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2026-01-02T22:14:43Z

Positiver Dampfblasenkoeffizient: Grammatik korrigiert

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Der '''Dampfblasenkoeffizient''' (auch '''Kühlmittelverlustkoeffizient''' oder '''Voidkoeffizient''' genannt) ist ein Maß für die Veränderung der [[Reaktivität (Kerntechnik)|Reaktivität]] eines [[Kernreaktor]]s bei Bildung von Dampfblasen im Kühlmittel, im [[Moderator (Physik)|Moderator]] oder im Flüssigbrennstoff (beim [[Dual-Fluid-Reaktor]]). Eine Reaktivitätsänderung, die nicht ausgeglichen wird, hat ihrerseits Änderungen der Wärmeleistung des Reaktors zur Folge. Deshalb ist der Dampfblasenkoeffizient wichtig für die Sicherheit des Reaktors.

Die Bezeichnung ''Dampfblasenkoeffizient'' wird hauptsächlich bei [[Siedewasserreaktor]]en benutzt, bei denen die Dampferzeugung im Reaktorkern Betriebszweck ist. Bei allen anderen Reaktortypen ist Blasen- oder Hohlraumbildung eine Abweichung vom Normalbetrieb, und hier wird vom ''Kühlmittelverlust-'' oder ''Voidkoeffizienten'' (von englisch „void“ – Hohlraum) gesprochen. Physikalisch handelt es sich um dieselbe Größe.

Der Dampfblasenkoeffizient ist ein Beispiel für einen [[Reaktivitätskoeffizient]]en.

== Erklärung und Definition ==
Als Reaktorkühlmittel dient bei den meisten Reaktortypen unter Druck stehendes Wasser, bei anderen flüssiges Metall, flüssiges Salz oder Gas (hauptsächlich Helium oder CO2). Bei [[Forschungsreaktor|zu Forschungszwecken]] verwendeten [[Schwimmbadreaktor]]en auch Wasser unter Umgebungsdruck. Sobald die Kerntemperatur auf Werte oberhalb des Siedepunktes bei gegebenem Druck ansteigt, beginnt ein flüssiges Kühlmittel zu sieden, wodurch Dampfblasen entstehen, also Hohlräume im Kühlmittel (beim [[Siedewasserreaktor]] ist das der normale Betriebszustand). Fällt – zum Beispiel durch ein Leck – der Druck im Reaktordruckbehälter ab, kann es ebenfalls zum Sieden des Kühlmittels kommen. Die normale Betriebstemperatur von [[Druckwasserreaktor]]en liegt über 300 °C<ref>https://www.nuclear-power.com/pwr-pressurized-water-reactor/</ref> – fällt der Druck auf atmosphärisches Niveau, siedet schlagartig so viel Wasser, bis das verbleibende Wasser durch Entziehung der [[Verdampfungsenthalpie]] auf 100 °C abgekühlt ist. Durch Verlust des Kühlmittels kann es ebenfalls zur Bildung von Hohlräumen kommen ([[Kühlmittelverluststörfall]]). Im schlimmsten Fall fällt der Kern komplett trocken, was – auch bei negativem Dampfblasenkoeffizient – zur [[Kernschmelze]] führen ''kann''.

Das flüssige Kühlmittel dient meist auch als Moderator und wirkt außerdem unvermeidlich in einem gewissen Maß als [[Neutronengift|Neutronenabsorber]]. Die Gasblasen, also das dampfförmige Kühlmittel, zeigen aufgrund ihrer viel geringeren Dichte viel weniger Wirkung als das flüssige Kühlmittel, wodurch sich der Neutronen-[[Multiplikationsfaktor]] <math>k</math> (siehe [[Kritikalität]]) ändert. Für eine kleine Änderung des Blasenanteils am Gesamt-Kühlmittelvolumen ist die entsprechende Änderung <math>\delta \rho</math> der [[Reaktivität (Kerntechnik)|Reaktivität]] <math>\rho = (k-1)/k</math> [[Proportionalität|proportional]] der prozentualen Volumenänderung <math>\delta V</math>; die Proportionalitätskonstante ist der Dampfblasenkoeffizient

:<math>\alpha = \frac {\delta \rho} {\delta V}</math> .

Der Dampfblasenkoeffizient eines Reaktors mit flüssigem Moderator und/oder Kühlmittel kann, je nach Konstruktion, in allen Betriebszuständen positiv oder in allen Betriebszuständen negativ sein oder auch abhängig vom Betriebszustand sein Vorzeichen wechseln. Bei Reaktoren, deren Kern keine Flüssigkeiten enthält, gibt es naturgemäß keine Blasenbildung und keinen Dampfblasenkoeffizienten.

