{"id":42196,"date":"2019-10-03T19:33:24","date_gmt":"2019-10-03T18:33:24","guid":{"rendered":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/was-ist-warmeerzeugung-definition\/"},"modified":"2020-03-03T17:31:55","modified_gmt":"2020-03-03T16:31:55","slug":"was-ist-warmeerzeugung-definition","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/de\/was-ist-warmeerzeugung-definition\/","title":{"rendered":"Was ist W\u00e4rmeerzeugung – Definition"},"content":{"rendered":"
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Das Gleichgewicht zwischen W\u00e4rmeerzeugung und W\u00e4rmeabfuhr muss unbedingt eingehalten werden, um diese Temperaturen zu vermeiden, die zum Versagen von Kraftstoff oder anderen strukturellen Materialien f\u00fchren k\u00f6nnen.\u00a0W\u00e4rmetechnik<\/div>\n<\/div>\n
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W\u00e4rmeerzeugung in Kernreaktoren<\/h2>\n

Ein\u00a0Kernkraftwerk<\/strong>\u00a0(Atomkraftwerk) sieht, wie\u00a0geschrieben,\u00a0mit einer Ausnahme wie ein Standard-W\u00e4rmekraftwerk aus.\u00a0Die W\u00e4rmequelle im Kernkraftwerk ist ein\u00a0Kernreaktor<\/strong><\/a>\u00a0.\u00a0Wie in allen konventionellen W\u00e4rmekraftwerken \u00fcblich, wird die W\u00e4rme zur Erzeugung von Dampf verwendet, der eine\u00a0Dampfturbine antreibt,<\/a>\u00a0die an einen\u00a0Generator<\/a>\u00a0angeschlossen ist,\u00a0der Elektrizit\u00e4t erzeugt.\u00a0In Kernkraftwerken erzeugen Reaktoren jedoch eine\u00a0enorme Menge an W\u00e4rme<\/strong>\u00a0(Energie) in einem\u00a0kleinen Volumen<\/strong>\u00a0.\u00a0Die Dichte der Energieerzeugung ist\u00a0sehr gro\u00df<\/strong>\u00a0und dies stellt Anforderungen an das\u00a0W\u00e4rme\u00fcbertragungssystem<\/strong>\u00a0(Reaktork\u00fchlsystem).<\/p>\n

\"Energieverteilung<\/a>
In kommerziellen Reaktorkernen wird die Flussverteilung durch viele Faktoren signifikant beeinflusst.\u00a0Einfach gesagt, gibt es im kommerziellen Leistungsreaktor beim Leistungsbetrieb keinen Cosinus und keinen J0.<\/figcaption><\/figure>\n

Damit ein Reaktor im station\u00e4ren Zustand arbeitet, muss die gesamte im System freiwerdende W\u00e4rme\u00a0so schnell wie<\/strong>\u00a0m\u00f6glich abgef\u00fchrt werden\u00a0.\u00a0Dies wird erreicht, indem ein fl\u00fcssiges oder gasf\u00f6rmiges K\u00fchlmittel durch den\u00a0Kern<\/strong><\/a>\u00a0und durch andere Bereiche geleitet wird, in denen W\u00e4rme erzeugt wird.\u00a0Der W\u00e4rme\u00fcbergang muss gleich oder gr\u00f6\u00dfer als die W\u00e4rmeerzeugungsrate sein, da sonst eine \u00dcberhitzung und eine m\u00f6gliche Besch\u00e4digung des Brennstoffs auftreten kann.\u00a0Die Art und Funktionsweise dieses K\u00fchlmittelsystems ist eine der wichtigsten \u00dcberlegungen bei der Auslegung eines Kernreaktors.<\/p>\n

