Was ist Wasser in der Kerntechnik – Definition

Verwendung von Wasser in der Nukleartechnik

Wasser als Reaktorkühlmittel

Wasser und Dampf sindim Primärkreislauf (von der Oberfläche der Brennstäbe zum Kühlmittelstrom) und im Sekundärkreislaufeine übliche Flüssigkeit, die zum Wärmeaustausch verwendet wird. Es dient aufgrund seiner Verfügbarkeit und hohen Wärmekapazität sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen. Der Wärmetransport durch Verdampfung und Kondensation von Wasser ist aufgrund seiner sehr großen latenten Verdampfungswärme besonders effektiv.

Ein Nachteil besteht darin, dass wassergesteuerte Reaktoren einen Hochdruck-Primärkreislauf verwenden müssen, um das Wasser im flüssigen Zustand zu halten und einen ausreichenden thermodynamischen Wirkungsgrad zu erzielen. Wasser und Dampf reagieren auch mit Metallen, die üblicherweise in Industrien wie Stahl und Kupfer vorkommen und durch unbehandeltes Wasser und Dampf schneller oxidiert werden. In fast allen Wärmekraftwerken (Kohle, Gas, Kernkraft) wird Wasser als Arbeitsmedium (in einem geschlossenen Kreislauf zwischen Kessel, Dampfturbine und Kondensator) und das Kühlmittel (zum Austausch der Abwärme an einen Wasserkörper) verwendet oder durch Verdampfung in einem Kühlturm abtransportieren).

Wasser und Dampf sind ein gängiges Medium, da ihre Eigenschaften sehr bekannt sind. Ihre Eigenschaften sind in sogenannten „ Dampftabellen “ aufgeführt. In diesen Tabellen sind die Grund- und Schlüsseleigenschaften wie Druck, Temperatur, Enthalpie, Dichte und spezifische Wärme entlang der Dampf-Flüssigkeits-Sättigungskurve als Funktion von Temperatur und Druck tabellarisch aufgeführt. Die Eigenschaften werden auch einphasige Zustände (tabellarisch für Druckwasseroder Heißdampf bis 2000 erstreckt) auf einem Raster von Temperaturen und Drücken ºC und 1000 MPa.

Weitere umfassende maßgebliche Daten finden Sie auf der NIST-Webseite zu den thermophysikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten.

Siehe auch: Dampftabellen

Wasser als Moderator

Der Neutronenmoderator , der in thermischen Reaktoren von Bedeutung ist, wird zum Moderieren verwendet, dh zum Verlangsamen der Neutronen von der Spaltung zu thermischen Energien . Kerne mit geringen Massenzahlen sind für diesen Zweck am effektivsten, daher ist der Moderator immer ein Material mit geringer Massenzahl . Zu den häufig verwendeten Moderatoren gehören normales (leichtes) Wasser (ungefähr 75% der Reaktoren der Welt), fester Graphit (20% der Reaktoren) und schweres Wasser (5% der Reaktoren).

In den meisten Kernreaktoren ist Wasser sowohl Kühlmittel als auch Moderator . Die Moderation tritt insbesondere bei Wasserstoffkernen auf. Im Falle des Wasserstoffs (A = 1) als Zielkern kann das einfallende Neutron vollständig gestoppt werden – es weist die höchste durchschnittliche logarithmische Energieverringerung aller Kerne auf. Andererseits haben Wasserstoffkerne einen relativ höheren Absorptionsquerschnitt , weshalb Wasser gemäß dem Moderationsverhältnis nicht der beste Moderator ist .

Wasser als Neutronenabschirmung

Wasser ist aufgrund des hohen Wasserstoffgehalts und der Verfügbarkeit eine wirksame und übliche Neutronenabschirmung . Aufgrund der geringen Atomzahl von Wasserstoff und Sauerstoff ist Wasser jedoch kein akzeptabler Schutz gegen die Gammastrahlen. Andererseits kann dieser Nachteil (geringe Dichte) in einigen Fällen durch eine hohe Dicke des Wasserschildes ausgeglichen werden. Im Falle von Neutronen moderiert Wasser Neutronen perfekt, aber bei Absorption von Neutronen durch Wasserstoffkern entstehen sekundäre Gammastrahlen mit der hohen Energie. Diese Gammastrahlen dringen stark in die Materie ein und können daher die Anforderungen an die Dicke des Wasserschildes erhöhen. Zugabe einer  Borsäure kann bei diesem Problem helfen (Neutronenabsorption an Borkernen ohne starke Gamma-Emission), führt jedoch zu weiteren Problemen bei der Korrosion von Baumaterialien.

Siehe auch: Abschirmung von Neutronen

Wasser als Gammastrahlenschutz

Kurz gesagt basiert eine wirksame Abschirmung der Gammastrahlung in den meisten Fällen auf der Verwendung von Materialien mit zwei folgenden Materialeigenschaften:

• hohe Materialdichte.
• hohe Ordnungszahl des Materials (Materialien mit hohem Z)

Obwohl Wasser weder ein Material mit hoher Dichte noch mit hohem Z-Gehalt ist , wird es üblicherweise als Gammaschutz verwendet. Wasser bietet eine Strahlenabschirmung von Brennelementen in einem Pool abgebrannter Brennelemente während der Lagerung oder während des Transports vom und in den Reaktorkern . Obwohl Wasser ein Material mit geringer Dichte und mit niedrigem Z-Gehalt ist, wird es üblicherweise in Kernkraftwerken verwendet, da diese Nachteile durch eine erhöhte Dicke ausgeglichen werden können.

Halbe Wasserschicht

Die Halbwertsschicht drückt die Dicke des absorbierenden Materials aus, die zur Verringerung der Intensität der einfallenden Strahlung um den Faktor zwei benötigt wird .

Tabelle der Halbwertsschichten (in cm) für verschiedene Materialien bei Gammastrahlenenergien von 100, 200 und 500 keV.