Linksammlung: Kerne, Kohle und Konsorten

In letzter Zeit ist es doch etwas ruhiger geworden hier im Blog. Das liegt zum einen an der Uni, zum anderen an meinen doch sehr zeitaufwändigen Vorbereitungen der NAka in wenigen Wochen. Ich lese da im Moment sehr viel und habe einige sehr lesenswerte Webseiten zu verschiedenen Themen der Energieversorgung aufgetan, die einen Blick wert sind.

  • In den Brainlogs tobt eine Diskussion zur Irrationalität des Kernausstiegs. Durch den Artikel wurde mir klar, dass auch Kohle- und Gaskraftwerke in einem nicht unerheblichen Maße radioaktive Emmissionen verursachen (siehe auch hier und hier). Macht einen doch nachdenklich. Jedoch stimme ich dem Autor in einer wichtigen Annahme nicht zu: Dass die Angst vor direkten Strahlenschäden einer der Hauptgründe ist, gegen Atomkraftwerke zu sein. Zumindest auf mich trifft das nicht zu. Ich sehe eher eine ethische Verantwortung künftigen Generationen gegenüber und sehe daher die Entlagerung als Hauptargument an. Ich mag da aber auch absoluter nicht-Mainstream sein…
  • Über das – sehr lesenswerte! – Blog Kerngedanken bin ich auf einen Artikel der Welt gestoßen, der der Solarenergie sehr kritisch gegenüber steht. In vielen Punkten sicherlich richtig, nur leider zeigt er keinerlei Lösungsvorschläge auf. Trotzdem eine Leseempfehlung!

Für heute war’s das schon. Aber vielleicht schaffe ich es ja, den Blog nicht den langsamen Tod sterben zu lassen ;)

Wasserstoffentwicklung in Atomkraftwerken – Updated

Update am 17.3.: Offenbar scheint großes Interesse an den Hintergründen zu bestehen. Deshalb habe ich den Artikel erweitert und Quellen ergänzt. Die Ergänzungen sind jeweils unterstrichen.

Bereits gestern habe ich einen Link zur Dissertation von M. Bendiab gepostet. In dieser werden verschiedene Mechanismen diskutiert, wie in Kernkraftwerken Wasserstoff entstehen kann. Dieser Wasserstoff war vermutlich der Grund, warum es verschiedene Explosionen in mehreren Blöcken des KKW Fukushima gegeben hat. Außerdem scheint es, dass es ähnliche Störfälle (die glimpflich abliefen) auch in deutschen Kernkraftwerken bereits gegeben. Wie also kommt Wasserstoff in ein Kernkraftwerk?

Zunächst: Das eigentliche Spaltmaterial der Kernkraftwerke ist in Pellets gepresstes Urandioxid ([latex size=“1″]UO_{2}[/latex]), in einigen Fällen zusätzlich auch ein Plutoniumoxid (Sogenannte Mischoxid-Elemente, kurz MOX-Brennelemente). Diese Pellets werden durch eine Hülle aus Zirkalloy, einer Legierung mit hohem Zirkoniumanteil, umschlossen. Die Pellets mit der Hülle bilden den sogenannten Brennstab, der einige Millimeter dick ist. Viele dieser Brennstäbe werden dann gebündelt und bilden die Brennelemente, von denen mehrere wiederum den Kern eines KKW bilden (siehe Bild).

Brennelement eines KKW
Brennelement eines KKW. Foto: Wilfried Wittkowsky, 2005, Gefunden bei Wikimedia Commons.

 

 

Entsteht nun – zum Beispiel auf Grund geringer Kühlung – eine bestimmte Menge Wasserdampf und ist die Temperatur erhöht, so kann eine Redox-Reaktion zwischen Wasser und Zirkonium (Zr) einsetzen. Diese verläuft exotherm, liefert also zusätzlich weitere Wärme, wodurch noch mehr Wasser verdampfen kann. Die Reaktionsgleichung hierfür ist:

[latex size=“1″]Zr + 2 H_{2}O \longrightarrow ZrO_{2} + 2 H_{2}[/latex]

Eine Druckerhöhung ist hierdurch per se erstmal in meinen Augen kaum zu erwarten, da ja pro Wassermolekül auch ein Molekül Wasserstoff entsteht. Die Hauptkomponente der Druckerhöhung im Reaktor dürfte – soweit ich als Laie auf diesem Gebiet das überblicken kann – eher die erhöhte Temperatur sein.

Die ganze Reaktion ist – soweit ich das nachvollziehen kann – temperaturabhängig. Ob eine Reaktion spontan abläuft, hängt von der freien Enthalpie [latex size=“1″]\Delta G[/latex] ab. Diese ist selbst nach der Gibbs-Helmholtz-Gleichung aber (in diesem Falle leicht) temperaturabhängig.

Ebenfalls kann durch Reaktion von Wasserdampf mit verschiedenen anderen, im Reaktor vorhandenen Stoffen, Wasserstoff entstehen. Einzelheiten in der oben verlinkten Dissertation. Zusätzlich kann durch Einwirkung ionisierender Strahlung Wasser direkt zu Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt werden (Radiolyse). Das ist dann natürlich eine ganz unangenehme Mischung…

Solange Wasserstoff nicht mit Sauerstoff in Kontakt kommt, ist die Welt noch in Ordnung. Ist dieser jedoch verfügbar – durch die Luft oder andere chemische Reaktionen – kann es einen ordentlichen Knall geben: Die Knallgasreaktion, die schon in kleinen Mengen sehr eindrucksvoll sein kann:
Ob es zu einer Explosion kommt, hängt stark vom Mischungsverhältnis Wasserstoff-Luft-Wasserdampf ab. Eine schöne Übersicht findet sich in der Dissertation von P. Drinovac (S.8).