Bei – bisher noch nicht praktisch umgesetzten – Reaktoren mit [[überkritisches Fluid|überkritischen Kühlmitteln]] kann durch Druckabfall ebenfalls ein Übergang des Kühlmittels in die weniger dichte Gasphase erfolgen, was dann analoge – wenn auch weniger starke – Konsequenzen hat, da der Dichteunterschied zwischen überkritischen Fluiden und Gasphase geringer ist als zwischen Flüssigkeit und Gasphase. Die Dichte von überkritischem Wasser am kritischen Punkt beträgt zum Beispiel rund 32 % der Dichte von flüssigem Wasser.<ref>{{Literatur |Autor=J. Richard Elliott, Vladimir Diky, Thomas A. Knotts, W. Vincent Wilding |Titel=The Properties of Gases and Liquids |Auflage=6. |Verlag=McGraw Hill |Ort=New York |Datum=2023 |Sprache=en |ISBN=978-1-260-11634-2}}</ref>

Typische Zahlenwerte des Dampfblasenkoeffizienten <math>\alpha</math> für einen Siedewasserreaktor sind z. B.:<ref>{{Literatur |Autor=[[Dieter Emendörfer]] |Titel=Theorie der Kernreaktoren. Band 2: Der instationäre Reaktor |Verlag=[[Bibliographisches Institut]] Wissenschaftsverlag |Ort=Mannheim |Datum=1993}}</ref>

−1,2·10−3/Vol.-% bei 20 % Blasenanteil,

−1,6·10−3/Vol.-% bei 40 % Blasenanteil.

== Positiver Dampfblasenkoeffizient ==
[[Datei:Dampfblasenkoeffizient-w.png|miniatur|250px|Zeitlicher Verlauf der Reaktorleistung nach einem Kühlmittelverlust bei negativem und bei positivem Dampfblasenkoeffizienten]]

Ein positiver Dampfblasenkoeffizient bedeutet, dass sich die thermische Leistung eines Reaktors erhöht, wenn sich im Kern Gasblasen bilden oder Hohlräume durch den Verlust von Kühlmittel entstehen. Bei genügend großem Dampfblasenkoeffizienten und einem nicht ausreichend schnellen Regelsystem kann sich eine nicht mehr steuerbare [[positive Rückkopplung]] ergeben, sodass das gesamte Kühlmittel in kürzester Zeit verdampft.

Dieser Fall trat durch Fehlbedienung beim [[Katastrophe von Tschernobyl|Reaktorunfall von Tschernobyl]] ein, bei dem ein Kernkraftwerksreaktor des Typs [[RBMK]] mit positivem Dampfblasenkoeffizienten außer Kontrolle geriet. Als Moderator dient bei diesem Typ nicht das Kühlwasser, sondern außerhalb der [[Druckröhrenreaktor|Druckrohre]] angebrachte Blöcke aus [[Graphit]]. Die zu hoch gewordene Wärmeleistung führte zu erhöhter Verdampfung des Wassers. Da Wasserdampf eine viel geringere Dichte als Wasser hat, wurden jetzt weniger der aus dem Graphit zurückdiffundierenden thermischen Neutronen auf dem Weg zum Brennstoff absorbiert, die [[Kritikalität|Reaktivität]] also erhöht. In Verbindung mit weiteren konstruktiven Besonderheiten führte dies zur [[Kritikalität#Prompt überkritisch|prompten Überkritikalität]] von Teilbereichen des Reaktorkerns und damit zur Katastrophe. Im weiteren Verlauf des Unfalls kam es zu Druckabfall in den verbleibenden Druckröhren (der „Deckel“ war durch die vorherigen Ereignisse etliche Meter in die Luft geschleudert worden), wodurch das Wasser in diesen schlagartig verdampfte, und die Reaktivität weiter erhöhte. Erst durch die weiter um sich greifende Zerstörung des Reaktors und den einsetzenden Graphitbrand sowie durch Löschversuche der Einsatzkräfte wurde die Leistungsexkursion beendet und das Reaktorwrack wieder unterkritisch.

