Sensor warnt mit Schall vor Kernschmelze

Kansas City (USA) – Die Reaktorkatastrophe in Fukushima hat gezeigt, wie schnell Ingenieure ohne jede Stromversorgung die Kontrolle über eine Kernkraftanlage verlieren können. Ein Sensor könnte in Zukunft mit lautem Pfeifen vor einer Überhitzung der Brennstäbe warnen, selbst wenn alle anderen Kontrollsysteme zerstört wären. Forscher präsentieren dazu den Prototyp eines thermoakustischen Moduls auf der Jahrestagung der Acoustical Society of America in Kansas City. Dieser funktioniert allein mit der Hitze, die ein radioaktives Material abstrahlt.

Glühwendel, das über Metallklemmen mit einem Stahlrohr verbunden ist.
Thermoakustischer Sensor

„Dieser Sensor kann als kritisches Backup dienen in Situationen, in denen traditionelle Sensoren und Telemetriesysteme ausfallen“, sagt Randall Ali von der Penn State University in State College, Pennsylvania. Zusammen mit seinen Kollegen nutzte Ali einen porösen Keramikblock, wie er auch in Abgaskatalysatoren für Autos verbaut wird. Diesen setzte er in eine hochfeste Stahlröhre ähnlich der Ummantelung von Brennstäben in Kernkraftwerken. An einem Ende stark aufgeheizt, strömte Luft durch die winzigen Kanäle in der Keramik und abhängig von der Temperatur entstanden akustische Druckwellen. Dieser thermoakustische Prozess wandelte die Wärme in hörbaren Schall, der in Kernkraftwerken als Warnsignal vor einer steigenden Temperatur dienen könnte. Dazu müsste der Ton allerdings am oder in der Nähe des Reaktordruckbehälters abgenommen und in die Kraftwerkswarte transferiert werden, wozu schließlich doch elektrische Anlagen nötig wären.

Für ihre ersten Versuche erzeugten die Forscher die notwendige Hitze mit einer Heizwendel aus einer Chromnickellegierung, wie sie auch in Toastern angewendet wird. Zusätzlich zum Schallsignal, das laut genug war, um durch einen Wassertank zu dringen, trat über die Gasströmung durch die Keramik sogar ein kühlender Effekt auf. Diese Kühlung könnte helfen, eine gefährliche Kettenreaktion in einem außer Kontrolle geratenen Brennstab abzubremsen.

„Ob dieser thermoakustische und autarke Sensor in Kernkraftanlagen angewendet werden könnte, ist schwierig abzuschätzen“, sagt Randall Ali. Da er jedoch sehr robust, hitzeresistent und ohne bewegliche Teile konstruiert ist, könnte er das Interesse von Kraftwerksbetreibern wecken. Auch für Reaktoren in der chemischen Industrie wäre der Einsatz eines solchen Temperatursensors zusätzlich zu anderen Kontrollsystemen vorstellbar.