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Das KKW Civaux

Sicherheitsrelevante Schäden im Sicherheits-Einspeisesystem französischer Kernkraftwerke (Stand: 03.08.)

In zahlreichen französischen Reaktorblöcken sind im Lauf der vergangenen Monate Rissbefunde an Schweißnähten in den Sicherheits-Einspeisesystemen festgestellt worden. Der nachfolgende Beitrag bietet einen aktualisierten Überblick über den aktuellen Wissensstand. Er beruht auf Informationen der französischen Aufsichtsbehörde ASN, der Betreiberin EDF und unseres französischen Partners IRSN, mit dem wir über das europäische Netzwerk ETSON in engem fachlichen Austausch stehen. (Anm.: Die Ergänzungen gegenüber der Vorversion dieses Beitrags finden sich am Ende des Textes.)

Verbindung des Sicherheits-Einspeisesystems mit dem Primärkreislauf
© IRSN
Verbindung des Sicherheits-Einspeisesystems mit dem Primärkreislauf

Die Schäden wurden erstmalig im Rahmen der alle zehn Jahre stattfindenden Sicherheitsprüfungen des Druckwasserreaktors von Civaux-1 festgestellt.

Konkret handelte es sich um Anzeigen bei Ultraschalluntersuchungen von Leitungen des Sicherheits-Einspeisesystems, die auf Risse zurückgeführt wurden.

Aufgabe und Funktion des Sicherheits-Einspeisesystems

Aufbau eines Druckwasserreaktors; die Sicherheits-Einspeisesysteme sind nicht im Bild, sind aber direkt an die Schleifen des Primärkreislaufs angeschlossen
© San Jose, Niabot (CC BY 3.0)
Aufbau eines Druckwasserreaktors

Bei den betroffenen französischen Druckwasserreaktoren besteht das Sicherheits-Einspeisesystem aus einem Niederdruck- und einem Mitteldruck-Einspeisesystem sowie den Druckspeichern.

Es ist mehrfach an die Schleifen des Primärkreislaufs angeschlossen, durch den das im Reaktorkern aufgeheizte Wasser in den Dampferzeuger geleitet wird und anschließend abgekühlt in den Reaktorkern zurückgelangt.

Das Sicherheits-Einspeisesystem dient zur Beherrschung von Störfällen, bei denen infolge eines Lecks Kühlmittel (Wasser) aus dem Primärkreislauf entweicht. Dieser Störfall wird fachsprachlich als Kühlmittelverluststörfall (englisch: LOCA – Loss of Coolant Accident) bezeichnet. In einem solchen Fall soll mit den Sicherheits-Einspeisesystemen Wasser in den Primärkreislauf eingespeist werden. Dies ist notwendig, um den Kühlmittelverlust über das Leck zu ergänzen und die Kühlung des Reaktorkerns zu gewährleisten. Ohne dieses System könnte sonst auch nach der Abschaltung des Reaktors die sogenannte Nachzerfallswärme nicht abgeführt werden und es könnte zu Kernschäden bis hin zu einer Kernschmelze kommen.

Relevanz der Schäden für die Sicherheit

Wenn die Risse im fortlaufenden Betrieb eine bestimmte Größe erreichen, kann es – insbesondere bei einer zusätzlichen mechanischen Belastung – zu einem Leck oder Bruch einer der betroffenen Leitungen kommen. Da zwischen dem Ort der Rissbefunde und dem Primärkreislauf eine direkte Verbindung besteht, käme es dann zu einem Kühlmittelverluststörfall.

Es sind Szenarien denkbar, bei denen mechanische Belastungen gleichzeitig auf alle betroffenen Leitungen des Sicherheits-Einspeisesystems wirken, z. B. im Fall eines schwereren Erdbebens. Käme es in einem solchen Fall zum gleichzeitigen Abriss mehrerer dieser Leitungen, wären Kernschäden bis hin zu einer Kernschmelze nur zu verhindern, wenn weitere Notfallmaßnahmen zur Reaktorkühlung erfolgreich umgesetzt werden könnten.

Bisherige Erkenntnisse zu Art und Ursache der Schäden

Bei den Rohrschäden handelt es sich um Risse in Umfangsrichtung, d. h., sie verlaufen quer zur Leitungsrichtung. Sie befinden sich im Grundmaterial neben Schweißnähten. Die Betreiberin hat betroffene Rohrleitungsabschnitte herausgetrennt, um die Schadensursache von einem Labor ermitteln zu lassen. Ersten metallografischen und mikroskopischen Untersuchungen zufolge handelt es sich um interkristalline Spannungsrisskorrosion.

Spannungsrisskorrosion entsteht typischerweise nur, wenn drei ungünstige Bedingungen zusammenkommen: hohe mechanische Spannungen, aggressive Umgebungsbedingungen und ein unter diesen Bedingungen empfindlicher Werkstoff. Über die genaue Ursache der Spannungsrisskorrosion lässt sich zum jetzigen Zeitpunkt nur spekulieren. Der betroffene Werkstoff, ein nichtstabilisierter Chrom-Nickel-Stahl, ist unter den normalen chemischen Bedingungen im Primärkreis, d. h. praktisch sauerstofffreiem Heißwasser, nach bisheriger Erfahrung wenig empfindlich gegen interkristalline Spannungsrisskorrosion.

Bisherige Auswirkungen und ergriffene Maßnahmen

Die Betreiberin hat nach Bekanntwerden der Schäden an der Anlage Civaux-1 auch den Reaktorblock 2 für Untersuchungen vom Netz genommen. Auch die baugleichen Reaktoren Chooz B-1 und B-2 wurden heruntergefahren (hier wurden später entsprechende Schäden bestätigt, s. nachfolgendes Update v. 29.04.). Damit sind alle Reaktorblöcke vom Typ N4, den leistungsstärksten französischen Reaktoren mit einer Bruttoleistung von 1560 MW, vom Netz.

Außerdem wurden im Rahmen der Revisionsarbeiten auch im Kernkraftwerk Penly 1 Rissbildungen im Sicherheits-Einspeisesystem gefunden. Hierbei handelt es sich um einen Reaktor vom Typ P‘4; die dort festgestellten Rissbefunde sind allerdings nicht so stark ausgeprägt wie bei den N4-Reaktoren. Zum jetzigen Zeitpunkt kann nicht ausgeschlossen werden, dass weitere Anlagen dieses Typs kurzfristig untersucht werden müssen. In Frankreich werden insgesamt zwölf dieser Blöcke an fünf Standorten betrieben.

EDF führt zurzeit noch vertiefende Untersuchungen an den herausgetrennten Rohrleitungsabschnitten durch. Gleichzeitig werden die Herstellungsunterlagen ausgewertet, Betriebsbedingungen analysiert und bisher durchgeführte Prüfungen nochmals auf Hinweise untersucht. Die Untersuchungen, die Instandsetzungsarbeiten sowie die Kontrollen der Aufsichtsbehörden und Gutachterorganisationen werden sich in jedem Fall mehrere Monate hinziehen.

Update 09.02.2022

Die Betreiberin EDF hat am 08.02.2022 bekanntgegeben, dass insgesamt sechs weitere Reaktorblöcke auf Schäden hin untersucht werden sollen. Die Reaktorblöcke Bugey 3 sowie Flamanville 1 und 2 werden im Rahmen anstehender Revisionen untersucht; Chinon 3, Cattenom 3 und Bugey 4 sollen für die Untersuchungen außerplanmäßig abgeschaltet werden. Darunter sind neben Reaktoren vom Typ P'4 bzw. P4 auch Reaktoren der 900 MW-Klasse.

Ersten Laborergebnissen zufolge weisen die bisher festgestellten Risse eine Tiefe von 0,75 bis 5,6 mm auf – bei einer Rohrwanddicke von 30 mm. Die französische Aufsichtsbehörde ASN wird laut EDF regelmäßig über die Ergebnisse der Kontrollen und Untersuchungen informiert. Weitere Informationen finden sich in dem hier verlinkten Informationsschreiben der Betreiberin.

Update 29.04.2022

Zwischenzeitlich wurden die Untersuchungen hinsichtlich möglicher weiterer Fälle von Spannungsrisskorrosion durch die Betreiberin auch auf die Nachkühlsysteme der Reaktorblöcke Penly 1 sowie aller N4-Anlagen (Civaux 1 und 2 sowie Chooz B1 und B2) ausgeweitet, deren Leitungen aus demselben Werkstoff gefertigt sind wie die der Sicherheits-Einspeisesysteme. Erste Untersuchungsergebnisse aus zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchungen lassen es möglich erscheinen, dass auch in der Nähe von Schweißnähten von Rohrleitungen der Nachkühlsysteme Schäden durch Spannungsrisskorrosion vorliegen.

Je nachdem, welche Ergebnisse die Ultraschalluntersuchungen ergeben, lässt sich dies bei allen potenziell betroffenen Rohrleitungen (d. h. sowohl im Sicherheits-Einspeisesystem als auch im Nachkühlsystem) jedoch nur durch zerstörende Laboruntersuchungen sicher feststellen. Konkret bedeutet dies, dass Rohrleitungsabschnitte mit entsprechenden Rissanzeigen herausgetrennt werden müssen. Entsprechender Ersatz muss dann neu gefertigt und eingebaut werden.

Bislang hat die Betreiberin Fälle von Spannungsrisskorrosion in den Anlagen Chooz B1 und B2, Civaux 1 und 2 sowie Penly 1 bestätigt. Anzeigen von Ultraschalluntersuchungen weisen nach heutigem Kenntnisstand darauf hin, dass außerdem die Reaktorblöcke Cattenom 3, Chinon 3, Flamanville 2 sowie Golfech 1 ebenfalls derartige Schäden aufweisen könnten. Mit Chinon 3 ist dabei erstmalig auch eine Anlage der 900-MW-Klasse betroffen, sodass potenziell Anlagen aller drei Reaktorbaulinien in Frankreich entsprechende Schäden aufweisen könnten (sowohl die 900-MW-Klasse als auch die 1.300-MW-Klasse werden jeweils noch in zwei Typen unterteilt, die sich jedoch nicht wesentlich unterscheiden).

Parallel zu den bislang durchgeführten Untersuchungen einzelner Anlagen arbeitet die Betreiberin nach eigenen Angaben ein Prüfprogramm aus, auf dessen Grundlage alle französischen Reaktorblöcke untersucht werden sollen. Diese Untersuchungen sollen während der geplanten jährlichen Stillstände (für Revision bzw. Wartung und Brennelementwechsel) in den Jahren 2022 bis 2024 stattfinden.

Infolge der Stillstände der vorgenannten Anlagen sowie weiterer Stillstände (u. a. für Revisionen sowie für die alle 10 Jahre durchzuführenden, mehrmonatigen Inspektionen) steht Frankreich gegenwärtig nur rund die Hälfte seiner nuklearen Stromerzeugungskapazität zur Verfügung. Dies hatte unter anderem zur Folge, dass Frankreich seit Jahresbeginn bis auf Ausnahmen an wenigen Tagen Strom aus Deutschland in einer Größenordnung von bis zu über 100 Gigawattstunden (GWh) pro Tag importiert hat (entsprechende Daten bietet u. a. das „Agorameter“). Zur Einordnung: Ein konventionelles oder nukleares Großkraftwerk erzeugt ca. 20 bis knapp 30 GWh pro Tag.

Signifikante Einschränkungen der Erzeugungskapazität sind bis mindestens Ende 2022 zu erwarten: Die Anlagen Chooz B1 und B2 sowie Civaux 1 und 2 stehen bis voraussichtlich Ende Dezember 2022 still, die übrigen der bislang betroffenen Anlagen überwiegend bis August 2022. Sollten bei den letztgenannten oder den weiteren bis 2024 zu prüfenden Reaktorblöcken ebenfalls Rohrleitungen ausgetauscht werden müssen, sind jeweils Stillstände von bis zu einem Jahr zu erwarten.

