Dampferzeuger (Kernkraft)

Ein Dampferzeuger (auch nukleares Dampferzeugungskraftwerk genannt) ist ein Wärmetauscher, der Wasser mithilfe der im Reaktorkern erzeugten Wärme in Dampf umwandelt . Er wird in Druckwasserreaktoren (DWR) zwischen dem primären und sekundären Kühlkreislauf eingesetzt . Darüber hinaus findet er Verwendung in flüssigmetallgekühlten Reaktoren (LMR), Druckwasserreaktoren mit hohem Schwerwassergehalt (PHWR) und gasgekühlten Reaktoren (GCR).

In typischen Druckwasserreaktoren (PWR) besteht das primäre Kühlmittel aus hochreinem Wasser, das unter hohem Druck steht, um ein Sieden zu verhindern. Dieses Kühlmittel wird durch den Reaktorkern gepumpt, wo es Wärme von den Brennstäben aufnimmt. Anschließend durchströmt es den Dampferzeuger, wo es seine Wärme (durch Wärmeleitung über das Metall) an Wasser mit niedrigerem Druck abgibt, das nun sieden kann.

Im Gegensatz zu Druckwasserreaktoren (PWR ) benötigen Siedewasserreaktoren (SWR) keine Dampferzeuger. Das Primärkühlmittel siedet direkt im Reaktorkern, und der entstehende Dampf wird durch eine Dampfturbine geleitet. Obwohl dies theoretisch einfach ist, hat es einen Nachteil für die Wartung. Beim Durchströmen des Reaktorkerns ist das Primärkühlwasser einem hohen Neutronenfluss ausgesetzt . Dadurch werden Sauerstoff und gelöster Stickstoff im Wasser aktiviert . Die Hauptreaktion ^{[ 1 ]} lautet: Ein Sauerstoff-16-Atom absorbiert ein Neutron und emittiert ein Proton, wodurch Stickstoff-16 entsteht. Stickstoff-16 hat eine Halbwertszeit von 7 Sekunden und erzeugt beim Zerfall zu Sauerstoff-16 ein Gammaquant. Diese Halbwertszeit von 7 Sekunden ist ausreichend, damit das Wasser aus dem Reaktor zirkulieren kann. In einem SWR bedeutet dies, dass sich das Wasser zum Zeitpunkt der Gammaemission noch in der Dampfturbine befinden kann. Obwohl bei dieser Reaktion keine langlebigen Radioisotope entstehen, bedeutet die Gammastrahlung, dass sich Menschen während des Reaktorbetriebs und für kurze Zeit danach nicht in der Turbinenhalle eines Siedewasserreaktors aufhalten dürfen.

Im Gegensatz dazu trennt der Dampferzeuger in einem Druckwasserreaktor (PWR) das aktivierte Primärkühlwasser vom Sekundärkühlwasser, das die Dampfturbine durchströmt. Dadurch haben Personen während des Betriebs freien Zugang zu den Turbinen und anderen Komponenten des Dampfkraftwerks. Dies reduziert die Wartungskosten und erhöht die Anlagenverfügbarkeit.

In kommerziellen Kernkraftwerken befinden sich zwei bis vier Dampferzeuger pro Reaktor. Jeder Dampferzeuger kann bis zu 21 Meter hoch sein und bis zu 800 Tonnen wiegen. Er enthält 3.000 bis 16.000 Rohre mit einem Durchmesser von jeweils etwa 19 mm. Das Kühlmittel (aufbereitetes Wasser), das unter hohem Druck steht, um ein Sieden zu verhindern, wird durch den Reaktorkern gepumpt . Dabei findet ein Wärmeaustausch zwischen Reaktorkern und dem zirkulierenden Wasser statt. Anschließend wird das Kühlmittel von Kühlmittelpumpen durch die Primärrohrseite des Dampferzeugers gepumpt, bevor es zum Reaktorkern zurückkehrt. Dieser Kreislauf wird als Primärkreislauf bezeichnet.

Das durch den Dampferzeuger fließende Wasser verdampft auf der Mantelseite (die unter niedrigerem Druck als die Primärseite steht) und erzeugt so Dampf. Dies wird als Sekundärkreislauf bezeichnet. Der Sekundärdampf wird den Turbinen zur Stromerzeugung zugeführt . Anschließend wird der Dampf über Kühlwasser aus einem Tertiärkreislauf kondensiert und zur erneuten Erhitzung in den Dampferzeuger zurückgeführt. Das Tertiärkühlwasser kann zu Kühltürmen zurückgeführt werden, wo es Abwärme abgibt, bevor es zur Kondensation weiteren Dampfes zurückkehrt. Alternativ kann die Tertiärkühlung auch durch einen Fluss, See oder das Meer erfolgen. Dieses Primär-, Sekundär- und Tertiärkühlsystem bildet die Grundlage des Druckwasserreaktors, der weltweit am häufigsten verwendeten Bauart von Kernkraftwerken.

