Nachzerfallswärme

Mit Nachzerfallswärme bezeichnet man in der Kernreaktor-Technik die Zerfallswärmeleistung, die nach dem Beenden der Kettenreaktion noch im Reaktor entsteht. Sie kommt dadurch zustande, dass die frischen Spaltprodukte der zuletzt noch gespaltenen Atomkerne jetzt radioaktiv zerfallen. Da keine Spaltungsreaktionen mehr stattfinden, kann die Nachzerfallswärme nicht durch die Steuerstäbe beeinflusst werden.

Umgangssprachlich wird auch häufig der Begriff Restwärme gebraucht. Dieser ist aber irreführend, weil die Nachzerfallswärme nicht die Hitze des Reaktorkerns beim Abschalten ist, sondern Leistungserzeugung durch radioaktive Zerfälle.

Die Nachzerfallswärmeleistung beträgt unmittelbar nach dem Abschalten zwischen 5% und 10% der vorherigen thermischen Leistung des Reaktors (abhängig vom Reaktortyp, der Betriebsdauer sowie dem eingesetzten Kernbrennstoff). In einem Großreaktor von beispielsweise 1.300 Megawatt elektrischer Leistung, also rund 4.000 MW thermischer Leistung, entstehen daher im Augenblick nach dem Abbruch der Spaltungs-Kettenreaktion noch rund 200 bis 400 MW Wärmeleistung. Diese Leistung fällt danach zeitlich schnell ab, annähernd nach einer Exponentialfunktion (siehe Formel unten).

Trotzdem können durch die Nachzerfallswärme bei vollständigem Ausfall der Kühlung Schäden am Reaktor bis hin zur Kernschmelze eintreten. Deshalb benötigen auch normale Leichtwasserreaktoren (in denen bei einem Kühlmittelverlust automatisch auch die Kettenreaktion im betroffenen Bereich des Reaktorkerns erlischt) besondere Notkühlsysteme.

Berechnung

Eine angenäherte Formel zur Berechnung der Nachzerfallswärme wurde 1946 von Way und Wigner angegeben. Wird ein Reaktor für die Dauer $T_{0}$ mit der Leistung $P_{0}$ betrieben, so ist die Nachzerfallsleistung $P$ zum Zeitpunkt $t$ nach dem Abschalten des Reaktors

$P(t)=6,22\cdot 10^{-2}\cdot P_{0}\cdot \left[t^{-0,2}-\left(T_{0}+t\right)^{-0,2}\right].$

Dabei ist t in Sekunden einzusetzen. Die Formel gilt (bei einer hinreichend langen Betriebsdauer T₀) ab etwa 10 Sekunden nach dem Abschalten bis rund 100 Tage nach der Abschaltung. Sie ergibt sich aus der Annahme, dass die Leistung einer hinreichend großen Anzahl an Zerfällen zu einem festen Zeitpunkt im Anschluss mit $t^{-1,2}$ abklingt.