Lagerung von Brennstäben am Absoluten Nullpunkt

Hallo Community,

ich schreibe an einem Science-Fiction-Roman und frage mich, ob es möglich wäre nukleare Brennstäbe als Energiequelle für ein Raumschiff über einen Zeitraum von mehreren Jahrhunderten zu nutzen, indem man die Brennstäbe bei sehr niedriger Temperatur (so weit wie möglich am Absoluten Nullpunkt) lagert. Würde die Kühlung so viel Energie verbrauchen, dass es unwirtschaftlich wäre? Produzieren die Brennstäbe bei -270 Grad noch viel Energie (betrachtet auf einen Zeitraum von 300 Jahren)? Könnte man die Brennstäbe im Vakuum des Weltraums kühlen, da herrscht ja auch sehr niedrige Temperatur?

Würde mich über eine Antwort freuen!
Viele Grüße
Ioda

Ein Brennstab heitzt sich selbst auf. Ein Kraftwerk macht im Grunde nichts anderes als den Brennstab zu kühlen. Dabei bleibt so viel Energie übrig, daß man damit Strom erzeugen kann. Es ist also völlig unmöglich den Brennstab so weit abzukühlen. und selbst wenn, würde der Brennstab dadurch nicht länger halten. Eine Kernreaktion ist etwas anderes als eine Chemische Reaktion die eventuell bei niedriger Temperatur langsamer läuft. Die Kernreaktion wird also völlig unabhängig von der Umgebungstemperatur immer weiter ablaufen, und den Brennstab erhitzen. Man könnte ihn also gar nicht so weit abkühlen, und wenn, wäre er genauso schnell verbraucht, wie bei herkömmlicher Lagerung. Der Aufwand wäre nur sehr viel höher.
Im Weltall herrscht keine besonders niedrige Temperatur, denn Temperatur ist immer die Eigenschaft eines Mediums. Da es im Weltall kein Medium wie Luft gibt, gibt es dort genau genommen überhaupt keine Temperatur. Das Vakuum wirkt als sehr guter Isolator. Die im Brennstab ständig entstehende Wärmeenergie wird hier also nicht abgeführt. Der Brennstab kann seine Wärme nur über Strahlung los werden, was nur langsam funktioniert. Folglich würde sich der Brennstab ständig weiter aufheizen, bis er schmilzt, oder sich selbst wegen Überhitzung zerlegt. Wenn man überlegt wie viel Wärme so ein Brennstab erzeugt, und wie groß er ist, wird das wohl nur wenige Sekunden, bis maximal Minuten dauern, bis da Feierabend ist.

wtf - so habe ich das noch gar nie gesehen :anguished:
… „faszinierend“ würde hier unser alter Captain Spock sagen ^^

mal angenommen ich würde im Schatten meines Raumschiffes meine Hand rausstrecken (die Einwirkung von Strahlung und Vakuum auf meine Hand lassen wir mal außer acht)… wäre es dann kalt oder warm? oder gleich „warm“ wie meine Hand?
was würde durch das Vakuum mit meiner Hand passieren? explodiert die?

In den Filmen sieht man die Menschen immer sofort erfrieren…?

Natürlich wollen wir hier keinen Film als wissenschaftliche Grundlage heranziehen ^^, aber dank Hollywood hat sich dieses Bild bei mir schon eingebrannt/gefroren ^^

also: was passiert mit einem Menschen im Weltall ohne Weltraumanzug?

Hallo!

