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05 / Kernenergie und Kernkraftwerke
Wie funktioniert ein Kernkraftwerk?Lehrerinformation
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Arbeitsauftrag
Die Arbeitsblätter können in Gruppen oder im Plenum gelöst werden. Die Lernkontrollekann als Test eingesetzt werden.
Ziel Die Schüler/-innen kennen den Satz der Energieumwandlung. Sie wissen, dass sichKernkraftwerke von anderen Kraftwerken nur im primären Sektor (d. h. in der Art derWärmegewinnung) voneinander unterscheiden. Die Schüler/-innen können erklären, wieein Kernkraftwerk funktioniert. Sie wissen über die Vorgänge im Kernreaktor, imMaschinenhaus und im Kühlturm Bescheid.
Material
ArbeitsblätterLösungsblätter
Sozialform
Plenum oder Gruppenarbeit
Zeit
45 Minuten
ZusätzlicheInformationen:
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
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Einleitung: Energieformen und Energieumwandlung
Unter dem Begriff Energie haben wir heute eine viel genauere Vorstellung als dieMenschen in früheren 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 später heraus: Energie lässtsich in andere Energieformen umwandeln, kann aber nicht aus dem Nichts erzeugtwerden.
Verschiedene Energieformen sind zum Beispiel:
die elektrische Energie
die Wärmeenergie
die Lageenergie (= potenzielle Energie)
die chemische Energie
die Bewegungsenergie (= kinetische Energie)
die Lichtenergie
Aufgabe:Findest du zu den Energieformen das passende Bild?Überlege gut und verbinde mit Bleistift.
Plan eines Perpetuum mobilevon Villard de Honnecourt(um 1230)
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Wir haben das Thema „Energiequellen und Energieträger“ im Kapitel 2 behandelt. Du siehst auf dieser Darstellung,wie aus einem Energieträger (wie Wasser, Kohle, Gas, Öl oder Uran) durch Energieumwandlung Strom erzeugt wird:
Aufgabe:Was fällt dir auf? Schreibe auf.Beschreibe auch den Weg, wie aus Wasser, den fossilen Brennstoffen (Kohle, Gas, Öl)und Uran Strom produziert wird.
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Wie funktioniert ein Kernkraftwerk?Lösungsblatt
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Lösungen:
Verschiedene Energieformen sind zum Beispiel:
die elektrische Energie
die Wärmeenergie
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 übertragen 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 Höhenunterschied der Flüsse (Lage- oder potenzielle Energie) entsteht Bewegungsenergie und amEnde elektrische Energie.
Hinweis LP: Zu der mechanischen Energie (vgl. Darstellung) zählt man die potenzielle und die kinetische Energie.
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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, erfährst du jetzt.
Stell dir einen Teekessel als Kernreaktor vor.
Das Bild zeigt Uranerz, wie es in der Natur vorhanden ist.
Dieses Uran wird künstlich 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 künstlich 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 nötige Dampferzeugt wird.
Anstelle einer Herdplatte, die das Wasser zum Kochen bringt,funktioniert ein Kernkraftwerk mit Brennstäben, die mit Urangefüllt sind. Durch Kernspaltung wird enorm viel Wärmefreigesetzt, die das Wasser erhitzt. Mehrere solcher gefüllterMetallrohre werden zu einem Brennelement zusammengefasst.Ein Reaktor enthält ungefähr 800 solche Brennelemente.
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Hier werden gerade Brennelemente ausgewechselt.Quelle: KKG
Was passiert bei einer Kernspaltung?
Blick in einen geöffneten Reaktor.Quelle: Axpo
Im Reaktorgebäude während der Revision. Im Normal-betrieb ist das Reaktordruckgefäss (Mitte) geschlossenQuelle: Axpo
Ein einzelnes Brennelementmit Steuerstäben.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 wäre, würde 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.
Atomkern
von Uran 235
LangsamfliegendesNeutron
Das Neutron, das neu dazugekommen ist, stört die bestehendeOrdnung. Der ganze Atomkern wird inSchwingungen versetzt. Stelle direinen Wackelpudding vor: DerAtomkern bewegt sich immerstärker hin und her, bis er
auseinander bricht.
NeueNeutronen
Die Neutronen, die aus dem Kerngeschleudert werden, prallen mit sehrhoher Geschwindigkeit auf andereAtome. Durch diese ständigen Zu-sammenstösse und Erschütterungenentsteht Wärme, die für dieStromerzeugung genutzt wird.
Energie
Energie
RadioaktiveStrahlung
RadioaktiveStrahlung
Diese Kettenreaktion geht so weiter, bis keine Atome mehr spaltbar sind. Bei der Spaltung wird Wärme abgegeben,und das Wasser zwischen den Brennstäben wird erhitzt.
