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29.11.2009 Kernkraftwerke & Sicherheit Horst-Michael Prasser ETH Zürich ETH Alumni Math • Phys 13.11.2012

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29.11.2009

Kernkraftwerke & Sicherheit

Horst-Michael Prasser ETH Zürich

ETH Alumni Math • Phys

13.11.2012

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29.11.2012 2

Sicherheitsproblematik in der Kerntechnik

Spaltprodukte stark radioaktiv, teilweise flüchtig (z.B. I-131, Cs-137) ⇓

Hohe Radiotoxizität und Wärmeentwicklung ⇓

Barrieren gegen Freisetzung von radiotoxischen Stoffen notwendig ⇓

Herausforderung: Gefährdung der Barrieren durch Wärmeentwicklung

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29.11.2012

Bru

nnen

G

GEN III

GEN II heute GEN II

Notstandssystem

  Reaktorschutz   Notkühlung verstärkt   Containment Kernschmelze: <10-6/a   Rückhaltung im Gebäude,

Ziel: Evakuierung unnötig Philosophie

Philosophie Kernschmelze: 10-4 … 10-3/a

 Kernschaden hypothetisch, nur externer Katastrophenschutz

  Reaktorschutz   Notkühlung   Containment

redundant diversitär

Kernschmelze: <10-4 (Schweiz: <10-5/a)  Auswirkungen von

Kernschäden begrenzen Philosophie

Externe Einwirklungen

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29.11.2012 4

Sicherheitssysteme: Schnellabschaltung

Notkühlung

Not

kühl

ung

System von Barrieren gegen die Ausbreitung von radioaktiven Stoffen

2. Barriere: Wände des Primärkreises

1. Barriere: Brennstabhülle

3. Barriere: Inneres Containment N

otkü

hlun

g

Not

kühl

ung

Not

kühl

ung

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29.11.2012

KKW Gösgen

Fukushima Daiichi Unit 1

KKW Gösgen Notstandssystem (2x)

Reaktorbespeisung zur Verhinderung des Kernschadens Notspeisewassermenge, die einen

Kernschaden verhindert Abfuhr der Nachzerfallswärme aus dem Reaktorkern

•  Keine grossen Notspeisemengen nötig (~10 – 15 kg/s anstelle von 1.5 t/s bei Normalbetrieb)

•  Kernüberdeckung ausreichend, nach Abschaltung kein Wärme-übergangsproblem

Herausforderung

•  Hohe Zuverlässigkeit

Probleme

•  Druckentlastung des Reaktors

•  Betriebsenergie

•  Ultimative Wärmesenke

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29.11.2012

Notkühlsystem – redundant ausgelegt Reaktor

Redundanz 1 Redundanz 2 Redundanz 3 Redundanz 4

Redundanz: 4 x 50 % = wenn 2 von 4 Systemen funktionieren ⇒ dann ist sichere Notkühlung gewährleistet

defekt in Reparatur

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29.11.2012

Notstromversorgung – muss ebenfalls redundant ausgelegt sein

380 kV-Netz 110 kV-Reservenetz

Haupttransformator

Reserve-Transformator

Eigenbedarfs-Transformator

Haupt-schiene

Dieselgenerator

Sichere Schiene

Haupt-generator

defekt in Reparatur

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29.11.2012

Lageplan Kernkraftwerk Gösgen (Beispiel)

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29.11.2012

Externe Einwirkungen: Autonomes Notstandssystem

•  Verlust der Notkühlsysteme durch schweres externes Ereignis ⇒

•  Nachzerfallswärmeabfuhr für 10 Stunden ohne Intervention der Operateure

•  2 Stränge •  autonom •  Flugzeugabsturzsicher

Brunnen

Notkühl-pool

Notstandsdiesel

Nachzerfalls-kühler

Dampf-erzeuger

Notstandsgebäude

Notstands-warte

Leitungs-kanal Ringraum Inneres

Containment

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29.11.2012

Generation III+ «Revolutionäre» Konzepte Passive Sicherheitssysteme im Bereich von Auslegungsstörfällen

Passive Containmentkühlung

Passive Kernflutung

Passive Druckentlastung

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29.11.2012

Phänomene bei einem Kernschaden

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29.11.2012 12

H2-Abbau durch Rekombinatoren

Zündgrenze

Detonationsgrenze

Deflagration

Auslegungsüberschreitende Störfälle Katalytische Wasserstoffverbrennung

Wasserstoff aus Zirkonium-Wasser-Reaktion kann Containment bedrohen

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29.11.2012

Gaswäscher

Aerosolfilter

Abluftkamin

Man

ipul

atio

n vo

n au

ssen

mög

lich

grob fein

Nachrüstmassnahme: Gefilterte Druckentlastung

Berstscheibe

Stahlwand des inneren Containments

Betonwand des äusseren Containments

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29.11.2012

Alle potentiellen Neuanlagen: Vorsorge für die Kernschmelze

Rückhaltung der Kernschmelze im Reaktorbehälter

Bis 1000 – 1200 MW

Rückhaltung der Kernschmelze im Containment (Core Catcher)

