Steuerstäbe

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Ein Steuerstab oder Regelstab dient zur Regelung und zur Abschaltung eines Kernreaktors.

Wenn sich ein Steuerstab im Reaktorkern befindet, absorbiert er einen Teil der durch die Kernspaltung freigesetzten Neutronen, so dass diese nicht für weitere Kernspaltungen zur Verfügung stehen. Auf diese Weise wird das unkontrollierte Anwachsen der Kettenreaktion im Reaktor verhindert (siehe auch Kritikalität). Neben anderen Möglichkeiten zur Regelung eines Kernreaktors kann die Leistung auch durch das mehr oder weniger tiefe Einfahren der Steuerstäbe in den Reaktorkern geregelt werden. Je tiefer die Steuerstäbe in den Reaktorkern eingefahren sind, desto mehr Neutronen werden absorbiert, und die Leistung des Reaktors sinkt. Durch das vollständige Einfahren der Steuerstäbe kann die Kettenreaktion völlig unterbunden und der Reaktor abgeschaltet werden. Im Normalbetrieb befindet sich immer ein Teil der in einem Kernreaktor vorhandenen Steuerstäbe außerhalb des Reaktorkerns, um im Notfall den Reaktor sicher abschalten zu können. 'Abschalten' bedeutet jedoch zunächst nur die Unterbrechung der Kettenreaktion. Es bedeutet nicht, dass der Reaktor keine Wärme mehr liefert.

Druckwasserreaktor

Steuerstabantrieb oberhalb eines Druckwasserreaktor-Brennelements

In Druckwasserreaktoren bestehen die Steuerstäbe normalerweise aus einem stählernen Hüllrohr, das mit einem Material gefüllt ist, das einen hohen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen aufweist, meist Cadmium- oder Borverbindungen. In jedes Brennelement können mehrere Steuerstäbe von oben über die Steuerstabführungsrohre eingefahren werden. Die Steuerstäbe eines Brennelementes werden einzeln baulich zu einem Steuerelement zusammengefasst und mehrere Steuerelemente leittechnisch zu einer Steuerelementbank. In der Regel gibt es in einem Druckwasserreaktor zwei dieser leittechnischen Bänke. Die eine wird zur Regelung des Reaktors im Bereich schneller Leistungsänderungen, die andere ausschließlich für die Reaktorschnellabschaltung (RESA) verwandt. Die langfristige Leistungsregelung erfolgt beim Druckwasserreaktor im Normalbetrieb jedoch ausschließlich über die Borsäurekonzentration im Primärkreis.

Siedewasserreaktor

Im Siedewasserreaktor gibt es keine einzelnen Steuerstäbe, hier sind die Röhrchen mit dem neutronenabsorbierenden Material zu einem Steuerelement mit kreuzförmigem Querschnitt zusammengebaut. Die Röhrchen eines Steuerelementes sind von einer gemeinsamen stählernen Hülle umschlossen. Die Steuerelemente werden im Unterschied zum Druckwasserreaktor nicht in, sondern von unten zwischen die Brennelemente gefahren. Es gibt für je vier Brennelemente ein Steuerelement. Auch hier werden die Steuerelemente leittechnisch zu Bänken zusammengefasst. Anders als beim Druckwasserreaktor werden die Steuerstäbe im Normalbetrieb aber nur zum An- und Abfahren und für die Reaktorschnellabschaltung eingesetzt. Die langfristige Leistungsregelung des Siedewasserreaktors erfolgt indirekt über die Drehzahl der Hauptkühlmittelpumpen, die den Dampfgehalt im Reaktorkern beeinflusst.

Weitere Reaktortypen

In anderen Reaktortypen funktionieren Steuerstäbe in ähnlicher Weise, sind aber oft etwas anders ausgeführt. Im RBMK beispielsweise werden Steuerstäbe von oben zur zur Regelung der Reaktorleistung sowie zur Schnellabschaltung eingefahren, während parallel dazu von unten in den Kern eingefahrene Steuerstäbe eine gleichmäßige Verteilung der Reaktorleistung gewährleisten sollen. ^[1]

Abnutzung von Steuerstäben

Durch die Absorption von Neutronen wird das neutronenabsorbierende Material mit der Zeit verbraucht. Außerdem entstehen bei der Absorption innerhalb der stählernen Umhüllung Helium und andere Gase. Diese Gase können zu einem hohen Druck innerhalb der stählernen Umhüllung führen. Aus diesen Gründen haben Steuerstäbe nur eine begrenzte Lebensdauer und müssen nach ca. 6 bis 10 Jahren ausgewechselt werden. Die Steuerstäbe sind ein unverzichtbarer Bestandteil von Kernreaktoren. Ohne sie wäre eine Nutzung der Kernenergie, wie sie heute stattfindet, nicht denkbar.

Einzelnachweise

1. ↑ http://www.world-nuclear.org/info/inf31.html