In anderen Reaktortypen, wie beispielsweise den Druckwasserreaktoren der CANDU- Bauart, ist Schwerwasser das primäre Kühlmittel . Flüssigmetallgekühlte Reaktoren wie der russische BN-600-Reaktor verwenden ein flüssiges Metall, beispielsweise Natrium, als primäres Kühlmittel. Auch diese Reaktoren nutzen Wärmetauscher zwischen dem primären Metallkühlmittel und dem sekundären Wasserkühlmittel, wodurch ihre Sekundär- und Tertiärkühlung der eines Druckwasserreaktors ähnelt.

Die Wärmetauscherrohre eines Dampferzeugers spielen eine wichtige sicherheitstechnische Rolle, da sie radioaktive und nicht-radioaktive Flüssigkeitssysteme trennen. (Das Primärkühlmittel wird durch den Kontakt mit dem Reaktorkern kurzzeitig radioaktiv und enthält zudem Spuren langlebiger radioaktiver Isotope, beispielsweise gelöste Eisenatome aus den Rohrleitungen.) Da im Primärkühlmittel ein höherer Druck herrscht, würde ein Leck in einem Wärmetauscherrohr dazu führen, dass Primärkühlmittel in den Sekundärkreislauf gelangt. Dies würde üblicherweise eine Abschaltung des Kraftwerks zur Reparatur erforderlich machen. Um solche Leckagen zwischen Primär- und Sekundärkreislauf zu vermeiden, werden die Rohre des Dampferzeugers regelmäßig mittels Wirbelstromprüfung überprüft . Einzelne Rohre können verschlossen werden, um sie außer Betrieb zu nehmen. ^{[ 2 ]} Wie bei vielen nuklearen Komponenten legen Maschinenbauingenieure die Prüfhäufigkeit anhand der bekannten Korrosions- und Rissausbreitungsraten des Materials fest. Stellt eine Prüfung fest, dass die Wandstärke eines Rohres so gering ist, dass es vor der nächsten planmäßigen Prüfung durchkorrodieren könnte, wird das Rohr verschlossen. (Das Verschließen eines Rohres ist in der Regel einfacher als der Versuch, es zu reparieren. Es gibt viele kleine Wärmetauscherrohre, und Dampferzeuger sind mit zusätzlichen Rohren konstruiert, sodass einige verschlossen werden können.)

Oft werden im Laufe der Betriebsdauer eines Kraftwerks die gesamten Dampferzeuger ausgetauscht, was ein umfangreiches Unterfangen darstellt. Die meisten US-amerikanischen Druckwasserreaktoren (PWR) haben ihre Dampferzeuger bereits ersetzt bekommen. ^{[ 2 ]}

Der nuklearbetriebene Dampferzeuger entstand im Zuge der Entwicklung der Antriebssysteme für das erste Atom-U-Boot , die USS „Nautilus“ (SSN-571) . Die Reaktoranlage des U-Boots wurde von der Westinghouse Electric Company entworfen . Babcock & Wilcox (B&W), das seit dem späten 19. Jahrhundert mit der US-Marine zusammenarbeitete und während des Zweiten Weltkriegs zum Manhattan-Projekt beigetragen hatte , gründete 1953 seine Atomenergieabteilung, um im Rahmen eines Unterauftrags von Westinghouse die wichtigsten Komponenten für das Kernenergiesystem der „Nautilus“ zu liefern. Zu dieser Zeit war B&W international für seine Expertise im Bereich Hochdruckkessel und Dampferzeuger anerkannt. [ Überblick über die Geschichte der Kernenergie, archiviert am 16.03.2015 in der Wayback Machine , World Nuclear Association (2014)]

Nach der Genehmigung friedlicher Kernreaktoren zur kommerziellen Stromerzeugung begannen Energieunternehmen, diese Technologie in zivilen Kraftwerken anzuwenden. 1960 errichtete Westinghouse eines der ersten kommerziellen Kernkraftwerke in den Vereinigten Staaten, das Kernkraftwerk  Yankee Rowe . Es nutzte kernbetriebene Dampferzeuger und hatte eine elektrische Leistung von 100 MW . Zum Vergleich: Einige moderne Kraftwerke erreichen eine Leistung von über 1100 MW.

