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Dr. Holger Kryk
Experimental Thermal Fluid Dynamics
h.krykAthzdr.de
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Fax: +49 351 260 - 12248

Prof. Dr. Uwe Hampel
Head
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Korrosionsinduzierte Langzeiteffekte bei Kühlmittelverluststörfällen in Druckwasserreaktoren

Hintergrund

Maßnahmen zur langfristigen Aufrechterhaltung der Kernkühlung bei Auslegungsstörfällen sind integraler Bestandteil des Sicherheitskonzeptes von Kernkraftwerken weltweit. Im Falle von Kühlmittelverluststörfällen (KMV) in Druckwasserreaktoren (DWR) wird das aus dem Leck im Primärkreislauf austretende Kühlwasser im Reaktorsumpf gesammelt und während des Sumpfumwälzbetriebes über Notkühlpumpen in den Kühlkreislauf zurückgeführt. Im Verlauf eines solchen Störfalls können Fremdstoffe im Kühlwasser (z.B. Isoliermaterialfasern, Korrosionsprodukte) sowohl die Kühlwasserchemie als auch das Verblockungsverhalten an Rückhaltevorrichtungen im Notkühlkreislauf beeinflussen. Speziell der Langzeitkontakt des aus dem Leck austretenden borsäurehaltigen Kühlwassers mit feuerverzinkten Containment-Einbauten (z.B. Lichtgitterroste, Stützgitter von Sumpfsieben) kann zur Bildung von löslichen und unlöslichen Korrosionsprodukten führen. Während unlösliche Korrosionsprodukte in Form von Partikeln im Kühlmittelstrom transportiert werden und sich an Rückhalteeinrichtungen, wie z.B. Sumpfsieben, ablagern können, führen lösliche Korrosionsprodukte zu einer Änderung der Kühlwasserchemie. Im Falle der Zink-Korrosion kann nicht ausgeschlossen werden, dass Korrosionsprodukte in Form von Zinkboraten an Heißstellen innerhalb des Kühlkreislaufs (z.B. Hot-Spots im Kern) ausfallen und sich an Abstandshaltern und/oder auf der Oberfläche der Brennstab-Hüllrohre schichtbildend ablagern. Dies kann unter Umständen zur Beeinflussung der Nachwärmeabfuhr in der Spätphase des KMV führen.



Das Projekt

In Kooperation mit der TU Dresden und der Hochschule Zittau/Görlitz wird der Einfluss der Korrosion feuerverzinkter Containment-Einbauten auf die Kühlwasserchemie und auf die Bildung fester Korrosionsprodukte, welche zu Ablagerungs- und Verblockungsprozessen im Notkühlkreislauf von DWR-Anlagen führen können, untersucht. Die Arbeiten liefern Aussagen, die zur verbesserten analytischen Bewertung der Funktion der Notkühlsysteme in der Spätphase eines postulierten KMV und zur Bewertung der Integrität der Brennelemente notwendig sind.

Aufgrund der Komplexität korrosionschemischer Prozesse ist eine Separation einzelner Einflussfaktoren notwendig, um die Ursachen für die Korrosionsprozesse systematisch zu ermitteln. Dies wird in Form von Einzeleffekt-Experimenten realisiert, wobei grundlegende korrosionschemische Experimente in einem Rührkessel-Reaktor durchgeführt werden. Die Ergebnisse bilden die Basis für Langzeit-Korrosionsstudien mit simultaner Abscheidung von Korrosionsprodukten unter KMV-spezifischen Bedingungen. Die Definition der experimentellen Randbedingungen erfolgt auf der Grundlage thermohydraulischer Simulationen verschiedener KMV-Szenarien unter Nutzung des Systemrechenprogramms ATHLET, welche durch die Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH durchgeführt werden.

Im Rahmen von Batch-Experimenten im Rührkessel-Reaktor wurde die abnehmende Löslichkeit von Zink-Korrosionsprodukten in Borsäure-Lösungen mit zunehmender Temperatur als potenzielle Quelle für Ablagerungen an Heißstellen im Kühlkreislauf (z.B. Hot-Spots im Kern) identifiziert. Ausgehend von diesen Ergebnissen ist ein Kreislauf von Zinkkorrosion im Sumpf und Abscheidung fester Zink-Korrosionsprodukte im Kern während des Sumpfumwälzbetriebes nicht auszuschließen.



Mit Hilfe chemischer Analytik wurden die Korrosionsprodukte als Zinkborate mit der allgemeinen Formel x ZnO • y B2O3 • z H2O identifiziert. Dabei werden abhängig von der Abscheidetemperatur unterschiedliche Zinkborat-Spezies gebildet.

Die Untersuchung der Zinkkorrosion und nachfolgenden Zinkborat-Abscheidung an heißen Oberflächen erfolgt für spezifische KMV-Szenarien in einer speziellen Korrosionsversuchsanlage im Labormaßstab. Diese Anlage spiegelt die Funktion des Notkühlkreislaufs im Sumpfumwälzbetrieb in vereinfachter Form wider. Zur Simulation der heißen Oberflächen im Kern kommen Heizelemente, bestehend aus elektrisch beheizbare DWR-Hüllrohren aus Zirkaloy zum Einsatz.



Zur Abschätzung der Auswirkungen der Zinkborat-Ablagerungen auf die Thermohydraulik im Kern werden ausgewählte KMV-Szenarien durch entsprechende Experimente an den halbtechnischen Versuchsanlagen des Projektpartners HS Zittau/Görlitz validiert.


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Förderung

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie:

  • Partikelentstehung und -transport im Kern von Druckwasserreaktoren; Physikochemische Mechanismen (FKZ: 150 1430, 150 1467)
  • Lokale Effekte im DWR-Kern infolge von Zinkborat-Ablagerungen nach KMV (FKZ: 150 1496)

Kooperationen

  • TU Dresden, Institut für Energietechnik, AREVA-Stiftungsprofessur für bildgebende Messverfahren für die Energie- und Verfahrenstechnik
  • Hochschule Zittau/Görlitz, Institut für Prozeßtechnik, Prozeßautomatisierung und Meßtechnik (IPM)
  • Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH
  • HZDR, Institut für Ressourcenökologie

Referenzen

  • Kryk, H.; Harm, U.; Hampel, U.
    Corrosion of hot-dip galvanized containment installations - A potential cause for thermal-hydraulic effects after LOCA in PWR?
    ICONE 24 - Conference proceedings; Volume 3: Thermal-Hydraulics: ASME - Digital Collection, 978-0-7918-5003-9 (2016)
  • Seeliger, A.; Alt, S.; Kästner, W.; Renger, S.; Kryk, H.; Harm, U.
    Zinc corrosion after loss-of-coolant accidents in pressurized water reactors - Thermo- and Fluid-dynamic effects
    Nuclear Engineering and Design 305(2016), 489-502
  • Kryk, H.; Hoffmann, W.; Kästner, W.; Alt, S.; Seeliger, A.; Renger, S.
    Zinc corrosion after loss-of-coolant accidents in pressurized water reactors - physicochemical effects
    Nuclear Engineering and Design 280(2014), 570-578
  • Kryk, H.; Hoffmann, W.; Waas, U.
    Influence of corrosion processes on the head loss across ECCS sump strainers
    Kerntechnik 76(2011)1, 46-53

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Prof. Dr. Uwe Hampel
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