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Wissenswertes

Auf unserem Faktenblatt finden Sie Fragen und Antworten zu den Brennelement-Oxidationen.

1. Was bedeutet Oxidation an Brennelementen, sprechen wir da von Rost?

Das Material der Brennstäbe besteht aus einer Zirkonium Legierung, mit einem Zirkonium Anteil von 98 %. Zirkonium ist ein sehr korrosionsbeständiges Schwermetall. Das Metall rostet nicht, es oxidiert jedoch in Verbindung mit Wasser und bildet eine Schicht aus Zirkoniumoxid. Oxidationen an Brennelementen im Reaktorkern sind deshalb grundsätzlich ein normaler Prozess.

2. Was sind das für Oxidationen im KKL?

Bei den im Sommer 2016 festgestellten Oxidationen handelt es sich um lokale Stellen am oberen Ende der Brennelemente. In diesem Bereich existiert ein sogenanntes Zweiphasengemisch (Dampf-Wasser-Gemisch). Die Brennstäbe werden in diesem Bereich von Wasser und Wasserdampf gleichzeitig benetzt. Jedoch wird die Hüllrohroberfläche durch einen Wasserfilm permanent gekühlt. Dieser Zustand ist in einem Siedewasserreaktor normal (siehe Abb. 2).

Bei den lokalen Dryouts des KKL muss dieser Wasserfilm zeitweise unterbrochen worden sein, so dass die Hüllrohroberflächentemperatur dadurch kurzzeitig ansteigen konnte. Es fand aber immer wieder ein sogenanntes Rewetting (eine Wiederbenetzung der Hüllrohroberfläche) statt. Es gab also ein periodisches Abwechseln zwischen Dryout- und Rewettingphasen. Dadurch konnte die Temperatur nicht so hoch ansteigen, dass ein Schaden entstehen konnte, sondern lediglich ein Zuwachs der Oxidschicht.

3. Welche Temperaturen herrschen im Reaktorkern und wie stark steigen die Temperaturen bei einem lokalen Dryout?

Das KKL ist ein Siedewasserreaktor. Beim Durchfliessen des heissen Reaktorkerns nimmt das Wasser Wärme auf und steigt als Dampf-Wasser-Gemisch aus dem Kern. Der gewonnene Dampf wird zur Stromproduktion auf die Turbinen geführt.

Im oberen Teil des Reaktorkerns herrschen im Normalbetrieb Temperaturen von ca. 300 °C. Bei den lokalen Dryout-/Rewettingphasen steigen die Temperaturen auf 500 bis max. 700 °C.

(Dies darf aber nicht mit einer exotherme Zirkon-Wasserreaktion verwechselt werden, zu welcher es Temperaturen von ca. 1'200 °C braucht. Dieser Reaktionstyp führt zu einer starken Freisetzung von Wasserstoff, der sich dann im Zr-Werkstoff einlagert und dadurch zu Versprödung (=Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften) führt.)

4. Seit wann treten diese lokalen Dryouts auf?

(klicken zum Vergrössern)

Erstmals wurde im Betriebszyklus 2013/2014 ein Brennelementschaden entdeckt, der auf einen lokalen Dryout zurück zu führen ist. Dabei handelte es sich um einen einzigen Brennstab von über 62‘000. 2014/2015 wurden erneut Befunde an derselben lokalen Stelle festgestellt. In der Folge wurden der Kühlmitteldurchfluss optimiert und umfassende Untersuchungen an den Brennelementen initiiert.

Bei den umfangreichen Inspektionsarbeiten, die wir seit August 2016 durchgeführt haben, wurden über 200 Brennelemente aus verschiedenen Betriebszyklen (ein Betriebszyklus dauert ca. ein Jahr) untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass es seit 2011/2012 zu lokalen Dryouts an Brennelementen gekommen ist. Diese führten jedoch zu keinen weiteren Brennelementschäden, sondern lediglich zu einem Zuwachs der Oxidschicht.

5. Wie gross ist das Ausmass der Oxidationen und wie gefährlich sind sie?

Von den insgesamt 214 untersuchten Brennelementen aus mehreren Betriebszyklen weisen 47 Befunde an wenigen Hüllrohren auf. Im Betriebszyklusjahr 2015/2016 kam es an 22 Brennelementen zu erhöhter Oxidation, in früheren Zyklen traten die Oxidationen an 24 Brennelementen auf (entspricht 0.5 Promille). Die Dryouts sind sehr lokal und zeigen sich durch dünne wimpelförmige Fahnen mit Verfärbungen von einigen Millimetern bis ca. 25 cm. (Die Brennstäbe sind ca. 4 m lang und haben einen Durchmesser von ca. 1 cm). Die Oxidationstiefe ist max. 270 Mikrometer (0.27 mm) bei einer Wandstärke von 0.6 mm.

Die Oxidationen haben zu keiner Schädigung der Brennelemente geführt und die Integrität (Unversehrtheit) der Hüllrohre war jederzeit gewährleistet. Es bestand keine Gefährdung von Mensch und Umwelt. Die Anlage erfüllte jederzeit sämtliche Sicherheitsanforderungen. 

6. Sind die Leistungserhöhungen der letzten Jahre Schuld an den Oxidationen?

Entwicklung Nennleistung KKL

In keiner Weise. Vorab gilt es zwischen der thermischen Leistung des Reaktors von 3‘600 MWth und der elektrischen Nennleistung Brutto von 1275 MW zu unterscheiden.

Die Reaktorleistung (thermische Leistung) wurde 2002 letztmals erhöht. Die Leistungsverbesserung seit 2012 sind Nennleistungserhöhungen und beruhen auf Verbesserungen des Wirkungsgrads der Anlage. Die Erneuerung der Niederdruckturbinen (2010) und des Generators (2012) waren massgeblich für diese Leistungsverbesserungen verantwortlich. Der Generator wurde erneuert, um die Verbesserung des Wirkungsgrades in elektrische Energie umsetzen zu können. Eine Wirkungsgradverbesserung wurde auch durch die Erneuerung der Kühlturmeinbauten erreicht.

7. Was kann eigentlich schlimmstenfalls passieren? Was ist das Worst-Case-Szenario?

Im Normalbetrieb wäre das schlimmste Szenario, dass ein Hüllrohr undicht und Radioaktivität in das Reaktorkühlwasser entweichen würde. Diese Radioaktivität wird dann durch die verschiedenen Filter- und Reinigungsanlagen im Kraftwerk zurückgehalten. Die Umgebung wird dadurch nicht belastet.

Das KKL und der Brennelementhersteller haben umfangreiche Sicherheitsbewertungen auch für Störfälle durchgeführt. Im Zuge dieser Tests simulierte das KKL die werkstoffseitigen und mechanischen Bedingungen sowie die Reaktionen der oxidierten Brennstäbe unter den Bedingungen des grösstmöglichen Störfalles, nämlich eines sog. Kühlmittelverluststörfalles. Dabei handelt es sich um einen plötzlichen Abriss einer Reaktorhauptleitung. In einem solchen Fall wirken im Kern starke Strömungskräfte auf den Brennstoff. Der Brennstoff ist indessen für einen derartigen Störfall berechnet und ausgelegt. Im vorliegenden Fall wurde nun klar gezeigt, dass selbst „angegriffene“ Hüllrohre mit den stärksten lokalen Oxidationen diesen Störfallkräften widerstehen, ohne zu brechen und ohne Radioaktivität aus den innen liegenden Brennstofftabletten in den Kühlkreislauf zu entlassen. Diese Nachweise wurden nach dem Stand von Wissenschaft und Technik zur Störfallanalyse erbracht. Die Simulationsergebnisse wurden dem ENSI eingereicht. Das ENSI befand die Ergebnisse nach sorgfältiger Prüfung als richtig. Im Endergebnis heisst dies, dass auch unter ungünstigsten Störfallbedingungen von den wenigen oxidierten Brennstoffhüllrohren keine Gefahr für die Bevölkerung ausgeht.

8. Was sind die bisher gewonnenen Erkenntnisse

Die aus den Untersuchungen und Analysen gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass nur einjährige Brennelemente am Ende des Betriebszyklus betroffen sind (ein Betriebszyklus dauert ca. ein Jahr). Es handelt sich um die sogenannten Nebeneckstäbe „Next-to-Corner Rods“. Diese Brennstäbe erfahren im Brennelement die höchsten linearen Stablängenleistungen im Kern des Reaktors.

9. Wie viele Brennelemente mussten ausgetauscht oder repariert werden und wie funktioniert das?

Von den 47 betroffenen Brennelementen konnten diejenigen mit schwächeren Befunden wieder in den Reaktorkern eingesetzt werden. Bei 15 stärker betroffenen Brennelementen wurden 32 der insgesamt 62‘208 Brennstäbe repariert. Dabei wird das betroffene Hüllrohr durch einen sog. Dummy Stab, einem Zirkonium Stab ohne Uran, ersetzt. Dies ist ein weltweit anerkanntes und bewährtes Verfahren.

10. In der Vergangenheit kam es zu Brennelementschäden, was waren die Ursachen?

In den Jahren 2011 bis 2013 waren die Ursachen Fremdkörperreibungen von Kleinstteilen, die sich im Kühlmittel befinden (z.B. ein kleines Stück Draht, das während der Revision ins Kühlwasser gefallen ist). Dies ist ein bekanntes Phänomen, das auch in anderen Kernkraftwerken auftritt. Diese Schadensart ist im KKL allerdings selten geworden, da die Brennelemente heute sehr wirksame Filter dagegen aufweisen.

