Feuer und Flamme: Forschungsaktivitäten der GRS zum Brandschutz in Kernkraftwerken

15.03.2021
© US NRC
Gesichertes Wissen über die Entstehung, Ausbreitung und Verhinderung von Bränden ist unerlässlich, um die Brandsicherheit unter anderem von Kernkraftwerken (KKW) bewerten und verbessern zu können. Die GRS beteiligt sich daher fortlaufend an Forschungsprojekten zum Thema Brandschutz in kerntechnischen Anlagen, die unter der Schirmherrschaft der OECD Nuclear Energy Agency (NEA) durchgeführt werden.

Die NEA ist eine behördliche Institution innerhalb der Organisation für Wirtschaftliche Zusammenarbeit (OECD), die die Zusammenarbeit von Staaten mit fortschrittlicher nukleartechnischer Infrastruktur ermöglicht und koordiniert. Dadurch sollen Bereiche wie nukleare Sicherheit, Technologie, Wissenschaft oder Gesetzgebung gefördert und verbessert werden. Die NEA verfügt über mehrere ständige Fachausschüsse, von denen zwei direkt mit der Sicherheit von KKW zu tun haben: das CNRA (Committee on Nuclear Regulatory Activities) und das CSNI (Committee on the Safety of Nuclear Installations).

Diese Komitees setzen sich aus internationalen Experten zusammen, größtenteils Vertreter der nationalen Technischen Sicherheitsorganisationen sowie der Genehmigungs- und Aufsichtsbehörden. Während das CNRA sich mit Fragen bezüglich der Regelwerke, Genehmigung und Aufsicht über KKW beschäftigt, soll das CSNI die fachlich-technische Zusammenarbeit der NEA-Mitgliedsstaaten auf dem Gebiet der nuklearen Sicherheit von KKW und Forschungsreaktoren fördern. Wesentliche Aufgaben des CSNI bestehen darin, 
  • technische Informationen auszutauschen, 
  • die Zusammenarbeit zwischen Organisationen aus den Bereichen Forschung, Entwicklung, Ingenieurswissenschaften, Genehmigung und Aufsicht zu fördern, 
  • die Betriebserfahrung und den Wissensstand zu ausgewählten Themen der nuklearen Sicherheit und deren Bewertung zu überprüfen sowie 
  • die Koordinierung von Arbeiten zu fördern, mit denen die Kompetenz in der nuklearen Sicherheit erhalten werden soll.
Dazu wird eine Vielzahl von Forschungsprojekten durchgeführt. Die GRS vertritt Deutschland offiziell im CSNI und hat in der Vergangenheit auch an nahezu allen Projekten des CSNI teilgenommen. Die finanzielle Beteiligung Deutschlands an diesen Projekten erfolgt größtenteils durch Fördermittel des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) und teilweise durch das Bundesumweltministerium (BMU). Ein aktuell laufendes Experimentalprojekt mit Beteiligung der GRS ist das Projekt HEAF, das sich mittlerweile in seiner zweiten Phase befindet.

Störlichtbögen als potenzielle Brandursache

Worum geht es bei HEAF? Die Betriebserfahrung aus kerntechnischen Anlagen hat gezeigt, dass es bei elektrischen Einrichtungen im Mittel- und insbesondere Hochspannungsbereich (beispielsweise Schaltanlagen, Leistungsschalter oder auch Stromschienen, typischerweise mit Nennspannungen im Bereich von mehr als 380 V), zu einem spezifischen Komponentenversagen kommen kann, das man als Störlichtbogen (High Energy Arcing Fault – HEAF) bezeichnet. Bei einem Störlichtbogen kommt es innerhalb kürzester Zeit zu einer erheblichen Freisetzung von Energie in Form von Wärme (bis zu 10.000 °C). Dabei verdampfen Metallen (z. B. Kupfer oder Aluminium), ein gasförmiges Plasmas bildet sich, und innerhalb der Komponenten kommt es zu einem extremen Druckaufbau mit explosionsartigem Versagen. 

Schema eines HEAF-Szenarios Bei  einem HEAF-Szenario werden typischerweise zwei aufeinanderfolgende Phasen unterschieden, die jeweils eigene Schadensbilder aufweisen. Die erste Phase ist gekennzeichnet durch eine extrem kurze und schnelle Freisetzung von Energie aus dem Lichtbogen von typischerweise 100 kcal/m2. Diese Energiefreisetzung kann zur Folge haben:

  • einen vollständigen Funktionsausfall der betroffenen Komponente
  • den Ausstoß heißer Projektile aus beschädigten elektrischen Bauteilen oder dem Komponentengehäuse 
  • einen Folgebrand aufgrund der extrem hohen Temperaturen. 
Bei solchen Bränden können entweder nur die Komponente, in welcher der Störlichtbogen aufgetreten ist, oder weitere, in der näheren Umgebung befindliche Komponenten betroffen sein. In der zweiten Phase breitet sich der durch den Störlichtbogen verursachte Brand typischerweise auf alle brennbaren Stoffe im näheren Einflussbereich des Störlichtbogens aus. Dieser Einflussbereich wird als „HEAF zone of influence“ (ZOI) bezeichnet. 

HEAF können die Sicherheit in Kernkraftwerken beeinträchtigen

Die internationale Betriebserfahrung aus Kernkraftwerken, welche in der internationalen Datenbank für Brandereignisse in Kernkraftwerken FIRE (Fire Incidents Records Exchange) der OECD/NEA dokumentiert wird, deutet darauf hin, dass Störlichtbögen von Mittel- und Hochspannungs-Leistungsschaltern zu Bränden führen können.  Gleichzeitig können sie aber auch Brandschutzeinrichtungen (insbesondere Wände oder Türen) erheblich beschädigen. 