Ja, daß die Leute explodieren, wird immer überall so dargestellt, stimmt aber nicht. Denk dran, daß der Druckunterschied zwischen Erdoberfläche und Weltraum grade mal 1Bar beträgt, genauso wie zwischen Erdoberfläche und 10m Wassertiefe. Da wird kein Arm explodieren.
Gefährlich sind Luftblasen im Körper, denn die dehnen sich aus. Wenn der Mensch meint, krampfhaft die Luft anhalten zu müssen, kann seine Lunge reißen.
Und wer zu viel Kohl gegessen hat, dürfte auch wegen dessen Verdauungsprozess Probleme bekommen. Ob der Darm auch reißt, kann ich nicht sagen, das Gewebe scheint ja sehr stabil zu sein. Unangenehm wird es auf jeden Fall.
Aber explodieren wird der körper nicht. Einerseits ist die Außenhülle des Torsos doch recht stabil, andererseits wird der Mensch das mit dem Luft anhalten kaum schaffen, so daß die restlichen Organe mit Luft drin sich nach oben ausdehnen können. Wie beschrieben wären aber Risse und damit innere Blutungen möglich.

Dann gibt es die Taucherkrankheit, das ist, wenn gelöste Luft im Blut ähnlich wie bei einer Sprudelwasserflasche ausperlt. Allerdings ist davon noch kein Taucher geplatzt. Dann wird das einem Astronauten auch nicht passieren.

Und dann ist da die Sache mit der Kälte des Weltraums. Er selbst ist, wie du schon gelesen hast, nicht in dem Maße kalt, wie man sich das denkt. Aber: Bei Körpertempertur fängt Wasser bei einem Druck von unter 0,08Bar an zu kochen, und schon lange davor, stark zu verdunsten. Und dabei kühlt es kräftig ab, schnell auch bis weit unter den Gefrierpunkt. Das wird besonders schlimm für die Augen und Nase/Mund/Lunge sein, da hier die Oberfläche sehr feucht ist. An der normalen Haut wird es auch schnell sehr kalt, aber sie ist relativ trocken und isoliert auch recht gut, so daß hier nicht ganz so schnell was passiert. Aber ja: Im Vakuum wird ein Mensch recht zügig gefriergetrocknet,
Ach ja, platzen wird von diesem Effekt gar nichts, denn wie gesagt, das findet bei einem Druck von unter 0,08 Bar statt, das dürfte jedes Gewebe aushalten.

Zu guter letzt ist da noch die Wärmestrahlung. Die Sonne strahlt mit etwa 1500W/m² auf einen Astronauten ein (Am Boden sind es noch bis 1000W/m²), und wegen der Isolierung wird er diese Wärme kaum noch los. Tatsächlich ist das das größere Problem, weswegen es Isolierung im Weltraum braucht.
Aber: Jeder warme Körper gibt auch Wärme in Form von EM-Strahlung ab, siehe Stefan-Boltzmann-Gesetz. Das sind bei Raumtemperatur aber nur etwa 5mW/m² (also fast nix), und wird für niedrigere Temperaturen schnell sehr viel weniger. Das wird den Astronauten über einen langen Zeitraum sehr viel weiter runter kühlen (so in die Nähe 10K), als es die Sache mit dem Wasser tut, es spielt aber in den ersten Stunden keinerlei Rolle.

Wenn du also deinen Arm aus der schattigen Luftschleuse hältst, passiert nichts spektakuläres. Erfrierungen sind möglich, die Haut kann ziemlich angegriffen sein, Blutergüsse und Wasser im Gewebe sind wohl auch möglich, da der Rest des Körpers in dem Szenario ja noch Normaldruck hat.

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Sehr schöne Antwort, allerdings ist die Abstrahlung nach Stefan-Boltzmann bei 293 K eines Schwarzen Körpers 418 W/m², also doch etwas mehr als 5mW. Ein Astronaut im Schwarzen (für die Fragestellung außerdem löchrigen) Anzug würde sich unter einer Sonneneinstrahlung von 1300 W/m² nicht weiter aufheizen, da er in alle Richtungen Wärme abstrahlt und nur aus einer Richtung (Sonne) Wärme bekommt. Bei Kugeln ist das Verhältnis abstrahlender zu empfangender Fläche 1:4 (da die Sonnenstrahlung auf einem Großteil der Kugelfläche unter flachem Winkel einfällt), eine schwarze, rotierende Kugel würde sich demnach sogar abkühlen.

