Wie funktioniert die Energieumwandlung in einem Kernkraftwerk (bitte detailliert)?
Frage steht oben
Danke schonmal :)
2 Antworten
Bei großen technischen Anlagen finden meist mehrere Energieumwandlungen statt, sodass sich eine Umwandlungsreihe bzw. Umwandlungskette ergibt. Zwischen Primär- und Endenergie treten dann weitere Energieformen auf. Bei einem Kohlekraftwerk sind es vier Energieumwandlungsstufen:
chemische Energie = Brenner = Wärmer-energie = KesselRohrLeitung = Potentielle Energie = Turbine = Bewegungsenergie =Generator = Elektrische energie
- Im Brenner wird die zu Staub zermahlene Kohle verbrannt und dabei die chemische Energie der Kohle in Wärmeenergie umgewandelt.
- Im Kessel führt die Wärme zum Verdampfen des unter hohem Druck stehenden Wassers. Da der Dampf unter hohem Druck gehalten wird, ist die Energie eine Mischung aus potenzieller und Wärmeenergie, diese Energieform wird in der Fachsprache Enthalpie genannt.
- Wenn der hochgespannte Dampf durch die Leit- und Turbinenschaufeln der Wärmekraftmaschine strömt, wird diese Energie als Bewegungsenergie an die Turbinenwelle abgegeben.
- Die letzte Energieumwandlung findet im Generator statt, der an die Dampfturbine gekoppelt ist. Bewegungsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt.
Bei fast jeder Umwandlungsstufe wird Wärmeenergie ungenutzt an die Umgebung abgegeben. Diese Verluste führen dazu, dass der Gesamtwirkungsgrad von konventionellen Kohlekraftwerken heute bei etwa 0,42 liegt.
Bei allen thermodynamischen Kreisprozessen gelingt es nicht, einen Wirkungsgradnahe eins zu erzielen, denn die Umwandlung von Wärmeenergie in andere Energieformen ist immer im hohen Maß verlustbehaftet. Der Wirkungsgrad hängt allein von der Temperatur des Mediums und der Umgebungstemperatur ab (zweiter Hauptsatz der Thermodynamik).
In Kernkraftwerken finden ebenfalls vier Energieumwandlungen statt. Dabei ist lediglich die erste Energieumwandlung anders als in Kohlekraftwerken:
Kernenergie = Brennelemente = Reaktordruckgefäß =Potentielle Energie =Turbine = Bewegungsenergie = Generator = elektrische energie
- In den Brennelementen werden die Kerne bestimmter Uranatome gespalten, wodurch sich die Brennelemente erhitzen. Es findet also eine Umwandlung von Kernenergie in Wärmeenergie statt.
- Alle anderen Energieumwandlungsstufen stimmen mit denen der Kohlekraftwerke überein. Der Gesamtwirkungsgrad eines Kernkraftwerkes beträgt ca. 0,34.
Wenn du schon von irgendwelchen Webseiten klaust dann solltest du auch die entsprechende Seite verlinken.
Naja, das Ganze beruht auf dem Prozess der Kernspaltung. Ein Atom, der quasi kleinste Bestandteil unserer Materie, besteht aus einem kleinen Atomkern und einer Elektronenhülle (die Elektronen umkreisen bildlich gesehen den Kern wie kleine Monde).
Ein Atomkern besteht aus Nukleonen, den Bestandteilen des Kerns. Diese sind entweder Neutronen (ladungsneutrale Teilchen) oder Protonen (positiv geladene Teilchen). Eigentlich dürfte ein Atomkern gar nicht stabil sein, weil sich die postiv geladenen Protonen im Kern abstoßen müssten (-> elektromagnetische Kraft). Da es aber im Kern auch noch die starke Kraft gibt, welche zwischen allen Nukleonen anziehend wirkt, sind diese eben doch stabil.
Wie bei jeder Bindung wird bei der Bindung von freien Nukleonen Energie frei. Diese Bindungsenergie müsstest du später wieder zuführen, um die ganzen Neutronen und Protonen wieder zu trennen. Du kannst die gesamte Bindungsenergie im Kern nun auf die Anzahl der Nukleonen aufteilen und erhältst so die mittlere Bindungsenergie pro Nukleon im Atomkern.
Wenn man diese für verschiedene Atomkerne aufträgt erhält man als Kurve eine Funktion, welche ähnlich einer umgekehrte Parabel aussieht. Für kleine Atomkerne, wie z.B. Wasserstoff oder Helium, ist sie klein und für mittelschwere, vor allem im Bereich der Bleiatome, ist sie sehr hoch. Für sehr schwere Kerne sinkt die Bindungsenergie wieder etwas, da die Abstoßung der Protonen nun überwiegt.
Wenn man nun einen sehr schweren Atomkern, wie z.B. Uran oder Plutonium, nimmt kann man sehen, dass man diesen in 2 leichtere Kerne zerlegen würde man insgesamt eine höhere Bindungsenergie für beide Kerne erhalten würde als für den einen schweren. Diese frei werdende Bindungsenergie kannst du dann in der Kernspaltung im Kraftwerk in Wärme umwandeln und damit quasi eine Dampfturbine antreiben, welche die Wärme dann in elektrischen Strom umwandelt.
Die Natur hat allgemein die Neigung stabilere Zustände an zu streiben. Aus diesem Grund möchte der schwere Kern auch ganz gerne zerfallen (-> Radioaktivität). Es stehen nur mehrere verschiedene Möglichkeiten offen.
Zum einen wäre da der alpha-Zerfall, bei dem ein positiv geladener Heliumkern aus dem Kern emittiert wird, die sogenannte Alpha-Strahlung. Dann gibt es noch die Beta- und Gamma-Strahlung. Die Gamma-Strahlung sind einfach hochenergetische Photonen, welche hier aber keine Rolle spielen. Bei dem Beta-Zerfall wandeln sich Neutronen und Protonen ineinander um.
Mit dem alpha- und beta-Zerfall ergeben sich nun 4 verschiedene Zerfallsreihen. Schwere Kerne zerfallen also über diese Zerfallsreihen (mit alpha und beta-Strahlung) in die stabilsten Kerne, welche meist im Bereich der Bleiatome enden.