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Nr. 11, November 1955

ATOMKRAFTWERK 
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Rußlands Atom-Elektrizitätswerk, das erste der Welt

Von Robert Gerwin

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VON AUSSEN sieht das Atomkraftwerk Kaluga nicht gerade imponierend aus. Auch der Turbinenraum (Bild weiter unten) unterscheidet sich nur unwesentlich von dem eines normalen Elektritzitätswerks.

In atemloser Stille lauschten die Atomwissenschaftler und -techniker aus aller Welt, als auf der Atomkonferenz in Genf Prof. D. I. Blokhlntsev den Schleier des Geheimnisses lüftete, unter dem bisher das erste In der Sowjetunion gebaute Atomkraftwerk verborgen war. Das war zweifellos die Sensation der Konferenz über die friedliche Anwendung der Atomenergie. Bot das, was man da über das russische Atomkraftwerk erfahren konnte, doch zum ersten Mal Gelegenheit, einen Eindruck vom Stand der russischen Atomforschung überhaupt zu bekommen. Unser Sonderkorrespondent auf der Atomkonferenz in Genf hat alles erreichbare Material über das russische Atomkraftwerk zusammengetragen und darüber hinaus In Gesprächen mit Wissenschaftlern aus dem Wes: in und dem Osten zu klären gesucht, was man, objektiv betrachtet, von dieser Anlage halten kann. Ein Bericht. wie er hier gegeben wird, dürfte erstmalig sein.

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Wenn man von Moskau aus etwa 120 Kilometer nach Südwesten fährt, dann findet man, nicht weit von Kaluga entfernt, ein eigenartiges langgestrecktes Gebäude. Es sieht von außen aus wie die Kreuzung zwischen einem Opernhaus von 1870 und einer Maschinenfabrik von 1920. Der hohe Schornstein läßt vermuten, daß es sich tatsächlich um eine Fabrik handelt, doch der Schlot raucht nicht, und im Innern des weitläufigen Gebäudes sieht es eher wie in einem Krankenhaus oder, was die Zahl der Meßinstrumente betrifft, wie in einer Flugzeugkanzel aus. Männer in weißen Kitteln und weißen Hauben sitzen vor einer Unzahl von Zeigerinstrumenten, Kontrollampen und Steuerhebeln.

Dieses Haus ist zur Zeit der ganze Stolz der Sowjetunion, denn es ist das erste Atomkraftwerk der Welt. So jedenfalls wird es offiziell genannt. Inwieweit diese Bezeichnung wirklich zutrifft, darüber läßt sich streiten. Fest steht jedoch, daß sich in diesem Gebäude die erste Anlage befindet, die ausschließlich zur Erzeugung von elektrischem Strom aus Atomenergie gebaut wurde. Darüber hinaus wurde vor dem 27. Juni 1954 - dem Tag, an dem dieses Kraftwerk seinen Betriebaufnahm - noch nie in der Geschichte der Menschheit so viel elektrische Energie auf einmal aus Atomkraft erzeugt. Fraglich ist aber, ob man ein Kraftwerk, das eine elektrische Leistung von nur 5000 Kilowatt (kW) hat, bereits als Kraftwerk ansprechen kann. Die Kapazität eines Steinkohlendampfkraftwerkes in der BundesrepublikDeutschland beträgt zur Zeit durchschnittlich über
50 000 kW, die eines Braunkohlenkraftwerkes durchschnittlich über 150000 kW. - Doch wenden wir uns zuerst der technischen Beschreibung des Atomkraftwerks bei Kaluga zu.

Wie Atomenergie, genau gesagt, Wärmeenergie aus atomaren Spaltungsprozessen entsteht, ist in hobby so oft geschildert worden (siehe vor allem 'Atome - nüchtern betrachtet', August 54, S. 32), daß hier ein paar grundsätzliche Bemerkungen darüber genügen mögen. Im spaltbaren Material, dem Uran-Isotop-235, läuft, wenn es in genügender Konzentration vorhanden ist, selbsttätig eine Kettenreaktion ab, die zu einer Erwärmung des Uranmetalls führt: Die Bruchstücke der gespaltenen Atomkerne fliegen auseinander, stoßen dabei an andere Atome, versetzen viele dieser Atome in Schwingungen und werden so selbst nach und nach abgebremst.

