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Kernkühlmittel in einem Atomreaktor

Kernkühlmittel in einem Atomreaktor

Ein Kühlmittel in einem Kernreaktor ist eine flüssige oder gasförmige Substanz, die durch den Reaktorkern strömt und die Wärme aus der Kernspaltungsreaktion 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 entstehende Wärme wird nicht genutzt.

Das Kühlmittel in einem Kernkraftwerk und die Steuerstäbe sind zwei der wichtigsten Sicherheitssysteme in einem Kernkraftwerk.

Was sind die Anforderungen an nukleare Kältemittel?

Ein nukleares Kältemittel muss die folgenden Anforderungen erfüllen:

  • 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.

  • Chemische Beständigkeit unter Bedingungen intensiver Strahlenbelastung.

  • Geringe Korrosivität gegenüber den Baumaterialien, mit denen das Kühlmittel in Kontakt kommt.

  • Hoher Wärmeübertragungskoeffizient für einen schnellen Wärmefluss vom Reaktor zu den Kühlmittelatomen.

  • Hohe spezifische Wärme.

  • Niedriger Arbeitsdruck bei hohen Temperaturen.

Arten von nuklearen Kältemitteln

Die in einem Reaktor verwendeten Kernkühlmittel variieren je nach Art des Kernreaktors:

  • Thermische Neutronenreaktoren verwenden Wasser (normal und schwer), Wasserdampf, organische Flüssigkeiten, Kohlendioxid als Kühlmittel.

  • Schnelle Kernreaktoren verwenden flüssige Metalle (hauptsächlich Natrium) sowie Gase (zB Wasserdampf, 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 Verunreinigungen und Gasen macht Wasser mit Metallen chemisch aktiv. Deshalb wird das Wasser vor der Nutzung als Wärmeträger destillativ von Verunreinigungen gereinigt und entgast.

Im Primärkreislauf des Kernkraftwerks zirkuliert radioaktives Wasser. Die Hauptquelle der Radioaktivität im Wasser sind Verunreinigungen, deren Auftreten im Wasser 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 den Einsatz 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.

Ein Beispiel für einen Reaktor, der schweres Wasser als Kühlmittel verwendet, ist der Siedewasserreaktor (SWR).

Flüssigmetalle

Von den metallischen Kühlmitteln ist Natrium das am weitesten entwickelte.

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 erwiesen sich einige der Polyphenyle, einschließlich Diphenyl und Triphenyl, als am stabilsten unter Bedingungen erhöhter Temperaturen und Strahlenbelastung.

Trotz der Vorteile erwiesen sich diese Kältemittel jedoch als zu instabil gegenüber Neutronenbestrahlung, sodass diese Reaktoren nicht industriell eingesetzt wurden.

Gas

Das wichtigste 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 vom Sauerstoffgehalt ab.

Der gasgekühlte Reaktor (GCR) ist der Reaktortyp, der dieses nukleare Kühlmittel verwendet.

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Erscheinungsdatum: 27. Dezember 2018
Geändert am: 31. August 2021