Kühlen ohne Pumpen: Neue Messdaten für modulare Reaktoren

Kleine modulare Reaktoren sind kompakte Kernkraftwerke mit einer elektrischen Leistung von bis zu 300 Megawatt. Damit sind sie deutlich kleiner als heutige Anlagen mit rund 1000 Megawatt Leistung und mehr. Sie lassen sich in hohen Stückzahlen industriell herstellen und gelten als vielversprechend für flexible Einsatzszenarien. Ein zentrales Merkmal vieler dieser Reaktoren ist ihr Sicherheitskonzept: Statt auf aktive Systeme, die externe Energie benötigen, setzen sie auf passive Kühlung. Physikalische Effekte wie Kondensation, Gravitation oder Dichteunterschiede halten den Reaktor im Notfall sicher.

Die Simulation solcher komplexer Kühlprozesse erfordert experimentelle Daten, die bislang nur in begrenztem Umfang vorlagen. Eine neue Studie am Paul Scherrer Institut PSI liefert nun wichtige Beiträge, um diese Lücke zu schliessen. In der PANDA-Forschungseinrichtung des PSI haben Forschende erstmals passive Kühlsysteme für kleine modulare Reaktoren unter realistischen Bedingungen untersucht. Die Experimente wurden mit wissenschaftlicher Unterstützung von Kooperationspartnern aus mehr als zehn Ländern durchgeführt. Sie liefern hochauflösende Messdaten, die für die Validierung solcher Systeme in Simulationen eingesetzt werden können. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nuclear Engineering and Design veröffentlicht.

Dampf ablassen durch natürlichen Wärmetausch

Das Experiment am PSI beschäftigte sich mit einer zentralen Frage bei der Konstruktion von Kernkraftwerken: Was passiert, wenn bei einem Unfall Dampf aus dem Reaktor in die äussere Schutzhülle des Kraftwerks abgelassen wird? Dieser Dampf muss gekühlt werden, sonst steigt der Druck auf die Schutzhülle an. In konventionellen Anlagen übernehmen solche Aufgaben aktive Sicherheitssysteme wie Wasser-Sprühanlagen, die Pumpen und Ventile benötigen. Sie führen Wärme ab und halten den Druck im Sicherheitsbehälter unter Kontrolle. Diese Systeme sind jedoch auf eine zuverlässige Stromversorgung angewiesen. Fällt sie aus, kann ihre Funktion eingeschränkt sein. Deshalb untersuchen Forschende verstärkt, wie sich der Dampf auf passive Weise kühlen lässt.

Das Projektteam um Yago Rivera Durán vom Zentrum für Nukleare Technologien und Wissenschaften am PSI hat dafür einen geschlossenen Kühlkreislauf getestet. Dabei handelt es sich um ein rund sechs Meter hohes, senkrechtes Rohr, durch dessen Inneres kaltes Wasser fliesst. Tritt im Störfall Dampf in die Schutzhülle aus, trifft er auf die kalte Oberfläche des Rohrs, kondensiert dort und tropft als Wasser in den Reaktor zurück.

Die dabei freiwerdende Wärme wird auf das Wasser im Innern des Rohrs übertragen. Weil warmes Wasser leichter ist als kaltes, steigt es auf natürliche Weise nach oben und gibt dort seine Wärme an ein Wasserreservoir ab. Das abgekühlte Wasser fliesst anschliessend nach unten zurück. So entsteht ein natürlicher Kreislauf, der allein auf dem Dichteunterschied von warmem und kaltem Wasser basiert – ganz ohne Pumpen oder Strom.

Frühere Experimente hatten bereits gezeigt, dass solche Systeme funktionieren. Das PSI-Team ist nun einen Schritt weiter gegangen und hat erstmals hochdetaillierte Messdaten vorgelegt, die genau zeigen, wie die physikalischen Prozesse im Inneren einer Anlage im Massstab eines Kernkraftwerks ablaufen. Mit Hochgeschwindigkeitskameras dokumentierten die Forschenden im Detail sogar winzige Tröpfchen aus kondensiertem Wasser an der Oberfläche des Rohrs.

Zum ersten Mal konnten die Forschenden beobachten, wie sich die Gase im Inneren des Sicherheitsbehälters trennen: Im unteren Bereich sammelt sich mehr Luft, während oben mehr Dampf bleibt. Diese Erkenntnis ist wichtig sowohl für die Reaktorkonstruktion als auch für Computersimulationen. Wird dieser Effekt nicht berücksichtigt, kann das System Wärme weniger effektiv abführen.

