Reaktortypen in Europa – Teil5, ESBWR

Der ESBWR (Economic Simplified Boiling Water Reactor) ist die bisherige Krönung in der Evolution der Leichtwasserreaktoren. Es ist ein Reaktor der Generation III+ und erfüllt sicherheitstechnisch bereits die Ziele der vierten Generation: Passive und inhärente Sicherheit, die die Anlage stets selbstständig in einen sicheren Zustand überführt.

Geschichte

Bereits nach dem Reaktorunglück von TMI in Harrisburg begann man in den USA das Genehmigungsverfahren für einen stark vereinfachten Reaktor, den SBWR (Simplified Boiling Water Reactor). Nachdem man über eine halbe Milliarde Dollar Entwicklungs- und Genehmigungskosten investiert hatte, mußte man erkennen, daß dieser Reaktor mit 670 MWel schlicht zu klein und damit unverkäuflich war. Im nächsten Schritt legte man mehr Wert auf die „Wirtschaftlichkeit (Economic)“ und erhöhte die Leistung auf 1600 MWel. Ein weiteres Jahrzehnt mit unzähligen Prüfungen verging. Seit letztem Jahr liegen endlich alle Genehmigungen für den Typ vor. Es fehlt nur noch ein Kunde mit einem konkreten Bauauftrag. Inzwischen gibt es auch dazu Verhandlungen in USA, Polen und Indien. Wie immer, wird der „mutige Investor“ gesucht, der bereit ist in eine neue Technik (first of a kind) zu investieren. Dabei ist die Technik alles andere als revolutionär, sondern im Gegenteil strikt evolutionär. Man hat Schritt für Schritt auf in der Praxis bewährte Bauteile zurückgegriffen. Dies sei nur am Rande bemerkt, für all die Erfinder, die immer nach revolutionären Konzepten schreien. Erfinden und in allen Details den Nachweis der Funktionstüchtigkeit erbringen, sind zwei völlig verschiedene Dinge. Zumindest der Nachweis der Funktionstüchtigkeit – nach den Maßstäben der Kerntechnik – erfordert Jahrzehnte und verschlingt somit immense Summen. Vergleichbares gibt es nur in der zivilen Luftfahrt. Auch dort sind revolutionäre Flugzeugentwürfe nur etwas für Universitäten und Medien.

Anforderungen

Alle bisherigen Erfahrungen mit Kernkraftwerken – insbesondere die Unglücke in Harrisburg, Tschernobyl und Fukushima – haben zu folgenden Anforderungen für einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb geführt:

  • Je weniger Bauteile man hat, je weniger kann kaputt gehen (Schaden) und je weniger muß gewartet und überwacht werden (Wirtschaftlichkeit).
  • Je einfacher („kiss = keep it simple stupid“) das Kraftwerk ist, je einfacher ist es auch zu bedienen – dies gilt für die Automatik, wie auch für das Personal.
  • Je mehr man auf Naturkräfte (Schwerkraft, Speicherung etc.) bei der Sicherheitstechnik setzt, um so sicherer ist ihre Verfügbarkeit im Ernstfall.
  • Je unabhängiger man von äußeren Einflüssen ist (Netzanschluss, Kühlwasser etc.), je weniger können solche „Einwirkungen von außen“ (Tsunami, Wirbelsturm, aber auch Flugzeugabsturz, Terror etc.) zu Schäden beim Kraftwerk führen.
  • Je passiver die Sicherheitsketten sind, je weniger muß man sich auf eine hohe Bereitschaft des Schichtpersonals verlassen. Gerade in Ausnahmesituationen (Erdbeben mit Tsunami) brauchen Menschen Zeit sich darauf umzustellen.
  • Wenn man bewußt von dem Versagen aller Sicherheitssysteme ausgeht und offensiv solche Ereignisse durchspielt, kann man trotzdem die Schäden für die Umwelt noch weiter mindern.

Nur die konsequente Umsetzung der vorausgehenden Punkte hat zu der gewaltigen Steigerung der Sicherheit beim ESBWR geführt. Hatte die „Fukushima-Generation“ noch eine Wahrscheinlichkeit von einer Kernschmelze in 100.000 Betriebsjahren, so liegt diese Wahrscheinlichkeit beim ESBWR bei etwa einer Kernschmelze in 170.000.000 Betriebsjahren. Spätestens nach den Ereignissen von Tschernobyl und Fukushima legt man großen Wert auf die Freisetzung von Radioaktivität nach dem Versagen aller Sicherheitseinrichtungen (z. B. Beschädigung des Containment etc.). Man kann durch geeignete Maßnahmen auch in einem solchen schweren – und unwahrscheinlichen – Unfall, die Freisetzung von radioaktiven Stoffen erheblich verringern. Simulationen für Standorte in USA haben ergeben, daß selbst in Betrachtungszeiträumen von einer Milliarde Jahren (berücksichtigt die geringe Wahrscheinlichkeit der Ereignisse) in einer Entfernung von 800 m (!) keine Dosen über 1 Sv auftreten würden. Natürlich können solche Berechnungen „Atomkraftgegner“ nicht überzeugen. Sie halten auch nach Tschernobyl und Fukushima tapfer an ihrem Glauben von Millionen-Tote-für-zehntausende-Jahre-unbewohnbar fest. Was soll’s, es gibt auch heute noch Menschen, die an Hexen glauben.

Der Naturumlauf

Die Idee einen Siedewasserreaktor ohne Umwälzpumpen zu bauen, ist keinesfalls neu. Allerdings waren die ursprünglichen Modelle, wie z. B. Dodewaard (183 MWth) und Humboldt Bay (165 MWth) geradezu winzig gegenüber einem ESBWR (4500 MWth). Gleichwohl haben sie in den Jahrzehnten ihres Betriebs wertvolle Erkenntnisse und Messreihen geliefert, die als Referenz für die Auslegungsprogramme des ESBWR dienen. Dodewaard war von 1969 bis 1997 am Netz und hat trotz seiner bescheidenen Leistung von 55 MWel fast 11000 GWhelStrom produziert.

Wenn man einen Reaktor mit Naturumlauf bauen will, muß man die treibende Kraft der Umwälzpumpen durch einen Kamineffekt ersetzen: Es steht nur die Dichtedifferenz zwischen kaltem Abwärtsstrom und dampfhaltigem Aufwärtsstrom zur Verfügung. Um überhaupt genug Druck erzeugen zu können, damit man die Reibung in den Bauteilen überwinden kann, ist eine erhebliche Bauhöhe erforderlich. Genau das war aber in den Anfangsjahren das Problem. Man konnte solch große Druckgefäße – zumindest wirtschaftlich – nicht herstellen. Es bot sich deshalb an, besser Umwälzpumpen zu verwenden. Heute haben sich die Verhältnisse umgekehrt. Es gelang praktisch das im ABWR verwendete Druckgefäß auch im ESBWR zu verwenden. Es mußte allerdings für den Kamin oberhalb des Reaktorkerns, von 21,7 auf 27,6 m verlängert werden. Solch schlanke Behälter haben Vor- und Nachteile. Für die Gebäudehöhe und den Erdbebenschutz ist eine solche Länge eher nachteilig. Allerdings ergibt sich auch ein sehr großes Wasservolumen, was sich positiv bei Störfällen auswirkt.

Der Kern des ESBWR ist gegenüber dem ABWR größer (1590 gegenüber 1350 Brennelemente) und flacher (3,0 m gegenüber 3,7 m aktive Brennstablänge). Dies ist auf die höhere Leistung (4500 gegenüber 3926 MWth.) und die anderen thermohydraulischen Bedingungen zurückzuführen. Wegen der höheren Anzahl der Brennelemente erhöht sich auch die Anzahl der Regelstäbe (269 gegenüber 205). Diesem Mehraufwand ist die Einsparung von zehn internen Umwälzpumpen gegen zu rechnen.

Der Rechenaufwand

Einfach anmutende natürliche Systeme, sind meist wesentlich schwieriger zu beschreiben, als technische Systeme. Technische Anlagen, wie z.B. Pumpen, können definierte Randbedingungen schaffen, die eine Berechnung oft stark vereinfachen. Nur auf Naturkräfte beruhende Systeme sind die hohe Schule der Simulation. Schnell stößt man bei der notwendigen räumlichen und zeitlichen Auflösung an die Grenzen heutiger Rechner. Hinzu kommt hier eine sehr große Anzahl von Gleichungen, da die Thermohydraulik und die Neutronenphysik sich sehr stark gegenseitig beeinflussen.

Man muß es eigentlich nicht besonders erwähnen, hier hat man es mit einer Genehmigungsbehörde zu tun und bewegt sich nicht als freischaffender Künstler in der Welt von Klimamodellen oder Wirtschaftsprognosen. Hier muß man nicht nur sein Programm offen legen, sondern auch noch nachweisen, daß es richtig rechnet. Dazu müssen zahlreiche Messreihen an 1:1 Modellen nachgerechnet werden, um Unterprogramme (z. B. Druckverlust in einem Brennelement) zu testen. Ist diese Hürde – zur Zufriedenheit der Genehmigungsbehörde – erfolgreich genommen, geht es daran, Versuche an bereits gebauten Reaktoren nachzurechnen. Erst wenn der Genehmigungsbehörde kein Testfall mehr einfällt, ist das Programm zugelassen. So etwas kann dauern, schließlich arbeitet die Behörde im Stundenlohn für einen Stundensatz von 280 US-Dollar. So viel zum Thema: Junge Unternehmen entwickeln einen innovativen Reaktor. Die alten Zeiten eines Admiral Hyman G. Rickover, für den der Reaktor der USS Nautilus noch mit Rechenschieber, Bleistift und ganz viel Hirn ausgelegt wurde, sind lange vergangen.

Allein die Anpassung des vorhandenen Programms an die Besonderheiten des ESBWR soll bei GE mehr als 100 Mann-Jahre gedauert haben. Erst dann konnten für alle möglichen geforderten Zustände, die Leistungen, Durchflüsse, Dampfzustände und Dampfanteile, Blasenkoeffizienten, die Leistungsdichte und -verteilung, sowie die Stabilität (z.B. Xenon-Schwingungen) nachgewiesen werden.

Führt man sich diesen Aufwand vor Augen, wird einsichtig, warum die Entwicklung evolutionär verläuft. Man hat versucht, soviel wie möglich vom ABWR beim ESBWR weiter zu verwenden. Nicht einmal ein Verbund von internationalen Konzernen aus GE, Hitachi und Toshiba kann es sich heute noch erlauben, die Entwicklung eines kommerziellen Reaktors mit einem weißen Blatt Papier zu beginnen. Ob das nun gut oder eher schlecht ist, mag jeder für sich selbst entscheiden.

Die Notkühlung

Nach dem Unglück in Fukushima sind zwei Ereignisse in den Mittelpunkt der Sicherheitsüberlegungen gerückt:

  1. Der Verlust der Hauptwärmesenke. In Fukushima wurden durch die Flutwelle die Kühlwasserpumpen und Einlaufbauwerke zerstört. Damit ging die Fähigkeit zur Abfuhr der Nachzerfallswärme verloren. Für sich genommen, schon ein wesentlicher Schritt zur Kernschmelze.
  2. Verlust (nahezu) jeglicher Stromversorgung. Durch die Schnellabschaltung infolge der Erdstöße war die Eigenversorgung weg, durch die großräumigen Verwüstungen durch die Naturkatastrophe, die Stromversorgung über das Netz und durch die Flutwelle wurden die Schaltanlagen und Notstromdiesel zerstört.

Wie hätte sich nun ein ESBWR in einer solchen Ausnahmesituation verhalten? Er verfügt über eine zusätzliche Wärmesenke für den Notfall, die vollständig unabhängig vom normalen Kühlwassersystem funktioniert: Die Außenluft. Der Auslegungsphilosophie folgend, sich nur auf Naturkräfte zu verlassen, handelt es sich dabei um offene „Schwimmbecken“ oberhalb des Sicherheitsbehälters. Das Volumen ist so bemessen, daß es für mindestens 72 Stunden reicht. Die Temperatur ist – unabhängig von den Umweltbedingungen – durch die Verdampfung auf maximal 100 °C begrenzt. Es kann jederzeit – auch von außen durch die Feuerwehr – aus verschiedenen Tanks nachgefüllt werden.

Das nur mit der Schwerkraft betriebene Notkühlsystem ECCS (Emergency Core Cooling System) besteht aus vier voneinander unabhängigen Zügen. In jeweils einem „Schwimmbecken“ oberhalb des Sicherheitsbehälters befinden sich zwei Kondensatoren. Diese bestehen aus je zwei übereinander angeordneten Sammlern, die durch zahlreiche dünne Rohre verbunden sind. Von dem Reaktordruckgefäß steigt eine Leitung zu den Sammlern auf. Im Kondensator kühlt sich das entweichende Dampf/Wassergemisch ab und strömt über den (kalten) Rücklauf wieder dem Reaktordruckgefäß zu. Es entsteht ein natürlicher Kreislauf, der sich selbst antreibt. Im Normalbetrieb ist die „warme“ Dampfleitung stets offen. Jede „kalte“ Rückleitung ist durch je zwei parallele Ventile verschlossen. Aus Gründen der Diversität ist ein Ventil elektrohydraulisch und das jeweils andere pneumatisch über einen Druckgasspeicher betrieben. Die Ventile befinden sich in einer „fail-safe“ Stellung: Während des Betriebs werden sie durch die Kraft der Hydraulik oder des Gases geschlossen gehalten. Geht der Druck weg – aus welchen Gründen auch immer, gewollt oder nicht – geben die Ventile den Weg frei. Wegen der Redundanz, reicht ein Ventil aus, um den gesamten Strom durchzulassen. Da die Kondensatoren und die Rückleitung vollständig mit „kaltem“ Wasser gefüllt sind, rauscht dieses Wasser infolge der Schwerkraft in den Reaktordruckbehälter und der Kondensator saugt dadurch ein „warmes“ Gas- und Dampfgemisch aus dem Reaktorgefäß nach. Ein Naturumlauf ist entfacht. Dieser läuft solange, wie der Kern Nachzerfallswärme produziert und die Außenluft diese Wärme abnimmt.

Wenn das nukleare System irgendwo ein Leck hat, würde irgendwann der Kern trocken fallen. Das entweichende Wasser muß sofort ersetzt werden. Zu diesem Zweck gibt es innerhalb des Sicherheitsbehälters große Wassertanks. Damit aber das Wasser in freiem Fall nachströmen kann, muß zuerst der Druck im System abgebaut werden. Hierfür gibt es 8 Sicherheitsventile, 10 Abblaseventile (die zeitweilig durch pneumatische Antriebe geöffnet werden können) und 8 Druckentlastungsventile unmittelbar am Reaktordruckgefäß. Letztere enthalten verschweißte Membranen, durch die sie dauerhaft dicht und wartungsfrei sind. Wenn sie öffnen müssen, „durchschneidet“ ein Kolben die Dichtung. Dieser Kolben wird durch Gas, welches pyrotechnisch in einem Gasgenerator erzeugt wird, bewegt. Es ist das gleiche Prinzip, wie bei einem „Airbag“ im Auto – ein sehr kleiner „Signalstrom“ reicht zur Zündung aus und erzeugt über die „Sprengkraft“ eine sehr große Gasmenge. Diese Ventile sind so gebaut, daß sie den Weg vollständig frei geben, nicht verstopfen können und sich nicht wieder schließen lassen.

Der Energieabbau und die Kühlung geschieht in mehreren miteinander verknüpften Schritten:

  1. Aus den diversen Abblaseventilen strömt (zumindest am Anfang) ein Dampfstrahl mit hoher Energie und Geschwindigkeit. Dieser wird feinverteilt in Wasserbecken eingeblasen. Diese sog. Kondensationskammern befinden sich unten im Sicherheitsbehälter.
  2. Durch die Kondensation fällt der Dampf in sich zusammen und bildet wieder Wasser. Die Verdampfungswärme geht dabei an das Wasser der Kondensationskammer über. Würde man das Wasser nicht kühlen, wäre irgendwann Schluß damit. Der Zeitraum hängt von der Nachzerfallswärme und dem Wasservolumen ab.
  3. Das Wasser in den Kondensationskammern kann auf verschiedenen Wegen gekühlt werden. Der wichtigste Weg ist über die weiter oben beschriebenen Kondensatoren.
  4. Damit der Reaktorkern stets sicher gekühlt ist, sind die Wasservolumina in den Kondensationskammern und Speichern so bemessen, daß der Kern auch dann unter Wasser bleibt, wenn sich das Wasser im Sicherheitsbehälter ausbreitet. Dieser Zustand kann auch absichtlich herbeigeführt werden.
  5. Um eine Kettenreaktion sicher und dauerhaft zu verhindern, wird zusätzlich aus Speichern borhaltiges (Neutronengift) Wasser eingesprüht.

Der „Supergau“

Im Gegensatz zu den Anfängen der Kernkraftwerkstechnik diskutiert man schon heute im Zulassungsverfahren ganz offensiv das Versagen aller Sicherheitseinrichtungen: Einerseits setzt man sich dabei mit den Auswirkungen der dadurch freigesetzten Radioaktivität auf die Umgebung auseinander und andererseits beschäftigt man sich mit Möglichkeiten diese Auswirkungen trotzdem abzumildern.

Ein typischer Fall ist das Versagen des Sicherheitsbehälters. Man versucht alles erdenkliche zu tun um dies zu verhindern, beschäftigt sich aber trotzdem mit diesem Ereignis. Ein Schritt diesen Unfall abzumildern, ist die gesteuerte Ableitung über Filter und den Abgaskamin. Durch die Kaminhöhe verdünnt sich die Abgaswolke beträchtlich. Durch das Vorschalten von geeigneten Filtern kann die Schadstoffmenge zusätzlich gemindert werden.

Ähnlich verhält es sich mit dem Kern: Durch redundante, passive Kühlsysteme versucht man den Brennstoff und die Spaltprodukte im Reaktordruckgefäß zu halten. Trotzdem untersucht man auch ein Versagen des Druckbehälters. Wie Fukushima gezeigt hat, ist auch beim Versagen der Notkühlung nicht mit einem „China Syndrom“ (Hollywood Phantasie, nach der sich der schmelzende Kern immer weiter in den Untergrund frisst) zu rechnen. Trotzdem geht man von einem Schmelzen des Stahlbehälters wie bei einem Hochofenabstich aus. Die Grube des Reaktorgefässes ist deshalb als „feuerfester Fußboden“ (BiMAC, Basemat Internal Melt Arrest and Coolability device) ausgeführt. Unterhalb einer feuerfesten Schicht befindet sich ein Rohrleitungssystem, welches – quasi wie bei einer Fußbodenheizung – diese Schicht kühlt. Dieser „Fußboden“ ist bezüglich seiner Konstruktion und Leistung für den 4-fachen Kerninhalt ausgelegt. Zusätzlich könnte die Grube mit dem im Sicherheitsbehälter vorhandenem Wasser vollständig geflutet werden, um die Spaltprodukte größtenteils darin zurückzuhalten.

Leistungsregelung

Normalerweise geschieht die Leistungsregelung bei Siedewasserreaktoren über die Steuerstäbe und die Umwälzpumpen. Die Steuerstäbe dienen nur zum Anfahren und bis etwa 50% der Auslegungsleistung. Im Bereich oberhalb 60% wird die Leistung nur noch über die Umwälzpumpen durchgeführt. Die Steuerstäbe dienen dann nur noch zur Kompensation des Abbrands.

Beim ESBWR kann der Reaktor durch langsames ziehen der Steuerstäbe auf Temperatur gebracht werden. Da im Siedebereich Temperatur und Druck miteinander gekoppelt sind, steigt auch der Druck im nuklearen System entsprechend an. Würde man keinen Dampf entnehmen, würde der Druck im „Kessel“ immer weiter ansteigen bis die Sicherheitsventile ansprechen. Natürlich wird so bald wie möglich Dampf entnommen, um die Turbine und das gesamte nukleare System damit aufzuwärmen. Wenn man aber Dampf entnimmt, muß die gleiche Menge durch Speisewasser ersetzt werden. Das Speisewasser wird im Betriebszustand auf 216°C vorgewärmt. Dies geschieht in sechs Stufen. Man entnimmt dazu an bestimmten Stellen der Turbine eine gewisse Menge Dampf. Dies ist sinnvoll, da der jeweils entnommene Dampf bereits Arbeit geleistet hat und sich somit der Wirkungsgrad verbessert. Man nennt diese Strategie „Carnotisierung“.

Der ESBWR hat gegenüber einem normalen Siedewasserreaktor (z. B. ABWR) eine siebte Vorwärmstufe, die mit frischem Dampf aus dem Reaktor beheizt wird. Normalerweise wird sie deshalb umgangen. Wenn man beispielsweise mit dieser Stufe die Speisewassertemperatur auf 252°C erhöht, geht die Leistung des Reaktors – bei gleicher Position der Steuerstäbe – auf 85% zurück. Umgekehrt könnte man die Steuerstäbe etwa so weit einfahren, daß nur noch rund 50% der Auslegungsleistung erzeugt wird. Würde man nun die Speisewassertemperatur auf 180°C absenken, würde sich wieder die ursprüngliche Leistung einstellen. Es ergibt sich somit im Bereich zwischen 50% bis 100% Leistung ein umfangreiches Feld, in dem sich die Leistung durch Kombination von Steuerstabstellungen und Speisewassertemperatur regeln läßt.

Die physikalische Ursache ist bei allen Siedewasserreaktoren die Abhängigkeit der Abbremsung der Neutronen von der Dichte des Moderators. Bei Reaktoren mit Umwälzpumpen wird die Dichte durch „ausspülen“ von Dampfblasen aus den Brennelementen erhöht, bei Naturumlauf durch das Absenken der mittleren Temperatur.

Wegen seiner Leistung von 1600 MWel. dürfte dieser Reaktor eher in der Grundlast eingesetzt werden. Gleichwohl ist ein täglicher Lastfolgebetrieb vorgesehen und genehmigt. So sind z. B. die Steuerstäbe für eine Betriebsdauer von 10 Jahren bei täglichem Lastwechsel zugelassen. Idealerweise fährt man mit diesem Reaktor aber mit konstant volle Leistung. Wegen seiner Stabilität und seiner passiven Notkühlung ist er sogar für den Betrieb durch nur einen Bediener konstruiert und zugelassen!

Ausblick

Im nächsten Teil werden die Schwerwasserreaktoren vorgestellt. Es ist bereits beschlossen, einen weiteren solchen Reaktor in Kooperation mit China, in Rumänien zu errichten.

Reaktortypen in Europa – Teil4, ABWR

Der ABWR (Advanced Boiling Water Reactor) ist eine Entwicklung von Hitachi und Toshiba in Zusammenarbeit mit General Electric. Er ist der einzige Reaktor der Generation III, der bereits über mehr als zehn Jahre Betriebserfahrung verfügt.

Geschichte

Es befinden sich bereits vier Reaktoren in Japan in Betrieb (Kashiwazaki-Koriwa 5+6, Hamaoka 5 und Shika 2), und drei weitere in Bau (Shimane und Langmen 1+2 in Taiwan). Die beiden ersten Reaktoren Kashiwazaki gingen 1996 und 1997 nach nur 36 Monaten Bauzeit (vom ersten Beton bis zur Beladung) ans Netz. Es ist in Anbetracht der vertrackten Situation in Grossbritannien daher nicht verwunderlich, daß man sich für den Bau von je drei Reaktoren in Wylfa Newyd und Oldbury-on-Severn durch das Horizon-Konsortium stark macht. Allerdings ist das Genehmigungsverfahren noch nicht abgeschlossen, sodaß man erst von einer Inbetriebnahme in der ersten Hälfte des nächsten Jahrzehntes ausgehen kann. Gleichwohl ist der Zeitdruck für erforderliche Neubauten scheinbar so groß geworden, daß man noch dieses Jahr mit der Baustellenvorbereitung beginnen will, damit man nach Erhalt aller Genehmigungen (erwartet 2018/2019) unverzüglich mit dem nuklearen Teil beginnen kann. Grundsätzliche Schwierigkeiten werden nicht gesehen, da die Genehmigungen für die USA, Japan und Taiwan bereits vollständig vorliegen und auf praktische Betriebserfahrungen seit 1996 in Japan verwiesen werden kann. Es sind lediglich die besonderen Erfordernisse der EU (insbesondere Flugzeugabsturz) einzuarbeiten und die „Post-Fukushima-Erfordernisse“ nachzuweisen. Es könnte durchaus sein, daß dieser Reaktortyp (UK-ABWR) noch in ganz Europa auf die Überholspur geht.

Warum Siedewasserreaktoren?

Wenn man ein großes Kraftwerk bauen will, bleibt praktisch nur der Dampfkreislauf. Wasser wird unter hohem Druck verdampft und verrichtet in einer Turbine Arbeit, durch die ein Generator angetrieben wird. Wenn man ohnehin Wasser als Arbeitsmittel für die Turbine braucht, warum nicht auch gleich als Arbeitsmittel (Kühlung und Moderator) im Reaktor einsetzen? Wenn man nun noch den Dampf in einem „einfachen Kessel“ durch Kernspaltung erzeugt, hat man einen Siedewasserreaktor. Einfacher geht nicht. Allerdings ist eine solche Konstruktion wegen der großen freien Flächen als Schiffsantrieb gänzlich ungeeignet. Bei einem stampfenden und rollenden Schiff im Seegang, hätte man bereits Probleme überhaupt eine vernünftige Regelung zu konzipieren. Zuerst war aber der Drang nach einem U-Boot, für das man den Druckwasserreaktor erschaffen mußte. Einmal fertig entwickelt – staatliche Förderung oder der Krieg ist der Vater aller Dinge – konnte man ihn schnell zu einem konventionellen Kraftwerk umstricken.

Bei der Diskussion von Vor- und Nachteilen beider Konzepte, wird von Laien oft der „nicht radioaktive Sekundärkreislauf“ als zusätzlicher Sicherheitsvorteil des Druckwasserreaktors angeführt. Beide Kreisläufe sind durch die Rohre in den Dampferzeugern physikalisch voneinander getrennt. Wasser – als H2 O – wird durch die Neutronen im Reaktor angegriffen: Teilweise zerschlagen sie die Moleküle in Wasserstoff und Sauerstoff (Wasserchemie und Korrosion) und teilweise fangen die Atome mit den ihnen charakteristischen Wahrscheinlichkeiten auch Neutronen ein und wandeln sich dadurch um. Unter den Gesichtspunkten des Strahlenschutzes ist hierbei die Umwandlung von Sauerstoff in radioaktiven Stickstoff die übelste Variante. Die gebildeten N16 – Atome zerfallen mit einer Halbwertszeit von 7,13 s wieder in Sauerstoff und senden dabei eine γ.-Strahlung von 10,4 MeV aus. Für den Arbeitsschutz ist das jedoch kein besonderes Problem, wenn man die Dampfleitungen und die Turbine mit einer entsprechenden Abschirmung versieht. Selbst bei einem Schaden an den Brennelementen können nur gasförmige Spaltprodukte in den Dampf gelangen – ist doch gerade die Verdampfung ein probates Mittel zur Reinigung von Flüssigkeiten. Aus den Jahrzehnten Betriebserfahrung weltweit, hat man genug Erfahrungen gesammelt und Gegenmaßnahmen entwickelt. So ist beispielsweise das Spülen der Kondensatoren mit Frischluft vor Wartungsarbeiten ein Mittel, die Belastung der Arbeiter z. B. durch radioaktives Jod drastisch zu senken. Heute liegen Siedewasserreaktoren auf den untersten Plätzen bei der gemessenen Strahlenbelastung. Schließlich gilt auch hier wieder der Grundsatz: Je weniger vorhanden ist, desto weniger muß repariert und gewartet werden.

