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Nach der Beendigung der Kettenreaktion im Kern muss über lange Zeit die durch radioaktiven Zerfall erzeugte Wärme aus dem abgeschalteten Reaktor abgeführt werden. Die Nachzerfallswärme nimmt im Laufe der Zeit stark ab, beträgt aber auch nach Jahren immer noch einige kW je Brennelement. Ein weiteres Schutzziel ist der „Einschluss radioaktiver Stoffe“.
Die Nachzerfallswärme muss jederzeit, auch bei Störfällen, abgeführt werden, um eine Überhitzung des Reaktorkerns und ein Schmelzen des Brennstoffs zu verhindern. Im Normalbetrieb übernehmen die Nachkühlsysteme diese Aufgabe und im Störfall die Not- und Nachkühlsysteme.
Schutzziel „Kühlung der Brennelemente“
Bei Störfällen in einem Druckwasserreaktor wird die Nachwärme (Nachzerfallswärme und gespeicherte Wärme der Primär- und Sekundärkomponenten) bei intaktem Primärkühlkreislauf über die Dampferzeuger in den Kondensator oder an die Atmosphäre abgegeben. Bei einer Dampfabgabe an die Umgebung wird die entsprechende Wassermenge mit dem Notspeisewassersystem ersetzt. Die Wärme wird über die Dampferzeuger abgegeben, bis Temperatur und Druck im Reaktordruckbehälter so weit gesunken sind, dass die Wärme über das Nachkühlsystem abgeführt werden kann. Dies erfolgt über das nukleare Zwischenkühlwassersystem, das nukleare Nebenkühlwassersystem und letztendlich die Hauptwärmesenke. In der Schweiz ist das der Fluss oder der Kühlturm. Somit gibt es zwischen dem Reaktorkühlsystem und der Hauptwärmesenke einen geschlossenen Kreislauf, der den Übertritt radioaktiver Stoffe vom Reaktorkern in die Umgebung unterbindet.
Ein primärseitiger Kühlmittelverlust in einem Druckwasserreaktor infolge einer Leckage oder eines Leitungsbruchs wird durch Sicherheits-Einspeisesysteme kompensiert. Bei einem grossen Leck und damit einer schnellen Druckentlastung des Primärkreises erfolgt unterhalb eines bestimmten Drucks die Einspeisung von boriertem Kühlwasser automatisch und ohne Fremdenergie aus mehreren Druckspeichern. Das innerhalb des Containments auslaufende Kühlwasser wird im sogenannten Rezirkulationsbetrieb durch Wärmetauscher gekühlt und wieder in den Reaktordruckbehälter zurückgepumpt. Damit kann auch längerfristig die Kühlung der Brennelemente im Reaktordruckbehälter sichergestellt werden.
Bei einem Siedewasserreaktor erfolgt die Nachwärmeabfuhr im Störfall durch Hochdruck- und Niederdruck-Einspeisesysteme. Die Hochdruckeinspeisesysteme können gegen den Betriebsdruck Kühlwasser einspeisen. Die beiden Schweizer Siedewasserreaktoren Mühleberg und Leibstadt verfügen über ein sogenanntes Reaktorkernisolations-Kühlsystem, das bei Ausfall des Hauptspeisewassersystems und bei Kühlmittelverluststörfällen mit relativ geringem Kühlmittelverlust Kühlwasser in den Reaktordruckbehälter einspeisen kann. Das System besteht im Wesentlichen aus einer mit Dampf aus dem Reaktor angetriebenen Dampfturbine, die Hochdruckpumpen antreibt. Mit diesem System, das einzig zur Steuerung eine batteriegestützte Stromversorgung benötigt, kann somit auch bei einem vollständigen Verlust der gesamten Wechselstromversorgung Kühlwasser in den Reaktordruckbehälter eingespiesen werden.
Die Niederdruckeinspeisesysteme können bei niedrigem Druck grosse Mengen an Kühlwasser in den Reaktordruckbehälter einspeisen. Zum Druckabbau verfügen Siedewasserreaktoren über spezielle Druckentlastungsventile. Der Dampf aus dem Reaktordruckbehälter wird über diese Abblaseventile in ein Druckabbaubecken innerhalb des Containments geleitet und dort kondensiert. Die dadurch in das Druckabbaubecken eingeleitete Wärme wird über Wärmetauscher an ein Zwischenkühlsystem abgegeben, das seinerseits die Wärme über das Nebenkühlwassersystem an die Hauptwärmesenke (zum Beispiel den Fluss) abgibt.
