Kleine Atomreaktoren, sogenannte Small Modular Reactors (SMR), gelten bei Befürwortern als klimafreundliche Stromquelle und sinnvolle Ergänzung zu erneuerbaren Energien. Die kompakten Kleinkraftwerke produzieren eine elektrische Leistung von rund 300 Megawatt und nutzen weniger, aber dafür höher angereicherten Kernbrennstoff. Weil sie aus vorgefertigten Bauteilen bestehen, lassen sie sich schneller und günstiger aufbauen. Zurzeit sind weltweit gut 80 SMR-Anlagen in Planung oder im Bau, die meisten Konzepte für solche Kleinreaktoren existieren aber bisher nur auf dem Papier.
Wie gut funktioniert passive Kühlung?
Ein Merkmal vieler dieser modularen Kleinreaktoren sind neuartige Kühlsysteme: In einigen kommen Salze oder spezielle Gase statt Wasser zum Einsatz, andere sollen komplett passiv gekühlt werden. Statt elektrisch betriebener Pumpen sorgen dann rein physikalische Effekte wie Kondensation, Gravitation oder Dichteunterschiede für den nötigen Wärmeaustausch und die Kühlung. Bevor solche Kühlsysteme genehmigt und eingesetzt werden, müssen sie jedoch umfassend getestet werden.
Solche Tests sind in der PANDA-Testanlage am Paul Scherrer Institut (PSI) in der Schweiz möglich. Die fünf Stockwerke hohe Anlage umfasst mehrere große Behälter, in denen die Bedingungen in Reaktorkernen, Druckbehältern und weiteren Reaktorteilen nachgestellt werden können. Statt des Kernbrennstoffs erzeugt dabei eine elektrische Heizung die nötige Hitze, an über 80 Stellen der Anlage können Gasgemische entnommen und mit einem Massenspektrometer analysiert werden.
„Bisher konnten die Entwickler von Simulationen nicht sicher sein, dass ihre Berechnungen mit der Wirklichkeit übereinstimmen“, sagt Erstautor Yago Rivera Durán vom Paul Scherrer Institut. „Diese Lücke schließen wir mit PANDA.“
Mit Kondensation gegen überhitzten Dampf
Im aktuellen Test haben Rivera und seine Kollegen eine für Atomkraftwerke zentrale Frage untersucht: Was passiert, wenn der Reaktorkern überhitzt und Dampf in den umgebenden Sicherheitsbehälter abgelassen wird? Wird dieser Dampf nicht effizient und schnell gekühlt, kann der Druck so stark ansteigen, dass der Behälter nachgibt oder sogar explodiert. In gängigen Atomkraftwerken wird dies durch strombetriebene Wasserkühlsysteme verhindert. Fällt der Strom jedoch aus, funktionieren sie nicht mehr – wie 2011 bei der Atomkatastrophe von Fukushima der Fall.
Deshalb setzen einige Kleinreaktoren hier auf passive Kühlung durch Kondensation. Kernelement sind senkrechte Metallrohre, die kaltes Wasser enthalten. Kommt der heiße Dampf mit dem Rohr in Kontakt, kondensiert er und gibt seine Wärme an das Wasser im Rohr ab. Das warme Wasser steigt im Rohr nach oben und gibt seine Wärme an ein über dem Sicherheitsbehälter liegendes Wasserreservoir ab. Das dadurch wieder abgekühlte Wasser sinkt im Rohr wieder ab und kann nun weitere Wärme aufnehmen. Dadurch entsteht ein Kühlkreislauf, der ohne Pumpen oder Strom funktioniert – so die Theorie.