Der ABWR ist der Porsche unter den Kraftwerken

Die momentane Leistung eines Leichtwasserreaktors hängt im Betrieb von der Dichte des Wassers ab. Je höher die Dichte ist, um so mehr nimmt die Wahrscheinlichkeit für einen Zusammenstoß der Neutronen mit einem Wasserstoffatom zu. Die sich dadurch ergebende Abbremsung ist aber die entscheidende Voraussetzung für eine weitere Spaltung (sog. Moderation). Bei dem Sättigungszustand im ABWR (70,7 bar) beträgt der Dichteunterschied zwischen Wasser und Dampf rund 0,05. Mit anderen Worten: Sind ungefähr erst 5% der Wassermasse in einem Kanal verdampft, ist dieser praktisch schon vollständig mit Dampf gefüllt. Damit man überhaupt eine ausreichende Moderation erzielen kann – gemeint ist, genug flüssiges Wasser im Kanal vorhanden ist – sind nahezu 20 Umläufe erforderlich. Hier kommen die internen Umwälzpumpen ins Spiel: Der ABWR hat davon 10 Stück mit je 8300 m3/h Förderleistung. Sie können die Dampfblasen förmlich aus den Kanälen herausspülen und sind somit das „Gaspedal“ des Siedewasserreaktors. Im Bereich von ca. 65% bis 100% übernehmen nur sie die Leistungsregelung. Die Leistung des Reaktors hängt quasi an der Pumpendrehzahl. Der ABWR ist für Leistungsänderungen von 1% pro Sekunde zugelassen. Ein Gas und Dampf Kombikraftwerk wirkt dagegen wie ein alter Trabant. Es ist lustig zu beobachten, wie manche „Umweltschützer“ schon die Zukunft ihrer „CO2-freien Stromwirtschaft“ in der Kombination aus Kernkraftwerken und Windmühlen auf dem Meer sehen. Die Propaganda von den notwendigen „flexiblen Gaskraftwerken“ wird jedenfalls nur noch von bildungsfernen Kreisen nachgeplappert. In GB sieht umgekehrt die Wind-auf-dem-Meer-Lobby in neuen Kernkraftwerken bereits die einzige Überlebenschance. Deutschland demonstriert ja gerade eindrucksvoll, wie hoch die Folgekosten (Regelung, Netzausbau, Speicher usw.) sind, wenn man sich als „Windpark in der Nordsee“ nicht schmarotzend an ein Kernkraftwerk anhängen kann. Bleibt nur abzuwarten, bis die Kapitalgeber erkannt haben, wieviel Uranbrennstoff man für die Baukosten eines Windparks kaufen könnte…

Der Reaktordruckbehälter

Der ABWR ist das vorläufige Endstadium einer jahrzehntelangen Evolution der Siedewasserreaktoren: Es ist gelungen, alle zur Dampferzeugung notwendigen Baugruppen in einen Behälter mit einem Durchmesser von 7,4 m und einer Höhe von 21 m unter zu bringen. Dies erlaubt nicht nur die Fertigung in einer Fabrik, sondern ist auch ein wesentlicher Grund für den enormen Sicherheitsgewinn. Mußte man bei der „Fukushima-Generation“ noch von etwa einer Kernschmelze in 20.000 Betriebsjahren ausgehen, beträgt die Häufigkeit beim ABWR nur noch eine Kernschmelze in über sechs Millionen Betriebsjahren. Damit kein Mißverständnis entsteht: Wahrscheinlichkeit heißt nichts anderes als, es kann – wie beim Lotto – schon morgen oder auch nie passieren. Lediglich bei sehr großen Stückzahlen (Betriebsjahre, nicht Kalenderjahre) ergibt sich der Durchschnittswert. Gleichwohl bilden solche Berechnungen den Sicherheitsgewinn zwischen zwei Anlagen sehr genau ab. Außerdem ist eine Kernschmelze – wie Harrisburg und Fukushima gezeigt haben – zwar eine sehr teure, aber relativ harmlose (keine Todesopfer!) Angelegenheit.

Je weniger Bauteile (Pumpen, Rohrleitungen, Ventile, Dampferzeuger etc.) man hat, je weniger kann kaputt gehen. Je weniger dieser Bauteile räumlich verteilt sind, je geringer ist außerdem die Strahlenbelastung für das Personal.

Der Reaktordruckbehälter ist für alle Einbauten ein sehr sicherer Aufbewahrungsort. Um die Sicherheit zu steigern, ist das Mittelteil, in dem sich der Reaktorkern befindet, aus einem Stück geschmiedet (keine Schweißnähte). Alle Anschlüsse (Speisewasser, Dampf, Notkühlung) befinden sich oberhalb des Reaktorkerns, damit der Kern immer unter Wasser bleibt, auch wenn schwere Leckagen in anderen Baugruppen auftreten.