>1200 MW

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29.11.2012

Verhinderung der grossen Freisetzung von radioaktivem Material

Auslegungsstörfall Auslegungsüber-schreitender Störfall

1. Barriere versagt → Kernschaden

Schutz der 1. Barriere (Brennstabhülle) durch •  Inhärent sichere Kern-

auslegung •  Schnellabschaltung •  Notkühlung (alles redundant/diversitär)

Schutz der 3. Barriere (Containment) durch •  Containmentkühlung •  Wasserstoffbeherrschung •  Gefilterte Druckentlastung •  Kernschmelzerückhaltung

Verhinderung einer grossen Freisetzung

von radioaktivem Material

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29.11.2012

Zusammenfassung •  Sicherheitsdefizite der Anlage in Fukushima vermeidbar

•  Nachrüstung bestehender Anlagen

• Evolutionäre und revolutionäre Konzepte zur Erhöhung der Auslegungssicherheit

• Notstandssysteme gegen Einwirkungen von aussen

• Systeme zur Vermeidung oder Reduzierung von radioaktiven Freisetzungen bei Kernschäden

• Richtlinien zur Beherrschung schwerer Störfälle mit Kernschäden und entsprechendes Training der Operateure

•  Gemeinsame Merkmale der Anlagen der Generation III (Neubauanlagen)

• Evolutionäre und revolutionäre Konzepte zur Erhöhung der Auslegungssicherheit

• Einrichtungen zur Kernschmelzerückhaltung

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29.11.2012

Danke für die Aufmerksamkeit!

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29.11.2012

Passive Druckentlastung

Becken ausserhalb des Containments

Aktivierung durch Spreng-ventil

Aktivierung von Druckent- ventilen

Flutbecken, innerhalb des Containments

Becken im Containment (=ECC pool)

Dru

ckha

lter

AP1000 (PWR) •  Entlastung vom Druckhalter •  Passiv D

ESBWR (BWR) •  Isolationskondensator •  Passiv D

KERENA (BWR) •  Notkondensator •  Passiv B

Aktivierung bei Niveauabfall

Dampf-Verteiler

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29.11.2012

GE Isolation Condenser – ein passives System in Fukushima? F1 Block 1: Isolation Condenser

 Ventile für Durchdringungsabschluss vorhanden

 Operateure können die Ventile steuern

•  Verletzung der IAEA-Kriterien:

•  Nur Ventile mit einmaliger Schaltaktion erlaubt

•  Ausschluss der Aktivierung oder (schlimmer) Deaktivierung des Systems durch Operateure

→ Der frühe GE “Isolation Condenser” erfüllt Passivätskriterien nicht

Wand des Containments

IC Frischdampf

Speisewasser

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29.11.2012 Source: IAEA-TECDOC-1624

Flut-becken

Flutventil (Rückschlagklappe,

passiv C)

Schwerkraftgetriebene Strömung

H

Passive Kernflutung (Niederdruckeinspeisung)

KERENA

Rückschlagklappen

Normal geschlossen

Reaktor-kern

Boriertes Wasser

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29.11.2012 Source: IAEA-TECDOC-1624

Passive Hochdruckeinspeisung Kernflutbehälter

•  Antriebskraft Gas-/Dampfdruck •  Start der Einspeisung, wenn

Reaktordruck unter Fülldruck fällt

Hydroakkumulatoren

•  Schwerkraftgetrieben •  Einspeisung vom

Reaktordruck unabhängig

Normal offen

Normal geschlossen

Rückschlagklappen Rückschlagklappen

Gas- oder Dampfpolster unter Druck

Normal offen

Boriertes Wasser

Boriertes Wasser

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29.11.2012

Passive Containmentkühlung

ESBWR / ABWR II (SWR) KERENA (SWR)

•  Aktivierung durch Temperaturanstieg im Containment – passiv B •  Kondensat kehrt in Reaktor zurück über die Flutleitung

Absetz- und Abschirmbecken

Gebäude-kondensator

Flutbecken

Flutbecken

Gebäude-kondensator

Flutleitung

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29.11.2012

AP1000

Westinghouse

activation necessary

Concept of protection:

Internal pressure: Hermetic steel shell

External threats: Concrete shell

Short term:

•  Enhancement of cooling by passive water spray (passive D)

Long term:

•  Natural air convection in annular gap sufficient to remove decay heat

Advantages:

•  Long term heat sink – no actions required

Disadvantage:

•  No leakage monitory by suction from the annular gap between primary and secondary containment Gorgemans, 2007

Passive containment cooling (steel shell cooling)

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29.11.2012

Ersatz externer Signale durch passive Impulsgeber

•  Normaler Reaktorfüllstand

•  Passiver Impulsgeber primärseitig mit Wasser gefüllt, kalt

•  Keine Erwärmung des Sekundärfluids

•  Kein Druckimpuls

KERENA

•  Reaktorfüllstand niedrig

•  Passiver Impulsgeber primärseitig mit Dampf gefüllt, heiss

•  Sekundärfluid verdampft

•  Druckimpuls betätigt Pilotventil

Passiver Impulsgeber

Primärseite

Sekundärseite

Pilotventil

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29.11.2012

Auslösung von Sicherheitssystemen durch passive Impulsgeber

Reaktorschnellabschaltung

Reaktordruck-entlastung

Containment-Durch-dringungsabschluss

Passive Impulsgeber

KERENA

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29.11.2012

Sprengsatzgesteuertes Ventil (squib valve)

Auslösung "Isolation Condenser", Hydrostatisches Fluten, Fluten Reaktorgrube ESBWR, 2007

Druckbolzen Sprengladung Sprengladung gezündet

Kolben

Sprengring Schersektion Sprengring

nach Zündung

Rückmeldekontakt

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29.11.2012

Vorsorge für schwere Störfälle SWR 1000

Wasserstoff •  Containment inertisiert

Kernschmelze • Interne Kernrückhaltung

 Flutung der Reaktorgrube aus dem Flutbecken

 Keine Beton-Schmelze-Wechselwirkung

Keine Überschreitung Auslegungsdruck Containment

•  Gefilterte Druckentlastung nicht vorgesehen

Stosic et al., 2008

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29.11.2012

Evolutionäre GEN III Typen

ABWR EPR 4'500 MWth

1'600 MWel

η = 36-37 %

pFD = 78 bar Hauptneuerung am Reaktor:

Schwerer Reflektor → verbesserte Neutro-nenausnutzung

CDF ~3.9.10-7 1/a

4'300 MWth

1'460 MWel (FIN5)

η = 34 %

pFD = 72 bar Hauptneuerung am Reaktor:

Interne Umwälz-pumpen → tiefliegende Positionen für grosse KM-Lecks eliminiert

(in Deutschland seit 1977! Brunsbüttel)

CDF ~1.6.10-7 1/a

Quinot, 1999

Beard, 2007

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29.11.2012

Hochdruck-pumpe Fl

ut-

beck

en

2 Kernflutbehälter

Gebäudesumpf

Vereinfachung des Notkühlsystems beim EPR

1 Kernflut-behälter

Sumpf-kühler

Niederdruckpumpe

IRWST

Mitteldruck-Pumpe

KONVOI EPR Sumpf-kühler

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29.11.2012

Niederdruck-Notkühlpumpe

Hochdruck-Notkühlpumpe

Flutbecken Wasser + Borsäure

Nachwärme- kühler

2 Druckspeicher (Kernflutbehälter)

Reaktor

Gebäudesumpf

Notkühlsystem KONVOI

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29.11.2012

Notkühlsystem – redundant ausgelegt

Reaktor

Redundanz 1 Redundanz 2 Redundanz 3 Redundanz 4

KONVOI: 4 x 50 % (Redundanz 2 von 4) Deterministischer Ausschluss der Kernschmelze (mit Einzelfehlerkriterium)

defekt in Reparatur

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29.11.2012

Evolutionäre Weiterentwicklung der Sicherheit Reaktor

Redundanz 1 Redundanz 2 Redundanz 3 Redundanz 4

EPR: Erhöhte Redundanz: 4 x 100 % (Redundanz 1 von 4)

⇒ Kernschmelzhäufigkeit unter 10-6 1/a

in Reparatur Defekt

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29.11.2012

Reaktor

Flutbecken = Containment-Sumpf

Umschaltung Sumpfbetrieb fällt

weg → CDF ⇓

Evolutionäre Weiterentwicklung der Sicherheit Vereinfachung - Verringerung der Fehlermöglichkeiten

Niederdruck-Notkühlpumpe

Mitteldruck-Notkühl-pumpe

Nachwärme- kühler

Druckspeicher (Kernflutbehälter)

EPR, Areva NP

Leckmassenstrom sammelt sich im

Containment-Sumpf

IRWST

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29.11.2012

Bodenkühlung Schmelzekanal Schutz- Schmelzpfropfen schicht

Opferschicht Verteilungsfläche

Opferschicht Schutzschicht

Beherrschung der Kernschmelze - Core Catcher

EPR, Areva NP M. Fischer / NED 230 (2004) 169–180