Graphitmoderierter Kernreaktor

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Ein graphitmoderierter Kernreaktor ist ein Kernreaktor, bei dem Graphit als Moderator eingesetzt wird. Die Wärmeabfuhr kann entweder durch Gas oder durch Wasser erfolgen.

Der erste graphitmoderierte Reaktor Chicago Pile 1 wurde von Enrico Fermi erbaut. Beim deutschen Atomwaffenprojekt während des Zweiten Weltkriegs wurde aufgrund der Kontamination des erhältlichen Graphits mit geringen Mengen an Bor und Cadmium (welche beide starke Neutronengifte sind) die Eignung von Graphit als Moderator nicht erkannt, weswegen auf die schwierigere Route eines Schwerwasserreaktors gesetzt wurde, was – unter anderem aufgrund nicht ausreichend verfügbarem schweren Wasser – bis zum Ende des Krieges verhinderte, dass die Nazis einen Reaktor bauen konnten, der Kritikalität erreichen konnte. Sind weder schweres Wasser noch angereichertes Uran verfügbar, ist nur unter Verwendung von Graphit als Moderator der Betrieb eines Kernreaktors möglich. Der sowjetische RBMK wurde als – vermeintlich – schnell zu bauender und billig zu betreibender Reaktor darauf ausgelegt, ohne schweres Wasser oder Urananreicherung betreibbar zu sein und dabei waffenfähiges Plutonium (für das sowjetische Atombombenprogramm) und große Mengen elektrischer Energie zu produzieren. Dabei wurden auf Kosten der Sicherheit Kompromisse eingegangen, welche weiter unten angerissen werden.

Graphitmoderierte Reaktoren können so gebaut werden, dass ein Betrieb mit Natururan möglich ist. Ein Nachteil eines graphitmoderierten Reaktors ist, dass Graphit brennbar ist. Die Brennbarkeit des Moderators Graphit hatte auch Auswirkungen bei der Katastrophe von Tschernobyl. Graphitmoderierte Reaktoren mit Wasserkühlung wie der RBMK besitzen einen positiven Dampfblasenkoeffizienten. Das bedeutet, dass bei Entstehung von Dampfblasen im Kühlwasser die Leistung ansteigt. Aus diesem Grund kann sich ein Leistungsanstieg selbst verstärken, was im Störfall zur Katastrophe führen kann. Heliumgekühlte graphitmoderierte Kernreaktoren, wie der Hochtemperaturreaktor, sind wegen des gasförmigen Kühlmittels von diesem Risiko nicht betroffen. Die Verwendung des chemisch inerten Kühlmittels Helium hat weiterhin den Vorteil, dass die Reaktion von Graphit mit Wasser oder Luftsauerstoff unwahrscheinlicher gemacht wird. Da Graphit brennbar ist und – unter anderem durch Neutronenbeschuss – im Betrieb erheblich erhitzt wird, muss Sorge getragen werden, dass das Graphit nicht in Kontakt mit Sauerstoff oder Wasser gerät (heißer Kohlenstoff+Wasser wurde im 19. und frühen 20. Jahrhundert zur Produktion so genannten Wassergases genutzt und erzeugt eine giftige und explosive Mischung aus Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid), da es sonst zu einem Graphitbrand kommen kann, welcher Radionuklide mit den Rauchgasen weit verteilen kann. Sowohl beim Windscale-Brand als auch beim Reaktorunglück von Tschernobyl kam es zu Graphitbränden. Allerdings besteht bei Vorhandensein von Wasser (unabhängig ob "normales" leichtes oder schweres Wasser) die Möglichkeit einer Reaktion vom Schema Metall+Wasser->Metallhydrid+Sauerstoff bzw. Metall+Wasser->Metalloxid+Wasserstoff und einer dadurch entstehenden Knallgasreaktion. Auch kann bei ausreichend hohen Temperaturen, bzw. bei Einwirkung entsprechender ionisierender Strahlung (Radiolyse) Wasser dissoziieren und ebenfalls zündfähiges Knallgas bilden. Sowohl beim Unfall von Fukushima als auch beim Unfall von Tschernobyl kam es zu Knallgasexplosionen.

Zu den graphitmoderierten Reaktoren gehören:

Graphitmoderierte Reaktoren sind typischerweise größer als Leichtwasserreaktoren, da die moderierende Eigenschaft von Graphit weniger ausgeprägt ist als die des Wasserstoffs.

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