PSI: Kühlen ohne Pumpen – neue Messdaten für SMRs

Ein zentrales Merkmal vieler SMRs ist ihr Sicherheitskonzept: Statt auf aktive Systeme, die externe Energie benötigen, setzen sie auf passive Kühlung. Physikalische Effekte wie Kondensation, Gravitation oder Dichteunterschiede halten den Reaktor im Notfall sicher.

In der Panda-Forschungseinrichtung des PSI haben Forschende erstmals passive Kühlsysteme für kleine, modulare Reaktoren unter realistischen Bedingungen untersucht. Panda steht für «PAssive Nachwärmeabfuhr und DruckAbbau»-Testanlage und erstreckt sich über fünf Stockwerke 25 Meter in die Höhe. Die Anlage besteht aus mehreren Behältern mit einem Gesamtvolumen von rund 500 Kubikmetern, in denen Vorgänge in Kernreaktoren realitätsnah simuliert werden können. Sie liefert hochauflösende Messdaten, die für die Validierung solcher Systeme in Simulationen eingesetzt werden können. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift «Nuclear Engineering and Design» veröffentlicht. Das Projektteam um Yago Rivera Durán vom Zentrum für Nukleare Technologien und Wissenschaften am PSI hat dafür einen geschlossenen Kühlkreislauf getestet: Tritt im Störfall Dampf in die Schutzhülle aus, trifft er auf die kalte Oberfläche des Rohrs, kondensiert dort und tropft als Wasser in den Reaktor zurück. Die dabei freiwerdende Wärme wird auf das Wasser im Innern des Rohrs übertragen. So entsteht ein natürlicher Kreislauf, der allein auf dem Dichteunterschied von warmem und kaltem Wasser basiert – ganz ohne Pumpen oder Strom.

Frühere Experimente hatten bereits gezeigt, dass solche Systeme funktionieren. Das PSI-Team ist nun einen Schritt weiter gegangen und hat erstmals hochdetaillierte Messdaten vorgelegt, die genau zeigen, wie die physikalischen Prozesse im Inneren einer Anlage im Massstab eines Kernkraftwerks ablaufen. Mit Hochgeschwindigkeitskameras dokumentierten die Forschenden im Detail sogar winzige Tröpfchen aus kondensiertem Wasser an der Oberfläche des Rohrs.
Zum ersten Mal konnten die Forschenden beobachten, wie sich die Gase im Inneren des Sicherheitsbehälters trennen: Im unteren Bereich sammelt sich mehr Luft, während oben mehr Dampf bleibt.