Der Brennstoffschaden im Jahr 2014 hingegen ist auf einen lokalen Dryout zurück zu führen. Damals war ein einzelner Brennstab betroffen. Im Umfeld dieses Brennstabs wurde der Steuerstab eingefahren und damit die Leistung des betroffenen und der benachbarten Brennelemente bis Ende des Betriebszyklus reduziert. Bei diesem Brennstoffschaden wurde das Hüllrohr beschädigt und radioaktive Stoffe gelangten in den geschlossenen Kühlkreislauf. Die Abgaben radioaktiver Stoffe aus dem Abluftkamin an die Umgebung waren aufgrund des Schadens leicht erhöht, lagen aber mit 0,8% der gesetzlichen Abgabelimite von Iod auf sehr tiefem Niveau.

11. Wie kann verhindert werden, dass es im nächsten Betriebszyklus zu weiteren Brennelement-Befunden kommt?

Das KKL hat in den letzten Monaten mehr als 200 verschiedene Brennelemente aus verschiedenen Zyklen an verschiedenen Positionen untersucht. Die aus den umfangreichen Untersuchungen und Analysen gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass nur einjährige (neue) Brennelemente am Ende des Betriebszyklus betroffen sind. Es handelt sich um die sogenannten Nebeneckstäbe „Next-to-Corner Rods“. Diese Brennelemente sind am stärksten beansprucht. Aus diesem Grund weisen Brennelemente an anderen Positionen deutlich weniger erhöhte Oxidationen auf.

Das KKL hat basierend auf diesen Ergebnissen für den kommenden Betriebszyklus die Kernauslegung angepasst. Bei den 84 neu eingesetzten Brennelementen wurde die maximal zulässige Brennelementleistung herabgesetzt, was dazu führt, dass die Gesamtleistung des Reaktors im nächsten Betriebszyklus im Mittel auf 90% limitiert ist. Zudem wird der maximale Kerndurchsatz auf 95 % festgelegt.

12. Wie werden die Brennelemente während des Betriebes überwacht?

Der Reaktorkern wird laufend überwacht. Die Überwachungsprogramme liefern verschiedene Kenngrössen u.a. auch bezüglich der herrschenden Siedezustände. Die Einhaltung der unter Pkt. 9 angesprochenen und neu eingeführten Grenzwerte wird durch Überwachung mit dem Kernüberwachungssystem gewährleistet.

Schliesslich werden nach dem Betriebszyklus in der Jahreshauptrevision vom Herbst 2017 zusätzliche Inspektionen durchgeführt. Würde es im kommenden Betriebszyklus zu einem Brennstoffschaden kommen, würden dies die Überwachungssysteme umgehend anzeigen und die dafür notwendigen Sicherheitsmassnahmen einleiten. Das KKL würde die Anlage gemäss ENSI-Auflage geordnet herunterfahren.

13. Weshalb kann das KKL den Betrieb wieder aufnehmen, ohne die Ursachen der Brennelement-Befunde restlos zu kennen?

Die Bedingungen, unter denen es im KKL zu Oxidationen an einzelnen Brennelementen gekommen ist, sind bekannt. Verschiedene Massnahmen stellen sicher, dass es im nächsten Betriebszyklus zu keinen neuen Oxidationen kommt. Aufgrund eines umfangreichen Inspektionsprogrammes, das während des Stillstandes durchgeführt wurde, zeigte sich, dass die Oxidationserscheinungen bei reduzierter Brennelementleistung nicht mehr auftreten. Vor diesem Hintergrund hat das KKL bei den 84 Brennelementen, die für den kommenden Betriebszyklus neu eingesetzt werden, die Auslegung entsprechend angepasst und die Leistung reduziert. Zudem wird der maximale Kerndurchsatz auf 95 % festgelegt. Der Kerndurchsatz ist die Menge Wasser, die pro Zeiteinheit durch den Kern gepumpt wird. Die Gesamtleistung des Reaktors wird dadurch auf rund 90 % limitiert.

Somit schliesst das KKL die zu lokalen Dryouts führenden Bedingungen für den nächsten Betriebszyklus aus. Parallel dazu führt es die vertiefte Ursachenanalyse weiter. Dazu arbeiten Spezialisten des KKL gemeinsam mit dem Brennelementhersteller, dem Reaktorhersteller und unabhängigen, internationalen Fachexperten. Im Fokus der Untersuchungen stehen die Prozesse im Reaktorkern sowie die Analyse betrieblicher Parameter.

Bilder und Grafiken

Der Reaktorkern besteht aus 648 Brennelementen mit je 96 Brennstäben (total 62‘208 Brennstäbe). Die Brennstäbe sind mit Uranpellets gefüllt. KKL Website zu Brennstoff und Entsorgung

Abb. 1 Schnittzeichnung eines Brennelements (klicken zum Vergrössern)
Abb. 2 Innenansicht eines Kernreaktors (klicken zum Vergrössern)

Generalversammlung 2017

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Oxidationen an den Brennelementen

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