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DAS HERZ und das Geheimnis des russischen Atomkraftwerks Ist der Reaktor, der hier als Modell im Schnitt zu sehen Ist. Zum Auswechselnder Bennstoffelemente wird die obere bschirmplatte abgehoben. Die Steuerstäbe, lonisationskammern und Slcherheltsvorrichtungen sind Im Modell fortgelassen. Auch leser eaktor dient in erster Linie dazu, Erfahrungen für größere Kraftwerke zu sammeln.

Wärme ist aber nichts anderes als ein Hin- und Herschwingen, als Bewegung von Atomen und Molekülen. Das wesentlichste technische Problem beim Bau eines Atomkraftwerks besteht nun darin, die Wärme aus dem Uranmetall abzuführen und sie dazu zu bringen, Dampf zu erzeugen, der Turbinen treiben kann. Dabei muß man neben den üblichen technischen Anforderungen, die an die Baustoffe gestellt werden - zum Beispiel Temperatur- und Druckbeständigkeit - auch noch darauf achten, daß gewisse atomphysikalische Forderungen erfüllt werden, daß zum Beispiel durch das Kühlmittel, die Kettenreaktion weder unterbrochen noch zu stark gefördert wird.

Beim ersten russischen Atomkraftwerk hat man diese Probleme wie folgt gelöst: Der Brennstoff besteht aus 550 Kilogramm Uran, allerdings nicht aus normalem Uranmetall, das nur etwa 0,7"/, U-235 enthält, sondern aus Uran, in dem dieses spaltbare Isotop auf 50/, angereichert ist. Je 4,3 kg dieses angereicherten Urans wurden zu einem 170 cm langen dünnen Rohr verarbeitet (siehe Zeichnung Seite 89), das außen mit einer dicken Graphitschicht umgeben wurde. Im Innern des Uranrohrs stecken zwei dünne Rohre aus Edelstahl. Das äußere liegt direkt am Uranrohr an und ist unten geschlossen. Das innere dagegen ist unten offen und hat ringsum vom äußeren Rohr einen gewissen Abstand. Durch das innere Stahlrohr fließt
nämlich normales destilliertes Wasser nach unten, strömt dann zwischen dem inneren und äußeren Rohr wieder nach oben und nimmt dabei die im Uranzylinder entstandene Wärme mit. Es wird dadurch bis auf 270° C erwärmt, kann aber dabei nicht verdampfen, weil es unter einem Druck von fast 100 Atmosphären steht.

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EIN BRENNSTOFFELEMENT wird ausgewechselt. Die Elemente sind so angeordnet, daß sie durch einen fernbedienten Kran einfach herausgezogen Werden können. An der Wand sind Reserveelemente zu erkennen, eines davon Ist In der Schnittzeichnung oben vereinfacht dargestellt.

128 solcher Brennstoffelemente stehen senkrecht nebeneinander in einem bienenwabenartigen Gehäuse aus Graphit-Ziegeln und bilden zusammen einen Zylinder von 170 cm Höhe und 150 cm Durchmesser, die sogenannte aktive Zone des Reaktors. Die aktive Zone wiederum ist von einem dicken Graphit-Zylinder umgeben. Alles zusammen steckt in einem kräftigen Stahltank und ist von einer 1 Meter dicken Wasserschicht und einer 3 Meter starken Betonwand umgeben, die einen zuverlässigen Strahlungsschutz bieten. Wenn der Reaktor auf vollen Touren läuft, entspricht seine Wärmeleistung etwa 30 000 kW. Von dieser kann jedoch nur ein kleiner Teil in elektrische Leistung umgewandelt werden, nämlich nur 5000kW.

Das entspricht einem Wirkungsgrad von etwas über 16%. Zwar sind Dampfkraftwerke - auch das Atomkraftwerk ist ja im Prinzip ein solches - wegen ihres schlechten Wirkungsgrades bekannt. Trotzdem hat man in modernen Hochleistungsdampfkraftwerken mit Kohlenfeuerung bereits Wirkungsgrade bis zu 350/, erreicht. Daß der Wirkungsgrad des russischen Atomkraftwerks ein gutes Stück darunter liegt, ist erstens auf seine niedrige Arbeitstemperatur, zweitens aber auch auf das umständliche Dampfgewinnungssystem zurückzuführen.

