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Analysen zur Wirksamkeit von Notfall-maßnahmen bei SHB-Leckagen in den Ringraum und SHB-Venting Dr. Martin Sonnenkalb, Siegfried Schwarz, Ivan Bakalov
Einführung – Zielsetzung
Bewertung der Sicherheit der laufenden KKW hinsichtlich der Wirksamkeit von mitigativen Notfallmaßnahmen für ein breites Spektrum von möglichen Stör- und Unfallszenarien ausgehend vom Normalbetrieb Analysen werden im Rahmen von BMUB geförderten Eigenforschungsvorhaben
der GRS durchgeführt Einsatz der GRS-Rechencodes ATHLET-CD/COCOSYS, die im Rahmen von
BMWi geförderten RS-Forschungsprojekten entwickelt und validiert werden Gegenstand des Vortrags: Aussagen zur Wirksamkeit der implementierten oder
von neuen Notfallmaßnahmen • Gefilterte Druckentlastung des Sicherheitsbehälters (SHB)
(BMUB 3613R01320) • H2-Management im Reaktorgebäude (RG) außerhalb des SHB
(BMUB 3615R01340, laufend)
2
Zustände im SHB sind abhängig vom Szenario: • In-vessel Phase: Freisetzung aus RKL/DH, starke Konvektion, inhomogene Gas- und
Aerosolverteilung, H2-Abbau durch autokatalytische Rekombinatoren (PAR) • Ex-vessel Phase: Freisetzung aus Grube (MCCI), homogene Gasverteilung,
Aerosolablagerung, O2 verbraucht Aufkonzentration von H2, SHB-Venting Zustände im Ringraum sind abhängig vom Szenario im SHB:
• Thermische Schichtung, Gasverteilung abhängig vom Leckort am SHB
Einführung – Zustände in SHB und RR unter Unfallbedingungen
3
H2- / Gasverteilung
In-vessel Phase Ex-vessel Phase
Neubewertung der Wirksamkeit der gefilterten SHB-Druckentlastung
Anlageninterner Notfallschutz in deutschen Anlagen wurde beginnend in den späten 80er Jahren basierend auf Ergebnissen der Risikostudie Phase B für DWR (1989) und entsprechenden RSK-Empfehlungen implementiert; z. B. gefilterte Druckentlastung des SHB und H2-Management im SHB
Unfälle in Fukushima Daiichi zeigen • Bedeutung des anlageninternen Notfallschutzes, z. B. SHB-Venting • Offene Punkte bzgl. H2-Management im Reaktorgebäude außerhalb SHB H2-Explosionen in Reaktorgebäude trotz inertisiertem SHB
Analyseanforderungen/Ziele resultieren aus WLN 2012/2 • Gewährleistung der Wirksamkeit der gefilterten SHB-Druckentlastung auch
unter bei Notfällen anzunehmenden typischen Randbedingungen (Spannungsausfall, radiologische Situation etc.)
• Vermeidung von H2-Verbrennungsvorgängen in den Ventingleitungen und gegebenenfalls in den Sammelräumen für die Fortluft oder anderen Bereichen des Reaktorgebäudes
5
GRS Fachgespräch 2015
Gefilterte SHB-Druckentlastung – Hintergrund
System: Gleitdruckventuriwäscher für die Aerosol- und Iodrückhaltung mit Druckreduktion durch Drossel hinter Wäscher
Abgassystem: Separate Abgasleitung bis zur Umgebung im SWR-72 Einbindung in allg. Lüftungssysteme/Kamin bei DWR
Einbindung: Kondensationskammer im SWR-72 (gem. System) SHB-Peripherie im DWR
DWR KONVOI SWR-72
6
Block C Block B
Ringraum SHB
Koka Koka
GRS Fachgespräch 2015
Gefilterte SHB-Druckentlastung – Betriebsphasen
1. Anfahrphase (einige Minuten) • Gas-/Dampfgemisch strömt in Venturiwäscher • Dampf kondensiert Abgase am Austritt des
Venturiwäschers enthalten keinen Dampf H2-Verbrennung im Abgasstrom/-system? • Waschwasser wird durch kondensierenden Dampf
aufgewärmt, bis zum Siedezustand Betriebsphase
2. Betriebsphase (1 – 2 Tage) • Abgase am Austritt des Venturiwäschers entsprechen der
zuströmenden Gaszusammensetzung inkl. Dampf • Freigesetzter Dampf kann in Rohrleitungen, Abluft-
kammer, Kamin an noch kalten Strukturen kondensieren Dampf reduziert Wkt. für H2-Verbrennung im Abgasstrom/-system
3. Nach Abschaltung (langfristig) • keine fortlaufende Durchströmung des Systems • N2 Einspeisung in Wäscher 48 h nach Ende Venting Inertisierung wegen Radiolysegasbildung
• Brennbare Gase bleiben ggf. im Abluftsystem „gespeichert“ H2-Verbrennung in Abgasleitung/Kamin? Wiederfreisetzung von Aerosolen und Iod?
