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Analyse, Simulation und Modellierung der Erosion atmosphärischer ...

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Stand <strong>der</strong> Wissenschaft 5<br />

2 Stand <strong>der</strong> Wissenschaft<br />

In diesem Kapitel wird <strong>der</strong> Wissensstand bzgl. <strong>der</strong> Wasserstoffentstehung <strong>und</strong><br />

-anreicherung während schwerer Störfälle in Kernkraftwerken dargestellt. Darüber<br />

hinaus werden die Gr<strong>und</strong>lagen von Gasströmungen <strong>und</strong> <strong>der</strong>en Wechselwirkung<br />

mit geschichteten Atmosphären umrissen. Dem folgen eine kurze Beschreibungung<br />

des hier untersuchten <strong>Simulation</strong>s-Programms COCOSYS <strong>und</strong> <strong>der</strong> für diese<br />

Arbeit bedeutendsten Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet <strong>der</strong> H 2 -Sicherheit.<br />

2.1 Wasserstoff in schweren Reaktorstörfällen<br />

Nachfolgend wird ein kurzer Überblick über die postulierten Störfallannahmen gegeben,<br />

um die in dieser Dissertation untersuchten Atmosphärenzustände <strong>und</strong><br />

Strömungen in einen Kontext einordnen zu können.<br />

2.1.1 H 2 -Entstehung <strong>und</strong> Zündung<br />

In Leichtwasserreaktoren (LWR) werden die Brennstabhüllrohre des Reaktorkerns<br />

mit Wasser gekühlt um die thermische Energie, die durch die Uran-Kernspaltung<br />

entsteht, abzuführen <strong>und</strong> im anschließenden Kondensations-Kraftwerksprozess<br />

zur Stromproduktion zu nutzten. Wird <strong>der</strong> Reaktorkern abgeschaltet bzw. die<br />

Uran-Spaltung unterb<strong>und</strong>en, kommt zwar die Kettenreaktion zum erliegen jedoch<br />

wird durch den Zerfall radioaktiver Isotope – die in Folge <strong>der</strong> Urankernspaltung<br />

entstehen – weiterhin Wärme freigesetzt. Diese sog. Nachzerfallswärme beträgt –<br />

mit <strong>der</strong> Zeit stark abnehmend – ca. 0,8-6,5% <strong>der</strong> thermischen Nennleistung des<br />

Reaktorkerns [6] (S.9), [15], [16].<br />

Wenn die ausreichende Kühlung des Kerns nicht aufrechterhalten werden kann<br />

(z.B. Kühlmittelverluststörfall bei zusätzlichem Ausfall <strong>der</strong> Not- <strong>und</strong> Nachkühlsysteme<br />

[17] (S.595)), heizt er sich zunehmend auf, verdampft das umgebende Wasser<br />

<strong>und</strong> wird frei gelegt. Bei Temperaturen >1.000°C findet eine Oxidations-<br />

Reaktion an dem Brennstab-Hüllrohrmaterial Zirkonium statt, in <strong>der</strong> Wasserdampf<br />

(H 2 O) in seine elementaren Bestandteile Wasserstoff (H 2 ) <strong>und</strong> Sauerstoff (O 2 ) aufgespalten<br />

wird. Da diese Reaktion exotherm ist, verstärkt sie die weitere Aufheizung<br />

[18] (S.2-1), [4].<br />

Wird <strong>der</strong> Kern nicht ausreichend gekühlt, schmilzt er <strong>und</strong> verlagert sich in den unteren<br />

Bereich des Reaktordruckbehälters. Nach ca. 2h wird <strong>der</strong> Reaktordruckbehälter<br />

durchschmolzen, die Schmelze verlagert sich in die Reaktorgrube [17]<br />

(S.593), wo das restliche Zirkonium nahezu vollständig oxidiert wird [17] (S.630).

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