Was haben Kernreaktoren mit Zweiphasen-Strömungen zu tun?

Ein Kernreaktor (auch Atomreaktor oder Atommeiler) ist eine Anlage, in der eine Kernreaktion kontinuierlich abläuft. Weltweit verbreitet sind Kernreaktoren, die durch die Spaltung (Fission) von Uran oder Plutonium zunächst Wärme und daraus elektrische Energie gewinnen. Die Spaltung wird in der Spaltzone durchgeführt.

Über die Funktionsweise der Kernreaktoren könnt ihr euch unter "Brauchen wir Kernreaktoren?" informieren. Doch nun zurück zu den Zweiphasenströmungen. Für die Sicherheit der Kernreaktoren ist es sehr wichtig, Vorgänge innerhalb von Zweiphasenströmungen vorherzusagen.


Dazu ein kurzes Beispiel:

Durch die Rohre im Primärkreislauf strömt heißes Wasser unter einem Druck von ca. 150 Bar. Obwohl die Temperatur des Wassers bei knapp 300°C liegt, ist das Wasser noch flüssig. Das liegt an dem hohen Druck.
In einem sehr unwahrscheinlichen Störfall, könnte sich in der Rohrwand des Primärkreislaufes ein kleines Loch bilden (dies wird als Leck bezeichnet). Aufgrund des Loches kann der Druck sinken und das Wasser verdampfen. Es bildet sich eine Zweiphasenströmung, ein Dampf-Wasser-Gemisch.
Das Problem:
Wasser leitet Wärme sehr gut und ist auch elektrisch leitend (siehe Gittersensor). Doch Dampf leitet die Wärme sehr schlecht. Im Kernkraftwerk gibt es eine so genannte "Spaltzone". In der Spaltzone wird Wärme produziert und durch das strömende Wasser abgeleitet. Bei einer Zweiphasenströmung kann die Wärme aus der Spaltzone schlechter abgeleitet werden, da der Dampf eine sehr geringe Wärmekapazität hat. Somit wird die Spaltzone immer mehr erhitzt.

Dieser Fall darf unter keinen Umständen eintreten, weshalb im Institut für Sicherheitsforschung  des HZDR an Sicherheitsmaßnahmen zur Verhinderung eines solchen Falles geforscht wird.