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Über die Untersuchungen und ihre Periodik in Schweizer AKW ist wenig bekannt und veröffentlicht. Lediglich in den ENSI-Stellungnahmen zu den Berichten über die Langzeitbetriebe und den Periodischen Sicherheitsüberprüfungen, resp. den sicherheitstechnischen Stellungnahmen des ENSI dazu, werden einige Daten und Einschätzungen einsehbar.
Rechtliche Grundlage
Unter Kapitel 3 „Ausserbetriebnahme wegen Alterungsschäden”, Art. 4 der Ausserbetriebnahme-Verordnung kommt der Sprödbruch-Referenztemperatur eine besondere Bedeutung zu:
Für Aussenstehende sind die Untersuchungen und Resultate – auch im rechtlichen Zusammenhang – schwer einzuordnen. Zur Veranschaulichung Auszüge aus den ENSI‐Stellungnahmen zu Beznau 1.
Situation Beznau 1 (im Unterschied zu Beznau 2)
Beurteilung ENSI in “Sicherheitstechnische Stellungnahme zum Langzeitbetrieb des Kernkraftwerks Beznau, Block 1 und 2” aus dem Jahr 2010:
“Wie die Ergebnisse der Bestrahlungsproben aus dem Kernbereich der Reaktoren von KKB‐1 und KKB‐2 zeigen, besteht ein erheblicher Unterschied im Bestrahlungsverhalten der RDB‐Werkstoffe von Block 1 und von Block 2. Nach den heutigen Erkenntnissen kann für den Block 2 des KKB eine einschränkende Auswirkung der Neutronenversprödung der RDB‐Werkstoffe auf den Langzeitbetrieb ausgeschlossen werden. Für den Block 1 hingegen ist der Versprödungsgrad des Grundmaterials (Schmiedering C) bereits heute auf einem relativ hohen Niveau und bei ca. 60 Jahren Betrieb wird der Grenzwert für die Referenztemperatur, der in der Verordnung des UVEK zur vorläufigen Ausserbetriebnahme festgelegt ist, voraussichtlich erreicht werden. Demzufolge sieht es das ENSI als notwendig an, dass weitere Massnahmen zur kontinuierlichen Überwachung der Neutronenversprödung im KKB‐1 ergriffen werden.“
Weiter führt das ENSI aus:
“Eine Aktualisierung der bisherigen Auswertung wurde notwendig, da neue nachgeführte Fluenzrechnungen ergaben, dass die nach 40 Jahren Betrieb erreichten Fluenzen die bisher ermittelten Werte überschreiten. Deshalb waren die extrapolierten Werte für die Fluenzen des Langzeitbetriebes und die sich daraus ergebenden Materialkennwerte neu zu bestimmen“.
Sonderbar ist nur, dass offenbar die Werte gemäss den neuen Annahmen tiefer lagen, im Gegensatz zur prognostizierten Sprödbruch-Referenztemperatur, welche höher lag. Diese, 2010 publizierten Werte weichen wesentlich von den Prognosen aus der PSÜ-Stellungnahme 2004 ab:
Weil sich der Wert der Sprödbruch‐Referenztemperatur von Beznau 1 markant von Beznau 2 unterscheidet (63˚C) und sich dem, in der Ausserbetriebnahmeverordnung festgelegten Grenzwert nähert, drängen sich einige Fragen auf.
