Was macht China in der Kernkraft?

Von der Geschichte abgesehen, wollte ich auch über Kernkraft in China schreiben. China gehörte zwar schon unter Mao Tse Tung zu den Ländern die Kernwaffentechnik entwickelt haben, das erste Kernkraftwerk (Qinshan-1) kam aber erst 1991 ans Netz.

Inzwischen sind es deutlich mehr, wie man sowohl in der Wikipedia als auch bei der IAEA nachlesen kann. Interessant finde ich dabei vor allem die verwendeten Technologien. Das erste Kernkraftwerk war noch selbst entwickelt, danach schloss man eine Kooperation mit Frankreich (die ihrerseits beim Bau ihrer Kernkraftwerke in den 70er Jahren mit Westinghouse kooperierten).

Das Ergebnis war der CPR-1000, der ein typischer Druckwasserreaktor mit großen trockenen Containment ist, mit den üblichen Sicherheitsvorkehrungen der späten 70er/frühen 80er Jahre. Der CPR-1000 stellte lange Zeit den größten Teil der Ausbaupläne in China dar, bis 2011 ein Moratorium für den Neubau von Kernkraftwerken erlassen wurde und nur noch im Bau befindliche Kernkraftwerke zuende gebaut werden sollte. Der Grund dafür war natürlich der Unfall von Fukushima Daiichi. Laut einem Bericht von EdF (S. 57/58) soll sich in dieser Zeit die Sicherheit und Qualität bei Bau von Kernkraftwerken deutlich verbessert haben, was natürlich bedeutet, dass es davor an einigen Stellen grobe Mängel gab. Leider stehen darin keine Details und ich habe noch nicht speziell danach recherchiert.

Das Resultat des Moratoriums war, dass alle weiteren Pläne zum Bau von CPR-1000 Reaktoren eingestellt wurden. Künftig sollten nur noch Reaktoren gebaut werden, die höheren Sicherheitsanforderungen genügen (sog. Gen II+ und Gen III).

pwr

Schema der Sicherheitssysteme des CPR-1000

Nun ist der CPR-1000 aus der Perspektive der Sicherheit kaum mit den Siedewasserreaktoren mit Mark I Containment zu vergleichen. Die einhellige Meinung schon vor 2011 war, dass die ersten Containments von Siedewasserreaktoren (Mark I/II) im Fall einer Kernschmelze in jedem Fall in kurzer Zeit (~30 Minuten) undicht werden und ohne Filter große Gebiete kontaminieren würden. (Siehe z.B. Wash-1400 (von 1975), Nureg-1150 (von 1989) oder CR-6042 (2002))

Größere Containments werden selbst ohne jede Intervention erst nach längerer Zeit (~24 Stunden) undicht. In der Zeit setzten sich die Aerosole in der Luft im Containment ab. Diese Aerosole sind es, die in denen das radioaktive Caesium freigesetzt wird. Wenn sie sich einmal im Containment abgesetzt haben, bleiben sie auch dann noch darin, wenn es undicht wird. Der Prozess ist der gleiche Prozess der auch beim Fallout außerhalb des Containments ablaufen würde, nur dass er wegen des kleineren Volumens im Gebäude viel schneller abläuft. Es dauert etwa 8-12 Stunden, bis sich 90% der Aerosole abgesetzt haben (nach 24 Stunden also wenigstens 99%). Wenn das Containmentspray funktioniert, sind es 20 Minuten. (Das funktioniert passiv, bei überschreiten einer bestimmten Temperatur. Im Zweifelsfall geht man dennoch davon aus, dass es nicht funktioniert.) In Frankreich und Deutschland sind Filter vorgeschrieben um im Fall der Kernschmelze diese Mengen noch weiter zu reduzieren. Ob sie in den CPR-1000 in China eingebaut werden, weiß ich nicht. Es gibt zwar Studien in denen sie genannt werden, aber es ist mir nicht klar ob sie die Realität darstellen oder einen Vorschlag zur Verbesserung.

Der CPR-1000 ist aber bei weitem nicht der einizige Typ der in China gebaut werden soll.

Major safety features of the EPR

EPR

Noch aus der Kooperation mit Frankreich stammt der Bau von zwei EPR Reaktoren in Taishan, die wahrscheinlich noch vor den beiden EPR in Finnland und Frankreich fertiggestellt werden dürften. Das gesamte Containment des EPR ist dabei um einen großflächigen Corecatcher herum gebaut, der im Fall der Kernschmelze mit Wasser geflutet wird. Sowohl um die Schmelze zu kühlen, als auch um die Aerosolfreisetzung zu minimieren. Langfristig muss dann aber dennoch von außen mit Pumpen gekühlt werden, um die Zerfallswärme abzuführen. Passiert das nicht, ist standardmäßig ein Filter eingebaut, der bei Überdruck im Containment zumindest die Aerosolfreisetzung minimiert.  Wobei ich kein anderes Kernkraftwerk kenne, bei dem mit verbunkerten Notstromaggregaten außerhalb des Kraftwerks und noch weiteren in dem Kraftwerk derart großer Aufwand betrieben wird um sicher zu stellen, dass immer Pumpen zur Verfügung stehen. Dennoch dürften die EPR zu den letzten Kraftwerken gehören, die mit diesem Sicherheitskonzept entwickelt wurden.

