Presserohstoff zu den Brennelementschaeden im KKW Leibstadt
*** EINFÜGUNG *** 1:[6de]
Hauptabteilung für die Sicherheit der Kernanlagen
Division principale de la Sécurité des Installations Nucléaires
Divisione principale della Sicurezza degli Impianti Nucleari
Swiss Federal Nuclear Safety Inspectorate
Würenlingen, 10. Juli 1997
Presserohstoff zu den Brennelementschäden im KKW Leibstadt (KKL)
Begriffliches
Der Brennstoff im KKL besteht aus angereichertem Uran in Form von zylindrischen
Urandioxid-Tabletten ("Pellets") mit Durchmesser 8,19 mm und Höhe 8,7 mm. Die
Pellets sind in ein Hüllrohr eingefüllt und bilden so eine Brennstoffsäule.
Ein Brennstab besteht aus dem mit Brennstoff gefüllten und verschlossenen
Hüllrohr und ist ca. 4 Meter lang.
Ein Brennelement im KKL schliesst 96 Brennstäbe in einer quadratischen
Anordnung ein. Die Brennstäbe sind im Brennelement durch 6 oder 7
Abstandshalter fixiert. Der Reaktorkern des KKL enthält 648 Brennelemente, die
zusammen rund 60'000 Brennstäbe umfassen.
Beschreibung der Schäden
Die Korrosion von Brennstabhüllrohren ist ein normaler Prozess, der in jedem
Reaktor stattfindet. Bei diesem Prozess bildet sich eine Zirkoniumoxid-Schicht
(ZrO2) durch die Verbindung von Sauerstoff mit dem Zirkaloymetall des
Hüllrohrs. Die Oxidation ist unter anderem von der Herstellungsart der
Brennelemente, der anlagenspezifischen Wasserchemie, der Leistungsgeschichte
und der Einsatzzeit abhängig. Erfahrungsgemäss ist bis zur Entladung eines
Brennelements nach 4-6 Einsatzjahren mit Oxidschichtdicken von ca. einem
Zehntel Millimeter zu rechnen.
Untersuchungen an den Brennelementen nach vier- und fünfjährigem Einsatz im KKL
zeigten im allgemeinen ein normales Korrosionsverhalten. Im Bereich der unteren
Abstandhalter hingegen wurde eine unübliche starke Oxidation von einigen
Zehntel Millimeter festgestellt.
Einfluss der erhöhten lokalen Korrosion auf kernphysikalische Grössen
Für den sicheren Weiterbetrieb mit den an einigen Stellen erheblich
geschwächten Brennstabhüllrohren muss die lokale Leistung im Bereich der
betroffenen Brennelemente reduziert werden. Als Sofortmassnahme verlangte die
HSK daher die Herabsetzung des entsprechenden Betriebsgrenzwertes (die
sogenannte lineare Stableistung) um bis ca. 20%. Zum jetzigen Zeitpunkt, kurz
vor der Abstellung zur Jahresrevision, ergeben sich aus dieser Massnahme keine
Einschränkungen für den Betrieb des KKL, da kurz vor dem Brennelementwechsel
der Abstand zu den zulässigen Betriebsgrenzwerten immer sehr gross ist.
In Absprache mit dem Betreiber werden für den nächsten Betriebszyklus keine
Brennelemente mit mehr als drei Einsatzjahren in den Kern eingesetzt. Dies
bedeutet eine wesentliche Einschränkung bei der Kernbeladung. Es müssen mehr
frische Brennelemente geladen werden als geplant. Weiterhin ist auch
vorgesehen, ca. 170 Brennelemente, die bereits vor ca. 5 Jahren entladen wurden
und von einem anderen Hersteller stammen, wieder zu verwenden.
Unter Berücksichtigung des Einsatzes von Brennelementen mit bisher maximal drei
Einsatzjahren und der Herabsetzung des Betriebsgrenzwertes für die maximale
lokale Leistung können Brennstableckagen aufgrund erhöhter lokaler Korrosion
bzw. lokal geschwächtem Hüllrohr praktisch ausgeschlossen werden.