Fragen (in Klammern Adressat der Fragen)
1. Wie kommt es in der Ausserbetriebnahme-Verordnung zum genannten Grenzwert (93 Grad)? Welche Sicherheitsmarge beinhaltet das Ausserbetriebnahme-Kriterium von 93°C? (UVEK)
2. Gibt es internationale Vorgaben/Empfehlungen bzgl. des Grenzwertes? Wie sieht die regulatorische Praxis in anderen Ländern aus? (UVEK/ENSI)
3. Warum wird nur das Material abstrakt begrenzt? Warum wird nicht auch eine vorläufige Ausserbetriebnahme gefordert, wenn die Störfallberechnung PTS‐Temperaturen zeigen, die unterhalb der Sprödbruchtemperatur liegen? (UVEK)
4. Wie steht das UVEK/ENSI zum Fakt, dass die vorhandenen Schätzungen zur Versagenswahrscheinlichkeit um Faktoren 20 bis 50 variieren? (siehe NEA-‐Report NEA/CSNI/R(99)3, Comparison report of RPV Pressurized Thermal Shock – International Comparative, Assessment Study (PTS ICAS), Committee on the Safety of Nuclear Installations, Nuclear Energy Agency, 1999) (UVEK/ENSI)
5. Wie oft werden die Werte erhoben? Wo werden die Werte dokumentiert? (ENSI)
6. Wie wird ein Überschreiten des Grenzwerts (und damit die verspätete Anordnung der Ausserbetriebnahme vermieden, wenn die effektive Sprödbruch‐Referenztemperatur nur noch geringfügig vom Grenzwert abweicht? (ENSI)
7. Wo liegen die aktuellsten Werte? (KKM/KKB)
8. Welche „weiteren Massnahmen zur kontinuierlichen Überwachung der Neutronenversprödung im KKB‐1“ wurden ergriffen? (Stellungnahme Langzeitbetrieb KKB) Welche Resultate zeigen sie? (KKB)
9. Wie sind die Abweichungen zwischen den Resultaten/Prognosen aus den ENSI-Stellungnahmen 2004 und 2010 zu erklären? (KKB)
10. Sowohl die Axpo wie die Alpiq haben die Abschreibungsdauer der Investitionen in ihren AKW von 50 auf 60 Jahre verlängert. Für Beznau stützt die Axpo diesen Entscheid auf eine Stellungnahme des ENSI betreffend den Anforderungen des RDB für den Langzeitbetrieb. Was beinhaltet diese Stellungnahme? Welche Werte nimmt das ENSI als Grundlage für diesen Entscheid (Axpo/ENSI)?
Die Schweiz hat sich bei der Festlegung des Grenzwertes für die Sprödbruch-Referenztemperatur in der Verordnung des UVEK über die Methodik und die Randbedingungen zur Überprüfung der Kriterien für die vorläufige Ausserbetriebnahme von Kernkraftwerken (UVEK-Verordnung) an der Empfehlung der amerikanischen Aufsichtsbehörde NRC für neue Reaktoren orientiert.
Weiterhin werden in den USA auch Grenzwerte gesetzlich festgelegt, die den gesamten Prozess des Sprödbruchsicherheitsnachweises berücksichtigen. Diese Grenzwerte sind aufwändiger zu überprüfen als Grenzwerte, die explizit den Versprödungsgrad der Materialien des Reaktordruckbehälters charakterisieren. Der Referenztemperaturgrenzwert in der UVEK-Verordnung ist insbesondere für Druckwasserreaktoren erstellt worden.
Anhand von Materialproben werden die RDB-Werkstoffe direkt im Reaktor vorauseilend bestrahlt. Nach Auswertung der Materialproben wird die Werkstoffkurve gemäss nuklearem Regelwerk für die Bruchzähigkeit berechnet. Der Werkstoff muss allen Beanspruchungen für den Normalbetrieb und die Auslegungsstörfälle standhalten. Die Beanspruchbarkeit des Werkstoffs muss immer höher sein als die Beanspruchung an den postulierten Rissen insbesondere für die kritischen Auslegungsstörfälle. Der Sprödbruchsicherheitsnachweis wird durch einen Sicherheitszuschlag abgesichert. Das Ausserbetriebnahme-Kriterium der UVEK-Verordnung berücksichtigt diesen Aspekt.
Es gibt folgende Sicherheiten bei Erreichen des Grenzwerts:
Werkstoffseitig: Untere Grenzkurve für die Bruchzähigkeit deckt die Messunsicherheit und die Inhomogenität des Materials ab;
Die Referenztemperatur für alle Materialien des Reaktordruckbehälters wird mittels Bestrahlungsproben bestimmt, die in der Kernzone des Reaktors eingehängt sind und in bestimmten zeitlichen Abständen aus dem Reaktor entnommen werden. Üblicherweise sind das Originalmaterialproben der Schmiederinge (Grundmaterial) und Materialproben unterschiedlicher Schweissnähte.
2. Internationale Empfehlungen und Erfahrungen
Im internationalen Regelwerk gibt es keine allgemeingültigen Grenzwerte für die Versprödung von Werkstoffen des Reaktordruckbehälters. Diese Grenzwerte sind abhängig u.a. vom Reaktortyp, von der Konstruktion des Reaktordruckbehälters und von der Brennelementbeladung.
In den Vereinigten Staaten gelten gemäss Code of Federal Regulations 10CFR50.61 folgende Grenzwerte:
Grundmaterial (Innenwand des Reaktordruckbehälters): RTPTS[1]= 132 oC
Schweissmaterial (Rundnähte): RTPTS= 149 oC
Falls diese Werte überschritten werden, sind bruchmechanische Nachweise erforderlich.
