Nichtinvasive Zustandsüberwachung von Kernreaktoren zur Detektion von Füllstandsänderungen und der Deformation des Kerns (NIZUK)
Teilprojekt:
Berechnung von Gammastrahlungsfeldern des Reaktorkerns zur nichtinvasiven Zustandsüberwachung
Hintergrund:
Befindet sich ein Kernreaktor im Normalbetrieb oder im abgeschalteten Zustand, liegen in der Regel umfangreiche Informationen über den aktuellen Reaktorzustand vor. Diese Daten werden von der sogenannten betrieblichen Reaktorinstrumentierung, also verschiedenen Sensoren im Reaktor, im Kühlkreislauf und im Sicherheitsbehälter, erhoben. Beispiele sind Temperatur-, Druck- und Massestrommessung im Primärkreislauf, Messung von Kernaustrittstemperaturen durch Thermoelemente sowie die Reaktorleistungsmessung durch verschiedene Neutronendetektoren. Im Falle von schweren Störfällen ist von einem Funktionsverlust bzw. einer Zerstörung dieser Messsysteme auszugehen. Eine zeitlich optimale Umsetzung von Notfallmaßnahmen könnte von einem Monitoring des Reaktorzustands während des Störfalls erheblich profitieren.
Zielstellung:
Im Vorhaben wurde eine Methodik zur nichtinvasiven Zustandsüberwachung des Reaktorkerns bei schweren Störfällen entwickelt. Diese basiert auf der Messung von Gammastrahlung außerhalb des Reaktordruckbehälters. Dafür ist eine zusätzliche Instrumentierung mittels ortsverteilter Gammastrahlungsdetektoren erforderlich. Ziel ist es, mit dem Verfahren einen Abfall des Kühlmittelfüllstands sowie eine Veränderung der Reaktorkerngeometrie infolge einer Kernschmelze sicher und in Echtzeit zu erkennen.
Methoden und Ergebnisse:
Nach Schnellabschaltung des Reaktors reduziert sich der Neutronenfluss aus dem Reaktorkern erheblich, wohingegen durch den Nachzerfall der kurzlebigen Spaltprodukte noch ein sehr großer Gammastrahlungsfluss vorhanden ist. Das Strahlungsfeld ist durch die Geometrie der Strahlenquelle (Reaktorkern) sowie die Abschirmwirkung von Kerneinbauten, Reaktordruckbehälter und Kühlmittelinventar bestimmt. Insbesondere die harte Gammastrahlung durchdringt zu einem erheblichen Anteil die massive Reaktordruckbehälterwand und kann außerhalb durch ortsverteilte Gammastrahlungsdetektoren erfasst werden.
Durch umfassende Strahlenfeldberechnungen mittels Monte-Carlo-Simulation wurde gezeigt, dass mittels einer Messlanze am biologischen Schild des Reaktors sicher eine Absenkung des Kühlmittelfüllstandes erkannt werden kann. Bei einer Kernschmelze lassen sich Veränderungen der Kerngeometrie nachweisen. Ein zu lösendes Problem ist die Diskriminierung der Strahlung aus dem Reaktorkern von Strahlung aus neutronen-aktivierten Reaktorbauteilen. Dies wird durch ein spezielles Messprotokoll gelöst. Methoden zur Echtzeit-Analyse von Kernzuständen aus den Strahlungsmessdaten mittels Softcomputing-Methoden wurde beim Projektpartner Hochschule Zittau/Görlitz entwickelt.
Prinzip der nichtinvasiven Kernzustandsüberwachung durch Analyse des Gammastrahlenfeldes außerhalb des Reaktors
Mit Monte-Carlo-Rechnung ermittelter Gammastrahlungsfluss entlang der Reaktorhöhe für einen abfallenden Kühlmittelfüllstand. Die Abschirmwirkung des Kühlmittels liegt bei einer Größenordnung, daher ist eine Kühlmittelabsenkung im Bereich des Reaktorkerns sicher nachweisbar.
Publikationen:
C. Brachem, J. Konheiser, U. Hampel
The gamma radiation emitted by a PWR core under severe accident conditions
Proceedings 22nd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE22), 07.-11.07.2014, Prague, Czech Republic
C. Brachem, J. Konheiser, U. Hampel
On the feasibility of using ex-core neutron instrumentation for reactor state diagnosis during accidents
Proceedings 23rd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE23), 17.-21.05.2015, Chiba, Japan