Ontwerp

Kerncentrale Borssele

De kerncentrale Borssele is gemaakt volgens een veilig ontwerp uit begin jaren zestig: robuust en eenvoudig. De Duitse techniek en de kwaliteit van de bij Borssele toegepaste materialen hebben de veiligheid van dit basisontwerp verder verhoogd.
De kerncentrale werd in 1973 operationeel. Iedere tien jaar wordt gekeken wat de stand van techniek aan veiligheidsverbeteringen mogelijk maakt. In 1983, 1993 en 2003 is de veiligheid geëvalueerd en zijn er verbeteringen doorgevoerd. De modificaties uit 1986, 1997, 2006 en na 2013 zorgden voor grotere – achteraf ingebrachte – ontwerpveiligheid. De kerncentrale was al veilig toen zij in 1973 (10-3) in bedrijf ging. Sindsdien is zij duizend keer veiliger gemaakt (10-6).

Reactor

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:

Regelstaven

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.

Primair systeem

In de reactor [1] vindt het kernsplijtingsproces plaats.
Dat wordt beheerst met de regelstaven [2].
Koelmiddel zorgt voor de afvoer van warmte naar de stoomgenerator [3] en keert via de hoofdkoelmiddelpomp [4] terug naar de reactor.
Het koelmiddel staat onder hoge druk waardoor het niet gaat koken.
Drukverschillen worden opgevangen door de drukhouder [5], vergelijkbaar met het expansievat op de c.v.-installatie thuis.

Productieproces

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 wordt opgenomen door water van de primaire (nucleaire) kringloop dat onder hoge druk circuleert door het reactorvat [1]. Met de warmte wordt stoom gemaakt in de secundaire (niet-nucleaire) kringloop van de stoomgenerator [3]. De stoom drijft een 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 koelen gebeurt door koud oppervlaktewater uit de Westerschelde [9] door de condensors te voeren.

 

Bekijk het productieproces in onderstaande video:

De veiligheidsbarrières

De kerncentrale heeft een vijftal veiligheidsbarrières die mens en milieu beschermen tegen radioactieve ongelukken. In het ontwerp is alles er op gericht om onder alle procesomstandigheden radioactiviteit binnen de veiligheidsbarrières te houden.

 

Barrière 1: Splijtstoftablet [1]
Het splijtstoftablet, gesinterd als porselein, is de eerste barrière.
De radioactiviteit blijft voor ongeveer negentig procent opgesloten in de matrix van de splijtstof (uraniumoxide). Alleen de zeer vluchtige stoffen (edelgassen, jodium, cesium) verlaten de splijtstoftablet.

 

Barrière 2: Splijtstofstaaf [2]
De splijtstoftabletten zitten opgestapeld in een hermetisch gesloten buis van zirconium: gas- en vloeistofdicht. De splijtstofstaaf houdt de meeste vluchtige radioactieve stoffen binnen.
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.

 

Barrière 3: Primair systeem [3]
Het primaire systeem is een gesloten circuit waarin koelmiddel (geconditioneerd water) wordt rondgepompt. Dit water van circa 320°C staat onder een druk van 155 bar zodat het niet gaat koken. Vandaar de naam ‘drukwaterreactor’. Het primair systeem (reactorvat, leidingen, stoomgeneratoren) bestaat uit sterk over-gedimensioneerde (centimeters dikke) stalen onderdelen van de hoogste kwaliteit. Radioactieve stoffen kunnen hier niet uit.
Het primair systeem zit in gebunkerde ruimtes. Het beton zorgt voor stralingsbescherming tijdens bedrijf en voor bescherming van de installatie voor onheil van binnenuit en buitenaf.

 

Barrière 4: Containment [4]
Het primaire systeem zit opgesloten in een centimeters dikke stalen bol. Die zorgt ervoor dat radioactiviteit bij een incident niet naar buiten ontsnapt. De bol is een sterke luchtdichte constructie en kan interne gas- en stoomexplosies opvangen. Zo worden bij ongelukken emissies uit het primaire systeem tegengehouden.

 

Barrière 5: Reactorgebouw [5]
Alle 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.

Voorkomen van nucleaire lozingen

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.
Van de ene naar de andere ruimte passeren medewerkers een luchtsluis. 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.

Voorkomen waterstofexplosie

Borssele beschikt binnen het containment (gesloten stalen bol) over een systeem dat waterstof als het ontstaat direct omzet in water. Dit systeem is passief, het heeft geen elektriciteit of aansturing nodig om te functioneren. Het werkt dus onder alle omstandigheden. In recombinatoren zorgt een katalysator (platina) voor een beheerste chemische reactie, zodat er geen explosieve situatie kan ontstaan.
Drukstaffeling
[1] De grootste onderdruk heerst direct rond het primair systeem.
[2] Daarna volgt de overige ruimte binnen de stalen bol met iets minder onderdruk.
[3] Vervolgens komt de ruimte tussen betonnen koepel en stalen bol met weer iets minder onderdruk.
[4] Omgevingsdruk.

Koeling

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 (rest-)warmte die de splijtstof door radioactief verval zelf produceert af te voeren en om de radioactieve straling af te schermen. Zolang 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.

 

Tijdens normaal bedrijf en onderhoud:
Als de kerncentrale elektriciteit produceert, wordt de water-stoomcyclus gekoeld met water uit de Westerschelde, opgepompt door de koelwaterinlaat [2].
Koelen gebeurt in de condensors [3] waarin oppervlaktewater ervoor zorgt dat stoom weer condenseert tot water waarna de stoomcyclus opnieuw start. In feite is dit koelcircuit geen onderdeel van het veiligheidssysteem maar een onderdeel van 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 produceert de kern nog altijd warmte. Het hoofdkoelmiddel voert deze warmte af via het tussenkoelsysteem [4] naar dubbel uitgevoerde koelwaterleidingen met water uit de Westerschelde. Deze koelketen van drie, door warmtewisselaars gescheiden, kringen 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.
Voor het (onwaarschijnlijke) geval dat Westerscheldewater niet beschikbaar is, heeft EPZ in 1997 een back-up aangebracht dat gebruik maakt van 8 putten naar het zoute grondwater.
Met behulp van krachtige ondergrondse pompen kan zout grondwater opgepompt worden om de vervalwarmte af te voeren.

Tijdens verlies van koelwater door lekkage:
Vanuit deze tanks [5] wordt bij een lek in het primaire circuit water aangevuld. Dit water is om de kern onder water te houden. De voorraad is 700 kubieke meter groot en kan op twee 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) [6] opgesteld. Bij drukverlies in het primaire systeem (wat duidt op een lek) gaat dit water automatisch stromen als de druk in het primaire systeem lager wordt dan 25 bar. In totaal bevatten de tanks 86 kubieke meter water. Ook dit systeem stamt uit 1973.
Als beide watervoorraden zijn uitgeput, betekent dit dat er bijna 780 kubieke meter water de bol ingevoerd is. Onder de bol zijn in 1973 pompen [7] aangebracht die dit water terugvoeren naar de reactor.
Na het kernongeluk in Harrisburg (USA, 1979) zijn in 1984 op enige afstand van het reactorgebouw twee extra gebunkerde watervoorraden (2 x 200 kubieke meter) aangebracht met eigen noodstroomvoorziening [8] plus nog eens 400 kubieke meter water voor onafhankelijke voedingswatervoorziening voor de stoomgeneratoren.
Na het ongeluk 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 infra-structuur 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 [9].
– Er zijn extra koelmogelijkheden van het splijtstofopslagbassin gemaakt.
– Er komt een mogelijkheid voor externe vatkoeling. In nood-omstandigheden kan water in de loze ruimte tussen het reactorvat en de betonnen insluiting [10] worden gebracht.
– Er zijn extra hulpmiddelen zoals mobiele pompen en aggregaten 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 veertien dagen.

 

Noodstroom

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 dieselcentrales [2] van 5 MW. Elk van deze drie dieselcentrales is sterk overgedimensioneerd en kan in zijn eentje voorzien in de elektriciteitsbehoefte voor het afvoeren van de vervalwarmte. De diesels uit het oorspronkelijke ontwerp zijn in 1997 vervangen door grotere diesels die in verschillende gebouwen staan. Deze diesels worden vanaf 2017 gereviseerd.
In 1986 zijn twee extra noodstroomdiesels [3] in gebunkerde gebouwen aangebracht. Deze dieselcentrales van 1 MW kunnen elk afzonderlijk de kerncentrale in een veilige toestand houden. In 2006 is de overstromingsveiligheid vergroot van 7.30 meter boven NAP door de luchtinlaat van ‘snorkels’ [4] te voorzien op een hoogte van 9.80 meter boven NAP.
Als extra noodstroommaatregel bovenop alle andere heeft EPZ een mobiel diesel-aggregaat van 1 MW voor de bediening van de centrale en verschillende kleine mobiele aggregaten voor het bedienen van kleinere hulpsystemen.

 

Reserveregelzaal

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.

Extreme externe invloeden

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.

Recente veiligheidsinvesteringen

In de afgelopen jaren zijn allerlei grotere en kleinere componenten uit het oorspronkelijk ontwerp vervangen. In 2017 is een nieuw Reactor Control & Limitation System (RCLS) geïnstalleerd. Dit RCLS regelt en begrenst de kernsplijting in de kerncentrale.

 

De hijsveiligheid is verder verbeterd. Binnen en buiten de centrale zorgen zware kranen [5] voor de afvoer van de zware transportcontainers die gebruikte (radioactieve) splijtstofelementen bevatten. Om de kans op hijsongelukken verder te verkleinen, zijn extra veiligheidsvoorzieningen aangebracht.

Meer onderwerpen: