Störfälle in Kernkraftwerken beherrschen: Forscher testen Simulationscodes für passive Sicherheitssysteme

04.09.2017

Kernkraftwerke verfügen über ein umfangreiches Repertoire an Sicherheitssystemen. Die Sicherheitssysteme sorgen dafür, dass das Kernkraftwerk im Falle einer Störung in einen sicheren Zustand überführt wird.

Man unterscheidet dabei zwei Arten von Systemen: aktive und passive Sicherheitssysteme. Der Hauptunterschied der Systeme liegt in ihrer Funktionsweise begründet. Aktive Systeme benötigen eine elektrische Energieversorgung,  z. B. für Pumpen oder Ventile, um ihre Funktion zu erfüllen. Passive Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass keine externe Energie zur Aktivierung oder zum Betrieb benötigt wird. Die treibenden Kräfte beruhen allein auf physikalischen Gesetzmäßigkeiten wie z. B. Gravitation, Kondensation oder Verdampfung. Die Sicherheitssysteme in deutschen Kernkraftwerken sind vorwiegend aktiv. Der internationale Trend bei der Entwicklung von fortschrittlichen Reaktorkonzepten geht zum verstärkten Einsatz von passiven Systemen, da diese eine geringe Abhängigkeit von äußeren Einflüssen und vom Betrieb notwendiger Zusatzsysteme aufweisen.

Bild 1: INKA-Versuchsanlage in Karlstein (Quelle: AREVA)Experimente am weltweit größten Teststand für passive Systeme

Mit einem Forschungsprojekt nehmen Forscher verschiedener deutscher Institutionen die passiven Sicherheitssysteme derzeit genauer unter die Lupe. Für das Projekt „EASY - Integrale experimentelle und analytische Nachweise der Beherrschbarkeit von Auslegungsstörfällen allein mit passiven Systemen“ arbeiten insgesamt fünf Projektpartner im Verbund:

  • Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS)
  • AREVA GmbH
  • Technische Hochschule Deggendorf - Fakultät für Bauingenieurwesen und Umwelttechnik
  • Technische Universität Dresden
  • Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen

Das Besondere an dem Projekt: Die Forscher überprüfen die Ergebnisse ihrer Analysen anhand von Experimenten, die am INKA-Teststand der AREVA GmbH in Karlstein durchgeführt wurden. Der Teststand ist weltweit die größte Versuchseinrichtung ihrer Art. In ihr lässt sich das Zusammenwirken zwischen verschiedenen passiven Komponenten des fortschrittlichen Siedewasserreaktor-Konzepts der AREVA, wie z. B. der Notkondensator oder das passive Kernflutsystem, im Höhenmaßstab 1:1 unter störfalltypischen Bedingungen testen. Das Herzstück von INKA sind vier Druckbehälter mit einer Höhe von bis zu 30 Metern und einem Volumen von bis zu 350 Kubikmetern.

Bild 2: Aufbau der Versuchsanlage INKA (Quelle: AREVA)Die Simulationscodes der GRS: ATHLET und COCOSYS

Ziel des Projekts ist es, Nachweistools für die Berechnung von Störfällen in Kernkraftwerken mit passiven Systemen weiterzuentwickeln und an Hand von INKA-Testergebnissen zu validieren. Die Forscher wollen dabei zwei GRS-Simulationscodes testen: ATHLET und COCOSYS. ATHLET ist ein Programm zur Analyse des dynamischen Verhaltens des Reaktors und der Kühlkreisläufe eines KKW bei Lecks und Transienten. Mit COCOSYS lassen sich umfangreiche Simulationen von Stör- und Unfallabläufen in Containments von Leichtwasserreaktoren durchführen. Beide Codes sind wesentliche Bestandteile des GRS Codesystems AC2, und  werden beispielsweise eingesetzt, um zu überprüfen, ob bestimmte Störfälle beherrschbar sind.

Codes – wie ATHLET und COCOSYS – wurden ursprünglich für Reaktoren mit überwiegend aktiven Sicherheitssystemen entwickelt. Passive Systeme stellen für die Berechnung mit Simulationscodes u. a. durch die geringen treibenden Kräfte eine Herausforderung dar. Ihre Fähigkeit, die Charakteristika passiver Systeme (z. B. kleine Unterschiede in Temperatur oder Druck, Temperaturschichtungen in großen Wasserpools) zu berechnen, muss deshalb für passive Systeme weiterentwickelt und validiert werden. Im Forschungsprojekt soll geklärt werden, wie gut die beiden Simulationscodes in der Lage sind, das Verhalten der passiven Systeme in Abhängigkeit einer Vielzahl sich kontinuierlich ändernder Parameter vorherzusagen.

Deutschland begleitet die Entwicklung und den Einsatz passiver Sicherheitssysteme mit eigenen Forschungsvorhaben. Auch wenn passive Systeme in Deutschland nur im geringen Maße zum Einsatz kommen, unterstützen die Forschungsarbeiten Deutschland dabei, die Sicherheit ausländischer Kernkraftwerke unabhängig zu beurteilen. Sie erhöhen außerdem die Akzeptanz der Simulationscodes der GRS und unterstützen damit deren weltweite Verbreitung.

Weitere Informationen

Simulationscodes der GRS
ATHLET
COCOSYS