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Das in den Brennstoffelementen auf 260 bis 270° C aufgeheizte destillierte Wasser kann nämlich nicht direkt verdampfen. Es wird vielmehr durch ein System von Wärmeaustauschern - die Russen nennen sie Dampfgeneratoren - gepumpt und erzeugt dort indirekt Dampf. Diese Dampfgeneratoren sind im Prinzip nichts anderes als normale Dampfkessel, die allerdings nicht mit Feuerungsgasen, sondern mit heißem Wasser geheizt werden. Dieses wird dabei auf etwa 190° C abgekühlt. Es fließt dann wieder in die Brennstoffelemente zurück, bildet also einen geschlossenen Wasserkreislauf, der ständig unter Überdruck gehalten wird.

Aber auch der in den Dampfgeneratoren erzeugte überhitzte Dampf von 12,5 atü gehört einem Kreislauf an. Nachdem er in einer Dampfturbine seine Arbeit geleistet hat, kondensiert er in einem Kondensator zu Wasser, das wiederum in die Dampfgeneratoren als Speisewasser gepumpt wird.
Dieser zweifache Wasserkreislauf erschien den Konstrukteuren des Atomkraftwerks notwendig, weil das Wasser, das den Reaktor durchläuft, unweigerlich radioaktiv wird, wenn es auch nur Spuren von Verunreinigungen enthält. Solche Verunreinigungen lassen sich beim praktischen Betrieb einer Dampfturbine nun einmal kaum vermeiden. Andererseits sind aber Wasser oder Dampf, die aus einem
solchen Kreislauf austreten - auch das läßt sich im jahrelangen Betrieb nur schwer vermeiden - eine, große Gefahr für das Bedienungspersonal. Um alle diese Schwierigkeiten zu umgehen, hat man den doppelten Wasserkreislauf gewählt. Das ist ein sicheres Verfahren, wenn auch die Sicherheit mit einer Herabsetzung des Wirkungsgrades erkauft werden muß.

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DAS PRINZIP DES ATOMKRAFTWERKS veranschaulicht untenstehendes Modell. Die beiden Wasserkreisläufe sind In sich geschlossen. Das Wasser Im ersten Kreislauf wird Im Laufe des Betriebs radioaktiv. Dieses Wasser kann in den Wärmeaustauschern, Dampfgeneratoren genannt, aber nur die Wärme und nicht die Radioaktivität an den zweiten, normalen Wasserkreislauf abgeben.

Außerdem erreicht man aber bei einem modernen Kohlen-Dampfkraftwerk Dampftemperaturen von 530°, hier kaum die Hälfte davon. Man kann nämlich die Temperatur in den Brennstoffelementen nicht ohne weiteres steigern, mit der Temperatursteigerung ist zwangsläufig auch eine Drucksteigerung verbunden. Erhöhter Druck erfordert aber dickere Wände der Edelstahlrohre der Brennstoffelemente. Dickere Stahlwände absorbieren wiederum mehr Neutronen, und die Wirksamkeit des Reaktors selbst läßt nach. Das sind Probleme, reit denen sich alle Reaktorbauer herumschlagen müssen nicht nur die russischen. Die russischen Konstrukteure sind allerdings auf sicher gegangen. Sie haben immer den zuverlässigsten und erprobtesten Weg geswählt und haben nicht mehr riskiert, als unbedingt notwendig war. So mußten sie sich auch mit einem geringeren Wirkungsgrad zufriedengeben.

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IM MODELL DES ATOMKRAFTWERKS sieht man, wie wenig Raum die Kraftanlage selbst beansprucht. Der größte Teil des Werks wird von den vielen Kontrollstellen und Laboratorien in Anspruch genommen. Beachtlich sind die zum Teil drei Meter dicken Betonmauern, zwischen denen der Reaktor sitzt.

