Wärmeübertragung in der Kerntechnik – Anwendung
Die Wärmeübertragung ist in technischen Systemen und anderen Lebensbereichen häufig anzutreffen, und man muss nicht sehr weit gehen, um einige Anwendungsbereiche der Wärmeübertragung zu erkennen.
Detaillierte Kenntnisse der Wärmeübertragungsmechanismen sind auch für Reaktoringenieure und alle anderen Ingenieure von wesentlicher Bedeutung. Ein Kernkraftwerk (Atomkraftwerk) sieht mit einer Ausnahme wie ein Standard-Wärmekraftwerk aus. Die Wärmequelle im Kernkraftwerk ist ein Kernreaktor . Wie in allen herkömmlichen Wärmekraftwerken üblich, wird die Wärme zur Erzeugung von Dampf verwendet, der eine Dampfturbine antreibt, die an einen Generator angeschlossen ist, der Elektrizität erzeugt. In Kernkraftwerken erzeugen Reaktoren jedoch enorme Mengen an Wärme (Energie) auf kleinem Raum. Die Dichte der Energieerzeugung ist sehr groß und dies stellt Anforderungen an das Wärmeübertragungssystem (Reaktorkühlsystem). Daher müssen wir mit der Reaktorwärmeerzeugung und -entnahme aus dem Reaktor beginnen.
Damit ein Reaktor im stationären Zustand arbeitet, muss die gesamte im System freiwerdende Wärme so schnell wie möglich abgeführt werden . Dies wird erreicht, indem ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel durch den Kern und durch andere Bereiche geleitet wird, in denen Wärme erzeugt wird. Die Wärmeübertragung muss gleich oder größer als die Wärmeerzeugungsrate sein, da sonst eine Überhitzung und eine mögliche Beschädigung des Brennstoffs auftreten kann. Die Art und Funktionsweise dieses Kühlmittelsystems ist eine der wichtigsten Überlegungen bei der Auslegung eines Kernreaktors.
Es sollte beachtet werden, dass es vom rein nuklearen Standpunkt aus theoretisch keine Obergrenze für die Reaktorwärmeleistung gibt, die von jedem kritischen Reaktor mit einem ausreichenden Überschuss an Reaktivität erreicht werden kann, um seine negativen Temperaturrückkopplungen zu überwinden. In jedem Kernreaktor besteht eine direkte Proportionalität zwischen dem Neutronenfluss und der Reaktorwärmeleistung . Der Begriff Wärmekraft wird üblicherweise verwendet, weil er die Geschwindigkeit bezeichnet, mit der im Reaktorkern infolge von Spalten im Brennstoff Wärme erzeugt wird . Darüber hinaus muss ein kritischer Reaktor für einen kurzen Zeitraum keinen hohen Überschuss an Reaktivität aufweisen, wie im Fall von schnellen Reaktivitätsausschlägen.
Kurz gesagt, fast jeder Reaktor kann die Fähigkeit zur Wärmeabfuhr seines Kühlmittelsystems übertreffen. Über diesen Punkt hinaus würde sich der Kraftstoff erwärmen und kann sehr hohe Temperaturen erreichen. Diese Situation muss vom Reaktorbediener und von Reaktorsicherheitssystemen vermieden werden. Das Gleichgewicht zwischen Wärmeerzeugung und Wärmeabfuhr muss unbedingt eingehalten werden, um diese Temperaturen zu vermeiden, die zum Versagen von Kraftstoff oder anderen strukturellen Materialien führen können. In der Reaktortechnik beschreibt die Thermohydraulik von Kernreaktoren den Aufwand, der mit der Kopplung von Wärmeübertragung und Fluiddynamik verbunden ist, um die gewünschte Wärmeabfuhrrate vom Kern sowohl unter normalen Betriebs- als auch unter Unfallbedingungen zu erreichen.
