Kernkraftwerke & Sicherheit - blogs.ethz.· Transformator Haupt-schiene Dieselgenerator Sichere...

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  • 29.11.2009

    Kernkraftwerke & Sicherheit

    Horst-Michael Prasser ETH Zürich

    ETH Alumni Math • Phys

    13.11.2012

  • 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

  • 29.11.2012

    B ru

    nn en

    G

    GEN III

    GEN II heute GEN II

    Notstandssystem

      Reaktorschutz   Notkühlung verstärkt   Containment Kernschmelze:

  • 29.11.2012 4

    Sicherheitssysteme: Schnellabschaltung

    Notkühlung

    N ot

    kü hl

    un g

    System von Barrieren gegen die Ausbreitung von radioaktiven Stoffen

    2. Barriere: Wände des Primärkreises

    1. Barriere: Brennstabhülle

    3. Barriere: Inneres Containment N

    ot kü

    hl un

    g

    N ot

    kü hl

    un g

    N ot

    kü hl

    un g

  • 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

  • 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

  • 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

  • 29.11.2012

    Lageplan Kernkraftwerk Gösgen (Beispiel)

  • 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

  • 29.11.2012

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

    Passive Containmentkühlung

    Passive Kernflutung

    Passive Druckentlastung

  • 29.11.2012

    Phänomene bei einem Kernschaden

  • 29.11.2012 12

    H2-Abbau durch Rekombinatoren

    Zündgrenze

    Detonationsgrenze

    Deflagration

    Auslegungsüberschreitende Störfälle Katalytische Wasserstoffverbrennung

    Wasserstoff aus Zirkonium-Wasser-Reaktion kann Containment bedrohen

  • 29.11.2012

    Gaswäscher

    Aerosolfilter

    Abluftkamin

    M an

    ip ul

    at io

    n vo

    n au

    ss en

    m ög

    lic h

    grob fein

    Nachrüstmassnahme: Gefilterte Druckentlastung

    Berstscheibe

    Stahlwand des inneren Containments

    Betonwand des äusseren Containments

  • 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

  • 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

  • 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

  • 29.11.2012

    Danke für die Aufmerksamkeit!

  • 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)

    D ru

    ck ha

    lte r

    AP1000 (PWR) •  Entlastung vom Druckhalter •  Passiv D

    ESBWR (BWR) •  Isolationskondensator •  Passiv D

    KERENA (BWR) •  Notkondensator •  Passiv B

    Aktivierung bei Niveauabfall

    Dampf- Verteiler

  • 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

  • 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

  • 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

  • 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

  • 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)

  • 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