Ontwerp

Een drukwaterreactor als in Borssele is een veilig ontwerp. De fysische eigenschappen van de reactor zorgen er voor dat het splijtingsproces vanzelf stabiliseert als parameters te veel afwijken. Bij een te hoog vermogen stijgt de temperatuur in de reactor waardoor, als gevolg van natuurkundige wetten, de splijtingssnelheid vermindert. Het vermogen neemt hierdoor af en de temperatuur daalt. Daar komt geen technische ingreep aan te pas. Kort gezegd komt dit doordat het water en het uranium zodanige fysische eigenschappen hebben dat het kernsplijtingsproces afremt als de temperatuur hoger wordt. Zo’n eigenschap noemt men een inherent veilige eigenschap. Het kernsplijtingsproces is daardoor zeer stabiel en eenvoudig te beheersen. Ook de bediening kan daardoor eenvoudig blijven, wat de kans op storingen verkleint.

Zolang de kern onder water blijft, kan daaraan geen schade ontstaan die leidt tot een onveilige situatie. Voor koeling en afscherming is er altijd water voorhanden. Dit wordt gewaarborgd door de verderop getoonde talrijke (redundante) systemen en buffervoorraden.

Bekijk het kernsplijtingsproces in onderstaande video:

Het reactorvermogen wordt geregeld door aan het water in de reactor het neutronen-absorberende borium toe te voegen. Het veranderen van de concentratie is een langzaam proces. Snelle veranderingen in het reactorvermogen gebeuren met de zogenaamde regelstaven [2]. Deze hangen boven in de reactor [1] en worden door operators in de regelzaal bediend. Als ze in de kern zakken, absorbeert het staafmateriaal neutronen. Het reactorvermogen neemt dan af.

De regelstaven hangen in een constructie boven de kern. Ze worden ‘vastgehouden’ door zeer gevoelige ‘elektromagneten’. Die laten los als zij daarvoor een bevel krijgen of als parameters afwijken van wat normaal is.
Zodra de ‘handen’ loslaten zorgt zwaartekracht ervoor dat de regelstaven in de kern vallen. De neutronen worden geabsorbeerd en het kernsplijtingsproces stopt onmiddellijk.

Veilig afgeschermd door staal en beton bevindt zich in het hart van onze kerncentrale de kern [1]. Hierin wordt warmte geproduceerd. Die ontstaat door het splijten van uranium- of plutoniumkernen, de splijtstof. De warmte die de kern produceert wordt opgenomen door water van de primaire (nucleaire) kringloop dat onder hoge druk circuleert door het reactorvat [1] en de stoomgenerator [3]. De stoomgenerator is een grote warmtewisselaar waarin met de warmte van de primaire kringloop stoom wordt gemaakt in de secundaire (niet-nucleaire) kringloop.

De stoom drijft de turbine [6] aan. Die zit op een as die een generator [7] aandrijft. De stroom die de generator opwekt wordt aan het elektriciteitsnet geleverd.

De stoom wordt in een condensor [8] gecondenseerd tot water. Dat condenseren gebeurt door koud oppervlaktewater uit de Westerschelde [9] door de condensors te voeren.

Bekijk het productieproces in onderstaande video:

Barrière 4: Containment [4]
De primaire kringloop zit opgesloten in een centimeters dikke stalen bol. Die zorgt ervoor dat als de eerdere barrières falen de radioactiviteit niet naar buiten ontsnapt. De bol is een sterke luchtdichte constructie en kan interne gas- en stoomexplosies opvangen. Zo worden bij ongevallen emissies uit de primaire kringloop tegengehouden.

Barrière 5: Reactorgebouw [5]
De nucleaire systemen zitten opgesloten in het reactorgebouw, van buiten herkenbaar aan de kenmerkende betonnen koepel. Het gebouw vormt de laatste fysieke barrière tussen de radioactieve stoffen in de kern en het milieu. Andersom is het betonnen gebouw de eerste barrière voor onheil van buitenaf op weg naar de kern. De kern bestaat uit splijtstoftabletten opgesloten in splijtstofstaven. Een bundel van 205 splijtstofstaven vormt samen een splijtstofelement. Hiervan zitten er 121 in de reactor. De kern zit opgesloten in het primair systeem, een gesloten circuit van dikke stalen pijpen, buizen, pompen en drukvaten. Het primaire systeem zit in gebunkerde ruimtes binnen het containment, een luchtdichte stalen bol. Om deze totale nucleaire installatie staat een betonnen gebouw waarvan de bolvormige bovenkant het meest in het oog springt. Het is onmogelijk om van buitenaf in één gecoördineerde actie alle vijf de barrières te doorbreken om zo een nucleaire lozing te bewerkstelligen.