Im US NRC Regulatory Guide 1.99 Rev. 2 steht eine Empfehlung für das Grund- und Schweissmaterial für neue Reaktoren (1/4 Wandtiefe): RTNDT[2] = 93 oC
In der Schweiz enthält die UVEK-Verordnung zur vorläufigen Ausserbetriebnahme von Kernkraftwerken (SR 732.114.5, Mai 2008) einen Referenztemperatur-Grenzwert für das Grund- und Schweissmaterial (1/4 Wandtiefe). Dieser Wert beträgt 93 oC. Bruchmechanische Kennwerte sind generell zugelassen.
Die den Vereinigten Staaten gesetzlich festgelegten Grenzwerte für die Referenztemperatur und der Grenzwert in der UVEK-Verordnung können nicht unmittelbar verglichen werden. Für die Grenzwerte der Vereinigten Staaten ist der gesamte Prozess des Sprödbruchsicherheitsnachweises auszuwerten, der UVEK-Grenzwert ist ein Wert für den Versprödungsgrad des Materials. Für beide Vorgehen ist gemeinsam, dass auch bruchmechanische Kennwerte sowie bruchmechanische Auswerteverfahren angewendet werden können.
4. Variierende probabilistische Ergebnisse
Es gibt mehrere Methoden für die Berechnung der Referenztemperatur. Sie sind in der Richtlinie ENSI-B01 beschrieben. Sie stützen sich auf internationale Normen ab und sind im nuklearen Regelwerk zugelassen, z.B. ASME-Code, KTA-Regelwerk. Heute werden von den Fachexperten die bruchmechanischen Methoden empfohlen, da diese werkstoffkundlich begründet und weitgehend grössenunabhängig sind. Der Einsatz bruchmechanischer Methoden ist abhängig von der Verfügbarkeit der dafür standardisierten Proben in den Bestrahlungsprobensätzen.
Das Kernkraftwerk Beznau verfügt über eine ausreichende Anzahl von bruchmechanischen Proben. Die ältere Auswertemethode der Kerbschlagbiegeproben beruht auf einer unteren, die Messwerte umhüllenden Grenzkurve, der in den 70-er Jahren zur Verfügung stehenden Messwerte, die mit empirischen Korrekturfaktoren und Sicherheiten beaufschlagt ist. Die Ergebnisse der Referenztemperaturen der älteren Auswertemethode liegen je nach Material um 10 bis 30 oC höher als die bruchmechanisch bestimmten Referenztemperaturen.
Im Schweizer Regelwerk wie auch international (ausser USA) erfolgt die Sprödbruchsicherheitsbewertung des Reaktordruckbehälters deterministisch. Das Ziel der Anwendung probabilistischer Methoden für die Thermoschock-Analyse des Reaktordruckbehälters ist die Verifizierung der Margen der deterministischen Analyse (Abbau von unangemessenen Konservativitäten).
Die Nuclear Energy Agency der OECD betreibt ein Forschungsprogramm zum Stand von Wissenschaft und Technik hinsichtlich Anwendung probabilistischer Methoden für die Thermoschock-Analyse des Reaktordruckbehälters. Das Ergebnis zeigt: Trotz Festlegung einheitlicher Randbedingungen ist die Streuung der Ergebnisse zu gross, z.B. bei der Versagenswahrscheinlichkeit, um die Methoden in der Sicherheitsbewertung anwenden zu können. Folgende Schlussfolgerung wurde aus dem Projekt gezogen: Die Modelle müssen noch weiter verbessert und validiert werden. Es besteht ein weiterer Forschungsbedarf.
5.-6. Erhebung der Werte und Kontrolle des Ausserbetriebnahmekriteriums
Der Zustand des Materials kann vorausschauend mit der Prüfung der Materialproben beurteilt werden. Diese Proben werden schneller bestrahlt und unterliegen den gleichen Bedingungen wie im Reaktor. Für das Kernkraftwerk Beznau 1 ist beispielweise der Versprödungsgrad der Materialien des Reaktordruckbehälters, der sich nach ca. 67 Betriebsjahren einstellen würde, durch die Messung des letzten Bestrahlungsprobensatz (entnommen und ausgewertet 2010) bekannt.
Ein Einblick in das Bestrahlungsprogramm der Voreilproben zeigt, wann die Proben bei Block 1 des Kernkraftwerks Beznau dem Reaktor entnommen wurden. Es gibt im Block 1 des Kernkraftwerks Beznau keine Bestrahlungsprobensätze im Reaktor mehr. Die entnommenen Proben stehen jedoch für weitere Untersuchungen zur Verfügung, falls dies erforderlich sein sollte.