Inzwischen kooperiert auch China direkt mit Westinghouse in den USA und baut den AP-1000 in Lizenz. Wenigstens 8 davon sind zur Zeit im Bau oder in Planung. Die Lizenz umfasst dabei auch die Möglichkeit, weitere Reaktoren mit der gleichen Technologie zu entwickeln. Wobei man immer wieder von dem Ziel hört, einen möglichst großen Anteil selbst entwickelter Teile zu verwenden.

ap1000

Das Konzept des AP1000

AP steht dabei für Advanced Passive. Das Sicherheitskonzept sieht dabei vor, dass die Restwärme im Fall eines vollständigen Stromausfalls über die Containmentwand abgeführt wird. Dazu muss zuerst der Druck im Kernreaktor gesenkt werden, damit Wasser aus einem Speichertank frei in den Reaktor fließen kann. Die Idee ist, dass das Wasser im Reaktor verdampft, innen an der Wand des Containments kondensiert und von da in den Speichertank (und noch später wieder in den Reaktor) zurück fließt. Damit das Wasser kondensiert, muss die Containmentwand von außen gekühlt werden. Dazu ist ein weiterer Wassertank auf dem Containment angebracht, in dem genug Wasser für 3 Tage ist. (Rohrleitungen zum Nachfüllen des Tanks vom Erdboden aus sind auch vorhanden.)

Das Konzept an sich ist gut, aber die Umsetzung ist meiner Meinung nach an einigen Stellen fragwürdig. Es gibt zwar auch aktive Sicherheitssysteme, aber bei weitem nicht in dem Maß wie in anderen Reaktoren. Man hat bewusst auf Filter zur Containmententlüftung verzichtet, statt einem Containmentspray gibt es nur eine Sprinkleranlage, die Notstromversorgung besteht nur aus einem Notstromaggregat das die üblichen Anforderungen (“Class 1E”) erfüllt und ein weiteres, das geringere Anforderungen erfüllt. Damit soll nicht gesagt sein, dass der AP1000 weniger sicher sei als ein konventionelles Kernkraftwerk, aber es könnte mit verhältnismäßig wenig Aufwand noch sehr viel sicherer sein als zur Zeit. Die meisten der fehlenden Sicherheitsmaßnahmen lassen sich noch nachrüsten. Es ist zu hoffen, dass das auch getan wird, nicht nur in China. Das gilt auch für die chinesische Weiterentwicklung des AP1000, der CAP-1400, mit größerer Leistung.

Das Kernkraftwerk in Tianwan besteht aus russischen Blöcken. Zwei VVER-1000/V428 nach der russischen Sicherheitsnorm AES-91 (von 1991) sind bereits fertiggestellt, zwei weitere im Bau. Danach sollen zwei VVER-1200 nach der Norm AES-2006 gebaut werden. (Ob es die V395 oder V407 sein soll, konnte ich jetzt nicht heraus finden.) Im wesentlichen erfüllen diese Normen europäische Sicherheitsanforderungen, mit 4 getrennten, redundanten Notfallsystemen, doppelwandigen Containment, einem keramischen Corecatcher und einem Containmentfilter. Das sollte nicht überraschen, wenn man bedenkt, dass die ersten finnischen Kernkraftwerke in den 70er Jahren in Kooperation mit der Sovietunion gebaut wurden und daher in Russland schon längere Zeit die westlichen Sicherheitsanforderungen bekannt waren. (Dass man sie erst am Ende der 80er Jahre wirklich ernst genommen hat, überrascht allerdings genauso wenig.)

Die Kraftwerke nach den Normen AES-92 und AES-2006 haben außerdem passive Kühlsysteme, die für wenigstens 3 Tage die Kühlung ohne Stromversorgung aufrechterhalten müssen. Das geschieht entweder über einen Wassertank der ringförmig außen um den oberen Rand des Containments gebaut wurde (V395) oder per Luftkühlung durch einen Kamineffekt unter einer einer weiteren Verkleidung um das Containment (V407). In beiden Fällen gibt es zwei Wasserleitungen vom Dampferzeuger des Reaktors zu einem Wärmetauscher und zurück. Dampf steigt zu den Wärmetauschern auf, kondensiert, und fließt in den Dampferzeuger zurück.

Der ACC-1000, der der Nachfolger des CPR-1000 werden soll, soll ebenso passiv gekühlt werden, und weißt zumindest rein äußerlich große Ähnlichkeit mit dem VVER-1200/V395 auf. Details dazu sind zumindest auf Deutsch oder Englisch noch nicht zu finden.

