Ein selbstversorgendes Wärmeabführungssystem für sicherere Kernenergie
Selbst nachdem die Kettenreaktion des Brennstoffs vorüber ist, erzeugen Reaktorkerne in Kernkraftwerken weiterhin „Zerfallswärme“. Diese radioaktive Restwärme muss an einen Kühlkörper (z. B. Kühltürme) abgeleitet werden. Ableitsysteme sind normalerweise abhängig von externen Energiequellen, aktiven Triggern (wie Temperaturniveaus oder manueller Steuerung) und der Verfügbarkeit von Wasser. Das von der EU unterstützte Projekt sCO2-HeRo umgeht diese Abhängigkeiten und ermöglicht so einen effizienteren, verlässlicheren und sichereren Wärmeableitungsvorgang. sCO2-HeRo wird unabhängig von externen Energiequellen durch die Zerfallswärme selbst angetrieben, automatisch aktiviert und ist selbstversorgend. Darüber hinaus ist das hochkompakte Kühlsystem nicht auf Wasser angewiesen, da es überkritisches (flüssiges) Kohlendioxid und Luft als Kühlkörper verwendet. Das System wurde auf Herz und Nieren geprüft Der innovative Einfall von sCO2-HeRo war es, die Abwärme der Kraftwerke zu ihrer eigenen Ableitung zu nutzen. Den Projektpartnern wurden Systemelemente zur Entwicklung und Erprobung zugewiesen. Der kompakte Wärmetauscher, die Strömungsmaschine und der Kühlkörperwärmetauscher wurden allesamt unter Verwendung numerischer Simulationsinstrumente fertiggestellt, erprobt und validiert, um die Qualität der Komponenten zu gewährleisten. Eine der Herausforderungen, die das Team anging, war, wie das System ohne Batteriestrom gestartet werden kann. Das Problem wurde dank eines Druckbehälters gelöst, der CO2 speichert. Das Ablassen von Druck treibt die Strömungsmaschine an, die wiederum den Zyklus antreibt. Zur weiteren Erprobung wurden die Komponenten mit guten Ergebnissen in ein Demonstrationsmodell aus Glas integriert. Darüber hinaus fing das Projekt an, den deutschen Code für Kernkraftanwendungen ATHLET, der den Fluss von Hitze sowie Wasser/Dampf in Kernkraftwerken simuliert, zu verwenden, um die Fähigkeit des Systems zu untersuchen, mit Unfallszenarien umzugehen. „Diese erfolgreichen Tests zeigten, dass das sCO2-Wärmeabführungssystem die Zerfallswärme in die Umgebungsluft leitet und für einen kühlen und sicheren Reaktor sorgt. Solange diese Kühlungskette aufrechterhalten wird – vom Reaktorkern zur Luft über die Kühlschleife des sCO2-Wärmeabführungssystems – wird die Wärme vom Kern abgeleitet, sodass Zeit gewonnen wird, um weitere Maßnahmen wie den Wiederanschluss an das Netz oder den Transport von Ausrüstung zum Kraftwerk zu ergreifen“, so der Projektkoordinator Prof. Dieter Brillert. Ein Schub fürs Vertrauen Zwar bietet die Kernenergie einen vielversprechenden Energiepfad, der CO2-Emissionen erheblich senken könnte, aber ihre Akzeptanz hängt zum Teil vom Vertrauen der Öffentlichkeit in ihre Sicherheit ab. Die reaktorunabhängige Aktivierung zur Wärmeableitung von sCO2-HeRo, trägt zu diesem Vertrauen bei. Darüber hinaus ist das Team zuversichtlich, dass das System den Zeitraum der sicheren Wärmeableitung während eines Stationsausfalls ausdehnt, und dass sich seine Fähigkeit, ebenfalls Strom zu erzeugen, als äußerst wertvoll erweisen wird. Um die Technologie weiterzuentwickeln, führen die Teammitglieder im Augenblick ein Nachfolgeprojekt, sCO2-4-NPP (von der Europäischen Kommission zur Finanzierung ausgewählt), durch, das die Codes des thermohydraulischen Systems verbessern wird. Ein Highlight wird die Verwendung eines Kernkraftsimulators eines Druckwasserreaktors sein, der eine exakte Kopie des Kontrollraums eines Kernkraftwerks ist, in dem alle Signale in Echtzeit funktionieren. Ein virtuelles Modell des sCO2-HeRo wird an einen Druckwasserreaktor angeschlossen, um die Wärmeableitung zu bewerten. Obwohl das Team das System bislang in bestehenden Reaktoren (der 3. Generation) angewandt hat, kann es aufgrund seines Designs auch in zukünftige Reaktoren (der 4. Generation) integriert werden. „Sobald wir die Robustheit des Systems bei Unfällen gezeigt haben, werden wir mit nationalen Sicherheitsbehörden und Kernkraftwerksbetreibern an der Implementierung arbeiten“, gibt Prof. Brillert an. „Es ist noch ein langer Weg, aber unser iterativer Ansatz bedeutet, dass wir bereits auf Rückmeldungen von Interessengruppen eingehen konnten, was uns später Zeit sparen wird.“
Schlüsselbegriffe
sCO2-HeRo, Kernkraft, Reaktor, Zerfallswärme, Energie, Kühlsystem, Kühlkörper, Abfall, Kohlendioxid, Unfälle, Strömungsmaschine