Die Neutronenfluenz ist die Neutronenflussdichte. Schnelle Neutronen sind für die Versprödung relevant. Je grösser die Neutronenflussdichte ist, desto grösser ist die Beschädigung des Materials. Die Neutronenbestrahlung führt zu Gitterdefekten in den Stahlwerkstoffen. Makroskopisch äussert sich das in einer Erhöhung der Festigkeit, aber auch in einer Verminderung der Zähigkeit des Materials. Die Neutronenfluenz wird jedes Jahr anhand der aktuellen Brennstoffbeladung neu berechnet. Im Kernkraftwerk Beznau wurde nach dem 16. Betriebszyklus die räumliche Verteilung der Brennelemente im Reaktor optimiert, so dass der Anstieg der akkumulierten Neutronenfluenz reduziert werden konnte.
7. Referenztemperaturen für die Kernkraftwerke Beznau, Gösgen und Mühleberg
Die aktuellen Werte sind in den nachfolgenden Tabellen aufgeführt.
Hochlagen-Energie = Energie im Zähbruchbereich
Die Bestrahlungsreaktion der Werkstoffe des Reaktordruckbehälters eines Druckwasserreaktors ist in der Regel aufgrund der grösseren Neutronenfluenz intensiver als bei den Siedewasserwasserreaktoren.
Die Referenztemperaturen zur Bestimmung der Bruchzähigkeitskurve für die Blöcke 1 und 2 des Kernkraftwerks Beznau sowie auch für die Kernkraftwerke Gösgen und Mühleberg zeigen, dass das Ausserbetriebnahmekriterium bei 54 Volllastjahren unterschritten ist.
8. Massnahmen zur Überwachung der Neutronenversprödung
Der Betreiber des Kernkraftwerks Beznau hat weitere Massnahmen zur kontinuierlichen Überwachung der Neutronenversprödung getroffen.
Er führte eine verbesserte Neutronenflussberechnung gemäss aktuellem Stand von Wissenschaft und Technik durch. Die Berechnung wird jährlich aktualisiert. Die Kriterien der UVEK-Verordnung zur vorläufigen Ausserbetriebnahme werden jährlich überprüft.
Der letzte Bestrahlungsprobensatz des Blocks 1 des Kernkraftwerks Beznau wurde entnommen und geprüft. Die Auswertung hat in dem akkreditierten Labor von Areva stattgefunden. Die Prüfungen wurden durch den TÜV-Süd überwacht. Die untersuchten Bestrahlungsproben des Kernkraftwerks Beznau sind in den Werkstofflabors des Paul Scherrer Instituts PSI und von Areva archiviert und stehen für weitere Untersuchungen zur Verfügung, falls dies erforderlich sein sollte.
Ein zusätzliches Prüfprogramm zur Bestimmung von bruchmechanischen Kennwerten (Materialproben mit Schwingriss) wurde zudem eingeführt.
Die Bestimmung der Referenztemperatur erfolgte auf bruchmechanischer Basis sowohl für den unbestrahlten Ausgangszustand (Ring C und D) als auch für die Bestrahlungsproben des letzten Probensatzes (Ring C).
Die Thermoschockberechnungen mit postulierten Rissen im Kernbereich RDB und an der Kante des Eintrittsstutzens der Hauptkühlmittelleitung (kleine, mittlere und grosse Lecks, Streifen- und Strähnenkühlung, 3D-Modellierung) des Reaktordruckbehälters wurden verbessert.
Ein Vergleich mit internationalen Messwerten wurde zudem vorgenommen.
9. Vermeintliche Abweichungen in den ENSI-Stellungnahmen 2004 und 2010
Die Werte der Referenztemperaturen für die Innenwand und für ¼ Wandtiefe sind bei Punkt 5 dargelegt. Die vermeintlichen Abweichungen rühren daher, dass die Fragesteller fälschlicherweise Werte für die Innenwand und für ¼ Wandtiefe miteinander verglichen haben.
10. Stellungnahme des ENSI zum Langzeitbetrieb des Kernkraftwerks Beznau
Aus der Bewertung des ENSI zum Langzeitbetrieb des Kernkraftwerks Beznau ergaben sich zwei Forderungen, die beide Blöcke des Kernkraftwerks Beznau betreffen und Ergänzungen des bestehenden Alterungsüberwachungsprogramms für maschinentechnische Komponenten und Bauwerke zur Absicherung des Langzeitbetriebs beinhalten.
