Leichtwasserreaktoren benötigen für ihren Betrieb angereichertes Uran. Die Urananreicherung ist ein technisch komplexer und kostspieliger Prozess, den nur wenige Länder der Welt beherrschen. Um Natururan mit 0,7% spaltbarem Uran-235-Anteil für die Energiegewinnung nutzen zu können, wurden Schwerwasserreaktoren entwickelt.

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Schwerwasser- und Leichtwasserreaktoren

Diese Reaktoren verwenden zur Moderation schweres Wasser, das aus Deuterium (D) besteht. Deuterium hat im Gegensatz zum „normalen“ Wasserstoff (H) ein Neutron im Atomkern. Der Anteil von Deuterium am natürlich vorkommenden Wasserstoff liegt bei 0,015%. Kühlmittel ist leichtes Wasser (H2O).
Das schwere Wasser hat eine geringere Neutronen-absorption als leichtes Wasser, jedoch auch eine geringere Moderatorwirkung. Für den Betrieb ist deshalb eine deutlich größere Menge des Moderators nötig, was zu einem 10 mal größeren Volumen des Reaktordruckbehälters (im Vergleich zu einem Leichtwasserreaktor gleicher Leistung) führt. Der Vorteil ist die Unabhängigkeit von Lieferungen angereicherten Urans aus Industrieländern.

In dieser Ausgestaltung befindet sich das schwere Wasser in einem drucklosen Behälter. Durch diesen Behälter führen die Druckröhren, in denen sich die Brennstäbe befinden und das Kühlmittel strömt.

Die Brennstäbe werden von Wasser umspült, das Wasser kühlt diese und wird erhitzt. Über einen Wärmetauscher wird die Wärme an einen Dampfkraftprozess abgegeben.

Die Leistungen der Reaktoren sind aus Gründen der Baukosten deutlich kleiner als die von Leichtwasser-reaktoren, die meist eine elektrische Leistung von ca. 1 Gigawatt haben, und liegen bei etwa einem Drittel dieser Leistung (ca. 300 MW).

Graphitmoderierte Leichtwasserreaktoren

Kernreaktoren dieses Typs wurden in der Sowjetunion u. a. mit dem Ziel der Stromerzeugung und der Erzeugung von kernwaffenfähigem Plutonium entwickelt und gebaut.

Der Reaktor besteht aus einem Graphitblock (reiner Kohlenstoff), der mit wasserdurchspülten Druckröhren durchzogen ist. In diesen Röhren befinden sich die Brennstäbe mit angereichertem Uran. Zusätzlich sind Steuerstäbe für die Aufrechterhaltung der Kernspaltungskettenreaktion nötig.

Durch Kernspaltung freigesetzte Neutronen werden durch das Graphit moderiert und können so das Wasser erhitzen und weitere Kernspaltungen einleiten.

Kommt es zu einem Verlust des Kühlwassers, so nimmt die Intensität der Kernspaltungen zu, da der Moderator noch vorhanden ist. Die fehlende Wärmeabfuhr heizt den Reaktor auf und kann ab 600°C einen Graphitbrand auslösen. Nur das rechtzeitige Einführen der Steuerstäbe kann dies verhindern.
Der verunglückte Reaktor in Tschernobyl war von diesem Typ. Auf Grund der hohen Temperaturen hatten sich die Steuerstäbe verbogen und konnten so die unkontrollierte Kettenreaktion nicht verhindern.