Entwicklung und Untersuchung von Katalysatorelementen für innovative Wasserstoff-Rekombinatoren

In verschiedenen Anlagen der Energietechnik besteht im Verlauf von Stör- und Unfällen die Möglichkeit der Entstehung oder Freisetzung von Wasserstoff. Die sich mit Luftsauerstoff bildenden brennbaren Gasgemische können unter ungünstigen Umständen detonationsartig reagieren. Die dadurch erzeugte Druckwelle kann Anlagen und deren Komponenten gefährden oder sogar zerstören. Ein Beispiel für schwerwiegende Auswirkungen einer detonativen Wasserstoffverbrennung ist die Detonation eines Wasserstofftanks auf dem Gelände der Firma Heraeus Quarzglas GmbH Hanau am 5. Oktober 1991 [HUS92]. Besonders verheerende Auswirkungen kann eine Wasserstoffexplosion in Kernkraftwerken hervorrufen. In diesen Anlagen ist die Freisetzung großer Mengen von Wasserstoff bei einem Unfall mit Kernschmelze in Kernkraftwerken mit Leichtwasserreaktoren (LWR) denkbar [GRS891]. Nach „westlichen Standards“ ausgerüstete Kernkraftwerke besitzen einen sehr hohen Sicherheitsstandard, trotzdem kann ein Unfall mit Kernschmelze nicht ganz ausgeschlossen werden. Ein mögliches Szenario für einen derartigen Unfall ist der Ausfall relevanter Sicherheitseinrichtungen, vor allem der Kühlsysteme des Reaktorkerns. Im Verlauf eines solchen Szenarios führt die Nachzerfallswärme zu einer Überhitzung des Reaktorkerns und damit zu einem Absenken des Kühlwasserspiegels. Dabei können die Brennelementhüllen teilweise oder sogar ganz freigelegt werden. Die entstehenden hohen Temperaturen am ungekühlten Teil der Brennelemente führen dazu, dass die Bindungskräfte des Wassers wegen der Oxidationsneigung des Metalls überwunden werden, so dass der vorhandene Wasserdampf das Metall oxidiert und Wasserstoff entsteht. Bei Zirkonium, einem Legierungsbestandteil der Hüllrohre, ist diese Reaktion ab einer Temperatur von etwa 800°C zu beobachten. Mit dem Luftsauerstoff im Reaktorgebäude kann der somit entstandene Wasserstoff, nachdem er in das Containment gelangt ist, ein explosives Gasgemisch bilden. Ein derartiger Unfall ereignete sich 1979 im Reaktor Three Miles Island (TMI) bei Harrisburg (USA) [GOS79], in dessen Verlauf sich im Sicherheitsbehälter ein zündfähiges Wasserstoff/Luft-Gemisch bildete. Die folgenden Deflagrationen führten zu erheblichen Druck- und Temperaturerhöhungen mit der Schädigung von Anlagenteilen. Hierbei blieb das Containment als letzte Rückhaltebarriere für radioaktive Spaltprodukte erhalten, so dass kein radioaktives Inventar an die Umgebung abgegeben wurde. Der glimpfliche Ausgang des Unfalls war eine Folge glücklicher Umstände und nicht der technischen Beherrschung der Ereignisse. Neben vorbeugenden Sicherheitsvorkehrungen, wie z. B. der Vorinertisierung der Containmentvolumina mit Stickstoff im Fall der Siedewasserreaktoren (SWR), soll [...