N2, H2, CO, CO2
N2, H2, CO, CO2 + Dampf
N2, H2, CO, CO2
+ Dampf
N2, H2, CO, CO2 + Dampf
7
Nutzung aktueller Erkenntnisse und Modelle in COCOSYS zur Bewertung des Aerosol- und Iodverhaltens im SHB
Literaturauswertung und Auswertung von Systemunterlagen erbringt „Defizit“ bzgl. der Auslegung der Drossel WLN 2016/2
Separates Modell des Venturiwäschers zur Aerosol- und Iodrückhaltung validiert an JAVA- und ACE-Versuchen
Grobe (1 Raum) und detaillierte COCOSYS-Nodalisierung zur Simulation von zwei repräsentativen Unfallszenarien inklusive gefilterter Druckentlastung und Betrieb von Lüftungssystemen gemäß Vorschlag zu Notfallmaßnahmen
Gefilterte SHB-Druckentlastung – COCOSYS-Modell
RKL
RRo
RRu
cavity VW
A25 K21
K39
K107
Rekos
Lüftung RG
Abluftkammer
Rohrleitung zum Kamin Drossel
8
Gefilterte SHB-Druckentlastung H2-Konzentration im Ventingsystem ohne Lüftungsbetrieb
0 1 2 3 4 5Zeit [Tage]
0
5
10
15
20
25
30
Con
cent
ratio
n (V
ol%
)
C1_H2_GAS_SBC1_H2_GAS_VWC1_H2_GAS_A25C1_H2_GAS_K107
Abluftkammer und Kamin
• Brennbare Zustände treten für einen begrenzten Zeit-bereich in der Anfahrphase in der Abluftkammer und im Kamin auf, danach durch Dampf verhindert
• Nach Abschaltung ist zunächst kein Sauerstoff im Abluftsystem vorhanden
In-vessel
Ex-vessel
O2 aufgebraucht
9
SHB
Venting
Venturiwäscher
Gefilterte SHB-Druckentlastung H2-Konzentration im Ventingsystem mit Lüftungsbetrieb gem. HMN
0 1 2 3 4 5Zeit [Tage]
0
5
10
15
20
25
30
Con
cent
ratio
n (V
ol%
)
C1_H2_GAS_SBC1_H2_GAS_VWC1_H2_GAS_A25C1_H2_GAS_K107
Venturiwäscher
Abluftkammer und Kamin
• Brennbare Zustände treten in keinem Zeitbereich in der Abluftkammer und im Kamin auf
• Systemverfügbarkeit der RG-Lüftung ist erforderlich
• Nutzung jetzt im HMN empfohlen
10
Venting
SHB
Gefilterte SHB-Druckentlastung – Aerosol- und Iodrückhaltung
11
RSK COCOSYS MBL-Fall
COCOSYS ND*-Fall
Aerosolmasse im Waschwasser (kg) 60 11,6 1,9
Iodmasse im Waschwasser (kg) - 0,432 0,165
Nachzerfallswärme (kW) gesamt Iod alle anderen Spaltprodukte
7 5 2
15,1 11,6 3,7
14,3 13,1 1,2
Abscheidegrad (%) Aerosol I2 Organoiod
≥ 99,9 ≥ 90,0
0,0
> 99,9 > 99* 0,0**
> 99,9 > 99* 0,0**
* Mittelwert über gesamten Zeitraum der Druckentlastung, nicht zu Beginn ** Organoiodrückhaltung in JAVA gemessen
Gefilterte SHB-Druckentlastung – Fazit
Neubewertung der Wirksamkeit der gefilterten SHB-Druckentlastung ergibt: Brennbare Gasgemische im gemeinsamen Abluftsystem bei DWR lassen sich
durch Nutzung der betrieblichen Abluft bei der gefilterten Druckentlastung vermeiden (neue Notfallmaßnahme im HMN)