Nach Erfüllung der beiden Forderungen sowie der weiteren Massnahmen vom Kernkraftwerk Beznau zur kontinuierlichen Überwachung der Neutronenversprödung sieht das ENSI die Sprödbruchsicherheit der Reaktordruckbehälter von Block 1 und Block 2 für eine Betriebsdauer von weiteren 10 Betriebsjahren (2009-2019) auf Grundlage der gesetzlichen Regelungen und den Anforderungen der Richtlinie ENSI-B01 als hinreichend nachgewiesen an. Für eine Betriebsdauer über 2019 hinaus wird die Sprödbruchsicherheit der beiden RDB vom Kernkraftwerk Beznau vom ENSI erneut gemäss dem aktuellen Stand der Technik überprüft und bewertet.
Die Berechnung der Sprödbruch-Referenztemperatur wird gemäss der Antwort auf 54 Volllastjahre extrapoliert, um den Vergleich mit dem Wert aus der Ausserbetriebnahme-Verordnung anzustellen. Nun könnte es sein, dass die Temperatur bei 54 Vollastjahren den Wert für die Ausserbetriebnahme überschreitet aber bis dann darunter bleibt. Wie geht das ENSI vor, wenn sich in einer periodischen Sicherheitsüberprüfung zeigt, dass der Wert mit 54 Vollastjahren überschritten wird, aber bis dann unter dem Wert für die Ausserbetriebnahme liegt? Ist der Betrieb weiterhin bis 54 Volllastjahre zulässig? Werden weiter Konservativitäten verlangt?
Antwort des ENSI vom 6. Oktober 2015: Der Betreiber hat gemäss Ausserbetriebnahme-Verordnung den Betrieb einzustellen, wenn die Sprödbruch-Referenztemperatur von der Innenwand in einer Tiefe von einem Viertel der Wanddicke den Wert von 93 ºC erreicht. Für das theoretische Szenario, dass die 93°C aktuell noch nicht erreicht sind, nach 54 Volllastjahren jedoch überschritten würden, wäre der Weiterbetrieb solange zulässig, bis tatsächlich die 93°C erreicht werden. Im Grenzwert sowie in den Verfahren zur Bestimmung der Referenztemperatur sind bereits Sicherheitsmargen enthalten.
Folie 15 der Präsentation: Der Verlauf der ART-Kurven scheint asymptotisch zu sein. Gemäss dieser Darstellung wird der Wert von 93° nie erreicht (weder Beznau 1 noch 2). Wie muss ich das interpretieren? Und materialwissenschaftlich: verlangsamt sich, bzw. stabilisiert sich die Sprödbruchtemperatur – trotz stetiger Zunahme der Fluenz?
Antwort des ENSI vom 6. Oktober 2015: Mit steigender Fluenz erfährt die Versprödung eine zunehmende Sättigung. Das heisst, der Anstieg der Referenztemperatur verlangsamt sich und steigt irgendwann nicht mehr weiter an. Die Funktion hierzu ist im NRC RegGuide 1.99 Rev.2 angegeben. Dass ein bestimmter Wert (z.B. 93°C) nie (oder erst bei sehr hohen Fluenzen weit jenseits der möglichen Betriebsdauer) erreicht wird, ist möglich.
Beantwortet von BFE
1.-3. Entstehung und Festlegung des Grenzwerts
Die Fragen beziehen sich im Wesentlichen auf den Vollzug der „Ausserbetriebnahmeverordnung“ des UVEK vom 16. April 2008 (SR 732.114.5) durch das ENSI. Dabei handelt es sich um Sachverhalte, die das ENSI bei seiner laufenden Aufsicht prüft. Gemäss dem Willen des Gesetzgebers übt das ENSI seine Aufsicht unabhängig und selbständig aus. Es ist daher Sache des ENSI, zu den Fragen Stellung zu nehmen.
Im Übrigen hat der Bundesrat dem UVEK in Art. 44 der Kernenergieverordnung den Auftrag erteilt, die Methodik und die Randbedingungen zur Überprüfung der Kriterien in einer Verordnung festzulegen. Das UVEK ist diesem Auftrag mit dem Erlass der Ausserbetriebnahmeverordnung nachgekommen. Dabei hat es gemäss gesetzlichem Auftrag das ENSI und die KNS bei der Vorbereitung dieses Erlasses beigezogen. So hat das ENSI bei der Ausserbetriebnahmeverordnung deren materiellen Inhalt entscheidend mitgeprägt.