Auch hier vielen Dank für die schöne Antwort (inkl. Empfehlung), allerdings würde ich ebenfalls in einem Punkt widersprechen: Das Weltall kann man schon als kalt ansehen, da der Wärmeverlust durch Strahlung deutlich schneller geht als Du hier andeutest.
Konkretes Beispiel: Ein Reaktorblock beinhaltet 500 dünne Brennstäbe, jeweils 4,8 m * 11mm Zylinder, Oberfläche=0,166 m² pro Stück. Die Nachzerfallswärme eines einzelnen Reaktorblocks liegt bei etwa 2 MW 7 Tage nach Abschaltung und fällt danach weiter.
Nehmen wir an, wir schießen die Stäbe jetzt ohne weiteres Abwarten in den Weltraum. Dann produziert jeder Stab noch eine Leistung von 4000 Watt, d.h. 24000 W/m² (+216 W/0,166 durch die Sonne). Die Temperatur der Brennstäbe steigt dann unter Kühlung durch ihre eigene Abstrahlung auf maximal 535°C, was unterhalb ihrer Schmelzgrenze liegt. Allerdings haut dies nur hin, wenn die Brennstäbe alle einzeln durch den Weltraum fliegen. Auf der Erde im Reaktor sind zu viele zu nahe aneinander (und Wärmestrahlung kann nicht durch Wände), daher muss die Wärme durch Konvektion (meist Wasser, das wiederum gekühlt werden muss) abgeführt werden.

Ich kann jetzt nicht genau sagen, wo der Fehler ist, aber es muss einen geben. Astronauten im All haben immer Temperaturprobleme, wobei diese immer in Richtung Überhitzung gehen. Raumanzüge sind aus diesem Grund weiss um möglichst viel Strahlung zu reflektieren. Dennoch braucht der Anzug noch eine Kühlanlage, die Wärme abführt in dem Wasser ins All verdampft wird. Auch Raumfahrzeuge brauchen immer eine entsprechende Kühlanlage, da verwendet man große Radiatorflächen, die die Wärme als Infrarotstrahlung abgeben.
Wäre die obige Rechnung korrekt und der Mensch würde sich nicht weiter aufheizen, wären solche Maßnahmen nicht nötig.

Also, zumindest zur ISS schreibt die NASA Folgendes: (https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2001/ast21mar_1) „Without thermal controls, the temperature of the orbiting Space Station’s Sun-facing side would soar to 250 degrees F (121 C), while thermometers on the dark side would plunge to minus 250 degrees F (-157 C).“
Die kalte Seite wäre ohne thermische Maßnahmen also deutlich weiter unter 0°C als die warme Seite darüber! Eine Durchschnittstemperatur von ca. 255 K (-18°C) entspricht auch Schwarzkörperberechnungen zur Erde.

würd ich in diesem thread eine krone verleihen können hättest du sie jetzt bekommen :slight_smile:
1000 Dank!

Ich schätze mal, dass das Problem eines Schwarzen Raumanzugs wäre, dass die sonnenzugewandte Seite an der Oberfläche gegrillt wird (während alle anderen Seiten potentiell erfrieren). Die Hitze aus der Sonnen-Richtung will man mit Weißen Anzügen abwehren. Trotzdem braucht man unbedingt eine gute thermische Isolation gegen das Abkühlen (die zu beträchtlicher Oberflächenkälte des Anzugs und damit geringer Emission vom Wärmestrahlung führt) beim Design des Raumanzugs.

Radioaktive Brennstäbe könntest Du z.B. durch Zeitdilatation in einem starken Gravitationsfeld beliebig lange lagern. Da zerfallen sie dann dementsprechend langsamer. Ein Schwarzes Loch (als Quelle der starken Gravitation) wiederum kann man sich in einem Large Hadron Collider je nach Bedarf zusammenbasteln. Alles natürlich SciFi, aber so könnte man es zumindest Physikalisch machen. Technisch könnte dieser Vorschlag durchaus gar nie realisierbar sein …