Filterwirksamkeit kann bestätigt werden, unter der Annahme von Änderungen an der Drossel im System WLN 2016/2 … bedingt durch die Dimensionierung der Drossel wird der Gleitdruckventuriwäscher oberhalb bzw. am oberen Rand des experimentell nachgewiesenen Bereichs für die I2- und Aerosolrückhaltung betrieben … … eine Beeinträchtigung der Aerosol- und Iodrückhaltung durch die Venturidüsen ist nicht auszuschließen und die Einhaltung der Empfehlung der RSK /RSK 90/ ist nicht sichergestellt … … die derzeit eingesetzte Drossel sollte durch eine neu dimensionierte Drossel ersetzt werden.
Gefilterte Druckentlastungssysteme des SHB wurden zwischenzeitlich durch Betreiber überprüft und wo nötig angepasst (Rückflüsse WLN) 12
Analysen zum H2-Management im RG außerhalb des SHB
Analyseanforderungen/Ziele resultieren aus Beratung der RSK / AST zum Thema „SHB-Leckagen zum Ringraum“, die 2015 mit Empfehlung zu neuen Notfallmaßnahmen abgeschlossen wurden
Notfallmaßnahmen zusätzlich zur Nutzung der installierten RR-Störfallabsaugung • Umluftsystem im RG: Umwälzung der Atmosphäre im Ringraum (Beseitigung von
Schichtungen) • Zu-/Abluftsystem des RG: rechtzeitige Herstellung einer kontrollierten Belüftung
(Begrenzung des Anstiegs der H2-Konzentration) • Bedarfsfilteranlage: Absaugung von Ringraumluft mit Maßnahmen zur Verringerung der
Freisetzung radioaktiver Stoffe in die Umgebung (z. B. Filterung, Abgabe über Kamin) • Alternative Möglichkeiten zum Wasserstoffabbau können auch vorgesehen werden
Analysen im laufenden Vorhaben berücksichtigen • Zwei charakteristisch unterschiedliche Szenarien • Verschiedene Leckorte im Bereich der SHB-Kabeldurchführungen (12 – 15 m Ebene) • Verschiedene Systeme und vorgeschlagene Notfallmaßnahmen bzgl. des RG gemäß
Empfehlung RSK / AST bzw. HMN der Referenzanlage
14
Analysen zum H2-Management außerhalb des SHB – Hintergrund (1)
Bildquelle: AST-Sitzung am 28.11.2013 Dr. Frank Sommer, E-ON
SHB-Durchführungen: Mitte RR (~25 m):
• Materialschleuse im Materialtor und 1. Notschleuse
• Kompensatoren der FD- und SpW-Leitungen
Untere Hälfte RR (6 – 15 m): • Personenschleuse, 2. Notschleuse • Ca. 120 Rohr- und
475 Kabeldurchführungen
Betoneinspannung(< 6 m): • Ca. 12 Rohrdurchführungen
RR-Störfallabsaugung: • 4 x 25 % Lüfter, notstromgesichert • Gefilterte Absaugung an einer
Position im RR neben Personenschleuse bei +12 m
15
Ringspalt 6 m – 21,5 m 4.300 m³ (16 %*)
Ringspalt > 21,5 m ~14.900 m³ (54 %*)
RR / Räume unterhalb 6 m: 23.100 m³ nicht relevant bzgl. H2-Konzentration
da unterhalb möglicher Leckage
6 m
21,5 m Sep. Räume des RR
6 m – 21,5 m 8.300 m³ (30 %*)
im Unfall ggf. durch Brandschutzelemte
abgesperrt
16
