DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Dichtheitsprüfungen an Reaktorsicherheitsbehältern von Kernkraftwerken in Deutschland

Lutz Krey,
TÜV BB GmbH, München;
Theo Amann
TÜV BB GmbH, München;
Kontakt: L. Krey

Kurze Zusammenfassung:

Die TÜV BB GmbH hat seit 1959 mehr als 130 integrale Leckratenprüfungen an Reaktorsicherheitsbehältern (RSB) deutscher Kernkraftwerke durchgeführt. Durch Einhaltung der zulässigen Leckagewerte wird bei dieser integralen Prüfung nachgewiesen, dass bei einem zu unterstellenden Kühlmittelverluststörfall die erforderliche Vorsorge zur Rückhaltung radioaktiver Stoffe getroffen ist.

Grundlage für diese Prüfungen ist die Regel 3405 des kerntechnischen Ausschusses (KTA). Zur Bestimmung der Leckage nach der Druckabfallmethode sind die wesentlichen Messgrößen, wie das freie Gasvolumen des RSB und die zeitlichen Verläufe des Absolutdruckes, der relativen Feuchte und der Temperatur bei einem definierten überdruck den Anforderungen entsprechend genau zu messen.

Wegen der z.T. sehr großen Prüfvolumina liegt die Prüfdauer bei mindestens 24 Stunden (Beginn Aufpumpen bis Ende Druckablassen). Durch die eingesetzte Prüftechnik ist eine sehr hohe Datensicherheit realisiert. Die eingesetzte Software ermöglicht die Online-Darstellung von Ergebnissen und die Analyse aller aufgezeichneten Daten direkt vor Ort. Es ist möglich, auf der Basis der jeweils eingelesenen Daten Hinweise für eine eventuell erforderliche Lecksuche zu ermitteln.

Keywords:
Reaktorsicherheitsbehälter, Leckagerate, Druckabfallmethode, KTA3405

1. Begründung für die Prüfung

Fig 1:

Der Reaktorsicherheitsbehälter eines Druckwasserreaktors hat bei neueren Anlagen ein Volumen von ca. 70.000m³. Er dient als Barriere zur Rückhaltung von bei einem unterstellten Kühlmittelverluststörfall (KMV) freigesetzten radioaktiven Stoffen. Die zulässige Leckrate des RSB von 0,25 Vol-% pro Tag bezogen auf den Auslegungsdruck wird als Eingangsgröße für die Berechnung der Freisetzung radioaktiver Stoffe bei diesem Störfall verwendet. Daher muss sich die Prüfsituation an den Systemzuständen eines unterstellten KMV orientieren. Es werden alle automatisch ablaufenden Vorgänge, die nach dem Eintreten eines KMV ablaufen würden, berücksichtigt. Handmaßnahmen zur Verbesserung der Dichtheit des RSB werden nicht unterstellt und von den Eigenschaften aktiver Systeme wird kein Kredit genommen.

Die möglichen Freisetzungspfade eines Teils des radioaktiven Inventars aus dem Kern sind in der nebenstehenden Abbildung dargestellt.

aKaAktivitätskonzentration im Kamin
IKeInventar des Reaktorkerns
f Freisetzungsfaktor
LSBzulässige Leckagerate des RSB
h Filterwirkungsgrad
V Volumenstrom durch den Kamin
pSB Druck im RSB

2. Dienstleistungen der TÜV BB GmbH im Rahmen der integralen Leckra- tenprüfung eines RSB

Diese Messung wird in 14 der 19 kerntechnischen Anlagen in Deutschland von der TÜV BB GmbH durchgeführt. Dazu ist das Vorhalten von kalibrierten Messwertgebern, Messdatenerfassungs- und Messdatenverarbeitungsanlagen erforderlich. Aufgrund unserer Erfahrungen mit ca. 130 durchgeführten Messungen und unserer Systemkenntnisse sind wir in der Lage, in Verbindung mit der Auswertung der aufgezeichneten Daten während einer Messung Hinweise für eine eventuell erforderliche Lecksuche zu geben.

3. Regelwerk (einzuhaltende Anforderungen)

In der Leitlinie für Druckwasserreaktoren (DWR) der Reaktorsicherheitskommission ist festgelegt, dass die integrale Leckrate des RSB regelmäßig geprüft werden muss. Der Prüfüberdruck muss mindestens 500 hPa betragen.

In der KTA 3401.4 ist festgelegt, dass die integrale Leckrate des RSB alle vier Jahre mit einer Toleranz von +/- sechs Monaten zu bestimmen ist. Weitere Dichtheitsprüfungen an Einzelkomponenten, die auch bei der integralen Messung miterfasst werden, sind regelmäßig in festgelegten, kürzeren Zeitabständen durchzuführen.

Die zulässige Leckrate (Lzul) ist in den Spezifikationen der RSB festgelegt und beträgt in Deutschland für DWR bezogen auf den Auslegungsüberdruck

L zul = 0,25 Vol - % je 24 Stunden des freien Gasvolumens des RSB.

Die KTA 3405 wurde 1979 unter maßgeblicher Mitarbeit des TÜV Bayern erstellt; bereits damals wurde eine Reihe von Einflussgrößen berücksichtigt, die erst heute in das konventionelle Regelwerk Eingang gefunden haben (z.B. die Bestimmung der Mindestmesszeit).

4. Prüfmethode

Das Prüfvolumen wird auf einen Überdruck von mindestens 500 hPa gebracht. Danach wird der Druckabfall mit Präzisionsdruckmessgeräten gemessen (Druckabfall etwa 1 bis 3 Pa/h). Neben dem Absolutdruck müssen folgende Größen bekannt sein oder gemessen werden: freies Gasvolumen des RSB, Wasserdampfpartialdruck im RSB, mittlere Temperatur im RSB und der thermodynamische Zustand der eingespeisten Luft. Die Messwerte müssen repräsentativ für das eingeschlossene Volumen sein, daher kommt der Verteilung der Messgeräte im Messraum eine besondere Bedeutung zu. Für jedes Messgerät (Temperatur, Feuchte) wird ein Einflussfaktor bestimmt, mit dem der jeweilige Wert in ein Teilergebnis eingeht. Eine solche Verteilung der Messgeräte ist in der folgenden Abbildung beispielhaft aufgezeigt (1, 2, 4, ... Temperaturmessstellen; F1, F2, F3, ... Feuchtemessstellen).

Es werden bis zu 45 Temperaturmessstellen und fünf Feuchtesensoren verwendet.

Die zulässige Leckagerate für die Prüfbedingungen wird entsprechend der KTA 3405 nach folgender Beziehung umgerechnet:

L 2, zul = L 1, zul * [ ( Dp]2 / Dp1 )0,5 Dp = Differenzdruck

  Index 1 = Auslegung

  Index 2= Prüfbedingung

Demnach ergibt sich für einen Prüfüberdruck von 500 hPa eine zulässige Leckagerate von:

L 2, zul, Prüf = 0,08 Vol - % / 24 h.

Im Durchschnitt liegt die Leckagerate, abhängig vom RSB-Volumen, bei

q zul = 102 bis 103 (hPa * l *s-1).

Um zu veranschaulichen, welcher Größe die Leckquerschnitte entsprechen, sind nachfolgend die äquivalentdurchmesser (d) der Lecks bei Prüfbedingungen für die Nachweisgrenze des Verfahrens und das gerade zulässig Leck angegeben:

d Nachweisgrenze ca. 1mm ; d zulässig ca. 2 cm.

5. Prüfdurchführung

Für alle verwendeten Messgeräte müssen die Genauigkeitsanforderungen der KTA3405 eingehalten werden. Der Messaufbau muss fehlertolerant sein. Der Ausfall einzelner Geräte darf keinen Einfluss auf das Ergebnis haben. Außerdem muss ein Höchstmass an Datensicherheit realisiert sein, damit eine Wiederholung der Messung aus datentechnischen Gründen ausgeschlossen werden kann.

Vor dem Beginn der eigentlichen Messung sind Schritte der Qualitätssicherung für den Messaufbau durchzuführen (z.B. Bestimmung der Eigenleckage des Messaufbaus).

Die beiden folgenden Bilder zeigen einen kleinen Teil des Messaufbaus. Zur Verbindung des Messaufbaus mit den festverlegten Sensoren sind mehrere hundert temporäre Kabelverbindungen erforderlich:

Bei der von uns verwendeten Auswerte-Software handelt es sich um eine qualitätsgesicherte Eigenentwicklung zur Berechnung der in der KTA 3405 vorgeschriebenen Größen. Es werden Fehlergrenzen für die gemessene Leckrate berechnet und es ist jederzeit möglich, alle Einzeldaten zu analysieren. Das momentane Ergebnis wird nach jeder Datenerfassung aktualisiert und wie rechts abgebildet auf einem PC-Bildschirm angezeigt.

Die folgende Darstellung gibt eine überblick über einen typischen Verlauf der Prüfung. Es ist der überdruck im RSB über der Zeit aufgetragen:

Die Prüfung beginnt im Beispiel am ersten Tag um 17:00 Uhr und endet am nächsten Tag um 19:00 Uhr. Ist die mittlere Druckänderungsgeschwindigkeit höher als 50 hPa/h folgt eine sechsstündige Beruhigungszeit für das Abklingen von Störeinflüssen (Temperatur- und Feuchteausgleich, Betonporenbeladung). Die anschließende, eigentliche Messzeit beträgt 24 Stunden, kann jedoch auf zehn Stunden verkürzt werden, wenn die Signalqualität festgelegte Anforderungen erfüllt. Das Druckabsenken sollte bestimmte Erfahrungswerte nicht überschreiten, damit Beschädigungen (z.B. Dekontaminationsbeschichtung) vermieden werden. Für den Fall, dass ein Leck beseitigt werden muss, beginnt anschließend die Messzeit erneut.

Eine Messung muss wiederholt werden, wenn z. B. keine reproduzierbaren Messwerte vorliegen oder der Wasserdampfpartialdruck während der Messzeit zu hoch wird (Luft ablassen und erneutes Aufpumpen).

6. Prüfergebnisse

Im Folgenden werden einige anonymisierte Beispiele aus durchgeführten Messungen dargestellt. Zur Ermittlung der integralen Leckrate des RSB wird zunächst der Absolutdruck im RSB mit drei verschiedenen Präzisionsdruckmessgeräten erfasst und der Mittelwert dargestellt (Absolutdruck pa). Aus den Messwerten der bis zu 45 Temperatursensoren wird nach einem geeigneten Verfahren die mittlere Temperatur im RSB berechnet (Temperatur t). Aus den Messwerten der fünf im RSB verteilten Feuchtemessgeräte wird der Wasserdampfpartialdruck im RSB berechnet (Partialdruck pd). Zur Bestimmung des reduzierten Druckes wird der Absolutdruck mit den Einflüssen aus der mittleren Temperatur und dem Wasserdampfpartialdruck rechnerisch korrigiert, Ergebnis ist der reduzierte Druck (Red. Druck pb). Die Steigung dieses Druckverlaufes wird durch eine Ausgleichsgerade angenähert; die Steigung dieser Geraden wird umgerechnet in die integrale Leckrate des RSB.

Im Folgenden ist der Bildschirminhalt des online-PC mit den qualitativen Zeitverläufen der obenbeschriebenen Größen dargestellt:

Es ist erkennbar, dass bei vorhandener Leckrate der Absolutdruck ansteigt und erst nach Korrektur durch den Temperatur- und Feuchteeinfluss die Bestimmung der integralen Leckrate möglich ist (Ausgleichsgerade).

Im Folgenden werden zwei Beispiele dargestellt, bei denen die Messwerte der Leckrate über der Zeit aufgetragen sind; es sind jeweils der zulässige Leckagewert (Lzul), die Fehlergrenzen (sL) und der obere Leckagewerte (Lo = sL + L) eingetragen:

Die Darstellung der Leckrate über der Zeit stellt tatsächlich keinen Zeitverlauf dar; die vorhandene Leckrate ist über der Zeit konstant und entspricht dem Endwert in den Diagrammen. Diese Darstellung zeigt jedoch sehr deutlich, wie lange es dauert, bis mit der eingesetzten Technik der tatsächliche Leckratenwert bestimmt werden kann. Dieser erforderliche Zeitraum (Mindestwartezeit) kann unter Berücksichtigung der Messgenauigkeit der Messgeräte und der zu erfüllenden Dichtheitsanforderung auch berechnet werden.

Die hier vorgestellte Messmethode wurde durch Messungen verifiziert, bei denen ein Leck aufgetreten ist, das einen bekannten Querschnitt hatte. Ein solcher Messverlauf ist in dem folgenden Diagramm dargestellt:

Es lassen sich im zeitlichen Verlauf des reduzierten Druckes deutlich zwei lineare Bereiche unterschiedlicher Steigung erkennen. Der aus dem Steigungsunterschied berechenbare Masseverlust des eingeschlossenen Volumens entsprach genau dem gefundenen Leckquerschnitt.

Weitere Möglichkeiten zur Verifikation des Verfahrens bestehen in der Auswertung von Schleusvorgängen, da das Volumen der Schleusen und die Druckverhältnisse bekannt sind. Die beste Verifikation eines bestehenden Messaufbaus besteht darin, nach Abschluss der Messung ein zusätzliches Testleck mit bekanntem Querschnitt zu öffnen und den sich dadurch ergebenden Druckabfall über eine ausreichend lange Zeit aufzuzeichnen und auszuwerten.

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