Lehrbuch der Reaktortechnik

Brennelemente haben eine begrenzte Standzeit und müssen danach durch neue ersetzt werden. Die Standzeit wird begrenzt durch den geplanten Abbrand, vorausgesetzt, daß sich nicht vorher ein Brennelementdefekt herausstellt. In diesem Falle muß bei nächster Gelegenheit, d.h. in der Regel beim nächsten Brennelementwechsel ausgetauscht werden. Die Brennelemente können im allgemeinen nicht während der ganzen Standzeit auf der gleichen Position im Reaktor verbleiben, sondern werden drei- bis viermal umgesetzt. Das Umsetzen wird nach einem vorher festgelegten Umsetzplan durchgeführt, der so angelegt ist, daß die Überschußreaktivität angehoben und die Leistungsdichteverteilung möglichst vergleichmäßigt wird (s. Band 2, Kapitel 28).

Als Reaktorhilfsanlagen werden die Systeme bezeichnet, die am Reaktorbetrieb unmittelbar beteiligt sind und gleichzeitig in Betrieb sein müssen. Dazu zählen die Anlagen zur Einspeisung und Entnahme von Hauptkühlmittel sowie die zugehörigen Reinigungs- und Aufarbeitungsanlagen, ferner der Zwischenkühlkreislauf mit allen Kühlstellen im Kontrollbereich einschließlich der Nach- und Notkühlung, u.U. auch Lüftungsanlagen, Sperrwasser-, Sperrdampf-, Schutzgas- und Ölversorgungssysteme.

Ein Kernkraftwerk stellt nicht einfach ein Wärmekraftwerk dar, bei dem der Feuerungskessel durch einen nuklearen Dampferzeuger ersetzt ist. Vielmehr muß die Dampfkraftanlage nach den vom nuklearen Dampferzeuger vorgegebenen Bedingungen konstruiert und ausgelegt werden und weist deshalb eine Reihe von Besonderheiten auf. Am ehesten gleicht die Dampfkraftanlage bei Hochtemperatur- und natriumgekühlten Reaktoren der konventionellen Ausführung, weil dort die gleichen Dampfzustände, nämlich etwa 180 bar/530 °C, angeboten werden können. Besonders drastisch weicht die Ausführung bei Leichtwasserreaktoren von der fossiler Wärmekraftwerke ab. Die Begrenzung der Primärkühlmitteltemperatur auf ca. 320 °C läßt nur eine Sattdampferzeugung mit einem Druck von etwa 68 bar zu. Deshalb wird im folgenden die Dampfkraftanlage eines 1300-MW-Druckwasserreaktors als Beispiel beschrieben [8]. Bild 33.1 gibt einen Übersichtsschaltplan dieser Anlage für einen Dampferzeuger, ohne die Mehrsträngigkeit zu berücksichtigen.

Die elektrotechnische Ausrüstung eines Kernkraftwerks wird im großen und ganzen nach den gleichen Grundsätzen und unter Verwendung der gleichen Technik wie in anderen Kraftwerken und industriellen Anlagen ausgelegt. Sicherheit und Verfügbarkeit haben allerdings in Kernkraftwerken einen höheren Rang, und deshalb werden bei Schaltungen, die für Anlagenschutz und Sicherheit Bedeutung haben, wesentlich weitergehende Anstrengungen gemacht, um nahezu absolute Zuverlässigkeit zu erreichen. In diesem Bereich ist der Stand der Technik weiter entwikkelt als in üblichen industriellen Anlagen. Deshalb wird für die folgende Darstellung vor allem diesen Gesichtspunkten besondere Beachtung geschenkt.