Analysen zum H2-Management außerhalb des SHB – Hintergrund (2)
SHB-Gesamtvolumen ~70.000 m3
RR-Gesamtvolumen ~50.000 m³ davon Bereiche oberhalb 6 m relevant: 27.500 m³ (100 %*)
Analysen zum H2-Management außerhalb des SHB (1)
Basisfall mit Auslegungsleckage und Betrieb RR-Störfallabsaugung H2-Konzentration im Ringspalt
17
COCOSYS, GKN-2, MBL, BF
0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000Zeit [s]
0
1
2
3
4
5
6
H2-
Kon
zent
ratio
n in
Rin
gspa
lt (V
ol%
)
MBL-BF_H2_GAS_U46MBL-BF_H2_GAS_U23AMBL-BF_H2_GAS_U22AMBL-BF_H2_GAS_U03AMBL-BF_H2_GAS_U02AMBL-BF_H2_GAS_U01AMBL-BF_H2_GAS_U00A
Venting
• Ausbildung von Gasschichtungen im Ringraum durch RR-Absaugung
• keine brennbaren Gemische (H2 < 4 Vol.%)
COCOSYS, GKN-2, MBL, BF
0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000Zeit [s]
0
1
2
3
4
5
6
H2-
Kon
zent
ratio
n in
Rin
grau
mrä
ume
(Vol
%)
MBL-BF_H2_GAS_U22AMBL-BF_H2_GAS_U74AMBL-BF_H2_GAS_U73AMBL-BF_H2_GAS_U72AMBL-BF_H2_GAS_U70A
Analysen zum H2-Management außerhalb des SHB (2)
Basisfall mit Auslegungsleckage und Betrieb RR-Störfallabsaugung H2-Konzentration in separaten Räumen des RG
18
Venting VU74A-B Brandschutztür schließt bei T > 70oC
• Räume werden durch Schließen der Brandschutz-objekte von Gas- und Radionuklideintrag (generell) frühzeitig abgesperrt (H2 < 4 Vol.%)
COCOSYS, GKN-2, MBL, BFa
0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000Zeit [s]
0
1
2
3
4
5
6
H2-
Kon
zent
ratio
n in
Rin
gspa
lt (V
ol%
)
MBL-BFa_H2_GAS_U46MBL-BFa_H2_GAS_U23AMBL-BFa_H2_GAS_U22AMBL-BFa_H2_GAS_U03AMBL-BFa_H2_GAS_U02AMBL-BFa_H2_GAS_U01AMBL-BFa_H2_GAS_U00A
Analysen zum H2-Management außerhalb des SHB (3)
Variationsrechnungen: Basisfall und Variante mit Ausfall der RR-Störfallabsaugung H2-Konzentration im Ringspalt
Auslegungsleckage (0,25 Vol%/d), Basisfall Variante 1: Ausfall RR-Absaugung
COCOSYS, GKN-2, MBL, BF
0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000Zeit [s]
0
1
2
3
4
5
6
H2-
Kon
zent
ratio
n in
Rin
gspa
lt (V
ol%
)
MBL-BF_H2_GAS_U46MBL-BF_H2_GAS_U23AMBL-BF_H2_GAS_U22AMBL-BF_H2_GAS_U03AMBL-BF_H2_GAS_U02AMBL-BF_H2_GAS_U01AMBL-BF_H2_GAS_U00A
Venting Venting
19
• Ausfall RR-Absaugung erhöht H2-Konzentration • keine brennbaren Gemische (H2 < 4 Vol.%)
Analysen zum H2-Management außerhalb des SHB (4)
COCOSYS, GKN-2, MBL, V2
0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000Zeit [s]
0
2
4
6
8
H2-
Kon
zent
ratio
n in
Rin
gspa
lt (V
ol%
)
MBL-V2_H2_GAS_U46MBL-V2_H2_GAS_U23AMBL-V2_H2_GAS_U22AMBL-V2_H2_GAS_U03AMBL-V2_H2_GAS_U02AMBL-V2_H2_GAS_U01AMBL-V2_H2_GAS_U00A
6 m Ebene
12 m Ebene
16 - 41 m Ebene
Auslegungsleckage (0,25 Vol%/d), Basisfall Variante 2: 10-fache Auslegungsleckage
