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Vorschau auf das Jahr 2005: so wird der EPR aussehen. Der Autor ist Präsident von Nuclear Power International, Paris.

Der gemeinsam zwischen Deutschland und Frankreich entwickelte EPR, European Pressurized water Reactor, wird ein neues Kapitel in der Nutzung der Kernenergie aufschlagen. Neben diesem Beitrag zur Erhöhung der Akzeptanz der Kernenergie, wird ein besonderes Augenmerk auf die Beibehaltung der Konkurrenzfähigkeit des durch Kernenergie erzeugten Stroms gegenüber fossilen Primärenergiequellen gelegt.

von Ulrich Fischer

Um die durch die erhöhten Sicherheitsvorkehrungen, insbesondere derjenigen zur Beherrschung schwerer Störfälle, verursachte Steigerung der Investitionskosten auszugleichen, werden die Betriebskosten durch eine erhöhte Betriebsflexibilität, verbesserte Brennstoffausnutzung und hohe Verfügbarkeit ausgeglichen.

Die deutsch-französische Zusammenarbeit

Der Grundstein für die gemeinsame Entwicklung der nächsten Generation von Druckwasserreaktoren wurde 1989 durch die Gründung der Firma NPI (Nuclear Power International) gelegt. Diese zu gleichen Teilen von Siemens und Framatome getragenen Firma hatte zunächst die Aufgabe, ein konkurrenzfähiges Produkt für den Weltmarkt zu entwickeln. 1992 haben das staatliche französische Energieversorgungsunternehmen EDF, Electricité de France, und die neun großen, Kernkraftwerke betreibenden deutschen Energieversorgungsunternehmen beschlossen, sich diesem Entwicklungsprojekt anzuschließen. Zu Gunsten des EPR wurden die bis dahin unabhängig voneinander durchgeführten nationalen Entwicklungsprojekte, aufgegeben und mit der EPR-Entwicklung verbunden. Durch das enge Zusammenwirken von Herstellern und Betreibern und durch die frühe Festlegung, die EPR-Entwicklung evolutionär statt revolutionär anzugeben, wird die optimale Nutzung der bei den in Betrieb befindlichen Anlagen gemachten Erfahrungen sichergestellt.

Neben den Herstellern haben sich auch die Genehmigungsbehörden beider Länder zu einer Kooperation zusammengefunden. Dazu wurde die bereits existierende Zusammenarbeit bei der Überwachung laufender Anlagen auf die Definition von Anforderungen an zukünftige Reaktorgenerationen erweitert. Rechtzeitig vor der Unterzeichnung des Vertrages zur Durchführung der Grundauslegung (Basic Design) im Februar 1995, formulierten die Genehmigungsbehörden in einem gemeinsamen Papier diese zukünftigen Anforderungen.

Die Auslegung des EPR auf der Basis dieser gemeinsam formulierten Anforderungen, sichert die Genehmigungsfähigkeit der Anlage in beiden Ländern, ohne daß es spezifischer Anpassung bedarf. Damit werden die Voraussetzungen für eine Serienfertigung des EPR geschaffen, so daß die einmalig entstehenden Entwicklungskosten auf eine Reihe von Anlagen verteilt werden können.

Erfüllung der sicherheitstechnischen Anforderungen

Die Zusammenarbeit bei der Definition von Sicherheitskriterien für zukünftige Reaktoren wurde durch die Gründung eines Deutsch-Französischen Direktoriums (DFD) organisiert. Die vom DFD definierte, übergeordnete Zielsetzung für die Entwicklung zukünftiger Kernkraftwerke, war eine weitere Reduktion der Eintrittswahrscheinlichkeit schwerer Störfälle und eine Verbesserung der einschließenden Wirkung des Sicherheitsbehälters. Zusätzlich wurden vier Schlüsselthemen für die Genehmigung zukünftiger Kernkraftwerke definiert:

• Schutz vor Einwirkungen von außen (beispielsweise Flugzeugabsturz)

• Beherrschung schwerer Störfälle und Auslegung des Sicherheitsbehälters

• Radiologische Konsequenzen von Störfällen, einschl. Kernschmelzunfällen

• Wahrscheinlichkeitsuntersuchungen zum Ausfall von Sicherheitssystemen

Um nun die an den EPR gestellten, sicherheitstechnischen Anforderungen zu erfüllen, wurden die in Deutschland und Frankreich existierenden technischen Lösungen bewertet und gemäß der gemeinsam festgelegten Prinzipien neuen Lösungen zugeführt. Dabei wurde eine zweistufige Strategie verfolgt.