Darüber hinaus verfolgten die Forschenden winzige Partikel im Gas und wiesen nach, dass sich das Gas in der Nähe des Rohrs nur sehr langsam bewegt. In diesem Bereich wird die Kondensation daher nicht durch grössere Strömungen bestimmt, sondern vor allem durch Diffusion: Der Wasserdampf gelangt nur langsam an die Oberfläche des Rohrs und kondensiert dort. Das bedeutet, dass der Kühlprozess stark von lokalen Bedingungen abhängt.

PANDA – kein «echter» Reaktor, aber realistische Daten

Die Experimente wurden an der weltweit einzigartigen Forschungsanlage PANDA durchgeführt. PANDA steht für «PAssive Nachwärmeabfuhr und DruckAbbau»-Testanlage und erstreckt sich über fünf Stockwerke fünfundzwanzig Meter in die Höhe. Die Anlage besteht aus mehreren Behältern mit einem Gesamtvolumen von rund 500 Kubikmetern, in denen Vorgänge in Kernreaktoren realitätsnah simuliert werden können.

PANDA enthält kein radioaktives Material. Den bis zu 200 Grad Celsius heissen Dampf mit einem Druck bis 10 bar erzeugt eine elektrische Heizung mit einer Leistung von 1,5 Megawatt. An über achtzig Stellen können Gasgemische aus verschiedenen Bereichen der Anlage entnommen und mit einem Massenspektrometer analysiert werden.

Die Stärke von PANDA ist seine Flexibilität. Für kleine modulare Reaktoren werden derzeit mehrere Dutzend Konzepte diskutiert. Viele von ihnen können in der Versuchseinrichtung nachgebildet werden. 1450 Sensoren liefern wertvolle Daten. «Bisher konnten die Entwickler von Simulationen nicht sicher sein, dass ihre Berechnungen mit der Wirklichkeit übereinstimmen», sagt Yago Rivera Durán. «Diese Lücke schliessen wir mit PANDA.» Damit werden erstmals Daten verfügbar, die für Sicherheitsprüfungen und die Genehmigung künftiger Reaktoren entscheidend sind.

Ausgebucht bis in die 2030er-Jahre

Da PANDA so einzigartig ist, bringt es Forschungsinstitute, Universitäten und Genehmigungsbehörden aus zehn Ländern weltweit zusammen. Derzeit laufen nationale Projekte mit Swissnuclear, dem Verband der Schweizer Kernkraftwerksbetreiber, sowie Projekte für die Europäische Union und internationale Kooperationen mit Partnern aus Europa, Amerika und Asien.

Die jüngste Veröffentlichung gibt den Startschuss für eine internationale Benchmark-Initiative auf Basis der PANDA-Daten. An dieser weltweiten Zusammenarbeit beteiligen sich bereits fünfundzwanzig Institutionen, die die experimentellen Ergebnisse nutzen werden, um ihre Simulationsmethoden zu überprüfen und zu verbessern. Das Folgeprojekt PANDA-2 wird auf dieser Arbeit aufbauen und sich noch stärker auf komplexe Szenarien und den langfristigen autonomen Betrieb der passiven Sicherheitssysteme konzentrieren. Dieses internationale Projekt ist derzeit bis 2030 veranschlagt, während nationale Projekte und EU-Projekte bereits bis weit in die 2030er-Jahre hinein geplant sind.

Text: Bernd Müller

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Zukunftstechnologien, Energie und Klima, Health Innovation und Grundlagen der Natur. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2300 Mitarbeitende und ist damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 450 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

Kontakt

Dr. Yago Rivera Durán
PSI Center for Nuclear Engineering and Sciences
Paul Scherrer Institut PSI

+41 56 310 30 61
yago.rivera@psi.ch

Originalveröffentlichung

Experiments addressing Passive Containment Cooling Systems for Small Modular Reactors in the PANDA facility
Y. Rivera et al.
Nuclear Engineering and Design, 08. April 2026
DOI: 10.1016/j.nucengdes.2026.114919

Medienmitteilung auf der Webseite des Paul Scherrer Instituts PSI:
https://www.psi.ch/de/news/medienmitteilungen/kuehlen-ohne-pumpen-neue-messdaten-fuer-modulare-reaktoren