COCOSYS, GKN-2, MBL, BF
0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000Zeit [s]
0
1
2
3
4
5
6
H2-
Kon
zent
ratio
n in
Rin
gspa
lt (V
ol%
)
MBL-BF_H2_GAS_U46MBL-BF_H2_GAS_U23AMBL-BF_H2_GAS_U22AMBL-BF_H2_GAS_U03AMBL-BF_H2_GAS_U02AMBL-BF_H2_GAS_U01AMBL-BF_H2_GAS_U00A
Venting
Venting
20
Variationsrechnungen: Basisfall und 10-fache Auslegungsleckage jeweils mit Betrieb der RR-Störfallabsaugung
H2-Konzentration im Ringspalt • 10-fache Auslegungsleckage zeigt brennbare Gemische (H2 > 4 Vol.%) im oberen RR
des RG, da RR-Störfallabsaugung dort nicht wirksam ist
COCOSYS, GKN-2, MBL, V4
0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000Zeit [s]
0
2
4
6
8
10
12
H2-
Kon
zent
ratio
n in
Rin
gspa
lt (V
ol%
)
MBL-V4_H2_GAS_U46MBL-V4_H2_GAS_U23AMBL-V4_H2_GAS_U22AMBL-V4_H2_GAS_U03AMBL-V4_H2_GAS_U02AMBL-V4_H2_GAS_U01AMBL-V4_H2_GAS_U00A
COCOSYS, GKN-2, MBL, V2
0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000Zeit [s]
0
2
4
6
8
10
12
H2-
Kon
zent
ratio
n in
Rin
gspa
lt (V
ol%
)
MBL-V2_H2_GAS_U46MBL-V2_H2_GAS_U23AMBL-V2_H2_GAS_U22AMBL-V2_H2_GAS_U03AMBL-V2_H2_GAS_U02AMBL-V2_H2_GAS_U01AMBL-V2_H2_GAS_U00A
6 m Ebene
12 m Ebene
16 - 41 m Ebene
Analysen zum H2-Management außerhalb des SHB (5)
Variante 2: 10-fache Auslegungsleckage Variante 3: 10-fache Auslegungsleckage, Ausfall RR-Störfallabsaugung
Venting Venting
21
Variationsrechnungen: 10-fache Auslegungsleckage und Variante mit Ausfall RR-Störfallabsaugung
H2-Konzentration im Ringspalt • 10-fache Auslegungsleckage und Ausfall RR-Störfallabsaugung zeigt verstärkt
brennbare Gemische im Ringspalt des RG (H2 > 4 Vol.%)
Analysen zum H2-Management außerhalb des SHB – derzeitiges Fazit
Basisfall: SHB-Auslegungsleckage und Betrieb RR-Störfallabsaugung • Keine Ausbildung brennbarer Gasgemische im Ringraum im
Betrachtungszeitraum Varianten: 10-fache Auslegungsleckage / Ausfall RR-Absaugung
• Ausbildung brennbarer Gasgemische im oberen RR-Bereich auch bei Betrieb der RR-Absaugung
• Ausfall der RR-Absaugung verschlimmert die Situation
Notfallmaßnahmen werden zur Beherrschung der Situation gebraucht Analysen werden für weitere Szenarien und Bedingungen fortgesetzt
22
Zusammenfassung
Ziel der deterministischen Unfallanalysen ist u. a. die Bewertung der Wirksamkeit von Notfallmaßnahmen Die bei der GRS entwickelten Codes und Methoden – die den aktuellen Stand von
WuT auf dem Gebiet von Stör- und Unfällen in KKW wiederspiegeln – werden genutzt Ergebnisse fließen in Vorschläge für Verbesserungen und Erweiterungen von
Systemen und Notfallmaßnahmen in KKW, Beratungen der RSK und ggf. Weiterleitungsnachrichten ein
23