Ein Kühlmittel in einem Kernreaktor ist eine flüssige oder gasförmige Substanz, die durch die Brennstäbe im Reaktorkern strömt und die Wärme aus der Kernspaltungsreaktion während des Reaktorbetriebs abführt.
Kraftwerke, die Kernenergie zur Gewinnung elektrischer Energie nutzen, erzeugen eine große Menge an thermischer Energie. Die entstehende Wärme muss abgeführt werden, da sonst die Temperatur des Reaktors so stark ansteigen würde, dass er schmelzen könnte.
In Zweikreis-Leistungsreaktoren gelangt das Reaktorkühlmittel in den Dampferzeuger, der Dampf erzeugt, der die Turbinen antreibt. Andererseits kann in Einkreisreaktoren das Kältemittel (Dampf oder Gas) als Arbeitsfluid des Turbinenkreislaufs dienen.
In der Forschung (zB Materialwissenschaften) und Spezialreaktoren (zB in Reaktoren zur Anreicherung radioaktiver Isotope) kühlt das Kühlmittel nur den Reaktor. Die dabei entstehende Wärme wird nicht genutzt.
Das Kühlmittel in einem Kernkraftwerk und die Steuerstäbe sind zwei der kritischsten Sicherheitssysteme in einem Kernkraftwerk.
Was sind die Anforderungen an nukleare Kältemittel?
Das in diesen Stromerzeugern verwendete Kühlmittel muss folgende Anforderungen erfüllen:
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Schwache Absorption von Neutronen (in thermischen Reaktoren) oder Schwächung derselben (in schnellen Reaktoren). Das Ziel besteht darin, die thermische Energie zu reduzieren, aber nicht die Leistung des Reaktors zu reduzieren.
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Chemische Beständigkeit unter Bedingungen intensiver Strahlenbelastung.
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Geringe Korrosivität der Baustoffe, mit denen das Kühlmittel in Kontakt kommt.
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Hoher Wärmeübertragungskoeffizient für einen schnellen Wärmefluss vom Reaktor zu den Kühlmittelatomen.
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Hohe spezifische Wärme.
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Niedriger Arbeitsdruck bei hohen Temperaturen.
Arten von nuklearen Kältemitteln
Die in einem Reaktor verwendeten Kernkühlmittel variieren je nach Art des Kernreaktors:
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Thermische Neutronenreaktoren verwenden Wasser (normal und schwer), Wasserdampf, organische Flüssigkeiten und Kohlendioxid als Kühlmittel.
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Schnelle Kernreaktoren verwenden flüssige Metalle (hauptsächlich Natrium) und Gase (zum Beispiel Wasserdampf und Helium). Oft dient die Flüssigkeit als Kühlmittel, das auch ein Neutronenmoderator ist.
Leichtes Wasser
Einer der häufigsten Wärmeträger ist Wasser. Natürliches Wasser enthält eine geringe Menge schweres Wasser (0,017%), verschiedene Verunreinigungen und gelöste Gase. Das Vorhandensein von Schadstoffen und Gasen macht Wasser mit Metallen chemisch aktiv. Daher wird das Wasser vor der Verwendung als Wärmeträger durch Destillation von Verunreinigungen gereinigt und Gase aus dem Wasser entfernt.
Im Primärkreislauf des Kernkraftwerks zirkuliert radioaktives Wasser. Die Hauptquelle der Radioaktivität im Wasser sind Verunreinigungen, deren Auftreten auf die Korrosion der Knoten des Primärkreislaufs und die technologische Kontamination durch spaltbare Stoffe auf der äußeren Oberfläche von Brennelementen zurückzuführen ist. Die Konzentration radioaktiver Verunreinigungen im Wasser wird durch Filtration reduziert.
Vor- und Nachteile der Verwendung von Leichtwasser als nukleares Kühlmittel
Die Nachteile der Verwendung von Wasser als Kühlmittel sind der niedrige Siedepunkt (100 ° C bei einem Druck von 1 atm) und die Absorption von thermischen Neutronen. Der erste Nachteil wird beseitigt, indem der Druck im Primärkreislauf erhöht wird. Die Absorption thermischer Neutronen durch Wasser wird durch die Verwendung von Kernbrennstoff auf Basis von angereichertem Uran kompensiert.
Schweres Wasser
Schweres Wasser unterscheidet sich in seinen chemischen und thermischen Eigenschaften ein wenig von gewöhnlichem Wasser. Es absorbiert praktisch keine Neutronen, was die Verwendung von Natururan als Kernbrennstoff in Kernreaktoren mit einem Schwerwassermoderator ermöglicht.
Schweres Wasser wird jedoch aufgrund seiner hohen Kosten im Reaktorbau noch wenig verwendet.
Beispiele für einen Reaktor, der dieses Kühlmittel in einem Kernreaktor verwendet, sind Leichtwasserreaktoren wie Siedewasserreaktoren (SWR) oder Druckwasserreaktoren (DWR). Sie sind die am häufigsten verwendeten Reaktoren in den Vereinigten Staaten.
Flüssigmetalle
Schnelle Reaktoren haben eine hohe Leistungsdichte und benötigen keine Neutronenmoderation, um die Neutronen abzubremsen. Am weitesten entwickelt sind metallische Kühlmittel aus Natrium.
Dieses Kältemittel ist mit den meisten Metallen bei einer relativ niedrigen Temperatur chemisch aktiv, und diese Natriumaktivität ist auf das Mischen von Natriumoxiden zurückzuführen. So wird Natrium vollständig von Oxiden gereinigt, wonach es bei 600–900 ° C nicht mit vielen Metallen (Mo, Zr, Edelstahl usw.) reagiert.
Organische Flüssigkeiten
Von den getesteten organischen Flüssigkeiten waren einige der Polyphenyle, einschließlich Diphenyl und Triphenyl, am stabilsten unter erhöhten Temperaturen und Strahlungsexposition.
Trotz der Vorteile erwiesen sich diese Kältemittel jedoch als zu instabil für die Neutronenbestrahlung, sodass diese Reaktoren industriell nicht eingesetzt wurden.
Gas
Das primäre Kältemittel im Gas ist Kohlendioxid. Es ist wirtschaftlich und zeichnet sich durch eine höhere Dichte und volumetrische Wärmekapazität im Vergleich zu anderen Gasen aus. Die korrosive Wirkung von Kohlendioxid auf Metalle hängt jedoch vom Sauerstoffgehalt ab.
Der gasgekühlte Reaktor (GCR) ist der Reaktortyp, der dieses nukleare Kühlmittel verwendet.