Zur eingehenden Ermittlung der Ursachen der erhöhten Korrosion werden die im
diesjährigen Stillstand entladenen Brennelemente einer gründlichen Untersuchung
unterzogen werden.
Brennelementüberwachung
Im Reaktorkern des KKL befinden sich 648 Brennelemente mit rund 60'000
Brennstäben. Wird die Hülle (Zirkaloy-Rohr mit ca. 10 Millimeter Durchmesser
und einer Wandstärke von ca. 0.6 Millimeter) beschädigt, so treten radioaktive
Edelgase (z.B. Xenon und Krypton) in das Kühlmittel (Reaktorwasser) aus. Die
Menge (Aktivität) der Edelgase im Reaktorwasser wird kontinuierlich überwacht.
Eine Beschädigung eines Hüllrohres kann deshalb rasch erkannt werden.
Vergrössert sich der Riss im Hüllrohr, so entweicht neben den Edelgasen auch
radioaktives Iod. Bei einem breiten Riss im Hüllrohr oder bei einem Bruch wird
Brennstoff, also Uranoxid mit den darin enthaltenen Spaltprodukten
ausgewaschen. Die Menge an Iod und Spaltprodukten wird täglich durch Entnahme
einer Wasserprobe und deren Messung im Labor bestimmt.
In den technischen Spezifikationen, die für den Betrieb des KKL bindend sind,
wird die Menge von Iod-131 im Reaktorwasser begrenzt. Beim Erreichen der
angegebenen Grenzwerte müssen Gegenmassnahmen (z.B. Reduktion der
Reaktorleistung oder Entfernen des defekten Brennelementes aus dem Reaktor)
ergriffen werden.
Die in das Reaktorkühlmittel freigesetzten Radioisotope werden fast vollständig
in der Anlage zurückgehalten. Brennstabdefekte, welche die technischen
Spezifikationen nicht verletzen, haben also keinen wesentlichen Einfluss auf
die Menge der an die Umwelt abgegebenen radioaktiven Stoffe und damit auf die
Strahlendosen der Bevölkerung.
Grössere Brennelementschäden können Komponenten des Reaktorkreislaufes mit Iod
und Spaltprodukten kontaminieren (verschmutzen) und dadurch Unterhaltsarbeiten
und Reparaturen erschweren.
Gutachten HSK / Stellungnahme KSA
Im Gutachten der HSK vom März 1996 zum Gesuch der Kernkraftwerk Leibstadt AG um
Leistungserhöhung auf 3600 MWth und in der entsprechenden Stellungnahme der KSA
vom April 1996 wurden für die stufenweise Freigabe der vorgesehenen
Leistungserhöhung Auflagen für einen störungsarmen Betrieb auch hinsichtlich
Brennelementschäden gefordert. Damit wollten die Aufsichtsbehörden
sicherstellen, dass alle sinnvollen Massnahmen ergriffen werden, um die seit
einigen Jahren in Leibstadt beobachteten Probleme mit vereinzelten
Brennstabschäden möglichst zu beheben, zumindest aber zu mildern.
Nach Auffassung der HSK und der KSA ist eine Leistungserhöhung bei
gleichzeitigem Auftreten von grösseren Brennelementschäden oder -problemen
nicht zu verantworten, auch wenn ein direkter Zusammenhang zwischen den
Brennelementproblemen und der Leistungserhöhung nicht zwingend ist. Eine
Leistungserhöhung kann die Brennelementproblematik verschärfen und zu einer
radiologisch ungünstigeren Situation in der Anlage und damit für das
Unterhaltspersonal führen.
Die im KKW Leibstadt aufgetretenen, unerwarteten Korrosionsprobleme erfordern
nach Ansicht der HSK eine umfassende Abklärung und das Ergreifen geeigneter
Massnahmen. Bevor die Situation nicht entschärft und die Gründe für das
unerwartet hohe Korrosionswachstum im Bereich der Abstandshalter geklärt ist,
resp. geeignete und geprüfte Massnahmen zu deren Begrenzung festgelegt sind,
wird die HSK eine Leistungserhöhung nicht freigeben.
