6-Barrieren-System

 
Kernkraftwerke besitzen eine Reihe von Barrieren, die zwei Funktionen erfüllen. Sie schirmen die Direktstrahlung ab und sie verhindern wirksam das Austreten radioaktiver Stoffe.

Alpha- und Betastrahlen werden durch das Kühlwasser vollständig abgeschirmt. Das Reaktordruckgefäß verringert die Gammastrahlung auf den 100 000sten Teil der Strahlung im Reaktorkern. Eine fast vollständige Abschirmung der verbleibenden Gammastrahlung und der Neutronenstrahlung geschieht durch einen 2 m dicken Schild aus Stahlbeton, der das Reaktordruckgefäß umgibt. Sicherheitsbehälter und Reaktorgebäude bilden weitere Barrieren, sodass außerhalb des Reaktors kaum direkte Strahlung aus dem Reaktor auftritt. Das Reaktorgebäude übernimmt gleichzeitig den Schutz des Reaktors gegen äußere Einwirkungen (z. B. Erdbeben, Flugzeugabsturz, Druckwellen).

Einige der Barrieren zur Strahlenabschirmung sind gleichzeitig Sicherheitsbarrieren gegen das Austreten radioaktiver Stoffe. Sie sind bei Siedewasser- und bei Druckwasserreaktoren vorhanden. Beim so genannten 6-Barrieren-System sind das im Einzelnen:

  • Kristallgitter des Brennstoffes
  • Metallumhüllung der Brennstäbe
  • der Reaktordruckbehälter mit dem angeschlossenen Rohrsystem des Primärkühlkreises
  • Betonabschirmung
  • Sicherheitsbehälter mit Dichthaut
  • Stahlbetonhülle

Der Brennstab

Erste Barriere sind die keramischen Brennstofftabletten selbst, die den größten Teil der Spaltprodukte zurückhalten.
Für die Kernspaltung in Leichtwasserreaktoren wird heut fast ausschließlich Uran-235 verwendet. Es ist in dem in der Natur vorkommenden Uran mit einem Anteil von etwa 0,7 % enthalten. Dieser Anteil wird in dem so genannten Kernbrennstoff auf 3 bis 5 % angereichert.

Metallumhüllung der Brennstäbe

Die Brennstäbe haben bei einem der heute üblichen Siedewasserreaktoren eine Länge von 4,17 m und einen äußeren Durchmesser von ca. 11 mm.

Als zweite Barriere fungiert eine Metallumhüllung, bestehend aus Zirkaloy (Zirkoniumlegierung) mit einer Wandstärke von 0,65 mm. Das Material der Brennstäbe soll den Kernbrennstoff von dem Kühlmittel des Primärkreislaufes trennen und außerdem verhindern, dass die bei der Kernspaltung entstehenden Spaltprodukte in das Kühlmittel gelangen. Weitere Anforderungen sind mechanische Festigkeit, Korrosions- und Hitzebeständigkeit sowie eine geringe Neigung zur Neutronenabsorption.

Die aus Urandioxid (UO2) gepressten, gesinterten (durch Erhitzen zusammengebackenen) und geschliffenen Pellets werden in das mit Endkappen verschlossene Rohr eingebracht. Eine Schraubenfeder drückt von oben auf die Pellets und hält sie in einer Säule fest zusammen. Dadurch wird gleichzeitig oberhalb des Kernbrennstoffes ein Raum für die bei der Kernspaltung entstehenden Edelgase und die leichtflüchtigen Spaltprodukte (Halogene) geschaffen. Der Spaltgasraum verhindert somit ein unzulässiges Anwachsen des Gasdruckes im Brennstoff bei der sehr starken Erwärmung.

Eine größere Anzahl von Brennstäben wird zu einem quadratischen Brennelement mithilfe von Abstandshaltern zusammengefasst. In Siedewasserreaktoren sind etwa 70 Brennstäbe und in Druckwasserreaktoren etwa 200 Brennstäbe in einem Element angeordnet. In Siedewasserreaktoren befinden sich etwa 800 und in Druckwasserreaktoren etwa 200 Brennelemente mit einer Gesamtmenge von ca. 150 Tonnen Urandioxid im Reaktorkern.

Das als Kühlmittel und Moderator dienende Wasser strömt von unten an den durch die Kernspaltung erhitzten Brennstäben vorbei und führt somit die Wärme ab.

Reaktordruckbehälter

Das Reaktordruckgefäß mit dem angeschlossenen Rohrsystem für das Kühlmittel bildet die dritte Barriere. Das Reaktordruckgefäß eines modernen Siedewasserreaktors ist ein zylindrischer Stahlbehälter. Beim Kraftwerk Krümmel hat er eine lichte Höhe von 22,38 m und einen Innendurchmesser von etwa 6,78 m. Seine Wandstärke beträgt 17 cm und sein Leergewicht beläuft sich auf 814 t.

Betonabschirmung

Das Druckgefäß steht in einer Betonkammer (mit besonderer Kühlung), die die Funktion einer Strahlenabschirmung hat (so genannter biologischer Schild). Sie stellt die vierte Sicherheitsbarriere dar. Bei der Vielzahl der Brennstäbe, die in einem Kernreaktor enthalten sind, können vereinzelte Undichtigkeiten nicht ausgeschlossen werden. Ein geringer Anteil der im Brennstoff entstandenen radioaktiven Substanzen kann so in das Kühlmittel gelangen.

Außerdem befinden sich im Wasser z. T. durch Neutronen aktivierte Korrosionsprodukte. Ein Austreten dieser Aktivitäten wird durch das Reaktordruckgefäß und die Wandungen des Kühlmittelkreises verhindert. Darüber hinaus wird dem Reaktorkühlkreislauf fortlaufend Wasser entnommen, von Korrosions- und Spaltprodukten befreit und dann gereinigt dem Kreislauf wieder zugeführt.

Die einzelnen Teile des Kühlmittelkreises sind durch Schweißnähte miteinander verbunden. Ihre Dichtigkeit wird durch besondere Prüfverfahren (Ultraschall, Röntgenstrahlen) in regelmäßigen Zeitabständen nachgewiesen. Sind an einzelnen Stellen des Kühlmittelkreislaufes Durchführungen nach außen erforderlich, z. B. für Pumpen, Ventile, Absperrschieber oder Wellen, so werden geeignete technische Maßnahmen vorgesehen, damit das Kühlmittel nicht austreten kann. Hierzu gehört beispielsweise die Verwendung spezieller Stopfbuchsen.

Sicherheitsbehälter

Der Sicherheitsbehälter mit den dazugehörigen Einrichtungen, wie z. B. schnell schließende Armaturen in den aus dem Sicherheitsbehälter herausführenden Rohrleitungen, stellt die fünfte Sicherheitsbarriere in einem Kernkraftwerk dar. Er umschließt das Reaktordruckgefäß und den unmittelbar daran anschließenden Teil des Kühlmittelkreislaufes.

Bei Siedewasserreaktoren wird ein Sicherheitsbehälter mit Druckabbausystem verwendet. Dadurch wird erreicht, dass der Behälter für einen niedrigeren Druck, als er sich beim völligen Ausdampfen des Kühlmittels ergeben würde, ausgelegt bzw. kleiner ausgeführt werden kann. Dies wird dadurch ermöglicht, dass der z. B. aus einem Leck möglicherweise austretende Dampf über Rohrleitungen in Wasserbecken geleitet wird und dort kondensiert.

(Neben dem Sicherheitsbehälter mit Druckabbausystem gibt es den Volldrucksicherheitsbehälter: Er hält dem Druck stand, der beim völligen Ausdampfen des Kühlmittels entsteht.)

Der Sicherheitsbehälter eines heutigen Siedewasserreaktors hat die Form einer Kugel mit einem Innendurchmesser - z. B. beim Kernkraftwerk Krümmel - von 29,6 m. Seine Wandstärke beträgt maximal 30 mm. Da Behälter von solcher Größe nicht absolut gasdicht hergestellt werden können, befindet sich in einigen Zentimeter Abstand von der Außenwand des Sicherheitsbehälters noch eine Dichthaut aus Stahl von etwa 4 Millimeter Wandstärke. Der Zwischenraum wird durch Absaugung ständig auf Unterdruck gehalten. Dadurch wird eine unkontrollierte Aktivitätsabgabe verhindert. An geeigneten Stellen sind Personen- und Materialschleusen vorgesehen.

Damit bei einem Unfall die Innenwand des Sicherheitsbehälters durch das Platzen Druck führender Anlagenteile nicht beschädigt werden kann, sind diese Komponenten innerhalb des Behälters noch besonders gesichert.

Stahlbetonhülle

Der stählerne Sicherheitsbehälter ist zusätzlich von einer bis zu 1,80 m dicken Hülle aus Stahlbeton umschlossen. Sie ist das eigentliche Reaktorgebäude. Dadurch soll der Reaktor gegen äußere Einwirkungen wie Flugzeugabsturz, Druckwellen eines explodierenden Flüssiggastankers und Sabotage geschützt werden.