Aus Russland sollen ebenso zwei BN-800 Reaktoren in Sanming kommen, natriumgekühlte schnelle Reaktoren. Anders als bisherige Reaktoren dieser Bauart, hat der BN-800 keinen positiven Blasenkoeffizienten. (Ursprünglich begann die Entwicklung 1983 auf der Basis der BN-350 und BN-600 Reaktoren. Nach dem Unglück von Tschernobyl gab es neue Regeln und man begann mit der Entwicklung nochmal von neuem. Die Lösung war entstehende Blasen über längere Zeit im oberen Teil des Reaktors zu halten und sicher zu stellen, dass dann mehr Neutronen aus dem Reaktor entkommen können als zuvor zusätzlich im Reaktor entstanden sind.)

Aus Canada kommen eine Reihe von Candu 6 Reaktoren. Die aktuelle Variante dieses Schwerwasserreaktors ist ebenso passiv gekühlt und hat durch eine neue Brennstabkonstruktion auch keinen positiven Blasenkoeffizienten mehr. (Was bis dahin nur deswegen als akzeptabel galt, weil Schwerwassereaktoren sehr träge reagieren. Ein Anstieg der Reaktorleistung wie in Tschernobyl würde sich über mehrere Minuten anstatt wenige Sekunden vollziehen. Man war der Auffassung, dass mehrfach redundante, schnell reagierende Abschaltsysteme zur Sicherung ausreichen.)

Aus Deutschland stammte die Technologie für den HTR-10 Reaktor, ein heliumgekühlter Hochtemperaturreaktor (“Pebble Bed”) mit einer Leistung von 10MW (thermisch) zur Erprobung. Er wurde weiterentwickelt zum HTR-PM. Anders als beim AVR beträgt die Temperature des Heliums nicht mehr 990 Grad, sondern nur noch 750 um Problem mit austretendem Strontium und Caesium durch lokale Überhitzung zu vermeiden. Die Reaktorleistung beträgt 250MW und je zwei Reaktoren sind in einem Kraftwerk vorgesehen, um dann aus 500MW thermischer Leistung 210MW Strom zu gewinnen. Die Reaktoren sind gefüllt mit etwa 5cm großen Graphitkugeln, in denen sich die 1mm großen Brennelemente befinden. Der Brennstoff (Thorium, Uran, Plutonium oder eine Mischung davon) ist in den inneren 0,5mm. Darum befinden sich mehrere Schichten aus Graphit und Siliziumcarbid, die den Brennstoff einschließen und sehr Hitzebeständig sind (bis etwa 1900K). Typische Unfallszenarien, die den Sicherheitsvorkehrungen zu Grunde liegen, beginnen mit dem vollständigen Verlust des Kühlmittels. Selbst in diesen Fällen reicht die Wärmeabgabe über die Reaktorwand aus um die Brennelement unter den kritischen Werten zu halten.

Das Problem, dass kein Kamineffekt im Reaktor entstehen darf, bei dem große Mengen Luft durch den Reaktorkern fließen. Dazu bedarf es zwei großer Öffnungen im oberen und im unteren Bereich des Reaktors. Die in China gebauten Reaktoren haben nur eine größere Öffnung im mittleren Bereich, durch die sowohl das kalte Gas vom Wärmetauscher hinein, als auch das heiße Gas aus dem Reaktor heraus geleitet wird. Ein Kamineffekt kann dadurch nicht entstehen.

Der HTR-PM gehört mit seiner Leistung zu den kleinen und mittleren Reaktoren, von denen mehrere in einem Kraftwerk zusammengefasst werden sollen, oder Orte mit kleinerem Bedarf versorgt werden sollen. Ähnliche Ansätze verfolgt man in China auch mit Eigenentwicklungen auf Basis von Druckwasserreaktoren mit 100-300MW Leistung.

Kurz zusammengefasst kann man sagen, dass in China zur Zeit zum einen die modernsten Reaktoren aus aller Welt gebaut werden, die aktuell vorhandenen Reaktoren aber von Technologie die 70er Jahre dominiert wird. Die Erfahrung die die Chinesischen Ingenieure mit dem Bau mehrere Duzend CPR-1000 Reaktoren gesammelt haben, kommt ihnen dabei auch beim Bau der moderneren Kraftwerke zu gute. Etwas derartiges gab es in keinem anderen Land in den letzten Jahrzehnten. Wenn die Chinesen heute in der Lage sind, Kernkraftwerke schneller und billiger zu bauen als das in anderen Ländern der Fall ist, so wäre es zu kurz gegriffen das einfach auf Sparmaßnahmen und Schlamperei zu schieben.

Dennoch muss darauf geachtet werden. Es ist durchaus anzunehmen, dass in mehreren Kernkraftwerken Teile mit unzureichender Qualität verbaut wurden oder ähnliche Missstände vorliegen. Es obliegt sowohl der Zentralregierung als auch den lokalen Provinzregierungen derartige Missstände aufzudecken und zu korregieren.

Wobei man niemals vergessen darf, dass eine typische chinesische “Provinz” die Größe und Einwohnerzahl großer Europäischer Länder wie Deutschland oder Frankreich hat und in vielen Bereichen ganz ähnliche Autonomie besitzt. Sonst könnte man ein Land wie China überhaupt nicht regieren. Ein Missstand in einer Provinz läßt sich genauso wenig auf ganz China verallgemeinern, wie erstklassige, verantwortungsvolle Arbeit in einer anderen.

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