Optimierung der Zykluslänge von Leichtwasserreaktoren

Abstract

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.

Light-water reactors are the predominant type of reactors in commercial power plants. In contrast to heavy-water reactors or graphite-moderated, gas-cooled reactors, they are not conceived for continuous refuelling, but are discontinuously loaded with fuel. Until the beginning of the nineties, it was common practice to have the fuel exchanged once per year. This refuelling was usually accompanied by the check and maintenance of technical installations. Hence, refuelling was part of a plant outage.

The cost pressure resulting from the liberalization of the electricity markets caused this practice to change. Mostly, cycle length was extended from 12 to up to 24 months. This was expected to result in shorter total outage duration and an associated cost reduction. However, if a light-water reactor is operated with such long cycles, fuel utilization is reduced. As a consequence, fuel costs increase. In view of these opposing effects, a method is needed to determine the optimum cycle length from an economic aspect. The method developed here demonstrates that the rather different boundary conditions in the countries using nuclear energy lead to varying results regarding the optimum cycle length. Some of these boundary conditions may be influenced by the operating companies, others not. A major boundary condition that can be influenced by the operating company is the outage time needed for refuelling. In Europe in particular, short outage times in combination with short cycle lengths allow considerable potential cost savings with little or no impact on safety. The results reveal that under European conditions, it is not sensible from the economic point of view to extend cycle length beyond 12 months. Instead, a reduction of cycle lengths should be considered.

In the U.S., the concept of operating plants with longer cycles is still appropriate, although outage times were shortened significantly in the past years. This is due to the comparably small (quantity-dependent) fuel costs, since disposal costs in the USA are still derived from the energy generated rather than fuel consumption.

As safety requirements for the protection of the environment have priority over economic objectives when operating a nuclear reactor, variation of cycle lengths should not only consider cost aspects. Hence, also the consequences of varying cycle lengths on the safety of the plants are evaluated apart from cost optimization. In addition, ecological aspects and consequences of varying cycle lengths on the reliability of plant operation were studied. Under ecological aspects, it would be sensible in any case to reduce cycle length in light-water reactors, as this leads to a reduction of the high-level waste volume.

As a “by-product” of this work, an “outage performance indicator” (OPI) was defined. Presently, outage performance is measured by a number of ranking lists. These refer to individual types of reactors, manufacturers, age classes, etc. An universal indicator does not yet exist. The OPI defined here provides a suitable approach.

The OPI is based on the MOD (Minimal Outage length by Design), which is characteristic of each plant. MOD is defined as the plant technology-determined time needed for (standard) refuelling. MOD and OPI allow an evaluation (benchmark) of plant designs with regard to their potential for short refuelling times as well as the outage performance of the operating company.