Erweiterte Reaktorgefäße stärken die Normen für die nukleare Sicherheit

Stellen Sie sich einen Stahlriesen vor, der tief im Kern eines Kernkraftwerks vergraben ist und unvorstellbarem Druck und Strahlung standhält, während er das Streben der Menschheit nach sauberer Energie schützt. Dies ist der Reaktordruckbehälter (RPV), der Eckpfeiler der Sicherheit von Kernkraftwerken. Dieser Artikel befasst sich mit dieser kritischen Komponente und untersucht ihre außergewöhnliche Technik, die strenge Materialauswahl und die sich entwickelnden Sicherheitstechnologien.

Der Reaktordruckbehälter ist eine wichtige Komponente von Kernkraftwerken und fungiert als robuste Festung, die das Reaktorkühlmittel, die Kernabschirmung und die Brennelemente umschließt. Im Gegensatz zu RBMK-Reaktoren aus der Sowjetzeit, bei denen jedes Brennelement in einzelnen Rohren mit einem Durchmesser von 8 cm untergebracht war, verlassen sich die meisten modernen Kernkraftwerke zur Sicherheit auf RPVs. Während Reaktoren typischerweise nach Kühlmitteltyp und nicht nach Behälterkonfiguration klassifiziert werden, wirken sich das Vorhandensein und die Auslegung des Druckbehälters direkt auf die Sicherheit und Effizienz eines Kraftwerks aus.

Häufige Reaktorklassifizierungen umfassen:

• Leichtwasserreaktoren (LWRs): Der am weitesten verbreitete Typ, einschließlich Druckwasserreaktoren (PWRs) und Siedewasserreaktoren (BWRs).
• Graphitmoderierte Reaktoren: Exemplifiziert durch den Tschernobyl-RBMK-Reaktor, dessen Konstruktionen sich stark von den meisten zivilen Kernkraftwerken weltweit unterscheiden.
• Gasgekühlte thermische Reaktoren: Einschließlich fortgeschrittener gasgekühlter Reaktoren (AGRs), gasgekühlter schneller Brüter und Hochtemperatur-Gasreaktoren. Der britische Magnox-Reaktor ist ein klassisches Beispiel.
• Druckschwerwasserreaktoren (PHWRs): Verwendung von Schwerwasser (angereichert mit Deuterium) als Moderator oder Kühlmittel. Der kanadische CANDU-Reaktor ist ein prominenter PHWR.
• Flüssigmetallgekühlte Reaktoren: Verwendung von geschmolzenen Metallen wie Natrium- oder Blei-Wismut-Legierungen zur Kühlung.
• Salzschmelzreaktoren (MSRs): Verwendung von fluoridbasierten Salzschmelzen als Kühlmittel. MSRs arbeiten bei hohen Temperaturen und niedrigem Druck und reduzieren die Belastung der Reaktorgefäße.

Unter den wichtigsten Reaktortypen, die Druckbehälter verwenden, stehen PWRs vor einer besonderen Herausforderung: Neutronenbestrahlung (oder Neutronenfluss) während des Betriebs versprödet allmählich die Behältermaterialien. Im Gegensatz dazu bieten BWR-Behälter – größer in der Größe – eine bessere Neutronenabschirmung. Dies erhöht zwar die Herstellungskosten, macht aber das Glühen zur Verlängerung der Lebensdauer überflüssig.

Um die Lebensdauer von PWR-Behältern zu verlängern, entwickeln Kernkraftwerksdienstleister wie Framatome (ehemals Areva) und Betreiber Glühtechnologien. Dieser komplexe, hochwertige Prozess zielt darauf ab, die durch längere Bestrahlung abgebauten Materialeigenschaften wiederherzustellen.

Trotz Konstruktionsvariationen weisen alle PWR-Druckbehälter wichtige Merkmale auf:

• Behälterkörper: Die größte Komponente, die Brennelemente, Kühlmittel und Tragstrukturen aufnimmt. Typischerweise zylindrisch mit einer oberen Öffnung zum Beladen von Brennstoff.
• Behälterkopf: Am oberen Ende befestigt, mit Durchdringungen für Steuerstabantriebe und Kühlmittelstandssonden.
• Brennelemente: Gitterartige Anordnungen von Stäben, die Uran- oder Uran-Plutonium-Gemische enthalten.
• Kernabschirmung: Eine zylindrische Barriere, die den Behälter vor schnellen Neutronen schützt, die Versprödung verursachen.

RPV-Materialien müssen hohen Temperaturen und Drücken standhalten und gleichzeitig die Korrosion minimieren. Behälterschalen verwenden typischerweise niedriglegierten ferritischen Stahl, der mit 3-10 mm austenitischem Edelstahl (für Kühlmittelkontaktbereiche) plattiert ist. Sich entwickelnde Konstruktionen haben Nickel-angereicherte Legierungen wie SA-302 B (Mo-Mn-Stahl) und SA-533/SA-508-Güten für eine erhöhte Streckgrenze integriert. Diese Ni-Mo-Mn-Ferritstähle bieten eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Stoßfestigkeit – aber ihre Strahlungsreaktion bleibt kritisch.

Im Jahr 2018 entwickelte Rosatom eine thermische Glühtechnologie zur Minderung von Strahlungsschäden, wodurch die Lebensdauer des Behälters um 15-30 Jahre verlängert wurde (demonstriert in Block 1 von Balakovo). Kerntechnische Umgebungen setzen Materialien einer unerbittlichen Teilchenbombardierung aus, wodurch Atome verlagert und mikrostrukturelle Defekte entstehen. Diese Defekte – Hohlräume, Versetzungen oder Lösungscluster – akkumulieren sich im Laufe der Zeit, härten Materialien und verringern gleichzeitig die Duktilität. Kupferverunreinigungen (>0,1 Gew.-%) verschlimmern die Versprödung und treiben die Nachfrage nach „saubereren“ Stählen an.

Kriechen – plastische Verformung unter anhaltender Belastung – verstärkt sich bei hohen Temperaturen aufgrund einer schnelleren Defektmigration. Strahlungsunterstütztes Kriechen entsteht durch Wechselwirkungen zwischen Spannung und Mikrostruktur, während Wasserstoffionen (aus Kühlmittelradiolyse) Spannungsrisskorrosion über drei theoretische Mechanismen induzieren: Kohäsionsreduktion, Innendruck oder Methanblasenbildung.

Neue Ansätze zielen darauf ab, verlagerte Atome mithilfe von Korngrenzen, übergroßen gelösten Stoffen oder Oxiddispersionen (z. B. Yttriumoxid) zu stabilisieren. Diese reduzieren die Elementsegregation und verbessern die Duktilität und Rissbeständigkeit. Weitere Forschung ist erforderlich, um strahlungsbeständige Legierungen zu optimieren.

Ab 2020 sind die wichtigsten RPV-Hersteller:

• China: China First Heavy Industries, Erzhong, Harbin Electric, Shanghai Electric
• Frankreich: Framatome
• Indien: L&T Special Steels (mit BARC/NPCIL)
• Japan: Japan Steel Works, IHI Corporation
• Russland: OMZ-Izhora, ZiO-Podolsk, AEM-Atommash
• Südkorea: Doosan
• UK: Rolls-Royce (Schiffsreaktoren)