05+Wie+Funktioniert+Ein+Kernkraftwerk (1)

05 / Kernenergie und Kernkraftwerke

Wie funktioniert ein Kernkraftwerk?Lehrerinformation

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Arbeitsauftrag

Die Arbeitsbltter knnen in Gruppen oder im Plenum gelst werden. Die Lernkontrollekann als Test eingesetzt werden.

Ziel Die Schler/-innen kennen den Satz der Energieumwandlung. Sie wissen, dass sichKernkraftwerke von anderen Kraftwerken nur im primren Sektor (d. h. in der Art derWrmegewinnung) voneinander unterscheiden. Die Schler/-innen knnen erklren, wieein Kernkraftwerk funktioniert. Sie wissen ber die Vorgnge im Kernreaktor, imMaschinenhaus und im Khlturm Bescheid.

Material

ArbeitsbltterLsungsbltter

Sozialform

Plenum oder Gruppenarbeit

Zeit

45 Minuten

ZustzlicheInformationen:

Kurze Informationen zu Siede- und Druckwasserreaktoren:http://www.kernenergie.ch/de/akw-technik.html

Informationen und Online-Angebote unter www.kernenergie.ch Einfache Simulation zum ausprobieren: Es gilt, den Reaktor in Betrieb zu nehmen.

Tipp: Ganz, ganz langsam: www.kernenergie.bkw-fmb.ch/technik.html


Wie funktioniert ein Kernkraftwerk?Arbeitsblatt

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Einleitung: Energieformen und Energieumwandlung

Unter dem Begriff Energie haben wir heute eine viel genauere Vorstellung als dieMenschen in frheren Jahrhunderten. Damals wollten viele Forscher ein Perpetuummobile bauen. Ein Perpetuum mobile ist eine Art Maschine, die sich selbst antreibtund nie stillsteht. Diese Maschinen funktionierten jedoch alle nicht, weil man dieEigenschaften von Energie noch nicht begriffen hatte.

Verschiedene Forscher und Forscherinnen fanden erst spter heraus: Energie lsstsich in andere Energieformen umwandeln, kann aber nicht aus dem Nichts erzeugtwerden.

Verschiedene Energieformen sind zum Beispiel:

die elektrische Energie

die Wrmeenergie

die Lageenergie (= potenzielle Energie)

die chemische Energie

die Bewegungsenergie (= kinetische Energie)

die Lichtenergie

Aufgabe: Findest du zu den Energieformen das passende Bild?berlege gut und verbinde mit Bleistift.

Plan eines Perpetuum mobilevon Villard de Honnecourt(um 1230)



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Wir haben das Thema Energiequellen und Energietrger im Kapitel 2 behandelt. Du siehst auf dieser Darstellung,wie aus einem Energietrger (wie Wasser, Kohle, Gas, l oder Uran) durch Energieumwandlung Strom erzeugt wird:

Aufgabe:Was fllt dir auf? Schreibe auf.Beschreibe auch den Weg, wie aus Wasser, den fossilen Brennstoffen (Kohle, Gas, l)und Uran Strom produziert wird.

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Wie funktioniert ein Kernkraftwerk?Lsungsblatt

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Lsungen:

Verschiedene Energieformen sind zum Beispiel:

die elektrische Energie

die Wrmeenergie

die Lageenergie (= potenzielle Energie)

die chemische Energie

die Bewegungsenergie (= kinetische Energie)

die Lichtenergie

Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen und Kernkraftwerke produzieren Wasserdampf, der Dampfturbinenantreibt. Bei einem Wasserkraftwerk treibt die Kraft des Wassers die Turbinen an.

Ab diesem Vorgang funktionieren die Kraftwerke genau gleich: Die Turbinen bertragen ihre Kraft auf dieGeneratoren, welche Strom produzieren und dann ins Stromnetz speisen.

Die Energie aus den Atomkernen oder den fossilen Brennstoffen wird in elektrische Energie umgewandelt.

Aus dem Hhenunterschied der Flsse (Lage- oder potenzielle Energie) entsteht Bewegungsenergie und amEnde elektrische Energie.