Auch beim [[CANDU-Reaktor|Reaktortyp CANDU]] ist der Kühlmittelverlustkoeffizient positiv<ref name="Whit">{{Internetquelle |autor=Jeremy Whitlock |url=https://www.nuclearfaq.ca/cnf_sectionD.htm |titel=The Canadian Nuclear FAQ - Section D: Safety and Liability |werk=Canadian Nuclear FAQ |datum=2022 |sprache=en |abruf=2023-07-25}}</ref>, jedoch so klein, dass entsprechende Leistungsänderungen durch die Reaktorsteuerung leicht beherrscht werden. Ein CANDU besitzt – anders als die meisten Leichtwasserreaktoren – zwei komplett voneinander unabhängige Systeme der Notabschaltung.<ref>{{Internetquelle |autor=[[Canadian Nuclear Safety Commission]] |url=https://nuclearsafety.gc.ca/eng/resources/news-room/feature-articles/positive-void-coefficient-of-reactivity-CANDUs.cfm |titel=Positive Void Coefficient of Reactivity and CANDUs |datum=2015-08-14 |sprache=en |abruf=2023-07-25}}</ref> Neben dem erheblichen Inventar an – nicht unter Druck stehendem – schwerem Wasser als Moderator (neben dem unter Druck stehenden schweren Kühlwasser), welches aufgrund seiner Temperatur weit unterhalb des Siedepunkts als [[Wärmesenke]] dienen kann,<ref>https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/31/007/31007096.pdf</ref> führt auch die Freisetzung von Neutronen durch [[Photodesintegration]] von Deuterium, welche im Normalbetrieb einen kleinen, aber relevanten Teil des Neutronenflusses ausmacht<ref>{{Internetquelle |url=https://www.nuclear-power.com/nuclear-power/fission/delayed-neutrons/photoneutrons/ |titel=Photoneutrons {{!}} nuclear-power.com |werk=Nuclear Power |datum=2023 |sprache=en-us |abruf=2023-07-25}}</ref> und bei Abwesenheit des Kühlmittels nicht mehr erfolgt, zu passiver Sicherheit trotz positivem Void-Koeffizienten in bestimmten Bereichen.

== Negativer Dampfblasenkoeffizient ==
Ein negativer Dampfblasenkoeffizient bedeutet, dass sich die thermische Leistung im Normalfall verringert, wenn sich in Kühlwasser oder Moderator Hohlräume bilden. Es bedeutet allerdings auch, dass sich die Reaktivität erhöht, wenn die Größe der Hohlräume abnimmt; dies kann z. B. in einem Siedewasserreaktor bei plötzlichem Druckanstieg vorkommen, etwa wenn versehentlich Dampfleitungen abgeriegelt werden.

Bei „normalen“ [[Leichtwasserreaktor]]en dient das Kühlmittel zugleich als Moderator. Die Reaktoren sind leicht ''untermoderiert'' ausgelegt, d. h., eine Verringerung der Moderatormenge verringert unter allen Umständen die Reaktivität. Solche Reaktoren mit stets negativem Dampfblasenkoeffizienten werden gelegentlich als ''[[Inhärenz|inhärent]] stabil'' oder ''eigenstabil'' bezeichnet.

Diese Stabilität ist aber nicht mit einer sogenannten „inhärenten Sicherheit“ des Reaktors zu verwechseln. Zum Beispiel ändert auch ein negativer Dampfblasenkoeffizient nichts daran, dass blasendurchsetztes Wasser weniger wirksam kühlt, und vor allem nichts an der [[Nachzerfallswärme]], die bei einem großen Kühlmittelverluststörfall und Versagen jeder Notkühlung zur Kernschmelze führen kann. So ist beim Störfall im März 1979 beim [[Kernkraftwerk Three Mile Island]], einer Anlage mit negativem Dampfblasenkoeffizienten, eine partielle [[Kernschmelze]] erfolgt. Auch im [[Nuklearkatastrophe von Fukushima|Kernkraftwerk Fukushima I]] kam es im März 2011 zu einem solchen Unfall. Durch die bedeutend geringeren Energiemengen, das Ausbleiben eines Graphitbrandes (welcher im Falle Tschernobyl Radionuklide mit den Rauchgasen breitflächig verteilt hat) und ein zumindest teilweise (Fukushima) oder gänzlich (Three Mile Island) standhaltendes [[Sicherheitsbehälter|Containment]] gingen diese Kernschmelzen jedoch bedeutend glimpflicher ab. So gab es in keinem der beiden „westlichen“ Unglücke Fälle akuter [[Strahlenkrankheit]], keine Todesfälle am Unfalltag oder den Wochen und Monaten danach und bedeutend geringere Freisetzungen von Radionukliden, insbesondere 131I, 137Cs und 90Sr.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.unscear.org/unscear/en/publications/2020_2021_2.html |titel=UNSCEAR 2020/2021 Report Volume II |werk=Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation |hrsg=United Nations |datum=2013 |sprache=en |abruf=2023-07-25 |kommentar=PDF siehe dort}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://www.unscear.org/unscear/en/areas-of-work/chernobyl.html |titel=The Chernobyl Accident |hrsg=United Nations |sprache=en |abruf=2023-07-25}}</ref>