De ventilatieschacht van de kerncentrale wordt ten onrechte vaak ‘schoorsteen’ genoemd. Hier wordt behandelde (gefilterde) lucht uit de binnenruimte geventileerd.
Binnen het containment van de kerncentrale heerst onderdruk. Bij lekkage stroomt dus altijd lucht van buiten naar binnen. De onderdruk wordt permanent gemeten. Luchtbehandelinginstallaties zorgen voor de onderdruk en ventileren hun overtollige (gefilterde) binnenlucht op de ventilatieschacht. Deze lucht wordt voortdurend gecontroleerd op radioactiviteit.
Via een drietal luchtsluizen is betreden en verlaten van het containment mogelijk. De ruimtes rond het primaire systeem (met de grootste onderdruk) zijn hermetische gesloten en niet toegankelijk tijdens normaal bedrijf. Zo wordt voorkomen dat eventuele radioactieve gassen en verontreinigingen ongemerkt buiten de centrale kunnen komen.

Of een kerncentrale nu in bedrijf is of stilligt voor onderhoud: de splijtstof in een drukwaterreactor moet altijd onder water staan. Dat is nodig om de (verval‑)warmte die de door kernsplijting ontstane radioactieve splijtingsproducten nog lange tijd produceren af te voeren en om hun radioactieve straling af te schermen. Als de kern is bedekt met water, is er sprake van een beheersbare situatie.

Er zijn meerdere systemen en watervoorraden die los van elkaar en onder alle omstandigheden er voor zorgen dat de kern bedekt blijft met water. Daarnaast zijn er systemen die zekerstellen dat onder alle omstandigheden de warmte van de kern kan worden afgevoerd. Deze systemen vullen elkaar aan of nemen het van elkaar over.

De kerncentrale heeft twee hoofdkoelmiddelpompen [1]. Deze pompen laten tijdens bedrijf koelmiddel circuleren door het primair systeem. Als beide pompen uitvallen wordt de reactor automatisch afgeschakeld en komt er een proces van natuurlijke circulatie op gang met voldoende capaciteit om de vervalwarmte van de kern af te voeren. Zonder pompen, zonder technische ingrepen, gewoon op grond van fysische eigenschappen. Dit is een belangrijke passief veilige eigenschap van het ontwerp van de kerncentrale Borssele.

Als de kerncentrale elektriciteit produceert, wordt de waterstoomcyclus gekoeld met water uit de Westerschelde, opgepompt in het koelwaterinlaatgebouw [2]. Koelen gebeurt in de condensors [3] waarin het Westerscheldewater ervoor zorgt dat stoom weer condenseert tot water waarna de waterstoomcyclus opnieuw start. Dit koelcircuit is geen veiligheidssysteem maar nodig voor de elektriciteitsproductie. Als de elektriciteitscentrale stilligt, moet de kern toch worden gekoeld voor de afvoer van restwarmte. De kettingreactie is gestopt, maar door radioactief verval van de splijtingsproducten produceert de kern nog altijd warmte. Het hoofdkoelmiddel voert deze warmte af naar het tussenkoelsysteem [4] dat via een drietal warmtewisselaars wordt gekoeld door water uit de Westerschelde. Deze koelketen is dubbel uitgevoerd en voert de vervalwarmte van de reactor af naar de Westerschelde bij normale en storingssituaties. Deze twee systemen zorgen er dus voor dat warmte uit de kern kan worden afgevoerd als dat niet meer via de waterstoom kringloop kan.

Voor het (onwaarschijnlijke) geval dat Westerscheldewater niet beschikbaar is, heeft EPZ in 1997 een reservesysteem aangebracht dat gebruik maakt van acht putten [5] naar het zoute grondwater. Met behulp van krachtige ondergrondse pompen kan zout grondwater opgepompt worden om de vervalwarmte af te voeren. Ook hier wordt het grondwater door warmtewisselaars gescheiden van de primaire kringloop.

Vanuit deze tanks [6] wordt bij een lek in de primaire kringloop water aangevuld. Dit water is om de kern onder water te houden. De voorraad is 700 kubieke meter groot en kan op 2 manieren worden aangesproken: onder hoge druk (110 bar) met een klein debiet of onder lage druk (8 bar) met een groot debiet, afhankelijk van de waterbehoefte. (Groot lek groot debiet, klein lek klein debiet). Deze tanks behoren tot het oorspronkelijke ontwerp en staan al sinds begin van de productie (1973) opgesteld. In de bol staan 4 watertanks (2×2) [7] met water onder druk opgesteld. Bij drukverlies in het primaire systeem (wat duidt op een lek) gaat dit water door het drukverschil stromen als de druk in het primaire systeem lager wordt dan de 25 bar in de tanks. In totaal bevatten de tanks 86 kubieke meter water. Ook dit systeem stamt uit 1973.