Neben der oben bereits erwähnten Reaktion von Wasser mit Zirkonium und der direkten Radiolyse von Wasser durch Strahlung spielen bei gewissen Temperaturen auch die folgenden Reaktionen eine Rolle (siehe Diss Bendiab, S. 38):

[latex size=“1″]3 UO_{2} + 2 H_{2}O \longrightarrow U_{3}O_{8} + 2 H_{2}[/latex]

Diese Reaktion spielt bei Temperaturen ab 1100 °C eine Rolle. Ebenso kann bei Temperaturen ab 1000 °C das im Stahl des Druckbehälters vorhandene Eisen zu verschiedenen Eisenoxiden oxidiert werden:

[latex size=“1″]Fe + H_{2}O \longrightarrow FeO + H_{2}[/latex]

 

[latex size=“1″]2 Fe + 3 H_{2}O \longrightarrow Fe_{2}O_{3} + 3 H_{2}[/latex]

Weitere Möglichkeiten finden sich ebenfalls bei Bendiab. Die Theorie einer direkten Thermolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff, wie sie im H2Blog vorgeschlagen wird, halte ich persönlich für eher unwahrscheinlich, da diese erst bei wesentlich höheren Temperaturen (ab 2500 °C . Laut Riedel (2. Aufl. 1990, S. 272) liegt das Gleichgewicht der thermischen Dissoziation von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff erst weit jenseits von 2000°C merklich auf Seite der Elemente) einsetzt. Bei diesen Temperaturen wäre aber wohl alles andere innerhalb des Reaktors geschmolzen, was so zumindest nicht in der Presse zu lesen war.

Fukushima – Aus aktuellem Anlass. * Updated 17.3.*

Zwar hoffe ich noch inständig, dass Fukushima nicht bald in einem Atemzug mit Tschernobyl genannt werden muss. Und wegen tatsächlich besserer Technik wird es wohl auch nicht soweit kommen. Dennoch ist es – gerade über TV-Medien – momentan schwierig, an gute Informationen zu kommen. Daher vorerst einige hilfreiche Links und demnächst mehr...

Unbedingt lesenwert: Der PhysikBlog erklärt, was so ein Reaktor überhaupt ist und was es mit der Kernschmelze auf sich hat. Und das auf sehr humorvolle Weise… Sofern dies überhaupt möglich ist.

Bei Diax Rake finden sich immer aktualisierte Links zu guten Informationen. Ich möchte und muss ihm (und auch unserem Bundesumweltminister) jedoch vehement widersprechen: Gerade jetzt ist eine Diskussion über die Zukunft der Kernenergie richtig und wichtig! Dazu jedoch von meiner Seite auch in den nächsten Tagen mehr. Hoffen wir, dass es alles glimpflicher abläuft als es momentan scheint… Ihr müsst dort jedenfalls, wie FrischerWind schreibt, das „AKW-Gegner-Bashing“ ignorieren…

Bei Bodenseepeter findet sich die Übersetzung eines englischsprachigen Artikels von Dr. Josef Oehmen über die technischen Hintergründe. Ich stimme ihm nicht in allen Punkten zu, finde den Artikel jedoch sehr lesenswert.

Nicht direkt mit den Vorgängen in Japan hat eine Zukunftsvision von BravenewClimate zu tun – werden wir wirklich im Jahr 2060 zu 75% auf atomare Energie setzen? Ich hoffe, wir finden Alternativen…

Relativ kompakte Informationen über Strahlung, relevante Messgrößen und die im Zusammenhang mit dem Austritt radioaktiver Stoffe verbundenen Gefahren finden sich bei den WissensLogs und sehr schön aufbereitet bei WeltderPhysik.

Ebenfalls bei WeltderPhysik: Die Stellungnahme der Deutschen Physikalischen Gesellschaft als Video.

Wer etwas mehr über die chemischen Hintergründe der Wasserstoffexplosionen erfahren möchte, dem sei das 3. Kapitel der Dissertation von M. Bendiab empfohlen.

Wer einmal selbst ein KKW vor dem GAU retten möchte, kann sich an diesem JAVA-Applet versuchen. Danke für den Hinweis an @akasche.

Etwas populärwissenschaftlicher – aber sehr gelungen – ist das Video der PeriodicTable of Videos der University of Nottingham, das ich via YouTube gern einbinde und damit diese Linksammlung für heute abschließe.

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Update 15.3. – 22:39

Sehr informativ berichtet auch die Webseite der GRS über die Lage. Nicht immer ganz aktuell, aber ohne Panikmache.

Update 16.3. – 23:59

Gerade lief im ZDF Abenteuer Forschung von und mit Harald Lesch. Sehr informativ, auch ethische Fragen der Kernenergie wurden diskutiert. Empfehlenswert! Noch gibt es Teile der Sendung in der Mediathek des ZDF: „Übrigens“ zur Sendung, Beitrag über die Auswirkungen ionisierender Strahlung aus der Sendung und Beitrag über Möglichkeiten der erneuerbaren Energien.

Update 17.3. – 23:59

Gerade bin ich noch auf sehr viele interessante Links gestoßen. Im Sammelsurium für den Unterricht findet sich eine Skizze eines Siedewasserreaktors. Ebenfalls dort: Strahlendosismesswerte (via GRS) und Vergleich mit normaler Hintergrundstrahlung sowie Zeitungsausschnitt aus der FAZ zu biologischen Strahlenschäden.

Das MIT erklärt, was Nachzerfallswärme eigentlich ist – allerdings auf englisch. Wer es lieber deutsch mag, findet es beim PhysikBlog. Die ZEIT stellt klar: Es gibt keine sichere Strahlendosis. Aus purem Interesse: Stellungnahme von CampusGrün-Hamburg zu den Vorfällen.