Analysen zur Wirksamkeit von Notfall- maßnahmen bei SHB ... · Freisetzung radioaktiver Stoffe in...

Analysen zur Wirksamkeit von Notfall-maßnahmen bei SHB-Leckagen in den Ringraum und SHB-Venting Dr. Martin Sonnenkalb, Siegfried Schwarz, Ivan Bakalov

Einführung – Zielsetzung

Bewertung der Sicherheit der laufenden KKW hinsichtlich der Wirksamkeit von mitigativen Notfallmaßnahmen für ein breites Spektrum von möglichen Stör- und Unfallszenarien ausgehend vom Normalbetrieb Analysen werden im Rahmen von BMUB geförderten Eigenforschungsvorhaben

der GRS durchgeführt Einsatz der GRS-Rechencodes ATHLET-CD/COCOSYS, die im Rahmen von

BMWi geförderten RS-Forschungsprojekten entwickelt und validiert werden Gegenstand des Vortrags: Aussagen zur Wirksamkeit der implementierten oder

von neuen Notfallmaßnahmen • Gefilterte Druckentlastung des Sicherheitsbehälters (SHB)

(BMUB 3613R01320) • H2-Management im Reaktorgebäude (RG) außerhalb des SHB

(BMUB 3615R01340, laufend)

2

Zustände im SHB sind abhängig vom Szenario: • In-vessel Phase: Freisetzung aus RKL/DH, starke Konvektion, inhomogene Gas- und

Aerosolverteilung, H2-Abbau durch autokatalytische Rekombinatoren (PAR) • Ex-vessel Phase: Freisetzung aus Grube (MCCI), homogene Gasverteilung,

Aerosolablagerung, O2 verbraucht Aufkonzentration von H2, SHB-Venting Zustände im Ringraum sind abhängig vom Szenario im SHB:

• Thermische Schichtung, Gasverteilung abhängig vom Leckort am SHB

Einführung – Zustände in SHB und RR unter Unfallbedingungen

3

H2- / Gasverteilung

In-vessel Phase Ex-vessel Phase

Thema: Neubewertung der Wirksamkeit der gefilterten SHB-Druckentlastung

4

Neubewertung der Wirksamkeit der gefilterten SHB-Druckentlastung

Anlageninterner Notfallschutz in deutschen Anlagen wurde beginnend in den späten 80er Jahren basierend auf Ergebnissen der Risikostudie Phase B für DWR (1989) und entsprechenden RSK-Empfehlungen implementiert; z. B. gefilterte Druckentlastung des SHB und H2-Management im SHB

Unfälle in Fukushima Daiichi zeigen • Bedeutung des anlageninternen Notfallschutzes, z. B. SHB-Venting • Offene Punkte bzgl. H2-Management im Reaktorgebäude außerhalb SHB H2-Explosionen in Reaktorgebäude trotz inertisiertem SHB

Analyseanforderungen/Ziele resultieren aus WLN 2012/2 • Gewährleistung der Wirksamkeit der gefilterten SHB-Druckentlastung auch

unter bei Notfällen anzunehmenden typischen Randbedingungen (Spannungsausfall, radiologische Situation etc.)

• Vermeidung von H2-Verbrennungsvorgängen in den Ventingleitungen und gegebenenfalls in den Sammelräumen für die Fortluft oder anderen Bereichen des Reaktorgebäudes

5

GRS Fachgespräch 2015

Gefilterte SHB-Druckentlastung – Hintergrund

System: Gleitdruckventuriwäscher für die Aerosol- und Iodrückhaltung mit Druckreduktion durch Drossel hinter Wäscher

Abgassystem: Separate Abgasleitung bis zur Umgebung im SWR-72 Einbindung in allg. Lüftungssysteme/Kamin bei DWR

Einbindung: Kondensationskammer im SWR-72 (gem. System) SHB-Peripherie im DWR

DWR KONVOI SWR-72

6

Block C Block B

Ringraum SHB

Koka Koka

GRS Fachgespräch 2015

Gefilterte SHB-Druckentlastung – Betriebsphasen

1. Anfahrphase (einige Minuten) • Gas-/Dampfgemisch strömt in Venturiwäscher • Dampf kondensiert Abgase am Austritt des

Venturiwäschers enthalten keinen Dampf H2-Verbrennung im Abgasstrom/-system? • Waschwasser wird durch kondensierenden Dampf

aufgewärmt, bis zum Siedezustand Betriebsphase

2. Betriebsphase (1 – 2 Tage) • Abgase am Austritt des Venturiwäschers entsprechen der

zuströmenden Gaszusammensetzung inkl. Dampf • Freigesetzter Dampf kann in Rohrleitungen, Abluft-

kammer, Kamin an noch kalten Strukturen kondensieren Dampf reduziert Wkt. für H2-Verbrennung im Abgasstrom/-system

3. Nach Abschaltung (langfristig) • keine fortlaufende Durchströmung des Systems • N2 Einspeisung in Wäscher 48 h nach Ende Venting Inertisierung wegen Radiolysegasbildung

• Brennbare Gase bleiben ggf. im Abluftsystem „gespeichert“ H2-Verbrennung in Abgasleitung/Kamin? Wiederfreisetzung von Aerosolen und Iod?

N2, H2, CO, CO2

N2, H2, CO, CO2 + Dampf

N2, H2, CO, CO2

+ Dampf

N2, H2, CO, CO2 + Dampf

7

Nutzung aktueller Erkenntnisse und Modelle in COCOSYS zur Bewertung des Aerosol- und Iodverhaltens im SHB

Literaturauswertung und Auswertung von Systemunterlagen erbringt „Defizit“ bzgl. der Auslegung der Drossel WLN 2016/2

Separates Modell des Venturiwäschers zur Aerosol- und Iodrückhaltung validiert an JAVA- und ACE-Versuchen

Grobe (1 Raum) und detaillierte COCOSYS-Nodalisierung zur Simulation von zwei repräsentativen Unfallszenarien inklusive gefilterter Druckentlastung und Betrieb von Lüftungssystemen gemäß Vorschlag zu Notfallmaßnahmen

Gefilterte SHB-Druckentlastung – COCOSYS-Modell

RKL

RRo

RRu

cavity VW

A25 K21

K39

K107

Rekos

Lüftung RG

Abluftkammer

Rohrleitung zum Kamin Drossel

8

Gefilterte SHB-Druckentlastung H2-Konzentration im Ventingsystem ohne Lüftungsbetrieb

0 1 2 3 4 5Zeit [Tage]

0

5

10

15

20

25

30

Con

cent

ratio

n (V

ol%

)

C1_H2_GAS_SBC1_H2_GAS_VWC1_H2_GAS_A25C1_H2_GAS_K107

Abluftkammer und Kamin

• Brennbare Zustände treten für einen begrenzten Zeit-bereich in der Anfahrphase in der Abluftkammer und im Kamin auf, danach durch Dampf verhindert

• Nach Abschaltung ist zunächst kein Sauerstoff im Abluftsystem vorhanden

In-vessel

Ex-vessel

O2 aufgebraucht

9

SHB

Venting

Venturiwäscher

Gefilterte SHB-Druckentlastung H2-Konzentration im Ventingsystem mit Lüftungsbetrieb gem. HMN

0 1 2 3 4 5Zeit [Tage]

0

5

10

15

20

25

30

Con

cent

ratio

n (V

ol%

)

C1_H2_GAS_SBC1_H2_GAS_VWC1_H2_GAS_A25C1_H2_GAS_K107

Venturiwäscher

Abluftkammer und Kamin

• Brennbare Zustände treten in keinem Zeitbereich in der Abluftkammer und im Kamin auf

• Systemverfügbarkeit der RG-Lüftung ist erforderlich

• Nutzung jetzt im HMN empfohlen

10

Venting

SHB

Gefilterte SHB-Druckentlastung – Aerosol- und Iodrückhaltung

11

RSK COCOSYS MBL-Fall

COCOSYS ND*-Fall

Aerosolmasse im Waschwasser (kg) 60 11,6 1,9

Iodmasse im Waschwasser (kg) - 0,432 0,165

Nachzerfallswärme (kW) gesamt Iod alle anderen Spaltprodukte

7 5 2

15,1 11,6 3,7

14,3 13,1 1,2

Abscheidegrad (%) Aerosol I2 Organoiod

≥ 99,9 ≥ 90,0

0,0

> 99,9 > 99* 0,0**

> 99,9 > 99* 0,0**

* Mittelwert über gesamten Zeitraum der Druckentlastung, nicht zu Beginn ** Organoiodrückhaltung in JAVA gemessen

Gefilterte SHB-Druckentlastung – Fazit

Neubewertung der Wirksamkeit der gefilterten SHB-Druckentlastung ergibt: Brennbare Gasgemische im gemeinsamen Abluftsystem bei DWR lassen sich

durch Nutzung der betrieblichen Abluft bei der gefilterten Druckentlastung vermeiden (neue Notfallmaßnahme im HMN)

Filterwirksamkeit kann bestätigt werden, unter der Annahme von Änderungen an der Drossel im System WLN 2016/2 … bedingt durch die Dimensionierung der Drossel wird der Gleitdruckventuriwäscher oberhalb bzw. am oberen Rand des experimentell nachgewiesenen Bereichs für die I2- und Aerosolrückhaltung betrieben … … eine Beeinträchtigung der Aerosol- und Iodrückhaltung durch die Venturidüsen ist nicht auszuschließen und die Einhaltung der Empfehlung der RSK /RSK 90/ ist nicht sichergestellt … … die derzeit eingesetzte Drossel sollte durch eine neu dimensionierte Drossel ersetzt werden.

Gefilterte Druckentlastungssysteme des SHB wurden zwischenzeitlich durch Betreiber überprüft und wo nötig angepasst (Rückflüsse WLN) 12

Thema: Analysen zum H2-Management im RG außerhalb des SHB

13

Analysen zum H2-Management im RG außerhalb des SHB

Analyseanforderungen/Ziele resultieren aus Beratung der RSK / AST zum Thema „SHB-Leckagen zum Ringraum“, die 2015 mit Empfehlung zu neuen Notfallmaßnahmen abgeschlossen wurden

Notfallmaßnahmen zusätzlich zur Nutzung der installierten RR-Störfallabsaugung • Umluftsystem im RG: Umwälzung der Atmosphäre im Ringraum (Beseitigung von

Schichtungen) • Zu-/Abluftsystem des RG: rechtzeitige Herstellung einer kontrollierten Belüftung

(Begrenzung des Anstiegs der H2-Konzentration) • Bedarfsfilteranlage: Absaugung von Ringraumluft mit Maßnahmen zur Verringerung der

Freisetzung radioaktiver Stoffe in die Umgebung (z. B. Filterung, Abgabe über Kamin) • Alternative Möglichkeiten zum Wasserstoffabbau können auch vorgesehen werden

Analysen im laufenden Vorhaben berücksichtigen • Zwei charakteristisch unterschiedliche Szenarien • Verschiedene Leckorte im Bereich der SHB-Kabeldurchführungen (12 – 15 m Ebene) • Verschiedene Systeme und vorgeschlagene Notfallmaßnahmen bzgl. des RG gemäß

Empfehlung RSK / AST bzw. HMN der Referenzanlage

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Analysen zum H2-Management außerhalb des SHB – Hintergrund (1)

Bildquelle: AST-Sitzung am 28.11.2013 Dr. Frank Sommer, E-ON

SHB-Durchführungen: Mitte RR (~25 m):

• Materialschleuse im Materialtor und 1. Notschleuse

• Kompensatoren der FD- und SpW-Leitungen

Untere Hälfte RR (6 – 15 m): • Personenschleuse, 2. Notschleuse • Ca. 120 Rohr- und

475 Kabeldurchführungen

Betoneinspannung(< 6 m): • Ca. 12 Rohrdurchführungen

RR-Störfallabsaugung: • 4 x 25 % Lüfter, notstromgesichert • Gefilterte Absaugung an einer

Position im RR neben Personenschleuse bei +12 m

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Ringspalt 6 m – 21,5 m 4.300 m³ (16 %*)

Ringspalt > 21,5 m ~14.900 m³ (54 %*)

RR / Räume unterhalb 6 m: 23.100 m³ nicht relevant bzgl. H2-Konzentration

da unterhalb möglicher Leckage

6 m

21,5 m Sep. Räume des RR

6 m – 21,5 m 8.300 m³ (30 %*)

im Unfall ggf. durch Brandschutzelemte

abgesperrt

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Analysen zum H2-Management außerhalb des SHB – Hintergrund (2)

SHB-Gesamtvolumen ~70.000 m3

RR-Gesamtvolumen ~50.000 m³ davon Bereiche oberhalb 6 m relevant: 27.500 m³ (100 %*)

Analysen zum H2-Management außerhalb des SHB (1)

Basisfall mit Auslegungsleckage und Betrieb RR-Störfallabsaugung H2-Konzentration im Ringspalt

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COCOSYS, GKN-2, MBL, BF

0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000Zeit [s]

0

1

2

3

4

5

6

H2-

Kon

zent

ratio

n in

Rin

gspa

lt (V

ol%

)

MBL-BF_H2_GAS_U46MBL-BF_H2_GAS_U23AMBL-BF_H2_GAS_U22AMBL-BF_H2_GAS_U03AMBL-BF_H2_GAS_U02AMBL-BF_H2_GAS_U01AMBL-BF_H2_GAS_U00A

Venting

• Ausbildung von Gasschichtungen im Ringraum durch RR-Absaugung

• keine brennbaren Gemische (H2 < 4 Vol.%)


0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000Zeit [s]

0

1

2

3

4

5

6

H2-

Kon

zent

ratio

n in

Rin

grau

mrä

ume

(Vol

%)

MBL-BF_H2_GAS_U22AMBL-BF_H2_GAS_U74AMBL-BF_H2_GAS_U73AMBL-BF_H2_GAS_U72AMBL-BF_H2_GAS_U70A


Basisfall mit Auslegungsleckage und Betrieb RR-Störfallabsaugung H2-Konzentration in separaten Räumen des RG

