Warum dauert der Neustart eines Kernkraftwerks so lange?

Ich habe ein paar Mal gehört, dass ein laufendes Kernkraftwerk, das außer Betrieb gesetzt wurde (nicht für Notfälle, z. B. zur regelmäßigen Überprüfung), mehr als 24 Stunden (bis zu 72 Stunden?) Braucht, um wieder in Betrieb zu gehen.

Warum dauert es so lange?

Wenn ein Reaktor nach unten dem Kern geschlossen wird , erzeugt viel weniger Wärme, aber sie haben noch produzieren Wärme durch einen Mechanismus , bekannt als Zerfallswärme . Die Tatsache, dass der Kern weniger Wärme erzeugt, bedeutet, dass die Kühlmitteltemperatur sinken wird, aber wie weit diese Temperatur sinkt, hängt von der Abnahme der Wärmeerzeugungsrate ab. Dies basiert wiederum auf dem Betriebsverlauf oder der Leistung, mit der die Anlage vor dem Herunterfahren betrieben wurde. Dies kann für gewerbliche Anlagen von großer Bedeutung sein, da sie in der Regel mit oder in der Nähe von Kapazitäten betrieben werden und die Energieversorger Kohle- oder Erdgasanlagen auf- und abbauen, um die Netzkapazität zu modulieren. Die Abwärme nach einem Tag macht etwa ein halbes Prozent der Stromgeschichte aus, was bei einer 500-MW-Anlage mit voller Leistung bedeutet, dass die Abwärme abfällt könnte 2,5 MW betragen.

Wenn es also zu einer kurzen Abschaltung kommt, ist die Abnahme der Wärmeerzeugungsrate so hoch, dass die Primäranlage heiß bleibt und sie normalerweise ziemlich "schnell" anlaufen kann. Ich sage "schnell", denn während die primäre (radioaktive) Seite der Anlage noch heiß sein kann, ist die sekundäre Dampfanlage wahrscheinlich kalt geworden. Bei der Inbetriebnahme von Sekundäranlagen ist die Feuchtigkeitsbildung in den Rohrleitungen eines der Hauptprobleme. Dies geschieht, wenn Dampf das (relativ) kalte Rohr berührt. Feuchtigkeit in der Dampfanlage kann alle Arten von schrecklichen Dingen verursachen, aber in erster Linie ist der Schaden auf Wasserschläge in den Rohrleitungen und die Feuchtigkeitsbelastung der Turbinenschaufeln zurückzuführen.

Für das Protokoll: Ich weiß das, weil ich ein Navy-Nuke war. In meiner Zeit bei der Navy war das Schrecklichste, das ich je auf dem Schiff gesehen habe, eine Dampfpfeife mit einem Durchmesser von vielleicht 18 Zoll, die bei jedem Wasserschlag buchstäblich 2 bis 3 Zoll sprang Motorraum würde wahrscheinlich lebend gekocht werden. Denken Sie daran, dass der Dampf in dem oben verlinkten Video wahrscheinlich Atmosphärendruck und sehr geringen Durchfluss aufweist oder nur knapp darüber liegt und es sich immer noch so anhört, als würde jemand mit einem Hammer auf diesen Kühler schlagen. Das Rohr hat wahrscheinlich einen Durchmesser von 2,5 cm oder weniger.

Das Kondensat, das entsteht, wenn der Dampf die Rohrleitung berührt, wird im Dampfstrom durch die Rohrleitung "mitgerissen". Der Dampf drückt diesen Wasserpfropfen mit sehr hoher Geschwindigkeit, wie ein Hammer (daher "Wasserschlag"), der Turbinenschaufeln bricht und Rohrleitungen und insbesondere Rohrverbindungen beschädigt.

