Kernkraftwerk Beznau Zuverlässige und klimafreundliche Stromproduktion
Axpo Strom für die Schweiz Das Kernkraftwerk Beznau (KKB) gehört zum Kraftwerkspark der Axpo, dem Schweizer Energieunternehmen mit lokaler Verankerung und europäischer Präsenz. Axpo ist zu 100 Prozent im Besitz der Nordostschweizer Kantone und versorgt zusammen mit Partnern rund 3 Millionen Menschen in der Schweiz mit Strom. Axpo ist entlang der gesamten Wertschöpfungskette aktiv: Stromproduktion, Transportnetze, Handel, Vertrieb und Dienstleistungen. Axpo/Kantonswerke CKW Neuchâtel Delémont Fribourg Lausanne Basel Solothurn Bern Liestal Schaffhausen Aarau Zürich Zug Schwyz Luzern Stans Sarnen Altdorf Frauenfeld St. Gallen Herisau Appenzell Glarus Vaduz Chur Axpo verfügt über einen klimafreundlichen Kraftwerkspark mit einer weitgehend CO 2 -freien Stromproduktion. Kernkraftwerke, Wasserkraftwerke an Fliessgewässern sowie Biomassekraftwerke decken die Grundlast der Stromversorgung. Hochdruckspeicherkraftwerke mit ihren Stauseen dienen dem Ausgleich von Verbrauchsschwankungen und -spitzen. Dieser Kraftwerkspark ist optimal auf die Bedürfnisse einer sicheren und wirtschaftlichen Stromproduktion ausgerichtet. Genève Sion Bellinzona Strom für rund 3 Millionen Menschen in der Schweiz. Axpo/Kantonswerke Centralschweizerische Kraftwerke (CKW) Blick auf die Insel Beznau mit dem Kernkraftwerk im Hintergrund. Kernkraftwerk Beznau 2 3
Stromproduktion rund um die Uhr Das Kernkraftwerk Beznau besteht aus zwei weitgehend identischen Anlagen, Block 1 und Block 2, mit einer Leistung von je 365 Megawatt. Die beiden Anlagen sind für 8000 Volllaststunden oder rund 355 Betriebstage pro Jahr ausgelegt. Sie erzeugen zusammen rund 6000 Gigawattstunden pro Jahr. Dies entspricht etwa dem doppelten Stromverbrauch der Stadt Zürich. Erstes Kernkraftwerk mit Umweltdeklaration Das Kernkraftwerk Beznau ist das erste Kraftwerk der Schweiz, für das eine Umweltdeklaration (EPD, Environmental Product Declaration) nach ISO 14025 erarbeitet wurde. Kernstück der Umweltdeklaration ist eine Ökobilanz. Sie ermöglicht die Quantifizierung und Einschätzung der Emissionen in die Umwelt sowie der Ressourcennutzung über die gesamte Prozesskette der Elektrizitätsproduktion. Als weitere Umweltinformationen wurden unter anderem die biologische Vielfalt in der Umgebung des Kernkraftwerks, die Strahlenbelastung des Personals und die elektromagnetischen Felder erhoben. Zusammen mit den Laufwasserkraftwerken gehört das Kernkraftwerk Beznau zu den klimaschonendsten Kraftwerken der Schweiz. Wichtige Bandenergie Das Kernkraftwerk produziert mit Ausnahme von wenigen Wochen pro Jahr, in denen Brennstoffwechsel und Revisionen vorgenommen werden, rund um die Uhr Strom. Diese Bandenergie bildet zusammen mit den Wasserkraftwerken die wichtige Grundlast. Wenn die Anlagen im Sommer zur Revision abgestellt werden, decken die Wasserkraftwerke den Strombedarf. Im Kernkraftwerk arbeiten über 500 Personen. Die Überwachung der Anlagen durch ein Team von spezialisierten Betriebsleuten erfolgt im Dreischichtbetrieb. Im Kommandoraum werden sämtliche Einstellungen, Werte oder Veränderungen aller Komponenten angezeigt und aufgezeichnet. Geringste Abweichungen von den Sollwerten werden sofort akustisch und optisch gemeldet, damit die richtigen Vorkehrungen getroffen werden können. Die Sicherheitsgebäude des Kernkraftwerks Beznau. Kernkraftwerk Beznau 4 5