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Venting VU74A-B Brandschutztür schließt bei T > 70oC

• Räume werden durch Schließen der Brandschutz-objekte von Gas- und Radionuklideintrag (generell) frühzeitig abgesperrt (H2 < 4 Vol.%)

COCOSYS, GKN-2, MBL, BFa

0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000Zeit [s]

0

1

2

3

4

5

6

H2-

Kon

zent

ratio

n in

Rin

gspa

lt (V

ol%

)

MBL-BFa_H2_GAS_U46MBL-BFa_H2_GAS_U23AMBL-BFa_H2_GAS_U22AMBL-BFa_H2_GAS_U03AMBL-BFa_H2_GAS_U02AMBL-BFa_H2_GAS_U01AMBL-BFa_H2_GAS_U00A


Variationsrechnungen: Basisfall und Variante mit Ausfall der RR-Störfallabsaugung H2-Konzentration im Ringspalt

Auslegungsleckage (0,25 Vol%/d), Basisfall Variante 1: Ausfall RR-Absaugung


0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000Zeit [s]

0

1

2

3

4

5

6

H2-

Kon

zent

ratio

n in

Rin

gspa

lt (V

ol%

)


Venting Venting

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• Ausfall RR-Absaugung erhöht H2-Konzentration • keine brennbaren Gemische (H2 < 4 Vol.%)


COCOSYS, GKN-2, MBL, V2

0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000Zeit [s]

0

2

4

6

8

H2-

Kon

zent

ratio

n in

Rin

gspa

lt (V

ol%

)

MBL-V2_H2_GAS_U46MBL-V2_H2_GAS_U23AMBL-V2_H2_GAS_U22AMBL-V2_H2_GAS_U03AMBL-V2_H2_GAS_U02AMBL-V2_H2_GAS_U01AMBL-V2_H2_GAS_U00A

6 m Ebene

12 m Ebene

16 - 41 m Ebene

Auslegungsleckage (0,25 Vol%/d), Basisfall Variante 2: 10-fache Auslegungsleckage


0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000Zeit [s]

0

1

2

3

4

5

6

H2-

Kon

zent

ratio

n in

Rin

gspa

lt (V

ol%

)


Venting

Venting

20

Variationsrechnungen: Basisfall und 10-fache Auslegungsleckage jeweils mit Betrieb der RR-Störfallabsaugung

H2-Konzentration im Ringspalt • 10-fache Auslegungsleckage zeigt brennbare Gemische (H2 > 4 Vol.%) im oberen RR

des RG, da RR-Störfallabsaugung dort nicht wirksam ist


0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000Zeit [s]

0

2

4

6

8

10

12

H2-

Kon

zent

ratio

n in

Rin

gspa

lt (V

ol%

)



0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000Zeit [s]

0

2

4

6

8

10

12

H2-

Kon

zent

ratio

n in

Rin

gspa

lt (V

ol%

)


6 m Ebene

12 m Ebene

16 - 41 m Ebene


Variante 2: 10-fache Auslegungsleckage Variante 3: 10-fache Auslegungsleckage, Ausfall RR-Störfallabsaugung

Venting Venting

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Variationsrechnungen: 10-fache Auslegungsleckage und Variante mit Ausfall RR-Störfallabsaugung

H2-Konzentration im Ringspalt • 10-fache Auslegungsleckage und Ausfall RR-Störfallabsaugung zeigt verstärkt

brennbare Gemische im Ringspalt des RG (H2 > 4 Vol.%)

Analysen zum H2-Management außerhalb des SHB – derzeitiges Fazit

Basisfall: SHB-Auslegungsleckage und Betrieb RR-Störfallabsaugung • Keine Ausbildung brennbarer Gasgemische im Ringraum im

Betrachtungszeitraum Varianten: 10-fache Auslegungsleckage / Ausfall RR-Absaugung

• Ausbildung brennbarer Gasgemische im oberen RR-Bereich auch bei Betrieb der RR-Absaugung

• Ausfall der RR-Absaugung verschlimmert die Situation

Notfallmaßnahmen werden zur Beherrschung der Situation gebraucht Analysen werden für weitere Szenarien und Bedingungen fortgesetzt

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Zusammenfassung

Ziel der deterministischen Unfallanalysen ist u. a. die Bewertung der Wirksamkeit von Notfallmaßnahmen Die bei der GRS entwickelten Codes und Methoden – die den aktuellen Stand von

WuT auf dem Gebiet von Stör- und Unfällen in KKW wiederspiegeln – werden genutzt Ergebnisse fließen in Vorschläge für Verbesserungen und Erweiterungen von

Systemen und Notfallmaßnahmen in KKW, Beratungen der RSK und ggf. Weiterleitungsnachrichten ein

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