Es gibt Geräte, die als "Feuchtigkeitsabscheider" oder " Kondensatableiter " bezeichnet werden und die während des normalen Betriebs Feuchtigkeit aus dem System entfernen, aber das beim Kaltstart der Anlage gebildete Kondensatvolumen ist so hoch, dass die Feuchtigkeitsabscheider nicht mithalten können. In Verbindung mit der Gefahr von Wasserschlägen und dem Auftreffen von Feuchtigkeit in der Turbine wird Dampf sehr, sehr, sehr langsam in die Dampfanlage eingeleitet. Die Anlagenbetreiber müssen in regelmäßigen Abständen manuell betriebene Kondensatableiter aufsuchen, um das Kondensat " abzublasen ". (Hinweis: Die Dampfanlage in diesem Video ist schrecklich und ich würde dort nicht arbeiten, aber das Knurrgeräusch, das entsteht, wenn sich das Kondensat auflöst und Dampf austritt, ist genau so, wie ich es mir erinnere.)

Zusammenfassend lässt sich sagen: Die "schnelle" Inbetriebnahme (24 Stunden) wird in der Regel durch die Feuchtigkeitserzeugung in der Sekundärdampfanlage begrenzt, die durch den Kontakt von Dampf mit kalten Rohren verursacht wird.

Der Start der Primäranlage kann viel, viel länger dauern. Die meisten (alle?) Reaktoren in den USA sind Druckwasserreaktoren . Dies bedeutet, dass trotz der 2-3-fachen (oder höheren!) Temperatur, bei der Wasser normalerweise kocht, in der Primäranlage ein ausreichender Druck herrscht, um das Wasser in flüssiger Form zu halten. Dies ist ein großer Druck, und die Rohrleitungen in der Primäranlage haben sehr dicke Wände, um diesem Druck standzuhalten.

Die dicken Wände bedeuten, dass das Innere des Rohrs möglicherweise "heiß" ist, während das Äußere des Rohrs "kalt" ist. Dies sind relative Ausdrücke; alles ist heiß

Das Aufwärmen der Primärpflanze ist ein Henne-Ei-Problem. Dabei geht es in erster Linie darum, dass sich nie Dampf im Reaktor bildet. Steam ist eigentlich ein ziemlich guter Isolator, dass Sinn, wenn es jemals tut in der Reaktorform, plötzlich würde es nichts sein , den Kraftstoff zu kühlen, so dass es sehr , sehr heiß sehr schnell bekommen würde (sprich: Schmelze).

Sie müssen das System also so hoch halten, dass sich kein Dampf im Reaktor bildet. ABER , wenn Sie so viel Druck auf die Leitung ausüben, während sie kalt ist, wird sie durch einen Mechanismus, der als " Sprödbruch " bezeichnet wird, zerbrechen . Dies ist ein plötzlicher und katastrophaler Ausfall, der vermieden werden kann, wenn die Rohrleitungen bis zu einem Punkt erhitzt werden, an dem sie eine gewisse Duktilität aufweisen.

Sie müssen also die Rohrleitungen aufheizen, aber Sie können sie nicht so heiß werden lassen, dass sie kochen. Sie erhitzen es also ein wenig, erhöhen dann den Druck ein wenig, erhitzen dann, setzen ihn unter Druck usw.

Typischerweise gibt es Pausen, die als "Einweichen" bekannt sind und dem Metall in der Rohrleitungszeit Zeit geben, die Temperatur auszugleichen. Dies verhindert, dass sich innere Spannungen aufbauen, da die Innenseite des Rohrs "heiß" und die Außenseite "kalt" ist. Das Einweichen nimmt normalerweise einen großen Teil der Startzeit in Anspruch - Einweichen dauert in der Regel 12 bis 24 Stunden.

Sie heizen sich also auf einen Haltepunkt auf, setzen dann normalerweise einen Zwischendruck auf, heizen sich auf einen anderen Haltepunkt auf, erhöhen den Druck auf einen höheren Zwischendruck, erwärmen sich und setzen ihn zusammen unter Druck. All dies geschieht, um die als "Sprödbruch-Verhinderungsgrenze" bekannten Bruchgrenzen einzuhalten, die wiederum sicherstellen sollen, dass der Temperaturdruck, dem die Rohrleitungen ausgesetzt sind, so ist, dass die Rohre nicht abfallen.

Sobald Sie die Primäranlage aufgewärmt haben, können Sie damit beginnen, die Sekundäranlage online zu schalten. Für die Primäranlage sind es also normalerweise 2 Tage und für die Sekundäranlage ein weiterer Tag - dies ist die 72-stündige Inbetriebnahme.