Basierend auf diesen Erkenntnissen hat unter der Schirmherrschaft der OECD/NEA bereits ab 2012 eine erste Serie großmaßstäblicher Versuche stattgefunden, welche die Beobachtungen aus der Betriebserfahrung bestätigte. Die an diesem Projekt beteiligten Fachleute und Behördenvertreterinnen und -vertreter folgerten daraus, dass Störlichtbögen bei der Brandgefahrenanalyse sowie bei den brandbezogenen Teilen einer probabilistischen Sicherheitsanalyse (PSA) für eine adäquate Sicherheitsbewertung kerntechnischer Einrichtungen zu berücksichtigen seien. Darüber hinaus seien behördliche Leitlinien zur Beherrschung von Störlichtbögen sowie für dadurch verursachte Brände erforderlich.

Für möglichst realitätsnahe Versuche zu HEAF-Ereignissen mit Folgebränden, wie sie in Kernkraftwerken auftreten können (s. Video), läuft seit Herbst 2018 unter der Schirmherrschaft der OECD/NEA eine zweite Phase des HEAF-Experimentalprojekts (HEAF, Phase 2). Aus den gewonnenen Erkenntnissen heraus sollen dann Regeln abgeleitet und Modelle zur Berechnung solcher Ereignisse berechnet werden.

Ergebnisse von hohem Interesse für kerntechnische Aufsichtsbehörden 

Nachdem sich die erste Phase insbesondere mit dem Phänomen Störlichtbogen und möglichen Folgebränden beschäftigte, soll die zweite Projektphase nun Rückschlüsse für eine Verbesserung der Sicherheit in Betrieb befindlicher KKW ermöglichen. Eine Vielzahl der derzeit weltweit in Betrieb befindlichen KKW verfügt über Schaltanlagen, die durch Störlichtbögen versagen könnten. Dementsprechend besteht ein nicht unerhebliches Interesse seitens der Aufsichtsbehörden an diesen realmaßstäblichen Experimenten und deren Ergebnissen. Ein Risiko durch HEAF-Ereignisse besteht selbstverständlich auch in der Rückbauphase.

Typische Konfiguration für die OECD/NEA-VersucheDie aktuelle Planung der OECD/NEA-Versuche  und ergänzender, speziell die Situation in US-amerikanischen Kernkraftwerken abdeckender Versuche spiegelt die Anstrengungen wider, sich dem Gesamtphänomen Störlichtbögen in einem schrittweisen Verfahren anzunähern. Beide Versuchsreihen werden durchgeführt vom Office of Research der US-amerikanischen Aufsichtsbehörde, der Nuclear Regulatory Commission (NRC). 

Eins der Ergebnisse der ersten Phase war das unterschiedliche Verhalten von Komponenten mit Aluminiumleitern im Vergleich zu solchen mit Kupferleitern. Bei Vorhandensein von Aluminium bildet sich ein leitfähiges Gemisch, was zu deutlich großflächigeren Schäden führt als bei Vorhandensein von Kupfer.

Der Schwerpunkt liegt in einem ersten Schritt auf HEAF-Ereignissen bei Vorhandensein von Aluminium, wie sie für US-amerikanische Komponenten typisch sind – unabhängig davon, ob sich das Aluminium in der jeweiligen Komponente selbst befindet oder Bestandteil ihres Gehäuses ist. Die Versuche sollen sowohl die thermischen Bedingungen solcher Szenarien als auch den Druckaufbau und die Ablagerung von (ggf. leitfähigen) Abfallprodukten auf Oberflächen durch Störlichtbögen in Sammelschienen oder Schaltschränken widerspiegeln. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erwarten quantitative Ergebnisse zu den Auswirkungen von Störlichtbögen auf entsprechende Komponenten (sogenannte Targets) in Räumen mit elektrischen Einrichtungen und Kabeln.   

Testmatrix für Schaltanlagen in Gehäusen
 

HEAF-Szenario mit drei oder mehr Schaltschränken in Reihe

In  einem zweiten Schritt werden die OECD/NEA-spezifischen Versuche an Sammelschienen und Schaltanlagen in entsprechenden Gehäusen durchgeführt. Dies beinhaltet auch Versuche mit Schaltschränken, wie sie in europäischen KKW vorkommen. Aufsichtsbehörden wie unter anderem das BMU oder die niederländische Aufsichtsbehörde ANVS (Authority for Nuclear Safety and Radiation Protection) beteiligen sich an der aktuellen zweiten Phase von HEAF. Ein deutscher Betreiber hat entsprechende Mittel- und Hochspannungsschaltanlagen aus einem im Rückbau befindlichen KKW bereitgestellt . Die GRS hat den Ausbau und Transport der Komponenten in die USA organisiert. Diese Arbeiten wurden vom BMU und ANVS finanziert. Die Versuche sollen bis Ende 2022 abgeschlossen sein.

Einzelheiten zum HEAF-2-Versuchsaufbau finden sich in:

Röwekamp, M., H.-P. Berg (Hrsg.): Proceedings of SMiRT 25, 16th International Seminar on Fire Safety in Nuclear Power Plants and Installations, October 28–30, 2019, Ottawa, ONT, Canada, GRS-A-3963, Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH, Köln, Germany, Dezember 2019, https://www.grs.de/en/publication/grs-3963.