Erstens, eine Verbesserung der vorbeugenden Maßnahmen zur Verhinderung von Störfällen basierend auf den folgenden, bekannten Prinzipien:

• Verhinderung von Abweichungen vom Normalbetrieb

• Erkennung solcher Abweichungen und Vorsehen von Maßnahmen, so daß sich solche Abweichungen nicht zu Auslegungsstörfällen entwickeln

• Vorsehen von Maßnahmen zur Beherrschung von Auslegungsstörfällen. Damit wird die Eintrittswahrscheinlichkeit schwerer Störfälle bereits unter das heute gültige Niveau abgesenkt.

Zweitens werden, obwohl die Wahrscheinlichkeit schwerer Störfälle weiter reduziert wurde, Maßnahmen ergriffen, solche schweren Störfälle zu beherrschen, so daß deren Auswirkungen auf die Anlage selbst beschränkt bleiben und nicht zu schwerwiegenden Konsequenzen für die in der Umgebung der Anlage lebende Bevölkerung führen. Damit sind Maßnahmen wie Evakuierung und Umsiedelung der Bevölkerung ausgeschlossen.

Strategie 1: Maßnahmen zur Störfallvermeidung

Die Maßnahmen, durch die die Eintrittswahrscheinlichkeit von Störfällen weiter reduziert werden soll, lassen sich in den folgenden vier Punkten zusammenfassen:

• Vereinfachung der Sicherheitssysteme

• Vermeidung von Ausfällen durch gemeinsame Ursachen (common mode) durch räumliche Trennung und Vorsehen von diversitären Sicherheitsfunktionen

• Verlängerung der Eingreifzeiten durch das Betriebspersonal durch größere Wasserinhalte in den Komponenten, um den Ablauf von Transienten zu glätten

• Geringere Anfälligkeit für menschliches Versagen durch eine optimierte Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine durch die Verwendung digitaler Leittechnik und moderner Informationssysteme für die Bedienmannschaft.

Strategie 2: Beherrschung schwerer Störfälle

Darüber hinaus weist der EPR die Besonderheit auf, postulierte schwere Störfälle bis hin zum Kernschmelzen zu beherrschen. Die Auswirkungen dieser früher dem Restrisiko zugeordneten hypothetischen Störfälle werden auf die Anlage selbst beschränkt, so daß für die in der Umgebung der Anlage lebende Bevölkerung keine Konsequenzen befürchtet werden müssen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden die folgenden Schutzziele definiert:

• Sicherstellung der kurz- und langfristigen Integrität des Sicherheitsbehälters

• Stabilisierung der Kernschmelze innerhalb des Sicherheitsbehälters

• Vermeidung von Leckagen durch die Durchführungen des Sicherheitsbehälters

• Langfristige Kühlung der Kernschmelze

Zur Erreichung dieser Schutzziele müssen sämtliche möglichen Störfallabläufe analysiert, die zu erwartenden Effekte erkannt und geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden.

Zur Vermeidung einer Kernschmelze unter hohem Systemdruck wird ein zuverlässiges primärseitiges Druckabbausystem vorgesehen, das durch manuelles Eingreifen die entsprechenden Armaturen öffnet und den sogenannten Hochdruckpfad in den Niederdruckpfad überführt. Dieses System vermeidet gleichzeitig die Gefahr der direkten Überhitzung des Sicherheitsbehälters durch versprühte Kernschmelzepartikel.

Als wesentliches Auslegungsmerkmal für die Beherrschung dieser schweren Störfälle wurde unterhalb des Reaktordruckbehälters eine Auffangfläche für die Kernschmelze vorgesehen. Um Dampfexplosionen zu verhindern, ist diese Fläche zu Störfallbeginn trocken und gegen ungewollten Wassereinbruch isoliert. Nachdem die Schmelze den Druckbehälter verlassen hat, breitet sie sich aus und bildet eine gut kühlbare, dünne Schicht. Erst dann wird sie durch Wasser aus dem innenliegenden Flutbecken bis zur Erstarrung weiter abgekühlt, um sich innerhalb des Sicherheitsbehälters zu stabilisieren. Um eine Wechselwirkung zwischen Beton und Kernschmelze und damit ein Durchschmelzen der Fundamentplatte zu verhindern, ist die Ausbreitungsfläche zusätzlich durch eine geeignete Schutzschicht gesichert.

