Feuer und Flamme: GRS erforscht Brandschutz in Kernkraftwerken

08.05.2019

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Wissen über die Entstehung und Ausbreitung von Bränden ist eine wichtige Grundlage, um die Brandsicherheit eines Kernkraftwerks bewerten und verbessern zu können. Die GRS forscht aus diesem Grund aktuell gleich in zwei internationalen Projekten des Committee on the Safety of Nuclear Installations (CSNI) zum Thema Brandschutz in kerntechnischen Anlagen: im Projekt PRISME und im Projekt HEAF.

Das CSNI ist ein internationales Gremium der Agentur für Kernenergie (NEA) der Organisation für Wirtschaftliche Zusammenarbeit (OECD). Es koordiniert alle Projekte der NEA, die sich mit der Sicherheit kerntechnischer Einrichtungen beschäftigen. Die GRS zählt beim CSNI neben dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) zu den offiziellen Vertretern Deutschlands und stellt dessen Vice Chair.

PRISME: Experimente zur Ausbreitung von Bränden und Rauch

Im Projekt PRISME untersucht ein internationales Forscherteam seit 2006 die Ausbreitung von Bränden und Rauch in Kernkraftwerken. Die Abkürzung PRISME steht dabei für die französischen Formulierung propagation d’un incendie pour des scénarios multi-locaux élémentaires - auf Deutsch Brandausbreitung in Szenarien von Mehrraum-Geometrien.

Schematische Darstellung der franzöischen Versuchsanlage DIVA, in der die PRISME-Versuche stattfindenIn einer Einrichtung der französischen Forschungsinstitution Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) in Caderache werden für die PRISME-Projekte mehrere Serien realitätsgetreuer Brandversuche durchgeführt. Dafür wurden bestimmte Räume eines Kernkraftwerks einschließlich deren Ausstattung und Belüftung maßstabsgetreu nachgebildet.

In der ersten Phase des Projekts (PRISME 1) wurde die Ausbreitung von Wärme, Rauch und Gasen von Raum zu Raum untersucht. Dabei wurde auch die Auswirkung der Lüftungsbedingungen in Räumen eines Kernkraftwerks berücksichtigt. Ziel der Untersuchungen war es u.a. die thermische Belastung sicherheitsrelevanter Einrichtungen zu untersuchen.

Darauf aufbauend befassten sich die Forschenden in Phase zwei des Projekts (PRISME 2) mit dem Einfluss von Maßnahmen zur Bekämpfung von Bränden (z.B. von fest installierten Sprühwasserlöschanlagen). Ebenfalls untersucht wurde die Ausbreitung von Rauch und Wärme durch eine Deckenöffnung.

Die aktuelle Phase des Projekts (PRISME 3) legt den Fokus auf Brände an elektrischen Einrichtungen, wie z.B. Schaltschränken und Kabeln. Störungen in diesem Bereich zählen zu den häufigsten Brandursachen in Kernkraftwerken.
Die GRS begleitet PRISME bereits seit der ersten Projektphase. In PRISME 3 ist die GRS im Auftrag des Bundesumweltministeriums und des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie federführend an der fachlichen Begleitung und Umsetzung beteiligt. Einen Schwerpunkt der GRS-Arbeiten bilden die Simulation von Brandszenarien. Die Ergebnisse der Experimente werden dabei mit den Simulationscodes sowohl voraus- als auch nachgerechnet. Anhand der Gegenüberstellung zwischen Rechnung und tatsächlicher Messung lässt sich Aussagesicherheit eines Codes zeigen.

HEAF: Versagen der Elektronik im Schaltschrank als Brandursache

HEAF-Experiment zum Störlichtbogen in einem Schaltschrank mit sich daran anschließendem BrandDas international besetzte CSNI-Projekt HEAF untersucht Brände, die aus sogenannten Störlichtbögen (High Energy Arcing Faults) resultieren. Lichtbögen entstehen, wenn es zu einem plötzlichen Ausgleich von Spannungsunterschieden zwischen zwei elektrisch geladenen Bauteilen kommt. Lichtbögen entstehen z.B. auch beim Öffnen und Schließen von Mittel- und Hochspannungsschaltern, weshalb diese Schaltvorgänge sehr schnell erfolgen müssen.

Als Störlichtbögen werden solche Lichtbögen bezeichnet, die zu Schäden oder Unfällen führen. Da ein Lichtbogen eine Kerntemperatur von rund 10.000 Grad Celsius aufweisen kann, besteht die Gefahr, dass die Metallteile der betroffenen Komponente (z.B. Schaltschrank, Transformator oder Kabel) explosionsartig verdampfen und ggf. einen Brand verursachen.  

Hintere Ansicht eines durch einen Störlichtbogen (HEAF) und anschließenden Brand zerstörten SchaltschrankFür das Projekt HEAF wird eine Versuchsserie zum hochenergetischen Versagen elektrischer Komponenten durch Störlichtbögen mit möglichem Folgebrand durchgeführt. Während die US-amerikanische Aufsichtsbehörde U.S. NRC die Experimente durchführt, stellen die anderen Projektpartner Komponenten bereit oder finanzieren die Versuche mit. Deutschland hat dafür zum Beispiel in der ersten Projektphase zwei Hochspannungsschaltanlagen aus einem deutschen Kernkraftwerk zur Verfügung gestellt.

Aktuell werden im Rahmen der nächsten Projektphase weitere Versuche mit Mittelspannungsschaltanlagen vorbereitet, die 2019 und 2020 stattfinden sollen. Deutschland stellt für diese Experimente acht Schaltanlagen unterschiedlicher Spannungsebenen zur Verfügung.

Die GRS hat die Schaltschränke beschafft, deren Demontage im Kernkraftwerk und den Transport nach Amerika organisiert. Außerdem wird sich die  GRS  in der zweiten Phase von HEAF an der fachlichen Begleitung der Versuche und der vertieften Auswertung der Versuchsdaten im Auftrag des Bundesumweltministeriums beteiligen. Trotz des Ausstiegs aus der Kerntechnik ist die Thematik für Deutschland interessant, da die Schaltschränke auch nach der Abschaltung der Anlagen sowohl in der Nachbetriebsphase als auch während des Rückbaus noch längere Zeit genutzt werden. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts fließen mit in die Bewertung, den Erhalt und die weitere Erforschung der Sicherheit kerntechnischer Anlagen ein. Darüber hinaus können die Ergebnisse in vielen anderen industriellen Bereichen genutzt werden, in denen Schaltschränke eingesetzt werden.

Weitere Informationen

KTA-Richtlinie Brandschutz in Kernkraftwerken

GRS-Bericht: Vertiefte Untersuchungen zum hochenergetischen Versagen elektrischer Komponenten (HEAF) mit möglicher Brandfolge

OECD/NEA PRISME Project Application Report

Informationen der OECD/NEA zu PRISME

Informationen zu HEAF