Wie alle Atomreaktoren wird auch der dieses Kraftwerks automatisch ausgesteuert. 18 Stäbe aus BorKarbid, 6 im Zentrum des Reaktors und 12 am Rand, sind dazu installiert. Boratome haben die Eigenschaft, Neutronen zu absorbieren. Sind alle 18 Stäbe eingefahren, dann wird die Kettenreaktion im Reaktor, und damit auch die Wärmeproduktion, fast auf Null herabgedrückt. Sind sie ganz herausgezogen, dann läuft der Reaktor mit voller Leistung. Durch vier weitere Steuerstäbe erfolgt die Feinregulierung der Kettenreaktion und damit der Temperatur. Ionisationskammern am Rande der aktiven Zone messen ständig den Neutronenzufluß, das Ausmaß der Kettenreaktion. Wird diese zu heftig, dann fahren die vier Steuerstäbe automatisch etwas tiefer in die aktive Zone ein. Zwei weitere Bor-Karbid-Stäbe liegen ständig auf der Lauer, um im Falle einer Betriebsstörung - etwa, wenn die Wasserpumpen nicht mehr funktionieren - in den Reaktor hineinzufallen und schlagartig, sollte das nicht schon durch die anderen Steuerstäbe geschehen sein, die Tätigkeit des Reaktors zu unterbrechen.

Erhebliche Vorkehrungen waren notwendig für den Fall, daß ein Wasserrohr in den Brennstoffelementen platzen und so innerhalb kurzer Zeit den ganzen Reaktor unter Wasser setzen würde. Das Graphit hat ja die Aufgabe, die in der Kettenreaktion erzeugten Neutronen abzubremsen, denn nur langsame Neutronen haben die Fähigkeit, die U-235-Atome zu sprengen. Wasser hat aber ähnliche Eigenschaften. Werden nun die Zwischenräume zwischen den Graphitrohren und -ziegeln des Reaktors mit Wasser ausgefüllt, dann kann das dazu führen, daß plötzlich mehr zur Kettenreaktion geeignete Neutronen zur Verfügung stehen und damit die Kettenreaktion unerlaubt stark anschwillt. So hat man eine Unmenge von automatischen Ventilen eingebaut, durch die das Wasser im Reaktor in Tanks abfließen kann. Dazu halten Feuchtigkeitsmesser und Uhren, die den Durchlauf des Wassers messen, Fernthermometer und viele Instrumente mehr den Reaktor ständig unter Kontrolle und lösen Alarmsignale aus, sobald ein Meßwert größer wird als erlaubt. Ingenieure beobachten außerdem laufend eine ganze Wand voller Meßinstrumente.

Die Brennstoffelemente müssen alle zwei Monate ausgewechselt werden. Das geschieht, indem man durch einen fernbedienten Kran die alten einfach oben aus dem Reaktor herauszieht und die neuen von oben einschiebt, etwa wie man einen Bleistift in eine Bleistifthülse steckt. Dabei kommen die neuen Brennstoffelemente immer an den Rand der aktiven Zone und werden dann, je mehr sie sich verbrauchen, mehr und mehr in den Mittelpunkt des Reaktors versetzt. Das 'Anfahren' des Reaktors dauert etwa eine halbe Stunde. Trotz aller Kontrollmaßnahmen ist das eine Arbeit, die viel Fingerspitzengefühl erfordert, besonders dann, wenn man nach dem Einbau neuer Brennstoffelemente nicht sicher ist, wie groß die Aktivität des Reaktors ist.

Die praktische Vorarbeit für dieses Atomkraftwerk begann etwa 1950 mit Modellversuchen. Zunächst wurde ein normaler, einfacher Atomreaktor gebaut, an dem man in Ruhe alle Bauelemente des Kraftwerks einzeln erproben konnte. Im März 1952 wurde dieses 'Versuchskaninchen' fertig. In diesem und im darauffolgenden Jahr 1953 wurden in ihm allein etwa 30 verschiedene Brennstoffelemente ausprobiert. Auf Grund der so gewonnenen Erfahrungen entstand dann der Reaktor des Kraftwerks. Bereits im Mai 1954 fanden die ersten Betriebsversuche statt, und am 27. Juni 1954 wurde, wie schon gesagt, das Atomkraftwerk zum ersten Mal voll in Betrieb gesetzt. Seither soll es 15 Millionen Kilowattstunden elektrischen Strom erzeugt haben - das ist der mittlere Jahresverbrauch einer deutschen Kleinstadt mit 20 000 Einwohnern.
Was die Kosten der Stromerzeugung betrifft, so haben die Russen offen zugegeben, daß die mit Hilfe der Atomenergie erzeugte Kilowattstunde zur Zeit noch erheblich teurer ist als die, die in einem modernen Kohlenkraftwerk erzeugt wird.

 

aus:
hobby
Das Magazin der Technik
Nr. 11 November 1955

Bearbeitet am: 26.09.2005/ad


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