Es sollte beachtet werden, dass es vom rein nuklearen Standpunkt aus theoretisch keine Obergrenze f\u00fcr die Reaktorw\u00e4rmeleistung gibt, die von jedem kritischen Reaktor mit einem ausreichenden \u00dcberschuss an Reaktivit\u00e4t erreicht werden kann, um seine negativen Temperaturr\u00fcckkopplungen zu \u00fcberwinden.\u00a0In jedem\u00a0Kernreaktor<\/a>\u00a0besteht eine\u00a0direkte Proportionalit\u00e4t<\/strong>\u00a0zwischen dem\u00a0Neutronenfluss<\/strong>\u00a0<\/a>und der\u00a0Reaktorw\u00e4rmeleistung<\/strong>\u00a0.\u00a0Der Begriff W\u00e4rmekraft wird \u00fcblicherweise verwendet, weil er die Geschwindigkeit bezeichnet, mit der im Reaktorkern infolge von\u00a0Spaltungen<\/a>\u00a0im Brennstoff\u00a0W\u00e4rme erzeugt wird\u00a0.\u00a0Dar\u00fcber hinaus muss ein kritischer Reaktor f\u00fcr einen kurzen Zeitraum keinen hohen \u00dcberschuss an Reaktivit\u00e4t aufweisen, wie im Fall von schnellen Reaktivit\u00e4tsausschl\u00e4gen.<\/p>\n

Kurz gesagt, fast jeder Reaktor kann die F\u00e4higkeit zur W\u00e4rmeabfuhr seines K\u00fchlmittelsystems \u00fcbertreffen.\u00a0\u00dcber diesen Punkt hinaus w\u00fcrde sich der Kraftstoff erw\u00e4rmen und kann sehr hohe Temperaturen erreichen.\u00a0Diese Situation muss vom Reaktorbediener und von Reaktorsicherheitssystemen vermieden werden.\u00a0Das\u00a0Gleichgewicht zwischen W\u00e4rmeerzeugung und W\u00e4rmeabfuhr<\/strong>\u00a0muss unbedingt eingehalten werden, um diese Temperaturen zu vermeiden, die zum Versagen von Kraftstoff oder anderen strukturellen Materialien f\u00fchren k\u00f6nnen.\u00a0In der Reaktortechnik beschreibt die Thermohydraulik von Kernreaktoren den Aufwand, der mit der Kopplung von W\u00e4rme\u00fcbertragung und Fluiddynamik verbunden ist, um die gew\u00fcnschte W\u00e4rmeabfuhrrate aus dem Kern sowohl unter normalen Betriebs- als auch unter Unfallbedingungen zu erreichen.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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W\u00e4rmeerzeugung in Brennelementen<\/h2>\n

In\u00a0Kernreaktoren<\/a>\u00a0besteht eine\u00a0direkte Proportionalit\u00e4t<\/strong>\u00a0zwischen dem\u00a0Neutronenfluss<\/strong><\/a>und der\u00a0Reaktorw\u00e4rmeleistung<\/strong>\u00a0.\u00a0Diese Proportionalit\u00e4t wird durch die\u00a0Spaltreaktionsrate<\/strong>\u00a0pro Volumeneinheit (\u00a0RR = \u0424. \u0424<\/strong>\u00a0) bestimmt.\u00a0Die Reaktionsgeschwindigkeit der Spaltung in einem Kernreaktor wird von mehreren Faktoren gesteuert.\u00a0Der Einfachheit halber sei angenommen, dass das\u00a0spaltbare Material<\/a>\u00a0gleichm\u00e4\u00dfig im Reaktor verteilt ist.\u00a0In diesem Fall sind die\u00a0makroskopischen Querschnitte<\/a>\u00a0positionsunabh\u00e4ngig.\u00a0Die\u00a0Reaktionsgeschwindigkeit<\/strong>\u00a0der\u00a0Spaltung<\/strong>\u00a0pro Volumeneinheit (\u00a0RR = =. \u03a3<\/strong>\u00a0) wird mit dem\u00a0Gesamtvolumen<\/strong>\u00a0multipliziertdes Kerns (V) gibt die\u00a0Gesamtzahl der<\/strong>\u00a0im\u00a0Reaktorkern<\/a>\u00a0pro Zeiteinheit\u00a0ablaufenden\u00a0Reaktionen<\/strong>\u00a0an\u00a0.\u00a0Wir wissen aber auch, dass die\u00a0pro Spaltungsreaktion freigesetzte Energiemenge<\/a>\u00a0etwa\u00a0200 MeV \/ Spaltung betr\u00e4gt<\/strong>\u00a0.\u00a0Nun ist es m\u00f6glich, die\u00a0Geschwindigkeit der Energiefreisetzung\u00a0<\/strong>\u00a0(Leistung) aufgrund der Spaltreaktion\u00a0zu bestimmen\u00a0.\u00a0Es ist gegeben durch folgende Gleichung:<\/p>\n

