Gewebeschädigung
		8.5.1	 Natürliche Strahlenexposition
		8.5.2	 Wirkungen einer Strahlenexposition
	8.6	 Aktivität der Spaltprodukte
	8.7	 Aktivität des Kühlmittels
9: Abschirmung
	9.1	 Einleitung
	9.2	 Neutronenabschirmung
		9.2.1	 Neutronenquellen
		9.2.2	 Bestimmung der Neutronenflussverteilung in der Abschirmung
	9.3	 γ-Strahlen Abschirmung
		9.3.1	 γ-Strahlungs-Quellen
	9.4	 Wärmeerzeugung durch Neutronen
	9.5	 Abschirmwerkstoffe
10: Tendenzen der Weiterentwicklung von Kernreaktoren
	10.1	 Einleitung
	10.2	 Flüssigsalzreaktoren, MRS (Molten Salt Reactor)
	10.3	 Gasgekühltes Höchsttemperatur-Reaktorsystem
	10.4	 Schneller gasgekühlter Reaktor, GFR (Gas-Cooled Fast Reactor)
	10.5	 Überkritischer Leichtwasserreaktor, SCWR (Super-Critical Water-Cooled Reactor)
	10.6	 Schneller natriumgekühlter Reaktor, SFR (Sodium-Cooled Fast Reactor)
	10.7	 Bleigekühltes schnelles Reaktorsystem (Lead-Cooled Fast ReactorSystem (LFR))
	10.8	 Neue Kernreaktorkonzepte
		10.8.1 Schneller gasgekühlter Reaktor
		10.8.2 Höchsttemperatur-Reaktor
		10.8.3 Schneller natriumgekühlter Reaktor
		10.8.4 Schneller bleigekühlter Reaktor
		10.8.5 Reaktoren mit Salzschmelze-Kühlung, MRS (Molten Salt Reactors)
	10.9	 Zeitpläne und technischer Entwicklungsstand
	10.10	 Kleinreaktoren
		10.10.1 Einleitung
		10.10.2 In der Entwicklung befindliche Kleinreaktoren
			10.10.2.1 Leichtwasser-Kleinreaktoren
			10.10.2.2 Gasgekühlte Hochtemperatur (HTR)-Kleinreaktoren
			10.10.2.3 Schnelle Kleinreaktoren
				10.10.2.3.1 Schnelle Salzschmelze-Kleinreaktoren
			10.10.2.4 Flüssigmetall-gekühlte schnelle Kleinreaktoren
	10.11	 Einsatz künftiger Reaktorkonzepte
11: Brennstoffkreislauf
	11.1	 Einführung
	11.2	 Kernbrennstoff Uran
		11.2.1 Tiefbau
		11.2.2 Tagebau
		11.2.3 Lösungsbergbau
		11.2.4 Alternative Urangewinnung
		11.2.5 Aufbereitung des Uranerzes
		11.2.6 Konversion
		11.2.7 Anreicherung
			11.2.7.1	 Anreicherung durch Gaszentrifugen
			11.2.7.2	 Diffusionsmethoden
			11.2.7.3	 Weitere Urananreicherungsmethoden
		11.2.8 Urandioxid Brennstoff
			11.2.8.1	 Herstellung von Brennelementen
		11.2.9 Urankarbid-Brennstoff
		11.2.10 Metallisches Uran
	11.3	 Kernbrennstoff Thorium
		11.3.1 Thoriumgewinnung
	11.4	 Kernbrennstoff Plutonium
		11.4.1 MOX-Brennstoff
	11.5	 Brennelemente für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren
	11.6	 Dispersionsbrennstoffe
	11.7	 Wiederaufarbeitung
		11.7.1	 Einleitung
		11.7.2 PUREX-Verfahren
			11.7.2.1	 PUREX-Modifikationen
		11.7.3 Pyrochemische Verfahren
		11.7.4 Plasmarecycling
	11.8	 Konzepte für Brennstoffkreisläufe
		11.8.1	 Offener Brennstoffkreislauf
			11.8.1.1	 Brennstoffkreislauf mit Natururan
			11.8.1.2	 Brennstoffkreislauf mit Anreicherung
			11.8.1.3	 Uran-Thorium-Brennstoffkreislauf
			11.8.1.4	 Brennstoffkreislauf mit Fluidkernreaktoren
		11.8.2 Geschlossener Brennstoffkreislauf
			11.8.2.1	 Uran-Plutonium-Brennstoffkreislauf mit thermischen Reaktoren
			11.8.2.2	 Uran-Plutonium-Brennstoffkreislauf mit thermischen Reaktoren ohne Uran-Plutonium-Auftrennung
			11.8.2.3	 Uran-Plutonium-Brennstoffkreislauf mit Schnellen Reaktoren ohne Uran-Plutonium Auftrennung
	11.9	 Entsorgung radioaktiver Abfälle
		11.9.1 Arten radioaktiver Abfälle
		11.9.2 Analyse der Kavernenmaterialien
		11.9.3 Legale Entsorgung in Meergewässern
		11.9.4 Lagerung unter freiem Himmel
		11.9.5 Illegale Entsorgung
		11.9.6 Entsorgung ohne genauen Nachweis
		11.9.7 Unfälle mit radioaktivem Abfall
		11.9.8 Transmutation
	11.10	 Stilllegung
12: Die Kernkraft-Kontroverse im Spiegel der Öffentlichkeit
	12.1	 Einleitung
	12.2	 Diskurs zwischen Experten: Schneller Brüter contra Hochtemperaturreaktor
		12.2.1	 Reaktorsicherheit: Argument für den Aufbau regenerativer Energiequellen
	12.3	 Bemerkungen zum Thema Kernenergie