Brennstofftemperatur stromlos überwachen

Amerikanische Forscher haben am 24. Oktober 2012 an der Jahrestagung der Acoustical Society of America (ASA) den Prototyp eines thermoakustischen Moduls vorgestellt, das ohne externe Stromversorgung Wärmeflüsse in Schallwellen umwandeln und so die Brennstofftemperatur in Kernreaktoren passiv überwachen könnte.

5. Nov. 2012
Thermoakustischer Sensor: In diesem Stahlrohr wird ein Wärmefluss in temperaturabhängige Schallwellen umgewandelt.
Thermoakustischer Sensor: In diesem Stahlrohr wird ein Wärmefluss in temperaturabhängige Schallwellen umgewandelt.
Quelle: Randall Ali, Penn State

Randall Ali von der Penn State University in State College im Bundesstaat Pennsylvania und seine Kollegen haben das neue thermoakustische Modul entwickelt und gebaut. Ihr Sensor macht sich thermodynamische und akustische Effekte zunutze, die zwischen unterschiedlichen Temperaturniveaus auftreten. Das thermoakustische Modul ist denkbar einfach aufgebaut. Es besteht aus einem geschlossenen Rohr, in dem sich ein poröser Keramikblock befindet. Dasselbe keramische Material ist auch in Abgaskatalysatoren von Autos zu finden. Der Keramikblock trennt das Rohr in zwei Kammern und verbindet diese durch feine, parallele Kanäle miteinander. Pro cm2 finden rund 170 solcher Kanäle Platz. Liegen an den Enden des Keramikblocks unterschiedliche Temperaturen an, so setzt ein Zyklus von Wärmeenergieaufnahme und -abgabe ein. Das Gas in den Kanälen beginnt zu schwingen und das Modul erzeugt akustische Druckwellen, die durch einen Wassertank hindurch detektiert werden können. Die Frequenz dieser Schallwellen ist temperaturabhängig.

Mögliche Anwendung in Kernreaktoren

Um das Verhalten des Moduls in einem Kernreaktor simulieren und studieren zu können, haben Ali und sein Team einen Prototyp gebaut. Die Forscher liessen dazu vom Idaho National Laboratory ein Rohr aus rostfreiem Stahl fertigen, das dem Querschnitt eines Brennstabes entspricht. Zur Datenerfassung haben sie das Rohr sowie den Keramikblock mit Temperatur- und Drucksensoren versehen. Die Wärmezufuhr wurde indirekt über Wärmestrahlung und direkt über einen elektrischen Heizdraht am Keramikblock simuliert. Die Forscher konnten die Funktion des Prototyps mit beiden Heizmethoden nachweisen.

Der Einsatz solcher thermoakustischer Module in Kernkraftwerken könnte in den Augen der Forscher auf zwei Weisen Vorteile bringen: zum einen zur passiven Temperaturüberwachung des Brennstoffs und zum anderen zur verbesserten Wärmeübertragung zwischen Brennstoff und Kühlmittel. Die Wissenschafter haben bei ihren Experimenten nämlich festgestellt, dass der thermoakustische Effekt im Modul die Wärmeabfuhr von den heissen Gasen zum Kühlmittel begünstigt.

Quelle

M.B. nach Randall Ali et al., «Thermoacoustic Device for Nuclear Fuel Monitoring and Heat Transfer Enhancement», 164th ASA Meeting, 24. Oktober 2012

Bleiben Sie auf dem Laufenden

Abonnieren Sie unseren Newsletter

Zur Newsletter-Anmeldung

Profitieren Sie als Mitglied

Werden Sie Mitglied im grössten nuklearen Netzwerk der Schweiz!

Vorteile einer Mitgliedschaft