P = RR.\u00a0E\u00a0<\/strong>r<\/sub><\/strong>\u00a0.\u00a0V = \u0424.\u00a0\u03a3\u00a0<\/strong>f<\/sub><\/strong>\u00a0.\u00a0E\u00a0<\/strong>r<\/sub><\/strong>\u00a0.\u00a0V = \u0424.\u00a0N\u00a0<\/strong>U235<\/sub><\/strong>\u00a0.\u00a0\u03c3\u00a0<\/strong>f\u00a0<\/sub><\/strong>235<\/sup><\/strong>\u00a0.\u00a0E\u00a0<\/strong>r<\/sub><\/strong>\u00a0.\u00a0V<\/strong><\/p>\n

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wo:<\/span><\/p>\n

P – Reaktorleistung (MeV.s\u00a0<\/span><\/strong>-1<\/span><\/sup><\/strong>\u00a0)<\/span><\/strong><\/p>\n

\u0424 – Neutronenfluss (Neutronen.cm\u00a0<\/span><\/strong>-2<\/span><\/sup><\/strong>\u00a0.s\u00a0<\/span><\/strong>-1<\/span><\/sup><\/strong>\u00a0)<\/span><\/strong><\/p>\n

\u03c3 – mikroskopischer Querschnitt (cm\u00a0<\/span><\/strong>2<\/span><\/sup><\/strong>\u00a0)<\/span><\/strong><\/p>\n

N – Atomzahldichte (Atome.cm\u00a0<\/span><\/strong>-3<\/span><\/sup><\/strong>\u00a0)<\/span><\/strong><\/p>\n

Er – die durchschnittliche r\u00fcckgewinnbare Energie pro Spaltung (MeV \/ Spaltung)<\/span><\/strong><\/p>\n

V – Gesamtvolumen des Kerns (m\u00a0<\/span><\/strong>3<\/span><\/sup><\/strong>\u00a0)<\/span><\/strong><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Im Allgemeinen f\u00fchrt die Kernspaltung<\/strong><\/a>\u00a0zur Freisetzung\u00a0enormer\u00a0Energiemengen<\/a><\/strong>\u00a0.\u00a0Die Energiemenge\u00a0h\u00e4ngt stark vom<\/strong>\u00a0zu spaltenden Kern und auch stark von der\u00a0kinetischen Energie eines einfallenden Neutrons ab<\/a>\u00a0.\u00a0Um die Leistung eines Reaktors berechnen zu k\u00f6nnen, m\u00fcssen die\u00a0einzelnen Komponenten dieser Energie<\/strong>\u00a0genau identifiziert werden k\u00f6nnen\u00a0.\u00a0Zun\u00e4chst ist es wichtig, zwischen\u00a0der insgesamt freigesetzten Energie<\/strong>\u00a0und\u00a0der Energie zu unterscheiden, die in einem\u00a0<\/strong>Reaktor zur\u00fcckgewonnen werden kann<\/strong><\/a>\u00a0.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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\"Energiefreisetzung<\/a>Die<\/span><\/strong>\u00a0bei der Spaltung\u00a0freigesetzte Gesamtenergie<\/strong>\u00a0kann aus den Bindungsenergien des zu spaltenden Ausgangszielkerns und den Bindungsenergien der\u00a0<\/span>Spaltprodukte<\/span><\/a>\u00a0berechnet\u00a0werden<\/a>\u00a0.\u00a0In einem Reaktor kann jedoch nicht die gesamte Gesamtenergie zur\u00fcckgewonnen werden.\u00a0Beispielsweise werden\u00a0<\/span>etwa 10 MeV<\/span><\/strong>\u00a0in Form von\u00a0<\/span>Neutrinos<\/span><\/a>\u00a0(tats\u00e4chlich\u00a0<\/span>Antineutrinos<\/span><\/a>\u00a0)\u00a0freigesetzt\u00a0.\u00a0Da die Neutrinos schwach wechselwirken (mit extrem geringem Querschnitt einer Wechselwirkung), tragen sie nicht zur Energie bei, die in einem Reaktor zur\u00fcckgewonnen werden kann.<\/span><\/p>\n