=== Streckbetrieb ===
Der Effekt, dass die Reaktivität ''steigt'', wenn die Temperatur des Kühlmittels ''sinkt'', wird auch beim so genannten „Streckbetrieb“ genutzt. Streckbetrieb bezeichnet die Technik, „ausgebrannte“ Brennelemente bei verminderter und stetig abnehmender Leistung länger zu benutzen. Dies kann nötig sein, wenn ohnehin die Stilllegung ansteht und ein weiterer Brennstoffzyklus nicht ökonomisch wäre, wenn keine neuen Brennelemente verfügbar sind oder wenn eine Abschaltung (wie sie bei [[Leichtwasserreaktor]]en zum Austausch der Brennelemente nötig ist) hinausgezögert werden soll.<ref>{{Internetquelle |autor=Dr [[Rüdiger Paschotta]] |url=https://www.energie-lexikon.info/streckbetrieb.html |titel=Streckbetrieb |sprache=de |abruf=2023-07-25}}</ref>

Um einen möglichst hohen [[Abbrand (Kerntechnik)|Abbrand]] ({{EnS|Burnup}}) zu ermöglichen, beinhalten frische Brennelemente ''mehr'' spaltbares Material als zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion nötig ist. Um diese Überschussreaktivität abzufangen, bedient man sich [[Steuerstäbe]]n, [[Borsäure#Verwendung|Wasserborierung]] und – teilweise in die Brennelemente integrierter – „sich verbrauchender“ [[Neutronengift]]e ({{EnS|burnable poison}}). Sind am Ende eines Brennstoffzyklus all diese Werte auf Null bzw. den sicherheitstechnischen Minimalwerten, kommt die Temperatur des Kühlmittels ins Spiel. Sinkt in einem [[Druckwasserreaktor]] die Temperatur des Kühlmittels, dann werden – wegen seiner [[Wärmeausdehnung|höheren Dichte]] – ''mehr'' Neutronen abgebremst (moderiert). Dies geschieht (im Durchschnitt) – wegen der niedrigeren Temperatur – langsamer. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit für Neutroneneinfang und – bei Verwendung von 235U-haltigen Brennstoff – auch die Wahrscheinlichkeit für Kernspaltung. [[Kritikalität]] kann damit bei geringerem Neutronenfluss aufrechterhalten werden.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.grs.de/de/glossar/streckbetrieb |titel=Streckbetrieb {{!}} GRS |sprache=de |abruf=2023-07-25}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://www.t-online.de/-/100048760 |titel=Was der Streckbetrieb der Kernkraftwerke wirklich leisten kann |datum=2022-09-05 |sprache=de |abruf=2023-07-25}}</ref> Allerdings sinkt durch die niedrigere Temperatur auch die [[Carnot-Wirkungsgrad|Carnot-Effizienz]]. Darüber hinaus sind [[Dampferzeuger]], Turbine usw. üblicherweise auf die Bedingungen des Normalbetriebs ausgelegt, nicht auf jene des Streckbetriebs. Da die Kosten des Brennstoffs verglichen mit allen anderen Kosten – vor allem [[Kapitalkosten]] – kaum ins Gewicht fallen,<ref>{{Internetquelle |url=https://www.nuclear-power.com/future-of-nuclear-energy-costs-safety-sustainability/costs-of-nuclear-energy/ |titel=Costs of Nuclear Energy {{!}} Fixed & Variable {{!}} nuclear-power.com |sprache=en-us |abruf=2023-07-25}}</ref> ist Streckbetrieb nur selten wirtschaftlich sinnvoll.

== Literatur ==
{{Siehe auch|Reaktorsicherheit|Reaktorphysik|Kerntechnik}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Reaktorsicherheit]]
[[Kategorie:Dampftechnik]]

Dampfblasenkoeffizient - Versionsgeschichte

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