Update 19.05.2022

Laut Angaben der Betreiberin EDF sind mittlerweile 12 KKW zwecks Untersuchungen vom Netz – die vier Reaktorblöcke vom Typ N4, fünf Reaktoren der 1.300- und drei der 900-MW-Klasse. Das bestätigte der Präsident der Aufsichtsbehörde ASN Bernard Doroszczuk im Rahmen einer Anhörung. Zum jetzigen Zeitpunkt der Untersuchungen sei davon auszugehen, dass die vier N4-Reaktoren am stärksten von dem Korrosionsphänomen betroffen seien. Das Phänomen tauche bei den 1.300er-Anlagen weniger stark, bei den 900er nur schwach bis gar nicht auf, so Doroszczuk. Eine zerstörungsfreie Prüfung sei zudem nicht möglich – lediglich zerstörende Laboruntersuchungen könnten hier Klarheit bringen. Die Sicherheit der Anlagen sei allerdings nicht gefährdet.

Da weitere Reaktorblöcke wegen der alle zehn Jahre stattfindenden Sicherheitsprüfungen beziehungsweise wegen routinemäßiger Wartungsarbeiten abgeschaltet sind, stehen Frankreich von 56 Kraftwerksblöcken zurzeit lediglich 26 zur Verfügung. 

Update 03.08.2022

Bis 2025 sollen alle Reaktoren kontrolliert werden

Die französische Atomaufsichtsbehörde ASN hat mittlerweile die von der Betreiberin EDF vorgeschlagene Kontrollstrategie geprüft und als angemessen bewertet. Die Strategie sieht vor, dass EDF bis 2025 alle seine Reaktoren mithilfe eines neuen, zerstörungsfreien Ultraschallprüfverfahrens auf Schäden hin kontrolliert. Dieses Verfahren wurde mit dem Ziel entwickelt, die Risse durch Spannungsrisskorrosion zuverlässig zu erkennen und ihre Tiefe abzuschätzen.

EDF hatte in den letzten Wochen und Monaten zahlreiche Arbeiten durchgeführt, um das Verständnis des Korrosionsphänomens zu vertiefen und die betroffenen Bereiche zu identifizieren. Dazu wurden unter anderem 70 Laboruntersuchungen von Material aus der Nähe von Schweißnähten aus insgesamt acht Reaktoren durchgeführt. Hierbei wurden die Geometrie der Rohrleitungen und ihre thermomechanischen Belastungen als Hauptursachen für das Auftreten von Spannungsrisskorrosionen identifiziert.

Besonders anfällig für das Korrosionsphänomen sind laut EDF

  • die Leitungen des Sicherheitseinspeisesystems, die sich im kalten Strang befinden, und die Saugleitungen des Nachkühlsystems der Reaktoren vom Typ N4 (jeweils zwei 1.450-MW-Blöcke in Chooz B und Civaux);
  • die Leitungen des Sicherheitseinspeisesystems, die sich im kalten Strang der Reaktoren vom Typ P'4 befinden (insgesamt zwölf 1.300-MW-Blöcke an den Standorten Belleville, Cattenom, Golfech, Nogent-sur-Seine und Penly).

Die entsprechenden Systeme der Reaktoren vom Typ P4 (1.300 MW) und die 900-MW-Reaktoren sind nach jetzigem Kenntnisstand kaum anfällig für diese Form der Spannungsrisskorrosion. Die Kontrollstrategie sieht daher vor, die Reaktoren der Typen N4 und P'4 zu priorisieren. Dabei soll die neue Prüfmethode im Laufe der zweiten Jahreshälfte 2022 erstmalig angewendet werden.

Übertragbarkeit auf deutsche Kernkraftwerke

Die GRS beobachtet im Auftrag des Bundesumweltministeriums die Situation in Frankreich und untersucht auch – basierend auf den vorliegenden Informationen – eine eventuelle Übertragbarkeit auf deutsche Kernkraftwerke. Nach jetzigem Kenntnisstand ist eine Übertragbarkeit nicht zu unterstellen, was durch die vorliegenden Prüfergebnisse bestätigt wird: Die deutschen Anlagen werden regelmäßig mit geeigneten Verfahren geprüft, um das Auftreten von Schädigungen an den Komponenten frühzeitig zu erkennen. Bei diesen Untersuchungen wurden bislang keine Risse dieser Art festgestellt.