Wie aus der Tabelle ersichtlich ist,\u00a0betr\u00e4gt\u00a0<\/span>die<\/span><\/strong>\u00a0in einem Reaktor\u00a0freigesetzte Gesamtenergie\u00a0<\/strong><\/span>etwa 210 MeV<\/span><\/strong>\u00a0pro\u00a0<\/span>235<\/span><\/sup>\u00a0U-Spaltung<\/span><\/a>\u00a0, verteilt wie in der Tabelle gezeigt.\u00a0In einem Reaktor\u00a0<\/span>betr\u00e4gt die durchschnittliche r\u00fcckgewinnbare Energie<\/span><\/strong>\u00a0pro Spaltung\u00a0<\/span>etwa 200 MeV<\/span><\/strong>\u00a0, was der Gesamtenergie abz\u00fcglich der Energie der Energie von\u00a0<\/span>Antineutrinos entspricht<\/span><\/a>\u00a0, die abgestrahlt werden.\u00a0Dies bedeutet, dass\u00a0<\/span>ungef\u00e4hr 3,1\u00a0<\/span><\/strong>\u00d7\u00a0<\/span><\/strong>10\u00a0<\/span><\/strong>10<\/span><\/sup><\/strong>\u00a0Spaltungen pro Sekunde<\/span><\/strong>\u00a0erforderlich sind, um eine Leistung von\u00a0<\/span>1 W<\/span><\/strong>\u00a0zu erzeugen\u00a0.\u00a0Da\u00a0<\/span>1 Gramm<\/span><\/strong>\u00a0eines\u00a0<\/span>spaltbaren Materials<\/span><\/a>\u00a0etwa\u00a0<\/span>2,5 x 10\u00a0<\/span><\/strong>21<\/span><\/sup><\/strong>\u00a0Kerne enth\u00e4lt<\/span><\/strong>Die Spaltung von 1 Gramm spaltbarem Material ergibt\u00a0<\/span>etwa 1 Megawatttag (MWd)<\/span><\/strong>\u00a0W\u00e4rmeenergie.<\/span><\/p>\n

\"Atomkraft<\/a>
W\u00e4rmeenergiequellen im Kraftbetrieb eines Druckwasserreaktors<\/span><\/figcaption><\/figure>\n

Wie aus der Beschreibung der einzelnen Komponenten der w\u00e4hrend der Spaltreaktion freigesetzten\u00a0<\/span>Gesamtenergie hervorgeht, wird au\u00dferhalb des\u00a0<\/span><\/strong>Kernbrennstoffs<\/span><\/strong><\/a>\u00a0(au\u00dferhalb der Brennst\u00e4be) eine\u00a0erhebliche Energiemenge erzeugt<\/strong>\u00a0.\u00a0Insbesondere die kinetische Energie von\u00a0<\/span>sofortigen Neutronen<\/span><\/a>\u00a0wird weitgehend\u00a0<\/span>im K\u00fchlmittel (\u00a0<\/span><\/strong>Moderator<\/span><\/strong><\/a>\u00a0) erzeugt<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0Dieses Ph\u00e4nomen muss in die nuklearen Berechnungen einbezogen werden.<\/span><\/p>\n

\"Neutronenreflektor\"<\/a>
Neutronenreflektor in einem Reaktorkern aus LWR.\u00a0Es ist nur ein anschauliches Beispiel.<\/span><\/figcaption><\/figure>\n

F\u00fcr\u00a0<\/span>LWR<\/span><\/a>\u00a0wird allgemein angenommen, dass\u00a0<\/span>etwa 2,5%<\/span><\/strong>\u00a0der Gesamtenergie\u00a0<\/span>im Moderator zur\u00fcckgewonnen werden<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0Dieser Energieanteil h\u00e4ngt von den Materialien, ihrer Anordnung innerhalb des Reaktors und damit vom Reaktortyp ab.<\/span><\/p>\n