Als beide watervoorraden zijn uitgeput, betekent dit dat er 780 kubieke meter water de bol ingevoerd is. Door met pompen [8] dit water via een warmtewisselaar terug te voeren naar de reactor kan de kern langdurig worden gekoeld.

Na het kernongeval in Harrisburg (USA, 1979) is naast het reactorgebouw een bunker gebouwd met extra watervoorraden (2 x 200 kubieke meter voor de primaire kringloop en 2 x 400 kubieke meter voor de secundaire kringloop) met 2 eigen noodstroomdiesels [9].

Na het ongeval in Tsjernobyl kreeg de veiligheidscultuur en de bediening van het proces veel aandacht en werden tal van verbeteringen en waarborgen doorgevoerd.

Na Fukushima is er meer aandacht voor situaties van onvoorstelbare catastrofale omvang. Er wordt rekening mee gehouden dat de volledige Nederlandse infrastructuur is weggevaagd en de maatschappij is ontwricht zodat hulp van buitenaf extreem moeilijk is:

• Er is een nieuwe, extra 380 kV aansluiting gemaakt op het landelijk elektriciteitsnet [10].
• Er zijn extra koelmogelijkheden van het splijtstofopslagbassin gemaakt. l Er is een mogelijkheid voor externe koeling van het reactorvat gerealiseerd. Hiermee kan water in de loze ruimte tussen het reactorvat en de betonnen insluiting [11] worden gebracht. Externe reactorvatkoeling is nodig om te zorgen dat een smeltende kern in het reactorvat blijft.
• Er zijn extra hulpmiddelen zoals mobiele pompen en noodstroomdiesels aangeschaft die op verschillende plekken in de kerncentrale kunnen worden aangesloten.
• Door het aanleggen van grotere, verspreide en op verschillende manieren toegankelijke diesel- en watervoorraden, is de tijd dat de kerncentrale zonder het hulp van buitenaf kan stellen, verlengd tot meer dan veertien dagen.

De kerncentrale produceert elektriciteit en gebruikt tegelijkertijd ook zelf elektriciteit voor het bedienen van de installatie. Om zeker te stellen dat de kern te allen tijde met water bedekt blijft en de vervalwarmte wordt afgevoerd, zijn actieve componenten nodig zoals pompen die worden aangedreven met elektriciteit. Daarom zijn tal van (redundante) noodstroomvoorzieningen aangelegd.

De kerncentrale betrekt elektriciteit van het landelijk elektriciteitsnet [1] voor de bediening van haar eigen systemen. Omdat de elektriciteitsvoorziening kan wegvallen, zijn er meerdere aansluitingen. Hoogspanningsmasten verbinden de kerncentrale met het openbare 150 kV elektriciteitsnet. Ondergrondse kabels verbinden de kerncentrale met het 380 kV landelijk koppelnet. Er kan van twee verschillende landelijke elektriciteitsnetten stroom worden betrokken.

Rond de kerncentrale staan drie identieke noodstroomdiesels [2] van 5 MW. Elk van deze drie diesels is sterk overgedimensioneerd en kan in zijn eentje voorzien in de elektriciteitsbehoefte voor het afvoeren van de vervalwarmte. De drie diesels uit het oorspronkelijke ontwerp zijn in 1997 vervangen door drie grotere diesels die in twee verschillende gebouwen staan.

In 1986 zijn twee extra noodstroomdiesels [3] in een gebunkerd gebouw geplaatst. Deze diesels van 1 MW kunnen elk afzonderlijk de kerncentrale in een veilige toestand houden.

In 2006 zijn de luchtinlaten van ‘snorkels’ [4] voorzien. Hiermee is de overstromingsbestendigheid van de kerncentrale van 7.30 naar 9.80 meter boven NAP gebracht.

De kerncentrale gaat door de automatische bediening bij incidenten altijd veilig uit bedrijf en naar een veilige toestand. Als de regelzaal (met wachtpersoneel) niet meer beschikbaar is, kan het afschakelingsproces vanuit een reserveregelzaal (1997) worden gestuurd. Een reserve wachtploeg volgt de automatische bediening van de kerncentrale en bewaakt de veilige toestand. Zonodig kan worden ingegrepen.

De kerncentrale beschikt over technische hulpmiddelen en voorzieningen die beschermen tegen extreme omstandigheden:

• Het overstromingspeil van vitale onderdelen is 9.80 meter boven NAP (overstroming 1953: 4.55 meter boven NAP);
• Gaswolk-detectie en -ontsteking op de dijk tegen ontsnapte gaswolken (LPG) afkomstig van de scheepvaart;
• Aantoonbare aardbevingsbestendigheid van vitale installatieonderdelen;
• Vliegtuigbestendigheid door een veelheid aan barrières en geografische spreiding van vitale installatie-onderdelen;
• Aanwezigheid van de EPZ crashtender (brandweerwagen) voor het bestrijden van extreme vloeistofbranden.