Uranbrennstäbe
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 Steuerstäbe in den Reaktor hineinlässt. Diese Stäbebestehen beispielsweise aus Kadmium oder Bor. Das sind Stoffe, welche Neutronen schlucken können. Je tiefer manalso die Steuerstäbe in den Reaktor lässt, desto weniger Neutronen können Atomkerne spalten. Wenn man dieSteuerstäbe komplett hineinfährt, hört die Kernspaltung auf und die Energieproduktion wird unterbrochen. Mankann Bor auch so direkt ins Wasser einspeisen.
Steuerstäbe(= Neutronenfänger)
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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.
______________________________________________________________________________________________
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3. Was befindet sich im Reaktorkern? ______________________________________________________________
4. Was ist in den Brennstäben? ___________________________________________________________________
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:
Fülle die Lücken mit nachfolgenden Wörtern.
Dampf ¦3000 ¦ mechanische Energie ¦ Maschinenhaus ¦ transportfähig ¦elektrische Energie ¦ Verbraucher ¦ Dynamos ¦ Generator ¦ Erhöhung ¦Elektromagnete
Was geschieht im Maschinenhaus?
Der im Reaktorteil des Kernkraftwerks erzeugte Dampf gelangt über Leitungen ins
______________________. Hier befindet sich die Dampfturbine, die die Wärmeenergie 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 über 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 grösser.
Der im Generator erzeugte elektrische Strom muss ______________________ gemacht und zum
____________________ geführt werden. Das geschieht durch die _____________________ der
Spannung in Transformatoren beim Kernkraftwerk.
TransformatorGenerator
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Lösungen:
1. Schreibe den Satz der Energieumwandlung auf:
Energie lässt 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 übertragen ihre Kraft auf die Generatoren, welche Strom produzieren
3. Was befindet sich im Reaktorkern? Brennstäbe
4. Was ist in den Brennstäben? 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 über Leitungen ins Maschinenhaus.
Hier befindet sich die Dampfturbine, die die Wärmeenergie 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 über 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 grösser.
Der im Generator erzeugte elektrische Strom muss transportfähig gemacht und zum Verbraucher
geführt werden. Das geschieht durch die Erhöhung der Spannung in Transformatoren beim
Kernkraftwerk.
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Die weither sichtbaren Kühltürme sind keine Besonderheit von Kernkraftwerken. Auch andere thermischeKraftwerke, z. B. Kohlekraftwerke, verfügen über Kühltürme. Die Wolke, die dem Kühlturm eines Kernkraftwerksentsteigt, besteht aus reinem Wasserdampf. Sie ist also nicht mit Abgasen belastet und enthält auch keineRadioaktivität.
Kernkraftwerk Leibstadt (KKL)
Was sind die Funktionen des Kühlturms?
Alle thermischen Kraftwerke, ob mit Öl, Gas, Kohle oder Uran betrieben, können aus physikalischen Gründen nureinen Teil der erzeugten Wärme in elektrische Energie umwandeln. Der Rest muss als Abwärme abgeführt werden.Zu diesem Zweck wird der Dampf, nachdem er seine Energie an die Turbine abgegeben hat, in den Kondensatorgeleitet.
4
1. Reaktor2. Dampfturbine3. Generator4. Kondensator
Kondensator
Kondensation bedeutet, dassaus Dampf durch Abkühlungwieder Wasser wird.
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Im Kondensator wird der Dampf durch Kühlung in Wasser zurückverwandelt und wieder zur Dampferzeugung in denKreislauf zurückgeführt.
Der Kühlturm ist nun dazu da, den Kondensator zu kühlen: Das im Kondensator erwärmte Kühlwasser gelangt überein Kanalsystem in den Kühlturm und wird wie in einer riesigen Dusche versprüht. Von Aussen dringt Luft in denKühlturm ein. Form und Höhe des Kühlturms sorgen für einen Kamineffekt, so dass die Luft nach oben strömt.
Die herunterfallenden Wassertropfen geben ihre Wärme an den aufsteigenden Luftstrom ab. Bei diesem Vorgangverdunsten 2-3 % des Kühlwassers und bilden die charakteristischen Dampfwolken, die je nach Luftfeuchtigkeit,Temperatur und Windstärke mehr oder weniger gut sichtbar ist.
So sieht es auf dem Boden des Kühlturmes aus. Das versprühte Kühlwasserwird im Kühlbecken gesammelt und zum Kondensator zurückgepumpt.Quelle: KKG
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Aufgabe:Schreibe die richtigen Nummern (oder mit ganz kleiner Schrift die Bezeichnungen) in dieleeren Kästchen.
1 Uranbrennstäbe 7 Dampfturbine2 Kondensator 8 Wasserdampf3 Kühlturm 9 Reaktordruckgefäss4 Reaktorgebäude 10 Transformator5 Speisewasser 11 Kondensator6 Generator 12 Kühlkreislauf
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Lösungen:
