Reaktordruckbehälter

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Reaktordruckbehälter im Kernkraftwerk Shippingport 1956

Der Reaktordruckbehälter (RDB, auch Reaktorkessel) ist ein Behälter in einem Kernkraftwerk, in dem sich der wärmeerzeugende Reaktorkern mit den Brennelementen befindet. Er ist eine von mehreren Barrieren, die das Austreten radioaktiver Stoffe verhindern sollen (siehe Sicherheit von Kernkraftwerken).

Bei größeren Kernkraftwerken mit Hochtemperaturreaktoren (HTR) wurde als Reaktordruckbehälter ein vorgespannter Behälter vorgesehen, bei dem ein Bersten unmöglich ist. Beim Kernkraftwerk THTR-300 nach Rudolf Schulten war es ein Druckbehälter aus Spannbeton, der im Betrieb allerdings nicht überzeugte. Für zukünftige HTR-Kernkraftwerke wird daher auch über vorgespannte Behälter aus Stahlguss oder Sphäroguss nachgedacht.

Aufbau[Bearbeiten]

Der Reaktordruckbehälter eines modernen Leichtwasserreaktors ist ein zylindrischer Stahlbehälter mit halbkugelförmigem Boden und Deckel, der mit den Rohrleitungen für das Kühlmittel verbunden ist. Der Reaktordruckbehälter enthält insbesondere den Reaktorkern mit den Brennelementen sowie die als Kernbauteile bezeichneten Strukturen, welche die Brennelemente an ihrem vorgesehenen Platz fixieren (oberes und unteres Kerngitter, Brennelementkästen, etc.).

Zum Brennelementwechsel und für Wartungsarbeiten wird der obere Deckel abgehoben. Der Deckel ist mit zahlreichen vorgespannten Schraubbolzen und Muttern mit dem Druckbehälterunterteil verbunden. Als Dichtungen werden in der Regel zwei O-Ringe aus Silber verwendet. Der Reaktordruckbehälter der Leichtwasserreaktoren hat eine Restwahrscheinlichkeit des Berstens, die wegen ihrer Geringfügigkeit als irrelevant erklärt wurde, zum Beispiel von Heinrich Mandel [1]. Der Reaktordruckbehälter befindet sich mitsamt einem ihn radial umgebenden, rund zwei Meter dicken Stahlbetonzylinder, der als Strahlungsabschirmung dient (biologischer Schild), im Inneren des Sicherheitsbehälters.

Druckwasserreaktor[Bearbeiten]

Bei einem Druckwasserreaktor (DWR) wie z. B. in Neckarwestheim 2 hat er eine Höhe von etwa zwölf Metern und einen Innendurchmesser von etwa fünf Metern. Seine Wanddicke beträgt 25 cm.

Der Boden des RDB besteht aus der halbrunden Bodenkalotte. Daran schließt sich der aus mehreren nahtlos geschmiedeten Ringen zusammengeschweißte zylindrische Behältermantel an, gefolgt vom Mantelflanschring mit den acht Kühlmittelstutzen. Die Gesamthöhe des RDB liegt bei ca. 13 m. Der Reaktordruckbehälter ist einheitlich aus einem Werkstoff hergestellt. In Deutschland werden für die Reaktordruckbehälter die Werkstoffe 22 NiMoCr 37 und 20 MnMoNi 45 verwendet.[2]

Siedewasserreaktor[Bearbeiten]

Bei Siedewasserreaktoren (SWR) sind die Reaktordruckbehälter konzeptbedingt noch größer. Bei einem SWR enthält der Reaktordruckbehälter außerdem einen Wasserabscheider/Dampftrockner, der Wassertröpfchen – welche die Turbine beschädigen könnten – aus dem erzeugten Dampf abscheidet und im RDB zurückhält. Der größte verwendete RDB befindet sich im Kernkraftwerk Krümmel und hat eine Höhe von 22,38 m, einen Innendurchmesser von 6,78 m und eine Wandstärke von maximal 18 cm.

Der RDB für den SWR Leibstadt besteht aus zusammengeschweißten Ringen. Die Ringe sind aus warmgewalzten Platten zusammengesetzt, die längs verschweisst wurden. Die Temperaturen und Drücke in einem SWR sind niedriger als in einem DWR, so dass der RDB eines SWR geringere Wanddicken aufweist.[3]

Abmessungen[Bearbeiten]

Die Abmessungen einiger ausgewählter RDB sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Kraftwerk/Reaktortyp Block Typ Höhe (m) Durchmesser (m) Wandstärke (cm) Gewicht (t)
Areva EPR[4] Druckwasserreaktor 13 5,4 30 526 [A 1]
Kernkraftwerk Gundremmingen[5] B, C Siedewasserreaktor 21 [A 2] 6,62 [A 3] 14,8 [A 4] 785
Kernkraftwerk Isar[6] 1 Siedewasserreaktor 22,35 5,85 [A 3] 17,1 [A 4] 620 [A 5]
Kernkraftwerk Isar[6] 2 Druckwasserreaktor 12,01 [A 6] 5 [A 3] 25 [A 4] 507 [A 7]
  1. Gewicht mit Deckel
  2. Innenhöhe
  3. a b c Innendurchmesser
  4. a b c Wandstärke des zylindrischen Teils
  5. Gewicht mit Deckel und Zarge
  6. Gesamthöhe
  7. Gewicht ohne Einbauten

Wandstärke[Bearbeiten]

Die Wandstärke liegt zwischen ca. 15 cm beim SWR und 25 cm beim DWR.[7] Areva gibt als Wandstärke 20 bis 30 cm an.[4] Für die Festigkeitsanalyse eines RDB verwendete das Forschungszentrum Karlsruhe die folgenden Werte für die Wandstärken:[8]

  • untere Kugelkalotte (Boden des RDB): 14,6 cm
  • Zylinderschale ohne senkrechte Abzweige: 31,9 cm
  • Zylinderschale mit senkrechten Abzweigen: 46 cm
  • Deckel: 20,4 cm

Versprödung[Bearbeiten]

Während des Betriebs ist der Stahl des RDB einer Neutronenbestrahlung ausgesetzt, wodurch sich seine mechanischen und physikalischen Eigenschaften verändern. Bei ferritischen Stählen steigen Härte, Dehngrenze und Zugfestigkeit an, während die Zähigkeit abnimmt.[9]

Die Versprödung ist von vielen Faktoren abhängig. Zu unterscheiden sind:[9]

  • Bestrahlungsbedingungen wie Temperatur, Neutronenspektrum und Dosis
  • Werkstoffeigenschaften wie Mikrostruktur (Phasen, Korngrößen), Wärmebehandlungszustand und chemische Zusammensetzung

Einige chem. Verunreinigungen wie Kupfer, Phosphor oder Nickel wirken versprödend, während Legierungselemente wie Molybdän, Vanadium oder Chrom wenig Auswirkungen haben.[9]

Hersteller[Bearbeiten]

Die Hersteller von RDB müssen nach gewissen Standards zertifiziert sein. Solche Standards sind ASME N-stamp, RCC-M sowie ISO-9001. Wichtige Hersteller sind laut World Nuclear Association (WNA) z. B.:[10]

Ehemalige Hersteller sind z. B.:

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Reaktordruckbehälter – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Mandel, Heinrich: Standortfragen bei Kernkraftwerken, atw atomwirtschaft 1/1971, Seite 22 - 26
  2. Thermisches Versagen von Reaktordruckbehältern bei extremen Störfällen in Druckwasserreaktoren - Analyse und Verbesserungsvorschläge. RWTH Aachen, abgerufen am 20. August 2015 (PDF 3,9 MB, S.11-13(3-5), 65(57)).
  3. Kernkraftwerk Leibstadt muss Reaktordruckbehälter nicht zusätzlich prüfen. ENSI, 2. Dezember 2013, abgerufen am 20. August 2015.
  4. a b Sind hier gefragt: Innovation und Präzision. Areva, abgerufen am 20. August 2015.
  5. Kernkraftwerk Gundremmingen. RWE, abgerufen am 20. August 2015 (PDF 3,1 MB).
  6. a b Isar - Informationen zum Kernkraftwerk. E.ON, abgerufen am 20. August 2015 (PDF 1,6 MB, S.18-19).
  7. Reaktordruckbehälter, Barrierenprinzip, Sicherheitsbehälter. GRS, 18. März 2011, abgerufen am 20. August 2015.
  8. Festigkeitsanalyse für den Reaktordruckbehälter des High Performance Light Water Reactor (HPLWR). Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft, Dezember 2006, abgerufen am 20. August 2015 (PDF 10,8 MB, S.13-16 (7-10)).
  9. a b c Abschlussbericht Reaktorsicherheits-Vorhaben Nr. 150 1277 - Anwendung des Master Curve-Konzeptes zur Charakterisierung der Zähigkeit neutronenbestrahlter Reaktordruckbehälterstähle. www.hzdr.de, Juli 2007, abgerufen am 20. August 2015 (PDF 10,7 MB, S.12 (8)).
  10. Heavy Manufacturing of Power Plants. World Nuclear Association (WNA), 30. Juni 2015, abgerufen am 20. August 2015 (englisch).