Hinweis LP: Zu der mechanischen Energie (vgl. Darstellung) zhlt man die potenzielle und die kinetische Energie.


Wie funktioniert ein Kernkraftwerk?Informationstext

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Kernspaltung und Kernkraftwerk

Dass in Uran ein riesiges Energiepotenzial steckt, hast du schon gelernt. Was genau bei einer Kernspaltungpassiert und wie ein Kernkraftwerk funktioniert, erfhrst du jetzt.

Stell dir einen Teekessel als Kernreaktor vor.

Das Bild zeigt Uranerz, wie es in der Natur vorhanden ist.

Dieses Uran wird knstlich angereichert.

Warum? Was bedeutet das?

Es gibt spaltbares und unspaltbares Uran. Bei derKernspaltung braucht man spaltbares Uran. Da es imUranerz aus der Natur zu wenig spaltbares Uran hat,wird es knstlich angereichert.

Jetzt hat das Uran noch viel mehr Energie!

Der Dampf wird auf dieTurbine geleitet und versetztsie in Drehbewegung. Durchdie Drehung wird einGenerator angetrieben, dermit der Turbine verbundenist. Der Generator wandeltdie mechanische inelektrische Energie um.

Das Besondere derKernenergie ist dieArt und Weise, wieder ntige Dampferzeugt wird.

Anstelle einer Herdplatte, die das Wasser zum Kochen bringt,funktioniert ein Kernkraftwerk mit Brennstben, die mit Urangefllt sind. Durch Kernspaltung wird enorm viel Wrmefreigesetzt, die das Wasser erhitzt. Mehrere solcher gefllterMetallrohre werden zu einem Brennelement zusammengefasst.Ein Reaktor enthlt ungefhr 800 solche Brennelemente.



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Hier werden gerade Brennelemente ausgewechselt.Quelle: KKG

Was passiert bei einer Kernspaltung?

Blick in einen geffneten Reaktor.Quelle: Axpo

Im Reaktorgebude whrend der Revision. Im Normal-betrieb ist das Reaktordruckgefss (Mitte) geschlossenQuelle: Axpo

Ein einzelnes Brennelementmit Steuerstben.Quelle: KKG

Hier sind dieBrennelemente. 1. Reaktor

2. Dampfturbine3. Generator

Hier siehst du ein vereinfachtes Schema einesSiedewasserreaktors



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Die Urankerne werden mit Neutronen beschossen. Dadurch spaltet sich das Atom in mehrere Teile und es werdeneinige Neutronen freigesetzt. Diese spalten wiederum Uranatome, welche wieder Neutronen freisetzten.

Die ganze Kernspaltung findet im Wasser statt: Das Wasser hat eigentlich zwei Funktionen: Erstens macht es dieNeutronen langsamer und nur so kann ein Kern gespalten werden. (Wenn das Neutron mit hoher Geschwindigkeitunterwegs wre, wrde es einfach durch den Atomkern durchfliegen.) Zweitens wird das Wasser durch die bei derKernspaltung freiwerdende Energie erhitzt und der aufsteigende Dampf treibt dann die Turbinen an.

Atomkernvon Uran 235

LangsamfliegendesNeutron

Das Neutron, das neu dazugekommen ist, strt die bestehendeOrdnung. Der ganze Atomkern wird inSchwingungen versetzt. Stelle direinen Wackelpudding vor: DerAtomkern bewegt sich immerstrker hin und her, bis erauseinander bricht.

NeueNeutronen

Die Neutronen, die aus dem Kerngeschleudert werden, prallen mit sehrhoher Geschwindigkeit auf andereAtome. Durch diese stndigen Zu-sammenstsse und Erschtterungenentsteht Wrme, die fr dieStromerzeugung genutzt wird.

Energie

EnergieRadioaktiveStrahlung

RadioaktiveStrahlung

Diese Kettenreaktion geht so weiter, bis keine Atome mehr spaltbar sind. Bei der Spaltung wird Wrme abgegeben,und das Wasser zwischen den Brennstben wird erhitzt.