Der Reaktorkern

Der Reaktorkern bei einem ABWR mit einer Leistung von 1350 MWel besteht aus 872 Brennelementen in einer 10 x 10 Anordnung der Brennstäbe. Jedes Brennelement ist ein viereckiges Rohr von 4,2 m Länge. Das Wasser kann nur von unten nach oben strömen und jedes Brennelement ist für sich wärmetechnisch ein abgeschlossenes System. Der Kasten aus Zircaloy ist allerdings für Neutronen nahezu vollkommen durchlässig. Dadurch ergibt sich neutronenphysikalisch die Verknüpfung mit allen Nachbarelementen.

Jedes Brennelement in 10 x 10 = 100 Anordnung besitzt 78 Brennstäbe von ganzer Länge, 14 teilgefüllte Brennstäbe und 2 dicke Wasserstäbe. Berücksichtigt man noch eine unterschiedliche Anreicherung bzw. Vergiftung der einzelnen Brennstofftabletten aus denen die Brennstäbe zusammengefügt werden, sowie den unterschiedlichen Abbrand im Betrieb, ergibt sich eine schier unendliche Kombinationsmöglichkeit. Sinn und Zweck ist eine möglichst gleichmäßige radiale und axiale Belastung über die gesamte Betriebszeit. Durch geschickte Ausnutzung des Neutronenspektrums während des Betriebs, kann man heute in einem Siedewasserreaktor gegenüber einem Druckwasserreaktor mit rund 15% weniger Verbrauch an Natururan auskommen. Lastfolgebetrieb ist mit beliebigen Tagesprofilen möglich. Die Ladezyklen der Brennelemente können flexibel zwischen 18 und 24 Monaten auf die Bedürfnisse des jeweiligen Energieversorgers abgestimmt werden. Es kann sowohl Plutonium als Mischoxid eingesetzt werden, wie auch die Konversionsrate („brüten“ von Plutonium aus Uran) auf Werte von nahezu 1 (Druckwasserreaktor rund 0,6) getrieben werden.

Die Steuerstäbe

Die Brennelemente sind nicht dicht nebeneinander gestapelt, sondern zwischen ihnen befindet sich ein genau definierter Wasserspalt. In diesen Spalten fahren die Steuerstäbe nach oben. Die 205 Steuerstäbe sind kreuzförmig, sodaß jeweils vier Brennelemente mit ihnen eine Einheit bilden. Sie bestehen aus Edelstahl. In ihnen sind mit Borkarbid oder Hafnium (Neutronengifte) gefüllte und gasdicht verschweißte Röhren eingelassen.

Die Steuerstäbe können vollständig ausgefahren werden. Sie ziehen sich dann in den Raum unterhalb des Kerns, aber innerhalb des Reaktordruckgefässes zurück. Jeder Steuerstab wird durch einen elektrischen Schrittmotor unterhalb des Reaktordruckbehälters angetrieben. Jeder Steuerstab kann damit einzeln und zentimetergenau verfahren werden. Steuerungstechnisch sind die einzelnen Stäbe zusätzlich in Gruppen zusammengefaßt. Ihre Stellung kann damit allen Betriebszuständen und den momentanen Neutronenflüssen angepaßt werden. Hierfür sind 52 feste Messeinrichtungen im Reaktorkern vorhanden. Zusätzlich wird der Abbrand noch auf einem Computer mitgerechnet.

Wird eine Schnellabschaltung ausgelöst, werden alle Steuerstäbe in höchstens 1,7 Sekunden vollständig von unten in den Kern eingeschossen. Zu diesem Zweck werden die elektrischen Antriebe durch hydraulische überbrückt. Die Energie wird aus ständig geladenen Wasser/Stickstoff-Druckspeichern bezogen.

Die Dampftrocknung

Aus den Brennelementen tritt oben ein Gemisch aus Wasser und Dampf im Sättigungszustand aus. Bei diesem Druck ist zwar weniger als 15% der Masse des unten in die Brennelemente eingetretenen Wassers verdampft, dies führt aber zu einem Volumenanteil des Dampfes von über 40%. Dieser Dampf muß abgeschieden werden und das Wasser über den Ringraum des Kerns wieder zum Eintritt zurückgeleitet werden. Zusätzlich wird der entzogene Dampf noch durch „kaltes“ Speisewasser ersetzt.

Die Wasserabscheider bestehen aus dreifach hintereinander geschalteten Elementen. In ihnen wird das Wasser rausgeschleudert und fällt durch sein Gewicht nach unten zurück. Der Dampf strömt weiter nach oben.

Ganz oben im Druckbehälter, befinden sich die Dampftrockner. In ihnen wird der Sattdampf durch Blechpakete umgeleitet. Hier werden nicht nur feinste Tröpfchen aufgehalten, sondern durch die Reibung entsteht zusätzliche Wärme, die den Dampf geringfügig überhitzt. Als Nebeneffekt verlängert sich die Verweilzeit des Dampfes im Reaktordruckgefäß durch die langen Wege. Ein beträchtlicher Teil des gebildeten radioaktiven Stickstoffs (N16. mit t ½ = 7,13 s) kann bereits dort zerfallen.

Die Notkühlung

Der ABWR verfügt über drei redundante und räumlich voneinander getrennte Notkühlsysteme. Dadurch steigt nicht nur die Sicherheit, sondern auch die Verfügbarkeit: Wenn während des Betriebs ein Notkühlsystem gewartet wird, stehen immer noch zwei zur Verfügung.