Weitere Maßnahmen sind zur Sicherstellung der Dichtheit des Sicherheitsbehälters vorgesehen, um die Freisetzung radioaktiver Materialien in die Umgebung zu verhindern. Dabei handelt es sich im wesentlichen um einen ausreichend hohen Auslegungsdruck des Sicherheitsbehälters. Zur Vermeidung von Explosionen des während des Störfallablaufs entstehenden Wasserstoffs wird die globale wie lokale Wasserstoffkonzentration durch Rekombinatoren und Zünder limitiert.

Ein speziell für die Beherrschung dieser Störfälle vorgesehenes Wärmeabfuhrsystem stellt sicher, daß die Auslegungsparameter des Sicherheitsbehälters (Druck und Temperatur) auch langfristig nicht überschritten werden. Dazu wird Wasser in die Atmosphäre des Sicherheitsbehälters gesprüht, um den entstehenden Dampf zu kondensieren und dadurch den Druck bis auf Atmosphärendruck abzusenken.

Mit dieser Reihe von Maßnahmen wird sichergestellt, daß selbst der unwahrscheinliche und nur hypothetisch angenommene Fall eines Kernschmelzunfalls außerhalb der Anlage selbst keinerlei Auswirkungen haben wird.

Die Konkurrenzfähigkeit des EPR

Es ist offensichtlich, daß die für den EPR zusätzlich vorgesehenen Sicherheitsmaßnahmen Kosten verursachen. Andererseits werden die Elektrizitätsversorgungsunternehmen die Anlage nur in Auftrag geben, wenn nachgewiesen werden kann, daß die Stromerzeugungskosten mit denen anderer Primärenergieträger konkurrenzfähig sind. Es ist daher dafür Sorge zu tragen, daß die erhöhten Investitionskosten durch die Optimierung anderer Parameter ausgeglichen werden. Zu diesen Optimierungsmaßnahmen zählen insbesondere die Anlagengröße von 1500 MW, die zu geringen spezifischen Baukosten führt. Die weitgehende Standardisierung der Auslegung wird den Ingenieurstundenaufwand für Planung und Errichtung reduzieren und den Serieneffekt ausnutzen.

Im betrieblichen Bereich sorgt die durch ein optimiertes Instandhaltungskonzept erreichte hohe Verfügbarkeit von 87 Prozent gemeinsam mit dem erhöhten Wirkungsgrad zu nennenswert niedrigeren Betriebskosten. Die Brennstoffkosten ihrerseits werden durch einen erhöhten Abbrand und der damit verbundenen, besseren Brennstoffausnutzung ebenfalls zu niedrigeren Stromerzeugungskosten führen. Letztlich wird der EPR für eine Lebensdauer von 60 Jahren ausgelegt, wodurch sich eine längere Nutzungsdauer des Investments ergibt.

Wegen der verlängerten Lebensdauer wird der EPR, wenn er nach den derzeitigen Planungen im Jahr 2005 erstmals ans Netz geht, bis weit in das nächste Jahrhundert hinein in Betrieb sein. Aus diesem Grund werden bereits jetzt gewisse Spielräume für die Anpassung an zukünftige Erfordernisse eingeplant. Hierzu zählt im besonderen die Möglichkeit des Einsatzes von Mischoxidbrennstäben (MOX), mit denen das bei der Aufarbeitung abgebrannter Brennelemente anfallende Plutonium sicher und umweltschonend wiederverwendet werden kann.

Mit den hier nur kurz beschriebenen Auslegungsmerkmalen wird der EPR neue Standards für die Sicherheit von Kernkraftwerken aber auch für deren konkurrenzfähige Stromproduktion setzen. Er stellt damit mehr als nur eine Option für die künftige Stromerzeugung in Deutschland, Frankreich, Europa und weltweit dar.