Kleine Atomreaktoren: Passive Kühlung im Test

Klein, aber oho? Nukleare Kleinreaktoren sollen effizienter, sicherer und flexibler sein als große Atomkraftwerke – unter anderem dank einer passiven Kühlung ohne Strom und Pumpen. Wie effektiv ein solches passives Kühlsystem in der Praxis ist, haben Forschende jetzt in einer Spezialanlage in der Schweiz getestet. Es zeigte sich: Ohne aktive Umwälzung der Luft im Sicherheitsbehälter funktioniert die Kühlung durch Kondensation nur eingeschränkt. Die Messdaten helfen nun, Konzepte zu optimieren.

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.

Ob eine solche Kondensationskühlung auch in der Praxis funktioniert, haben Rivera und sein Team nun erstmals im Detail untersucht. Ihre Messdaten zeigen, wie die physikalischen Prozesse im Inneren einer Anlage im Maßstab eines SMR-Kernkraftwerks ablaufen.

Mangelnde Bewegung im Wasserdampf

Die Messungen enthüllten bereits einige entscheidende Unterschiede zur Theorie. Der überhitzte Wasserdampf verteilte sich weniger gleichmäßig im nachgebauten Sicherheitsbehälter als erwartet. Es bildeten sich keine starken Konvektionsströmungen, die immer neuen, frischen Dampf an das Kühlungsrohr heranführten. „Stattdessen zeigen die Messungen am Kühlrohr sehr geringe Gasgeschwindigkeiten, die Kondensation wird demnach primär durch lokale Diffusion von Dampf und nicht kondensierbaren Gasen kontrolliert“, berichten die Forschenden.

Als Folge kommt es im Sicherheitsbehälter zu einer Trennung der Gase: Der heiße Dampf sammelt sich im oberen Bereich, im unteren Teil findet sich nach einiger Zeit fast nur noch Luft. Dadurch kommt es nur im oberen Teil des Kühlrohrs zur Kondensation, was die Kühlleistung stark einschränkt. Der Wasserdampf gelangt zudem nur langsam an die Oberfläche des Rohrs, auch das mindert die Kühlleistung. Werden diese Effekte nicht berücksichtigt, kann das System Wärme weniger effektiv abführen.

(Video: PSI Paul Scherrer Institut)

Weitere Messungen geplant

„Diese Ergebnisse sind relevant für die Entwicklung und Bewertung von Containment-Richtlinien“, betonen die Forschenden. Die Messdaten können nun dazu beitragen, passive Kühlsysteme zu optimieren, außerdem helfen sie dabei, Computersimulationen der darin stattfindenden Prozesse zu präzisieren. Damit liefern die Daten eine wichtige Grundlage für die Entwicklung künftiger Reaktorgenerationen.

Die neuen Messungen markieren den Beginn einer internationalen Benchmark-Initiative, an der sich 25 Institutionen in verschiedenen Ländern beteiligen. In ihr dienen experimentelle Ergebnisse dazu, Simulationsmethoden zu überprüfen und zu verbessern. Das Team um Rivera plant zudem bereits ein Folgeprojekt, in dem sie den langfristigen autonomen Betrieb passiver Sicherheitssysteme in modularen Kleinreaktoren genauer untersuchen will.

Quelle: Yago Rivera Durán (Paul Scherrer Institut, Villigen, Schweiz) et al., Nuclear Engineering and Design, 2026; doi: 10.1016/j.nucengdes.2026.114919

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar