{"id":275,"date":"2011-03-15T23:00:47","date_gmt":"2011-03-15T22:00:47","guid":{"rendered":"http:\/\/hannes-sander.net\/wordpress\/?p=275"},"modified":"2016-01-19T13:31:49","modified_gmt":"2016-01-19T11:31:49","slug":"wasserstoffentwicklung-in-atomkraftwerken","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.hsander.net\/wordpress\/2011\/03\/15\/wasserstoffentwicklung-in-atomkraftwerken\/","title":{"rendered":"Wasserstoffentwicklung in Atomkraftwerken – Updated"},"content":{"rendered":"

Update am 17.3.<\/strong>: Offenbar scheint gro\u00dfes Interesse an den Hintergr\u00fcnden zu bestehen. Deshalb habe ich den Artikel erweitert und Quellen erg\u00e4nzt. Die Erg\u00e4nzungen sind jeweils unterstrichen.<\/p>\n

Bereits gestern<\/a> habe ich einen Link zur Dissertation von M. Bendiab<\/a> gepostet. In dieser werden verschiedene Mechanismen diskutiert, wie in Kernkraftwerken<\/a><\/span> Wasserstoff entstehen kann. Dieser Wasserstoff war vermutlich der Grund, warum es verschiedene Explosionen in mehreren Bl\u00f6cken des KKW<\/span> Fukushima gegeben hat. Au\u00dferdem scheint es, dass es \u00e4hnliche St\u00f6rf\u00e4lle (die glimpflich abliefen) auch in deutschen Kernkraftwerken bereits gegeben<\/a><\/span>. Wie also kommt Wasserstoff in ein Kernkraftwerk<\/span>?<\/p>\n

Zun\u00e4chst: Das eigentliche Spaltmaterial der Kernkraftwerke ist in Pellets gepresstes Urandioxid ([latex size=\"1\"]UO_{2}[\/latex]), in einigen F\u00e4llen zus\u00e4tzlich auch ein Plutoniumoxid (Sogenannte Mischoxid-Elemente, kurz MOX-Brennelemente<\/a><\/span>). Diese Pellets werden durch eine H\u00fclle aus Zirkalloy<\/a>, einer Legierung mit hohem Zirkoniumanteil, umschlossen. Die Pellets mit der H\u00fclle bilden den sogenannten Brennstab<\/a>, der einige Millimeter dick ist. Viele dieser Brennst\u00e4be werden dann geb\u00fcndelt und bilden die Brennelemente<\/a>, von denen mehrere wiederum den Kern eines KKW bilden (siehe Bild)<\/span>.<\/p>\n

\"Brennelement

Brennelement eines KKW. Foto: Wilfried Wittkowsky, 2005, Gefunden bei Wikimedia Commons.<\/p><\/div>\n

 <\/p>\n

 <\/p>\n

Entsteht nun - zum Beispiel auf Grund geringer K\u00fchlung - eine bestimmte Menge Wasserdampf und ist die Temperatur erh\u00f6ht<\/span>, so kann eine Redox-Reaktion zwischen Wasser und Zirkonium (Zr) einsetzen. Diese verl\u00e4uft exotherm, liefert also zus\u00e4tzlich weitere W\u00e4rme, wodurch noch mehr Wasser verdampfen kann. Die Reaktionsgleichung hierf\u00fcr ist:<\/p>\n

[latex size=\"1\"]Zr + 2 H_{2}O \\longrightarrow ZrO_{2} + 2 H_{2}[\/latex]<\/p>\n

Eine Druckerh\u00f6hung ist hierdurch per se erstmal in meinen Augen kaum zu erwarten, da ja pro Wassermolek\u00fcl auch ein Molek\u00fcl Wasserstoff entsteht. Die Hauptkomponente der Druckerh\u00f6hung im Reaktor d\u00fcrfte - soweit ich als Laie auf diesem Gebiet das \u00fcberblicken kann - eher die erh\u00f6hte Temperatur sein.<\/p>\n

Die ganze Reaktion ist - soweit ich das nachvollziehen kann - temperaturabh\u00e4ngig. Ob eine Reaktion spontan abl\u00e4uft, h\u00e4ngt von der freien Enthalpie [latex size=\"1\"]\\Delta G[\/latex] ab. Diese ist selbst nach der Gibbs-Helmholtz-Gleichung<\/a> aber (in diesem Falle leicht) temperaturabh\u00e4ngig.<\/span><\/p>\n