Die Anordnung einer Kernkraftwerksanlage wird durch die Funktionszuordnung der einzelnen Gebäude unter Berücksichtigung der Gegebenheiten des Standortes bestimmt. Selbstverständlich hat sich für jeden Reaktortyp ein eigenes Anordnungskonzept herausgebildet. Aber auch die Anlagen verschiedener Hersteller mit dem gleichen Reaktortyp weisen deutliche Konzeptunterschiede auf, besonders auffällig z.B. die Siedewasserreaktor-Kernkraftwerke von General Electric und KWU. Das zeigt klar, daß die Gesamtanordnung nur zum Teil einer technischen Logik unterworfen ist, die eine bestimmte Lösung zwingend verlangt. Ein großer Teil kann frei nach dem Ermessen des Herstellers oder den Wünschen des Betreibers gestaltet werden. Natürlich ist jeder Hersteller bemüht, für sein Konzept möglichst eine Standardanordnung beizubehalten, die sich am Beispiel früher errichteter Anlagen orientiert. Aber sowohl die ständige Vergrößerung der Leistungseinheiten als auch die technische Weiterentwicklung und nicht zuletzt die immer höher geschraubten Sicherheitsforderungen haben bewirkt, daß bis in die jüngste Zeit noch kaum eine Anlage in ihrer Gesamtanordnung mit einer anderen übereinstimmt. Erst die drei Konvoi-Anlagen der KWU wie auch die französischen Kernkraftwerke sind weitgehend standardisiert.

Die Sicherheit der Kernkraftwerke war von Anfang an eine wesentliche Forderung bei der Auslegung der Anlagen. Dies hat dazu geführt, daß Kernkraftwerke heute zu den sichersten Industrieanlagen gehören, die wir kennen. Dennoch wird ihre Sicherheit von vielen immer wieder in Frage gestellt, was nur dadurch zu erklären ist, daß sie von irrationalen Sicherheitsvorstellungen ausgehen.

Eine der wichtigsten Auslegungs- und Betriebsforderungen ist die Rückhaltung und Abschirmung radioaktiver Strahlung im Kernkraftwerk. Es wird bei der radioaktiven Strahlung zwischen direkt und indirekt ionisierenden Strahlen unterschieden. Zu den ersteren gehören die geladenen Teilchenstrahlen, deren kinetische Energie ausreicht, um Ionisation durch Stoß hervorzurufen, während zur zweiten Gruppe die Photonen und Neutronen gerechnet werden, da diese erst nach Kernreaktionen direkt ionisierende Strahlen als Folgeprodukte erzeugen. Für den Kernreaktor als Strahlenquelle im Kernkraftwerk kommen im wesentlichen nur die α-, β- und γ-Strahlung sowie die Neutronenstrahlung als zu berücksichtigende Strahlenarten in Betracht. Wie schon in Band 1, Kapitel 2, erläutert, stellen die α- und β-Strahlung wegen ihrer kurzen Reichweite keine Probleme hinsichtlich der Abschirmung dar. Die Aufmerksamkeit muß unter dem Gesichtspunkt der Abschirmung mehr auf die γ- und Neutronenstrahlung gerichtet sein. Dagegen hat vor allem die α-Strahlung aufgrund der Emission radioaktiver Stoffe bezüglich der Aufnahme durch Nahrung (Ingestion) und durch Atemluft (Inhalation) wegen der stark ionisierenden Wirkung der α-Teilchen besondere Bedeutung.

Als Sicherheitseinrichtungen gelten folgende Systeme, die nach den in Kapitel 36 genannten Sicherheitsforderungen zusammengefaßt werden können:

Bei technischen Anlagen sind die Sicherheitsregeln im allgemeinen im Laufe der Entwicklung anhand der Betriebserfahrungen entstanden. Zur Ermittlung der erforderlichen Sicherheitsreserven sind mit besonders kritischen Bauteilen auch gelegentlich Belastungsversuche bis zum Versagen durchgeführt worden. Bei Kernkraftwerken, wo der Sicherheitsnachweis schon als Voraussetzung der Genehmigung geführt werden muß, war dieser Weg nur sehr bedingt gangbar. Obwohl über 340 Kernkraftwerke in der Welt in Betrieb sind und die aufsummierte Betriebszeit rund 3500 Jahre beträgt, konnte nur eine geringe Zahl von Störfällen registriert werden. Diese sind mit ganz wenigen Ausnahmen von den Sicherheitssystemen beherrscht oder frühzeitig beendet worden, so daß der vollständige Störfallablauf nicht beobachtet werden konnte. Die weitaus größte Zahl von Störungen, die ohne Schäden für die Anlage von den Schutzsystemen abgefangen wurde, gibt wenigstens einen Einblick in Art und Häufigkeit der zu erwartenden Störungsursachen. Die Analyse der registrierten Störungen zeigt u.a., daß ein nicht unerheblicher Teil ursächlich auf menschliches Fehlverhalten zurückzuführen ist [46].

In allen Ländern, in denen bisher Kernkraftwerke gebaut wurden, ist eine Genehmigung für die Errichtung und den Betrieb erforderlich, die einen Nachweis der Sicherheit zur Voraussetzung hat. Obwohl dieser Grundsatz allgemein gilt, sind die Verfahren in den einzelnen Ländern, bedingt vor allem durch die unterschiedliche Verwaltungsstruktur, sehr verschieden.

Von der Bausumme für ein Kernkraftwerk in Höhe mehrerer Milliarden DM werden auf der Baustelle ca. 22% umgesetzt. Deshalb kommt dem Bau, der Montage und der Inbetriebsetzung der Anlage während einer Bauzeit von etwa sechs Jahren große Bedeutung zu. Dort werden zum ersten Male Tausende von Einzelteilen zusammengeführt und zu Funktionssystemen zusammengefügt, die vorher nur einzeln geprüft und erprobt worden sind. Das gewaltige Volumen der Teile eines Kernkraftwerks mit einer elektrischen Leistung von 1300 MW wird durch die zu verarbeitenden Massen deutlich: 215000 m³ Beton, 35000 Mg Bewehrungsstahl, 8000 Mg Rohrleitungen, 2600 km Kabel, um nur die wichtigsten zu nennen.

Kernkraftwerke sind Anlagen, die in ununterbrochenem Betrieb arbeiten und sich den jeweiligen Bedarfsanforderungen anpassen müssen. Der Kapitaleinsatz für diese Anlagen ist so hoch, daß jede Betriebsunterbrechung einen großen Verlust durch Ausfall der Stromlieferung bedeutet. Für den Betrieb rund um die Uhr sind mehrere Schichten notwendig. Wartung und Reparatur müssen, soweit möglich, ohne Betriebsunterbrechung durchgeführt werden. Bei Kernkraftwerken ist der Betrieb dadurch besonders erschwert, daß viele Anlagenräume nicht oder nur beschränkt zugänglich sind. Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Betriebsaufgaben spezieller Art, wie Radioaktivitätsüberwachung und Anlagensicherung, die wegen der Sensibilität der Öffentlichkeit mit besonderer Sorgfalt gehandhabt werden müssen.

Die wirtschaftliche Bedeutung der Kernenergie ist vor allem in den niedrigen Wärmekosten begründet. Daher ist die kostengünstige Gestaltung der verschiedenen Stufen des Brennstoffkreislaufs eine wesentliche Voraussetzung für die Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung.

Kernkraftwerke werden weltweit zu über 99% ausschließlich zur Stromerzeugung eingesetzt [69]. Dies hat ökonomische Ursachen, da die Entwicklung der Kernenergie in den 50er und 60er Jahren einherging mit hohen Zuwachsraten im Stromverbrauch und gleichzeitig preiswertes und einfach zu handhabendes Öl in den Niedertemperaturbereich eindrang. Ein anderer Einsatz der Kernenergie als nur zur Stromerzeugung wird heute zwar vielfach diskutiert und untersucht, der Verwirklichung der Produktion von Heiz- und Prozeßwärme steht aber zur Zeit noch eine unsichere ökonomische wie auch politische Bewertung entgegen. Dies gilt auch für den Hochtemperaturreaktor, der Prozeßwärme auf einem hohen Temperaturniveau liefern kann. Für die alleinige Nutzung zur Stromerzeugung ist das hohe Temperaturniveau nicht notwendig. Aufgrund dieser Tatsachen soll der wirtschaftliche Einsatz der Kernenergie in der Elektrizitätsversorgung vorrangig dargestellt werden. Am Ende dieses Kapitels wird aber noch einmal auf die anderen Nutzungsmöglichkeiten eingegangen.

In den Zeiten der Menschheitsgeschichte bis zum Beginn der Industrialisierung sind von Menschen im wesentlichen Energiequellen benutzt worden, die sich in der Natur ständig regenerieren durch die Einstrahlung der Sonne. Der größte Teil der Arbeit mußte durch die Muskelkraft von Mensch und Tier geleistet werden. In bescheidenem Umfang gab es auch Maschinen, die Wasser und Wind ausnutzten. Zum Heizen wurden Holz und andere pflanzliche Stoffe verbrannt.