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entdeckt_01_2016

entdeckt 01 .16 FORSCHUNG WWW.HZDR.DE konnte er die optimale Form berechnen und das kleine Modell am Institut für Werkstoffwissenschaften der TU Dresden herstellen lassen. Schon bald soll ein etwa 35 cm langes Stück des „Igelrohrs“ im Strömungskanal getestet werden. „Das werde ich von in- nen beheizen und messen, wie gut die Wärme abgeführt wird“, sagt Sebastian Unger. „Die Ergebnisse kann ich dann mit herkömmlicher Rippenkühlung vergleichen.“ Sind die Experi- mente erfolgreich, muss die Auslegung der Kühlung berechnet und an Großstrukturen angepasst werden. Forschung mit bildgebenden Messverfahren Die Arbeit des Nachwuchswissenschaftlers wird von Doktor- vater Uwe Hampel begleitet. Er ist Leiter der Experimentellen Thermofluiddynamik am HZDR und Inhaber der AREVA-Stif- tungsprofessur für bildgebende Messverfahren für die Energie- und Verfahrenstechnik an der TU Dresden. Ohne modernste Messtechnik, wie sie am HZDR vorhanden ist, wäre derartige Grundlagenforschung nicht möglich. Die Wissenschaftler nut- zen ultraschnelle sowie hochauflösende Röntgentomographie, Hochgeschwindigkeits- und Infrarot-Kameras, 3-D-Scans und andere Messverfahren. Die Erkenntnisse sollen dazu beitra- gen, die nukleare Sicherheit zu verbessern und industrielle Prozesse effizienter zu machen. Wenn die Siedekrise zum Problem wird Diesen Zielen widmen sich auch Debasish Sarker und Thomas Geißler, die ebenfalls bei Uwe Hampel promovieren. Beide be- schäftigen sich seit Mitte 2014 mit Verdampfungsprozessen. Insbesondere untersuchen sie, wie Dampfblasen entstehen und sich in einer Strömung verhalten. Sieden und Verdampfen sind wirkungsvolle Kühlmethoden. Im Kernkraftwerk werden sie genutzt, um die an den Brennele- menten freigesetzte Wärme abzuführen. Der Dampf treibt eine Turbine an, der angeschlossene Generator wandelt die Bewe- gungsenergie in elektrische Energie um. Die Brennstäbe in den Brennelementen werden in einem Gitter auf Abstand gehalten. Für eine größtmögliche Energieausbeute muss dieser Abstand sehr klein sein, gleichzeitig aber eine gute Strömungsführung des Kühlwassers erlauben. Keinesfalls dürfen die Brennstäbe so heiß werden, dass eine Siedekrise eintritt. Beginnt eine Flüssigkeit zu sieden, entstehen Siedeblasen und die Flüssigkeit verdampft. Wird an der Heizfläche jedoch eine kritische Wärmestromdichte überschritten, bildet sich ein Dampffilm, der die Flüssigkeit von der Fläche isoliert und die Wärmeübertragung blockiert. Es entsteht eine Siedekrise. Je- der kennt den tanzenden Wassertropfen auf der heißen Herd- platte. Er schwebt oder gleitet auf einem Dampfpolster und es dauert eine ganze Weile, bis der Tropfen verdampft ist. Eine Siedekrise kann blitzschnell auftreten und ist im Kernreaktor bei laufendem Betrieb nicht mehr rückgängig zu machen. Aufgrund der isolierenden Dampfschicht nicht ausreichend gekühlt, erhitzen sich die Brennstäbe. Schlimmstenfalls kann es zur Beschädigung ganzer Brennelemente kommen. Blick ins Innere Die Siedekrise, der plötzliche Übergang vom Blasensieden zum Filmsieden, ist Gegenstand der Doktorarbeit von Thomas Geißler. Wann bildet sich der Dampffilm und wie hängt das mit der Strömung zusammen? Wie lässt sich die Siedekrise hinausschieben? Vieles ist noch ungeklärt. Um Antworten zu finden, hat der studierte Chemieingenieur ein Experiment aufgebaut. Unter einer Schutzhaube aus Aluminium befindet sich ein etwa 40 cm langes, dünnes Titanrohr. Wegen des niedrigeren Siedepunktes ist es statt mit Wasser mit einem Kältemittel gefüllt. Rundherum sind mehrere Goldspiegel an- gebracht. Wird das Rohr erhitzt, kann der junge Wissenschaft- ler zuschauen, wie die Flüssigkeit verdampft. Für seine Beobachtungen nutzt er einen ultraschnellen Rönt- gentomographen und eine Infrarot-Kamera. Während der To- mograph ins Innere des Rohres „blickt“, wird mit der Kamera über mehrere Spiegel das Temperaturfeld an der Außenseite gemessen. „Mit diesen Daten kann ich visualisieren, wie im Rohr Dampfblasen entstehen und deren Lebensweg verfol- gen“, erklärt er. „Manche wandern in der Strömung die Wand entlang, andere vereinigen sich zu größeren Blasen.“ SIEDEN: Wie verhält sich ein Kupferzylinder bei steigender Oberflächen-Temperatur? (a) Konvektiver Wärmeübergang ohne Blasen, (b) Blasensieden mit wenigen Blasen, (c) eruptives Blasensieden, (d) Filmsieden oberhalb des Leidenfrost-Punktes: Der Zylinder ist komplett von einem Dampffilm eingehüllt. a b c d

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