Reaktordruckbehälter, Barrierenprinzip, Sicherheitsbehälter

18.03.2011

Hinsichtlich ihrer Relevanz im Rahmen des Sicherheitskonzepts eines Kernkraftwerks kommt Begriffen wie Sicherheitsbehälter (engl.: Containment), Reaktorgebäude oder Reaktordruckbehälter jeweils eine bestimmte Bedeutung zu. Im Folgenden sollen diese Begriffe erläutert werden.
 
Ein zentrales Element des Sicherheitssystems jedes Kernkraftwerks bildet das Barrierenprinzip. Dieses sieht mehrere ineinander greifende Barrieren vor, die die im Reaktorkern entstehende radioaktive Strahlung abschirmen und dem unkontrollierten Austritt von radioaktiven Stoffen aus dem Kernkraftwerk entgegenwirken. Die Schwere eines Stör- oder Unfalls lässt sich auch danach beurteilen, inwieweit die vorhandenen Barrieren in ihrer Funktion beeinträchtigt sind. Im Falle eines Stör- oder Unfalls ist es das oberste Ziel aller Sicherheitsfunktionen und ggf. Notfallmaßnahmen, die Integrität mindestens einer dieser Barrieren aufrechtzuerhalten.

 

  Erläuterung der 6 Barrieren am Beispiel eines DruckwasserreaktorsAnhand nachstehender Abbildung sollen die Barrieren am Beispiel eines Druckwasserreaktors (DWR) deutscher Bauart kurz erläutert werden. Für Siedewasserreaktoren (SWR) bestehen konstruktionsbedingte Unterschiede bei der Ausführung der Barrieren, aber das Prinzip ist das gleiche. Am Ende des Textes befindet sich eine Abbildung, die einen Siedewasserreaktor zeigt, wie er am Standort Fukushima in Japan errichtet wurde.

 

1. Barriere: Der Reaktorkern besteht aus mehreren Brennelementen, die wiederum mehrere Brennstäbe umfassen. In den Brennstäben befinden sich einzelne Pellets, in denen sich der Brennstoff in Form von Uranoxid bzw. Mischoxid (Uran und rezykliertes Plutonium) befindet.

Das Kristallgitter des Brennstoffes stellt die erste Barriere dar und hält die im laufenden Betrieb durch die Kernspaltung entstehenden festen und flüssigen Spaltprodukte zu etwa 98% zurück. 

 

2. Barriere: Die Brennstabhülle wiederum hält die flüssigen und gasförmigen Spaltprodukte weitgehend zurück. Ein geringer Teil, der das Hüllrohrmaterial aufgrund von Diffusion und das Vorhandensein kleinster Risse und Poren durchdringt, wird im Betrieb durch das Abgassystem gefiltert und zurückgehalten.

 

3. Barriere: Diese Barriere umfasst i. W. den Reaktordruckbehälter und die Hauptkühlmittelleitungen. Sie wird auch druckführende Umschließung des Reaktorkühlmittels bezeichnet, da sie das zur Kühlung der Brennstäbe benötigte unter Druck stehende Kühlwasser einschließt. Zwischen Druckwasser- und Siedewasserreaktor existieren hier bei dem genauen Verlauf dieser Barriere konstruktionsbedingte Unterschiede.

General Electric Mark I boiling water (wie am Standort Fukushima)

Der Reaktordruckbehälter ist Teil dieser Barriere und umschließt den Reaktorkern. Die Wandstärke des aus Stahl gefertigten Reaktordruckbehälters liegt zwischen ca. 150 mm (SWR) und 250 mm (DWR).

 

4. Barriere: Die Betonabschirmung hält Gamma- und Neutronenstrahlung aus dem Reaktorkern zurück, hat jedoch in erster Linie betriebliche Bedeutung. Durch diese Barriere werden auch während des Betriebs die meisten Räume im Reaktorgebäude begehbar.

Da diese Barriere in erster Linie Bedeutung für den normalen Anlagenbetrieb hat, wird sie bei Beschreibungen des Barrierenprinzips teilweise nicht zu den Sicherheitsbarrieren gerechnet.

 

5. Barriere: Der gasdichte Sicherheitsbehälter (auch Containment genannt) stellt die letzte Barriere gegen einen möglichen Austritt von radioaktiven Stoffen in die Umgebung des KKW dar. Der Sicherheitsbehälter ist aus Stahl gefertigt und hat eine Wanddicke in der Größenordung von 40 mm.

6. Barriere: Die Stahlbetonhülle dient in erster Linie dem Schutz des Sicherheitsbehälters vor Einwirkungen von außen. Zu diesen Einwirkungen zählen insbesondere Explosionsdruckwellen, Wettereinflüsse wie Orkane oder die Einwirkungen eines Flugzeugabsturzes auf das Reaktorgebäude. Bei einem Reaktorunfall dient diese Barriere zusätzlich zu den inneren Barrieren der Abschirmung der Direktstrahlung (Gamma- und Neutronenstrahlung).

 

 

 

 Brennstabhüllrohr

 

Brennelement (Quelle: Areva)

Der Kernbrennstoff befindet sich in sogenannten Brennelementen. Jedes Brennelement besteht aus einer Vielzahl von Brennstäben. Der Kern eines typischen Siedewasserreaktors kann sich aus mehreren hundert Brennelementen mit jeweils etwa 60 Brennstäben zusammensetzen.

 

Diese Brennstäbe wiederum bestehen aus einem Metallrohr, dem sogenannten Hüllrohr, und dem darin befindlichen Brennstoff. Das Hüllrohr selbst besteht in der Mehrzahl der Fälle aus einer Legierung des Metalls Zirkonium (ca. 90%) und weiteren Metallen wie Zinn, Eisen, Chrom, Nickel oder Niob ("Zirkalloy").  Übliche Hüllrohre sind 3-4 m lang, mit einem Durchmesser von gut einem Zentimeter.

 

In den Hüllrohren befindet sich der Kernbrennstoff in Form von zylinderförmigen Tabletten ("Pellets"), die etwa einen Zentimeter Durchmesser besitzen und etwa ebenso hoch sind.

Brennstäbe (Quelle: IAEO)

Das Hüllrohr ist jedoch nicht vollständig mit diesen Pellets befüllt. Am oberen Ende befindet sich ein freigelassener Zwischenraum ("Spaltgasraum"), der etwa 20 cm lang ist. Dort sammeln sich während des Reaktorbetriebs gasförmige Stoffe an, die bei der Kernspaltung entstehen.

Dies sind z. B. Edelgase und Jod, aber auch Elemente wie Cäsium, die nur bei höheren Temperaturen gasförmig sind. Das Hüllrohr ist dicht und darauf ausgelegt, den während des Betriebs immer höher werdenden Druck dieser Gase auszuhalten.