Ein Siedewasserreaktor ist eine robuste Konstruktion:

  • Der Wasserinhalt im Reaktordruckgefäß ist größer als bei einem Druckwasserreaktor. Dies verschafft Reaktionszeit.
  • Die Brennelemente sind für einen dauerhaften Siedezustand geschaffen. Die Gefahr in den Zustand des Filmsiedens – dabei entsteht eine isolierende Dampfchicht auf dem Brennstab – zu gelangen, ist wesentlich geringer und damit eine Überhitzung (z. B. Teilschmelze von Brennstäben) unwahrscheinlicher.
  • Da die Dampferzeugung bereits im Reaktor stattfindet, entfallen eine Menge potentieller Leckstellen. Die Gefahr eines größeren Kühlmittelverlustes reduziert sich auf die Frischdampf- und Speisewasserleitungen.

Die Notkühlung vollzieht sich in der Nachspeisung von ausreichend Kühlwasser. Der Wasserstand muß stets oberhalb des Reaktorkerns liegen. Ist ein auftretendes Leck nur klein, bleibt der Druck im Reaktordruckgefäß noch relativ hoch. Jede Notkühlung verfügt deshalb über eine Hochdruck-Einspeisung. Sollte diese Versagen, kann eine Druckabsenkung auch bewußt über die Abblaseventile herbeigeführt werden. Ist der Druck – aus welchen Gründen auch immer – weit genug abgefallen, erfolgt die Nachspeisung aus dem Niederdrucksystem. Damit der Druck im Containment nicht unnötig ansteigt, wird der Dampf in Kondensationskammern niedergeschlagen. Das sind große, mit kaltem Wasser gefüllte Kammern. Die Wasserfüllung wird durch eine Wasseraufbereitung stets auf Speisewasserqualität gehalten, sodaß das Kühlwasser gleichzeitig zur Nachspeisung dienen kann. Da sich diese Kammern innerhalb des Containment befinden, ist diese Wasserreserve sehr gut geschützt. Das Wasser wird beständig über die Kühlkreisläufe des Kraftwerks auf einer niedrigen Temperatur gehalten.

Die Eigenversorgung

Solange alles normal läuft, wird die gesamte vom Kraftwerk benötigte elektrische Energie von der eigenen Produktion abgezweigt. Wenn das Netz kurzfristig zusammenbricht – Blitzschlag, Sturmschaden, Schaltfehler etc. – kann die Regelung dies ohne Schnellabschaltung beherrschen: Der Dampf wird an der Turbine vorbei, direkt in die Kondensatoren geleitet. Gleichzeitig nimmt die Regelung die Leistung des Reaktors über die Umwälzpumpen und die Steuerstäbe sanft zurück. Das Kraftwerk läuft nun im Leerlauf und erzeugt nur noch Strom für den Eigenbedarf. Kann das Netz schnell wieder hergestellt werden, kann der Betrieb ohne große Verzögerung wieder aufgenommen werden.

Liegt der Schaden beispielsweise im Generator, kann die Stromversorgung aus dem Netz aufrecht erhalten werden. Ist das Netz ebenfalls zusammengebrochen (Fukushima) müssen die Notstromdiesel übernehmen. Hierfür gibt es drei Notstromdiesel in drei voneinander hermetisch getrennten (Feuerschutz und wasserdicht gegen Wasser von außen und innen) Bereichen innerhalb des Reaktorgebäudes (Schutz gegen z. B. Flugzeugabsturz, Erdbeben etc.). Versagen auch diese, gibt es noch eine Gasturbine im separaten „Notstandsgebäude“ (Post-Fukushima). Für alle Gleichstromverbraucher (z. B. Regelung, Computer etc.) gibt es eine überdimensionierte (Post-Fukushima) Batterieanlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung.

Sollten alle Sicherheitssysteme versagen, gibt es noch eine weitere Ebene für alle nicht vorhersehbaren Ereignisse. Unterhalb des Reaktordruckbehälters gibt es einen sog. „Core-Catcher“ auf dem sich ein eventuell austretendes Corium ausbreiten könnte (UK-ABWR). Der gesamte Raum unterhalb des Reaktors könnte durch das Wasser aus den Kondensationskammern zusätzlich geflutet werden. Sollte der Druck im Sicherheitsbehälter unzulässige Werte erreichen, kann das Gas kontrolliert und gefiltert über den Schornstein abgelassen werden. Dies ist für alle Menschen, die von einem nicht kalkulierbaren „Restrisiko“ ausgehen. Allerdings darf nicht erwartet werden, daß dadurch rechtgläubige „Atomkraftgegner“ von ihrem Kampf abgehalten werden. Schließlich hat in Fukushima eine der schwersten Naturkatastrophen in der Menschheitsgeschichte nur zum Totalschaden von vier Reaktoren aus den Anfängen der Kerntechnik geführt – ohne ein einziges zusätzliches Todesopfer zu verursachen. Genau die ABWR hingegen, haben durch dieses außergewöhnlich schwere Erdbeben keinen Schaden genommen. Ein schlimmer, aber bestens bestandener Praxistest. Wer also immer noch glaubt, in Deutschland ginge es bei Fragen der Kerntechnik nicht um vorgeschobene politische Interessen, dem ist nicht zu helfen.

Ausblick

Im nächsten Teil wird der ESBWR als bisher sicherheitstechnisches „High Light“ der Leichtwasserreaktoren behandelt. Er ist in Europa noch nicht in der Diskussion, weil er gerade erst den „Goldstandard der Genehmigungsverfahren“ – eine Zulassung durch die US-Behörden – erlangt. Dies kann sich aber sehr schnell ändern, wie die neusten Entwicklungen z. B. in Indien zeigen.