Strom aus Bewegungsenergie Kernkraftwerke sind im Prinzip Dampfkraftwerke. Die für das Verdampfen des Wassers notwendige Wärme ist jedoch nicht das Ergebnis eines Verbrennungsvorgangs, sondern sie wird in einem Kernreaktor gewonnen. Der Dampf wird auf eine Turbine geleitet, die einen Generator antreibt. Dabei dreht der Rotor des Generators auf derselben Welle wie die Turbine, und zwar mit 3000 Umdrehungen pro Minute. Sein Magnetfeld erzeugt bei dieser schnellen Drehung in den Wicklungen des feststehenden Stators eine elektrische Spannung. Damit wird die Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wie bei einem Velodynamo. Die Generatorspannung beträgt 15,5 Kilovolt. Von einem Transformator wird sie auf etwa 220 Kilovolt erhöht und so transportfähig gemacht. Über die Schaltanlage wird der Strom schliesslich an das Hochspannungsnetz abgegeben. Transformatoren im Einsatz. Kernkraftwerk Beznau 6 7
Maschinenhaus mit Turbinen und Generator.
Der Blick ins Kernkraftwerk Die beiden zylinderförmigen Sicherheitsgebäude prägen das Bild des Kernkraftwerks Beznau. In diesen doppelwandigen Bauten mit einer Höhe von 67,5 Metern und einem Durchmesser von 38 Metern befinden sich die Primäranlagen, in denen aus Kernenergie Wärme und anschliessend Dampf erzeugt wird. Sie sind von einer gasdicht zusammengeschweissten Stahldruckschale (3) umgeben. Die Dicke beträgt 30 Millimeter. In einem Abstand von 1,5 Meter wird die Stahldruckschale von einem 90 Zentimeter dicken Betonmantel (1) vollständig umschlossen. Dieser ist auf der Innenseite mit einer gasdichten Stahlauskleidung (2) von 6 Millimetern versehen. Die Luft aus dem Hohlraum wird in das Innere der Stahldruckschale gesaugt, wodurch ein Unterdruck entsteht. Dieser verhindert das unerwünschte Austreten von Luft und somit Radioaktivität aus dem Inneren ins Freie. Im Maschinenhaus sind die Sekundäranlagen und die Turbogeneratorengruppen untergebracht, die die erzeugte Wärme zuerst in mechanische und dann in elektrische Energie umwandeln. Dort wird auch die Wärme für die Fernwärmeversorgung Refuna ausgekoppelt. 1 Betonmantel 2 Stahlauskleidung 3 Stahldruckschale 4 Reaktordruckgefäss 5 Regelstabantrieb 6 Dampferzeuger 7 Reaktorhauptpumpe 8 Hochdruckturbine 9 Wasserabscheider, Zwischenüberhitzer 10 Niederdruckturbinen 11 Generator 12 Transformator 13 Kondensator 14 Speisewasserbehälter Kernkraftwerk Beznau 8 9
1 2 3 Sicherheitsgebäude 14 Maschinenhaus 9 6 Brennstofflager 12 Kommandoraum Brennstofflagerbecken 7 5 8 4 10 13 11 9
Der Weg der Energie 1 Regelstabantrieb 2 Reaktordruckgefäss 3 Druckhalter 4 Regelstäbe 5 Brennelemente 6 Reaktorhauptpumpe 7 Dampferzeuger 8 Hochdruckvorwärmer 9 Speisewasserbehälter 10 Speisewasserpumpe 11 Niederdruckvorwärmer 12 Kondensatpumpe 13 Kondensator 14 Hochdruckturbine 15 Niederdruckturbinen 16 Generator 17 Transformator Blick in den geöffneten Reaktordruckbehälter. 18 Wasserabscheider, Zwischenüberhitzer 19 Dampfauskopplung Refuna 20 Wärmeaustauscher Refuna Kernkraftwerk Beznau 10 11
