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Optimierung der Zykluslänge von Leichtwasserreaktoren
(2004) Grauf, Eberhard; Lohnert, Günter (Prof. Ph. D.)
Leichtwasserreaktoren sind der dominierende Reaktortyp bei kommerziellen Kernkraftwerken. Im Gegensatz zu Reaktortypen wie Schwerwasserreaktoren oder den graphitmoderierten gasgekühlten Reaktoren sind sie nicht für den kontinuierlichen Wechsel des Kernbrennstoffs konzipiert, sondern werden diskontinuierlich mit Brennstoff beladen. Bis zum Beginn der 90er Jahre war es üblich diesen Brennstoffwechsel einmal pro Jahr durchzuführen. In Verbindung mit diesem Brennelementwechsel wurden in der Regel auch die technischen Einrichtungen überprüft und gewartet. Der Brennelementwechsel war damit Bestandteil einer Anlagenrevision. Der durch die Liberalisierung der Strommärkte entstandene Kostendruck führte zu einer Veränderung dieser Praxis, meist dazu, dass die Zykluslänge von 12 auf bis zu 24 Monate ausgedehnt wurde. Dabei versprach man sich integral kürzere Stillstandszeiten und eine damit einhergehende Kostensenkung. Wird ein Leichtwasserreaktor allerdings mit derartig langen Zyklen betrieben, verschlechtert sich die Brennstoffausnutzung mit der Folge, dass die Brennstoffkosten ansteigen. Somit gibt es gegenläufige Effekte und es bedarf einer Methode, die unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten optimale Zykluslänge zu bestimmen. Eine derartige Methodik wurde in dieser Arbeit entwickelt. Mit dieser Methode kann gezeigt werden, dass länderspezifische Rahmenbedingungen zu unterschiedlichen Ergebnissen hinsichtlich der optimalen Zykluslänge führen. Manche dieser Rahmenbedingungen sind durch den Reaktorbetreiber beeinflussbar, andere nicht. Eine wesentliche vom Betreiber beeinflussbare Randbedingung ist die für den Brennelementwechsel erforderliche Stillstandszeit. Vor allem in Europa können durch kurze Stillstandszeiten in Kombination mit kurzen Zykluslängen nachhaltige Kostenpotenziale erschlossen werden, die vor allem den Vorteil haben, das Sicherheitsniveau der Anlagen nicht oder nur unerheblich zu beeinträchtigen. Die Ergebnisse der modellhaft durchgeführten Zyklusoptimierungen zeigen, dass es unter europäischen Verhältnissen wirtschaftlich nicht sinnvoll ist, die Zykluslängen über 12 Monate hinaus auszudehnen, sondern dass eher eine Reduzierung der Zykluslängen erwogen werden sollte. In USA ist das Konzept, die Anlagen mit längeren Zyklen zu betreiben, nach wie vor richtig, obwohl die Revisionszeiten in den letzten Jahren signifikant verkürzt wurden. Dies liegt an den dort vergleichsweise niedrigen (mengenabhängigen) Brennstoffkosten, da die Entsorgungskosten in USA noch immer von der erzeugten Energie und nicht vom Brennstoffverbrauch abgeleitet werden. Die Variation von Zykluslängen muss, da beim Betrieb eines Kernreaktors die Gewährleistung der sicherheitstechnischen Anforderungen zum Schutz der Umwelt Vorrang vor wirtschaftlichen Zielen hat, nicht nur unter Kostengesichtspunkten betrachtet werden. Deshalb wird neben der Kostenoptimierung auch die Rückwirkung variierender Zykluslängen auf den Sicherheitsstatus der Anlagen bewertet. Des Weiteren wurden ökologische Aspekte sowie die Auswirkungen variierender Zykluslängen auf die Zuverlässigkeit des Betriebes der Anlagen beleuchtet. Unter ökologischen Aspekten wäre es sinnvoll, die Zykluslänge in Leichtwasserreaktoren zu reduzieren, da dies zu einer besseren Brennstoffausnutzung und damit einhergehend zur Reduzierung des Aufkommens hoch radioaktiver Abfälle führt. Als „Nebenprodukt“ dieser Arbeit wurde die Definition eines „Revisions-Performance-Indikators“ OPI (Outage Performance Indicator) erarbeitet. Die Revisionsperformance wird derzeit anhand einer Vielzahl von Ranglisten gemessen. Diese beziehen sich auf einzelne Reaktortypen, auf Hersteller, auf Altersklassen etc. Ein allgemeiner anlagenübergreifend verwendbarer Indikator existiert derzeit nicht, der hier definierte OPI ist ein geeigneter Lösungsansatz. Als „Normierungsbasis“ für den OPI dient eine für jede Anlage charakteristische Kennziffer MOD (Minimal Outage length by Design) . Diese ist definiert als der von der Anlagentechnik bestimmte Zeitbedarf zur Durchführung eines (Standard-) Brennelementwechsels. Mit den beiden Kennziffern lassen sich sowohl Anlagendesigns hinsichtlich ihres Potenzials für kurze Brennelementwechselzeiten als auch die Revisionsperformance des Betreibers werten.