Babcock & Wilcox spielte auch eine wichtige Rolle in der frühen Entwicklung der kommerziellen Kernenergie und fertigte Komponenten für das Kernkraftwerk Shippingport in Pennsylvania, das von 1956 bis 1957 errichtet wurde und das erste Kernkraftwerk in Friedenszeiten in den Vereinigten Staaten war. Andere Unternehmen, darunter Combustion Engineering und General Electric , waren ebenfalls an der Weiterentwicklung von nuklearen Dampferzeugungssystemen und der Entwicklung von Dampferzeugertechnologie für kommerzielle Kernenergieanwendungen beteiligt.

Die Reaktoren von Westinghouse und Combustion Engineering verwenden vertikale U-Rohre mit umgekehrt angeordneten Rohren für das Primärwasser. Auch kanadische, japanische, französische und deutsche Hersteller von Druckwasserreaktoren (PWR) setzen auf diese vertikale Bauweise. Russische WWER -Reaktoren verwenden horizontale Dampferzeuger mit horizontal angeordneten Rohren. Die Kraftwerke von Babcock & Wilcox (z. B. Three Mile Island ) verfügen über kleinere Dampferzeuger, die das Wasser von oben durch die Durchlaufdampferzeuger (OTSG; Gegenstrom zum Speisewasser) pressen und unten wieder ausstoßen, wo es von den Kühlmittelpumpen des Reaktors umgewälzt wird. Die horizontale Bauweise hat sich als weniger anfällig für Degradation erwiesen als die vertikale U-Rohr-Bauweise.

Die Werkstoffe für Turbine und Rohrleitungen eines kernkraftwerksbetriebenen Dampferzeugers sind speziell gefertigt und konstruiert, um der Hitze und Strahlung des Reaktors standzuhalten. Die Wasserrohre müssen zudem über einen langen Zeitraum korrosionsbeständig sein. Die in amerikanischen Reaktoren verwendeten Rohre bestehen aus Inconel , entweder der Legierung 600 oder der Legierung 690. Die Legierung 690 enthält einen höheren Chromgehalt , und in den meisten Anlagen wird das Metall wärmebehandelt, um seine Hitze- und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Der hohe Nickelgehalt der Legierungen 600 und 690 macht sie besonders geeignet für die Beständigkeit gegenüber Säuren sowie hohen Belastungen und Temperaturen.

Die geglühte bzw. wärmebehandelte Legierung 600 neigte aufgrund der Wasserchemie zu Rohrverformungen und Wanddickenreduzierungen. Kraftwerke, die die Legierung 600 in ihren Wasserleitungen verwendeten, mussten daher neue Wasserregler installieren und die dem Wasser zugesetzten Chemikalien ändern. Dadurch konnte die Wanddickenreduzierung zwar behoben werden, jedoch kommt es in seltenen Fällen weiterhin zu Rohrverformungen, die Leckagen und Rohrbrüche verursachen. Die einzige Möglichkeit, dies zu verhindern, sind regelmäßige Wartungsarbeiten und Überprüfungen, die jedoch eine Reaktorabschaltung erfordern. In einigen Fällen ersetzten Kraftwerke ihre Rohre aus Legierung 600 durch Rohre aus Legierung 690, und einige Kraftwerke wurden stillgelegt. Um künftigen Problemen vorzubeugen, haben die Hersteller von Dampfturbinen für Kernkraftwerke ihre Fertigungstechniken verbessert und verwenden andere Werkstoffe, wie beispielsweise Edelstahl , um Rohrverformungen zu vermeiden.

Die Dampferzeuger in einem „typischen“ Druckwasserreaktor in den USA weisen folgende Betriebsbedingungen auf:

Für Dampferzeugerrohre wurden verschiedene Hochleistungslegierungen und Superlegierungen verwendet, darunter Edelstahl Typ 316 , Legierung 400 , Legierung 600 MA ( walzgeglüht ), Legierung 600TT (wärmebehandelt), Legierung 690TT und Legierung 800Mod.

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• John M. Dyke und Wm. J. Garland, Die Entwicklung von CANDU-Dampfgeneratoren – ein historischer Überblick (Archiviert am 21.11.2008 im Internet Archive) .
• Hintergrundpapier zu Dampfturbinenfragen , Atomaufsichtsbehörde (21. März 2014)