Es muss auch hinzugef\u00fcgt werden, auch die anderen Reaktorinnenteile m\u00fcssen ausreichend gek\u00fchlt werden, um eine \u00dcberhitzung ihrer Baumaterialien zu verhindern.\u00a0Eine der am st\u00e4rksten belichteten Komponenten ist der\u00a0<\/span>Neutronenreflektor<\/span><\/a>\u00a0, insbesondere der schwere Reflektor.\u00a0W\u00e4hrend er als Neutronenschild wirkt, wird der schwere Reflektor aufgrund der Absorption der\u00a0<\/span>Gammastrahlung<\/span><\/a>\u00a0erw\u00e4rmt\u00a0\u00a0.\u00a0Um eine \u00dcberhitzung zu vermeiden, wird die W\u00e4rme im Reflektor durch Wasser abgef\u00fchrt, das durch durch den Reflektor gebohrte K\u00fchlkan\u00e4le flie\u00dft.<\/span><\/p>\n

Siehe auch:\u00a0<\/span>Energiefreisetzung pro Spaltung<\/span><\/a><\/p>\n

Siehe auch: <\/span>Restw\u00e4rme<\/a><\/span><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Energieverteilung in herk\u00f6mmlichen Reaktorkernen<\/span><\/h2>\n

Es ist zu beachten, dass die aus der\u00a0<\/span>Diffusionstheorie<\/span><\/a>\u00a0abgeleitete\u00a0Flussform<\/a>\u00a0nur ein theoretischer Fall in einem einheitlichen\u00a0<\/span>homogenen<\/span><\/strong>\u00a0zylindrischen Reaktor bei niedrigen Leistungspegeln (bei ”\u00a0<\/span>Nullleistungskritikalit\u00e4t<\/span><\/strong>\u00a0“) ist.\u00a0Wir haben implizit angenommen, dass der Kern, der aus Tausenden von Brennstoff- und Steuerelementen, K\u00fchlmittel und Struktur besteht, durch ein wirksames homogenes Gemisch dargestellt werden kann.\u00a0Dies ist eine\u00a0<\/span>sehr starke Annahme<\/span><\/strong>\u00a0, da die Heterogenit\u00e4t eines Kerns nicht ber\u00fccksichtigt wird.<\/span><\/p>\n

Siehe auch:\u00a0<\/span>Diffusionsgleichung – endlicher zylindrischer Reaktor<\/span><\/a><\/p>\n

In handels\u00fcblichen Reaktorkernen wird die Flussverteilung ma\u00dfgeblich von vielen Faktoren beeinflusst.\u00a0Einer der wichtigsten Aspekte ist die\u00a0<\/span>Heterogenit\u00e4t der Kraftstoff-Moderator-Baugruppe.\u00a0<\/span><\/strong>Dieses Problem ist sehr komplex und wird separat beschrieben in:<\/span><\/p>\n

Siehe auch:\u00a0<\/span>Energieverteilung<\/span><\/strong><\/a><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Thermische Grenzen<\/span><\/h2>\n

Die Temperatur in einem Betriebsreaktor variiert von Punkt zu Punkt innerhalb des Systems.\u00a0Infolgedessen gibt es immer\u00a0<\/span>einen Brennstab<\/span><\/strong>\u00a0und\u00a0<\/span>ein lokales Volumen<\/span><\/strong>\u00a0, die\u00a0<\/span>hei\u00dfer sind<\/span><\/strong>\u00a0als alle anderen.\u00a0Um diese\u00a0<\/span>hei\u00dfen Orte<\/span><\/strong>\u00a0zu begrenzen,\u00a0m\u00fcssen\u00a0die\u00a0<\/span>Spitzenleistungsgrenzen<\/span><\/strong>\u00a0eingef\u00fchrt werden.\u00a0Die Spitzenleistungsgrenzen sind mit solchen Ph\u00e4nomenen wie der Abweichung vom Sieden der Keime und mit den Bedingungen verbunden, die eine Schmelze der Brennstoffpellets verursachen k\u00f6nnten.<\/span><\/p>\n

Daher muss die Energieverteilung innerhalb des Kerns angemessen begrenzt werden.\u00a0Diese Einschr\u00e4nkungen werden normalerweise in zwei grundlegende Kategorien unterteilt:<\/span><\/p>\n