Thermohydraulische Simulation eines Station Blackouts an einem Kernkraftwerk vom Typ AP-1000, verursacht durch kriegerische Handlungen am Kraftwerksgelände. Eine Fallbeispiel zur Bewertung von Sicherheitskonzepten für KKWs in Kriegsgebieten.

Abstract

Nach dem Unfall von Fukushima Daiichi 2011 sind vor allem Unfälle mit vollständigem Verlust der externen und internen Wechselstromversorgung, genannt Station Blackout(SBO), in den Fokus der Sicherheitsanalysen gerückt. Der Ukrainekrieg gibt nun erneut Anlass für weitere Sicherheitsbetrachtungen von Kernkraftwerken bezüglich ihrer Stromversorgung,als auch von Auswirkungen von Kampfhandlungen am Gelände. Pläne für Neubauten in der Ukraine und Polen von AP1000 Reaktoren führen nun zur Frage, wie dieser Reaktor im Hinblick auf durch Kampfhandlungen herbeigeführte SBO-Unfälle gerüstet wäre. Der AP1000 Druckwasserreaktor wurde von Westinghouse E.C. LLC entwickelt. Ein besonderes Merkmal dieses Reaktors ist, dass die Notkühlkette primär durch passive Systeme umgesetzt wird. Diese bestehen aus nach Druck gestaffelten Druckspeichern, aus Sicherheits- und Abblaseventilen, die ohne externe Stromversorgung oder Intervention der Betriebsmannschaft öffnen und drei Kreisläufen, die Wärmeabfuhr durch Naturumlauf sicherstellen. Diese Systeme sollen garantieren, dass der Reaktor bei Unfällen auch ohne menschliches Einwirken innerhalb von 72 h in einen sicheren Zustand gebracht werden kann.Diese Masterarbeit untersucht ein Szenario in dem militärische Kampfhandlungen am Standort eines AP1000 unterstellt werden. Es wird angenommen, dass zwei Länder um die Kontrolle des Reaktors kämpfen, ohne diesen beschädigen zu wollen. Erfahrungen aus der Ukraine zeigen, dass ein Station Blackout in dieser Situation möglich ist,wobei zusätzlich unterstellt wird, dass es beim Notfalltank am Dach, der für die passive Kühlkreiskette von essentieller Bedeutung ist, zu einer Leckage kommt. Die Simulation wurde mit RELAP5-3D/Vers:4.6.2 durchgeführt, einem thermohydraulischen Systemcode, der sich für Untersuchungen von Unfällen etabliert hat. Das dafür notwendige Modell wurde mit den Änderungen am Allgemeinen Design aktualisiert und der Leistungszustand mit Literaturdaten abgeglichen. Der SBO wurde simuliert und phänomenologisch aufgearbeitet. Die Analyse zeigt, dass der Reaktor bei Station Blackout ohne Handmaßnahmen selbst mit Leckage am Dachtank innerhalb der Anforderungen für primärseitigen Druck und für die höchstzulässige Hüllrohrtemperatur bleibt. Die Sicherheitssysteme können die Anlage vom Leistungsbetrieb in einen Zustand bringen, der die Abfuhr der Nachzerfallswärme mittelfristig gewährleistet. Allerdings zeigt sich, dass durch den frühen Verlust von Inventar aus dem Dachtank der Containmentdruck weniger effektiv begrenzt werden kann. In der Rechnung ergibt sich ein maximaler Containmentdruck von 6 bar, was bereits über dem Auslegungsdruck von 4 bar liegt. Im Vergleich mit den Grenzwerten zum Bersten der Bestandteile des Containments ist es unwahrscheinlich, dass es bei diesem Szenario zu direkten Freisetzungen kommt. Trotzdem stellt der Dachtank eine Vulnerabilität für den AP1000 in Kriegsszenarien dar.

Following the Fukushima Daiichi accident in 2011, accidents involving a complete loss of external and internal AC power, known as a station blackout (SBO) were focused in safety analyses. The war in Ukraine has now prompted further safety considerations for nuclear power plants with regard to their power supply and the effects of combat operations on site. Plans for new AP1000 reactors in Ukraine and Poland now raise the question of how this reactor would be equipped to deal with SBO accidents caused by combat on site. The AP1000 pressurised water reactor was developed by WestinghouseE.C. LLC. The design is unique because the emergency cooling chain is primarily implemented utilising passive systems. These consist of pressure-staggered pressure vessels, safety and relief valves that open without external power supply or intervention by the operating crew, and three circuits that ensure heat removal through natural circulation. These systems are designed to guarantee that the reactor can be brought to a safe state within 72 h in the event of an accident without human intervention. This master’s thesis examines a scenario in which military combat operations are assumed to take place at the site of an AP1000. It is assumed that two countries are fighting for control of the reactor without wanting to damage it. Experience from Ukraine allows the assumption that a station blackout would be possible. Additionally, accidental damage and leakage of the emergency tank on the roof, which is essential for the passive cooling chain is assumed. The simulation was performed using RELAP5-3D/Vers:4.6.2, a thermohydraulic system code that has been established for accidentinvestigations. The model required for this was updated with the changes to the general design and the power state was compared with literature data. The SBO was simulated and analysed phenomenologically. The analysis shows that, in the event of a station blackout without manual intervention, the reactor remains within the requirements for primary side pressure and maximum cladding temperature, even with leakage from the roof tank. The safety systems can bring the plant from power operation to a state that ensures the removal of decay heat in the medium term. However, the early loss of inventory from the roof tank results in the containment pressure not being limited as effectively. The simulation results in a maximum containment pressure of 6 bar, which is above the design pressure of 4 bar. Compared to the bursting limits of the containment components, it is unlikely that this scenario will result in direct releases. Nevertheless, the roof tank represents a vulnerability for the AP1000 in war scenarios.