Wie bereits erwähnt, hält Zerfallswärme die Primärpflanze für eine lange Zeit (bis zu vielleicht einem Monat) heiß. Wenn Sie also keinen längeren Ausfall haben, können Sie normalerweise ziemlich "schnell" beginnen, wobei "schnell" wiederum etwa 24 Stunden dauert .

Xenon ist ein Ergebnis der Kernreaktion und ein Neutronengift. Wenn Sie nicht darauf warten, dass das Xenon zerfällt, frisst es zu viele Neutronen auf und Sie können nicht kritisch werden. Sie sagen immer "Es gibt nicht genug Stangen zum Ziehen." Wenn Sie einen schönen neuen reaktiven Kern haben, können Sie früher loslegen. Wenn der Kern alt ist, müssen Sie lange warten, bis genug Xenon (und andere Gifte) zerfallen.

Die Anlage, in der ich gearbeitet habe, kostete für einen Ausfall ungefähr eine Million Dollar pro Tag. Glauben Sie mir, wenn sie früher anfangen könnten, würden sie es tun.

Die Antwort läuft auf zwei Faktoren hinaus: Sicherheit und Prüfung. Ich werde im Folgenden eine allgemeine Zusammenfassung dieser beiden Dinge geben, aber die eigentliche Antwort ist ziemlich kompliziert.

Der Kern des Kernkraftwerksbetriebs dreht sich um nukleare Sicherheit. Ich spreche nicht von persönlicher Sicherheit, die in den Zuständigkeitsbereich der Arbeitsschutzbehörde (OSHA) fällt, obwohl dies einen gewissen Faktor hat. Dies ist eine allgemeine Sicherheit für die Öffentlichkeit gegen radiologische Ereignisse. Kernkraftwerke sind so ausgelegt, dass das Risiko eines solchen Ereignisses so gering wie möglich gehalten wird.

Wenn eine Pflanze hochfährt, durchläuft sie verschiedene Modi . Jeder Modus hat seine eigenen Test- und Akzeptanzkriterien, die erfüllt sein müssen, bevor die Anlage im Modus weiter erhöht werden kann. Es gibt viele Systeme, und diese Dinge brauchen Zeit. Insbesondere Systeme, die für die nukleare Sicherheit von entscheidender Bedeutung sind, müssen eingehend geprüft werden.

Ein Kernkraftwerk wird erst dann voll funktionsfähig, wenn alle Systeme ihre Tests bestanden haben und die Anlage betriebssicher ist.

Dies sind viele Gründe für die Zeit, die erforderlich ist, um kommerzielle Kernkraftwerke in Betrieb zu nehmen oder wieder in Betrieb zu nehmen. In den USA gibt es zwei Hauptanlagentypen: Siedewasserreaktoren (SWR) und Druckwasserreaktoren (PWR). Die Antworten unterscheiden sich je nach Reaktortyp und Version. Eine übliche Erklärung, die ich nicht erwähnte, ist, dass alle kommerziellen Kernkraftwerke es vermeiden, in einem Zeitraum von 4 Stunden> 15% der thermischen Leistung zu ändern. Dies dient zum Schutz der Unversehrtheit der Kraftstoffhülle. Ich habe fast 20 Jahre in der kommerziellen Atomkraftindustrie gearbeitet - und bin seit über 20 Jahren nicht mehr in der Branche -, also haben sie vielleicht die Brennstoffummantelung verbessert, und das ist kein Problem mehr - aber es war zu meiner Zeit eine zwingende Einschränkung.

Chuk hätte es fast bis zum Ende geschafft. Unter dem Gesichtspunkt der Beantwortung der Frage beschränkt der ASME B & PV-Code die Heizrate auf 30 Grad Celsius pro Stunde. Normale Pflanzen arbeiten bei etwa 300 Grad Celsius. Dies gibt Ihnen eine minimale theoretische Aufheizrate der Anlage. Zweitens, wenn eine Anlage ausgelöst wird, wird die erste Ursache für die Auslösung und deren Behebung gefunden. Zur Beheizung der Sekundärseite wird Dampf benötigt, für den Hilfskessel angefahren werden. Zuletzt wird die Wasserchemie aller Pflanzen wiederhergestellt und dies braucht Zeit.