Ebenfalls kann durch Reaktion von Wasserdampf mit verschiedenen anderen, im Reaktor vorhandenen Stoffen, Wasserstoff entstehen. Einzelheiten in der oben verlinkten Dissertation. Zus\u00e4tzlich kann durch Einwirkung ionisierender Strahlung Wasser direkt zu Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt werden (Radiolyse). Das ist dann nat\u00fcrlich eine ganz unangenehme Mischung...<\/p>\n

Solange Wasserstoff nicht mit Sauerstoff in Kontakt kommt, ist die Welt noch in Ordnung. Ist dieser jedoch verf\u00fcgbar - durch die Luft oder andere chemische Reaktionen - kann es einen ordentlichen Knall geben<\/span>: Die Knallgasreaktion, die schon in kleinen Mengen sehr eindrucksvoll sein kann:
\nOb es zu einer Explosion kommt, h\u00e4ngt stark vom Mischungsverh\u00e4ltnis Wasserstoff-Luft-Wasserdampf ab. Eine sch\u00f6ne \u00dcbersicht findet sich in der Dissertation von P. Drinovac<\/a> (S.8)<\/span>.<\/p>\n

Neben der oben bereits erw\u00e4hnten 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):<\/span><\/p>\n

[latex size=\"1\"]3 UO_{2} + 2 H_{2}O \\longrightarrow U_{3}O_{8} + 2 H_{2}[\/latex]<\/span><\/p>\n

Diese Reaktion spielt bei Temperaturen ab 1100 \u00b0C eine Rolle. Ebenso kann bei Temperaturen ab 1000 \u00b0C das im Stahl des Druckbeh\u00e4lters vorhandene Eisen zu verschiedenen Eisenoxiden oxidiert werden:<\/span><\/p>\n

[latex size=\"1\"]Fe + H_{2}O \\longrightarrow FeO + H_{2}[\/latex]<\/p>\n

 <\/p>\n

[latex size=\"1\"]2 Fe + 3 H_{2}O \\longrightarrow Fe_{2}O_{3} + 3 H_{2}[\/latex]<\/p>\n

Weitere M\u00f6glichkeiten finden sich ebenfalls bei Bendiab. Die Theorie einer direkten Thermolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff, wie sie im H2Blog<\/a> vorgeschlagen wird, halte ich pers\u00f6nlich f\u00fcr eher unwahrscheinlich, da diese erst bei wesentlich h\u00f6heren Temperaturen (ab 2500 \u00b0C<\/a> . Laut Riedel (2. Aufl. 1990, S. 272) liegt das Gleichgewicht der thermischen Dissoziation von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff erst weit jenseits von 2000\u00b0C merklich auf Seite der Elemente) einsetzt. Bei diesen Temperaturen w\u00e4re aber wohl alles andere innerhalb des Reaktors geschmolzen, was so zumindest nicht in der Presse zu lesen war.
\n<\/span><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Update am 17.3.: Offenbar scheint gro\u00dfes Interesse an den Hintergr\u00fcnden zu bestehen. Deshalb habe ich den Artikel erweitert und Quellen erg\u00e4nzt. Die Erg\u00e4nzungen 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 […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"activitypub_content_warning":"","activitypub_content_visibility":"local","activitypub_max_image_attachments":4,"footnotes":""},"categories":[3],"tags":[6,43,65,67,68,100,121],"class_list":["post-275","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-uncategorized","tag-akw","tag-fukushima","tag-kernenergie","tag-kkw","tag-knallgas","tag-redox","tag-wasserstoff"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.hsander.net\/wordpress\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/275","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.hsander.net\/wordpress\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.hsander.net\/wordpress\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.hsander.net\/wordpress\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.hsander.net\/wordpress\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=275"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.hsander.net\/wordpress\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/275\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":819,"href":"https:\/\/www.hsander.net\/wordpress\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/275\/revisions\/819"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.hsander.net\/wordpress\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=275"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.hsander.net\/wordpress\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=275"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.hsander.net\/wordpress\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=275"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}