Uranbrennstbe

Wasser

Neutronen werden imWasser abgebremst.



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Wie kann man die Kernspaltung steuern und die Leistung regulieren?

Man kann die Energieproduktion sehr gut steuern, indem man Steuerstbe in den Reaktor hineinlsst. Diese Stbebestehen beispielsweise aus Kadmium oder Bor. Das sind Stoffe, welche Neutronen schlucken knnen. Je tiefer manalso die Steuerstbe in den Reaktor lsst, desto weniger Neutronen knnen Atomkerne spalten. Wenn man dieSteuerstbe komplett hineinfhrt, hrt die Kernspaltung auf und die Energieproduktion wird unterbrochen. Mankann Bor auch so direkt ins Wasser einspeisen.

Steuerstbe(= Neutronenfnger)



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Aufgabe: So, nun hast du schon viel gelernt! Versuche nun, die nachfolgenden Fragen zubeantworten.

1. Schreibe den Satz der Energieumwandlung auf:

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______________________________________________________________________________________________

2. Beschreibe mit Stichworten die Unterschiede und Gemeinsamkeiten eines Kernkraftwerkes und einesWasserkraftwerkes.

______________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________

3. Was befindet sich im Reaktorkern? ______________________________________________________________

4. Was ist in den Brennstben? ___________________________________________________________________

5. Beschrifte diese Darstellung:

Titel: ___________________________

6. Was wird durch die Kernspaltung abgegeben? _____________________________________________________

7. Das Wasser im Reaktorkern hat zwei Aufgaben. Welche?

______________________________________________________________________________________________

____________

____________

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Aufgabe:

Flle die Lcken mit nachfolgenden Wrtern.

Dampf 3000 mechanische Energie Maschinenhaus transportfhig elektrische Energie Verbraucher Dynamos Generator Erhhung Elektromagnete

Was geschieht im Maschinenhaus?

Der im Reaktorteil des Kernkraftwerks erzeugte Dampf gelangt ber Leitungen ins

______________________. Hier befindet sich die Dampfturbine, die die Wrmeenergie des Dampfs

in ___________________________ umwandelt. Der heisse _________________ treibt die Schaufeln

der Turbine an und bringt diese mit ____________ Umdrehungen pro Minute zum Drehen.

Dampfturbine

Maschinenhaus

1. Reaktor2. Dampfturbine3. Generator



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Der __________________ ist ber eine starre Welle direkt mit der Turbine verbunden und wird von

dieser angetrieben. Durch die rasche Drehung der auf der Welle befestigten

____________________________ wird in den Wicklungen des Generators Strom erzeugt und damit

die mechanische Rotationsenergie der Turbine in ___________________________________

umgewandelt. Es handelt sich hier um den gleichen Vorgang wie bei den ______________________

von Velos, nur ist die Leistung des Generators in Kernkraftwerken ungleich grsser.

Der im Generator erzeugte elektrische Strom muss ______________________ gemacht und zum

____________________ gefhrt werden. Das geschieht durch die _____________________ der

Spannung in Transformatoren beim Kernkraftwerk.

TransformatorGenerator



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Lsungen:

1. Schreibe den Satz der Energieumwandlung auf:

Energie lsst sich in andere Energieformen umwandeln, kann aber nicht aus dem Nichts erzeugt werden.

2. Beschreibe mit Stichworten die Unterschiede und Gemeinsamkeiten eines Kernkraftwerkes und einesWasserkraftwerkes.

Unterschiede: Wasserkraftwerke Antrieb mit der Kraft des Wasser, Kernkraftwerk Antrieb durch WasserdampfGemeinsamkeiten: Turbinen bertragen ihre Kraft auf die Generatoren, welche Strom produzieren

3. Was befindet sich im Reaktorkern? Brennstbe

4. Was ist in den Brennstben? Uran

5. Beschrifte diese Darstellung:

Titel: Kernspaltung

6. Was wird durch die Kernspaltung abgegeben? Energiemengen

7. Das Wasser im Reaktorkern hat zwei Aufgaben. Welche?

Es macht die Neutronen langsamer / Das erhitzte Wasser treibt durch den aufsteigenden Dampf die Turbinen an

Atomkern

Kernspaltung

Freisetzung vonNeutronen



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Was geschieht im Maschinenhaus?

Der im Reaktorteil des Kernkraftwerks erzeugte Dampf gelangt ber Leitungen ins Maschinenhaus.

Hier befindet sich die Dampfturbine, die die Wrmeenergie des Dampfs in mechanische Energie

umwandelt. Der heisse Dampf treibt die Schaufeln der Turbine an und bringt diese mit 3000

Umdrehungen pro Minute zum Drehen.

Der Generator ist ber eine starre Welle direkt mit der Turbine verbunden und wird von dieser

angetrieben. Durch die rasche Drehung der auf der Welle befestigten Elektromagnete wird in den

Wicklungen des Generators Strom erzeugt und damit die mechanische Rotationsenergie der Turbine

in elektrische Energie umgewandelt. Es handelt sich hier um den gleichen Vorgang wie bei den

Dynamos von Velos, nur ist die Leistung des Generators in Kernkraftwerken ungleich grsser.

Der im Generator erzeugte elektrische Strom muss transportfhig gemacht und zum Verbraucher

gefhrt werden. Das geschieht durch die Erhhung der Spannung in Transformatoren beim

Kernkraftwerk.



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Die weither sichtbaren Khltrme sind keine Besonderheit von Kernkraftwerken. Auch andere thermischeKraftwerke, z. B. Kohlekraftwerke, verfgen ber Khltrme. Die Wolke, die dem Khlturm eines Kernkraftwerksentsteigt, besteht aus reinem Wasserdampf. Sie ist also nicht mit Abgasen belastet und enthlt auch keineRadioaktivitt.

Kernkraftwerk Leibstadt (KKL)

Was sind die Funktionen des Khlturms?

Alle thermischen Kraftwerke, ob mit l, Gas, Kohle oder Uran betrieben, knnen aus physikalischen Grnden nureinen Teil der erzeugten Wrme in elektrische Energie umwandeln. Der Rest muss als Abwrme abgefhrt werden.Zu diesem Zweck wird der Dampf, nachdem er seine Energie an die Turbine abgegeben hat, in den Kondensatorgeleitet.

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1. Reaktor2. Dampfturbine3. Generator4. Kondensator

Kondensator

Kondensation bedeutet, dassaus Dampf durch Abkhlungwieder Wasser wird.



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Im Kondensator wird der Dampf durch Khlung in Wasser zurckverwandelt und wieder zur Dampferzeugung in denKreislauf zurckgefhrt.

Der Khlturm ist nun dazu da, den Kondensator zu khlen: Das im Kondensator erwrmte Khlwasser gelangt berein Kanalsystem in den Khlturm und wird wie in einer riesigen Dusche versprht. Von Aussen dringt Luft in denKhlturm ein. Form und Hhe des Khlturms sorgen fr einen Kamineffekt, so dass die Luft nach oben strmt.

Die herunterfallenden Wassertropfen geben ihre Wrme an den aufsteigenden Luftstrom ab. Bei diesem Vorgangverdunsten 2-3 % des Khlwassers und bilden die charakteristischen Dampfwolken, die je nach Luftfeuchtigkeit,Temperatur und Windstrke mehr oder weniger gut sichtbar ist.

So sieht es auf dem Boden des Khlturmes aus. Das versprhte Khlwasserwird im Khlbecken gesammelt und zum Kondensator zurckgepumpt.Quelle: KKG



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Aufgabe: Schreibe die richtigen Nummern (oder mit ganz kleiner Schrift die Bezeichnungen) in dieleeren Kstchen.

1 Uranbrennstbe 7 Dampfturbine2 Kondensator 8 Wasserdampf3 Khlturm 9 Reaktordruckgefss4 Reaktorgebude 10 Transformator5 Speisewasser 11 Kondensator6 Generator 12 Khlkreislauf



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Lsungen:

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