Bei geöffneten Druckentlastungsventilen oder bei einem Leitungsbruch im Containment erfolgt die Kühlung des Reaktorkerns durch den sogenannten Rezirkulationsbetrieb. Kühlwasser aus dem Druckabbaubecken wird in den Reaktordruckbehälter gefördert, kühlt dort die Brennelemente und fliesst via Ventile oder Bruchstelle zurück ins Druckabbaubecken. Dieses wird, wie oben erwähnt, durch das Zwischenkühlsystem gekühlt. Damit ist auch eine langfristige Kühlung der Brennelemente bei einem Störfall sichergestellt.
Schutzziel „Einschluss radioaktiver Stoffe“
Der Einschluss radioaktiver Stoffe ist im Normalbetrieb sichergestellt durch die Dichtheit der Betriebssysteme, die permanent überwacht wird. Im Containment besteht im Normalbetrieb ein Unterdruck gegenüber der Umgebung, so dass selbst bei einer Undichtigkeit die Luft nach innen fliesst und keine radioaktiven Stoffe auf diesem Weg in die Umgebung gelangen können.
Beim Siedewasserreaktor werden bei einem Kühlmittelverluststörfall alle nicht zur Notkühlung benötigten Systeme und das Containment isoliert. Die schnelle Isolation der Frischdampfleitungen (Leitungen mit Dampf aus dem Reaktor) verhindert bei einem Frischdampfleitungsbruch eine Beschädigung der Brennstoffhüllrohre durch unzulässige Erhitzung und eine unzulässige Abgabe von Radioaktivität an die Umgebung.
Beim Druckwasserreaktor wird beim Kühlmittelverluststörfall das Containment isoliert. Beim Bruch einer Dampf- oder Speisewasserleitung oder bei einem Dampferzeugerheizrohrbruch wird zusätzlich der betroffene Dampferzeuger isoliert. Damit wird sichergestellt, dass radioaktive Stoffe nicht in die Umgebung gelangen.
Die Isolationssysteme müssen als Sicherheitssystem das Einzelfehlerkriterium erfüllen, weshalb sie grundsätzlich aus zwei Armaturen hintereinander bestehen. Mit der Isolation des Containments wird automatisch auch das Notabluftsystem gestartet, um die Unterdruckhaltung des sekundären gegenüber dem primären Containment aufrechtzuerhalten und so eine Freisetzung radioaktiver Stoffe nach aussen weitgehend zu verhindern.
Die 5 Ebenen der gestaffelten Sicherheitsvorsorge
- Anforderungsfall: Normalbetrieb
- Ziel: Vermeidung von Betriebsstörungen
- Systeme, Ausrüstungen und Massnahmen: Betriebssysteme einschliesslich der erforderlichen Versorgungssysteme und Leitanlagen
- Anforderungsfall: Betriebsstörungen
- Ziel: Beherrschung von Betriebsstörungen
- Systeme, Ausrüstungen und Massnahmen: Begrenzungssysteme einschliesslich der erforderlichen Versorgungssysteme und Leitanlagen
- Anforderungsfall: Auslegungsstörfälle
- Ziel: Beherrschung von Auslegungsstörfällen, sodass ein Kernschaden verhindert wird
- Systeme, Ausrüstungen und Massnahmen: Sicherheits- und Notstandsysteme einschliesslich der erforderlichen Versorgungssysteme und Leitanlagen
- Anforderungsfall: Auslegungsüberschreitende Störfälle ohne schweren Kernschaden
- Ziel: Beherrschung bestimmter auslegungsüberschreitender Störfälle
- Systeme, Ausrüstungen und Massnahmen: Notfallsysteme und Notfallausrüstungen (präventive Notfallmassnahmen)
- Anforderungsfall: Auslegungsüberschreitende Störfälle mit schwerem Kernschaden
- Ziel: Begrenzung der Freisetzung radioaktiver Stoffe
- Systeme, Ausrüstungen und Massnahmen: Notfallausrüstungen (mitigative Notfallmassnahmen)
- Anforderungsfall: Schwere Notfälle mit grösserer Freisetzung radioaktiver Stoffe in die Umgebung
- Ziel: Linderung der radiologischen Auswirkungen in der Umgebung
- Systeme, Ausrüstungen und Massnahmen
- Massnahmen zur Minimierung der Strahlendosis der Bevölkerung und des Personals
Dieser Artikel wurde am 30.11.2018 aktualisiert.