Kreislaufschema Sicherheitsgebäude 7 Betonmantel Stahlauskleidung Stahldruckschale Maschinenhaus Fernwärmenetz Refuna 20 1 3 8 55 bar, 270 C 9 19 127 C 120 C 230 kv 18 155 bar, 300 C 4 5 2 bar, 247 C 15,5 kv 14 15 15 16 17 2 10 6 0,04 bar, 30 C 11 12 13 Kühlwasserentnahme Kühlwasserrückgabe
Die Dampferzeugung Die beiden Blöcke des Kernkraftwerks Beznau sind mit Druckwasserreaktoren ausgerüstet, das heisst, sie besitzen zwei getrennte Wasserkreisläufe. Im Primärkreislauf steht das Wasser, das den Reaktorkern durchströmt, unter so hohem Druck, dass es auch bei einer Temperatur von 312 C im Kern nicht sieden kann. In den Dampferzeugern gibt das Primärwasser seine Wärme an das Sekundärwasser des zweiten Kreislaufs ab. Der bei tieferem Druck entstehende Dampf treibt Turbinen mit angeschlossenen Stromgeneratoren an. Im Kondensator wird der Dampf wieder zu Wasser bereit für einen erneuten Zyklus der Dampfproduktion. 1 Schwungrad 2 Pumpenmotor 3 Pumpenlaufrad 4 Regelstabantrieb 5 Druckgefässdeckel 6 Regelstab 7 Brennelement 8 Kernstützplatte 9 Frischdampfaustritt 10 Dampftrockner 11 Mannlochdeckel 12 Wasserabscheider 13 Frischdampf zu den Turbinen 14 Speisewasser zum Dampferzeuger 15 Speisewassereintritt 16 U-Rohr-Bündel 17 Rohrboden 18 Wasserkammer Kernkraftwerk Beznau 12 13
Dampferzeuger Druckhalter 9 10 11 13 12 14 1 2 Reaktordruckgefäss 4 5 15 16 6 3 7 8 17 18 Reaktorhauptpumpe
Kühlung durch Aarewasser Damit sich der Dampf nach dem Durchlauf durch die Turbinen wieder in Wasser verwandelt, muss er in den Kondensatoren abgekühlt werden. Dazu werden bei Volllastbetrieb für beide Blöcke insgesamt 40 Kubikmeter Kühlwasser pro Sekunde benötigt, die der Aare entnommen werden. Da das Gefälle zwischen dem Oberwasserkanal und dem Aareunterlauf sechs Meter beträgt, muss das Kühlwasser nicht, wie in anderen Kernkraftwerken üblich, mit Pumpen durch die Kondensatoren befördert werden: In Beznau fliesst es selbstständig vom Oberwasserkanal des Wasserkraftwerks zum tiefer gelegenen Aarebett. Dies war einer der Gründe, warum man sich seinerzeit für den Standort auf der Insel Beznau entschieden hat. 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 Temperaturerhöhung durch KKB nach Durchmischung mit dem Aarewasser Monatsmaximum Monatsminimum 0 Jan. Feb. März Apr. Mai Juni Juli Aug. Sept. Okt. Nov. Dez. Kernkraftwerk Beznau 14 15
5 7 3 1 Block 1 2 Block 2 3 Kühlwassereinläufe im Oberwasserkanal 4 Kühlwasserausläufe im natürlichen Aarebett 5 Wasserkraftwerk 6 Wehrkraftwerk 2 3 7 Unterwerk (Verbindung ins Stromübertragungsnetz) 1 4 4 6 Folgeseiten: Im Kommandoraum laufen alle Fäden zusammen.
Sicherheit über alles Sicherheit hat für Axpo höchste Priorität. Das Kernkraftwerk Beznau ist gegen Erdbeben, Hochwasser und Flugzeugabstürze geschützt. Wichtige Systeme und Bauteile funktionieren unabhängig voneinander, sind mehrfach vorhanden und räumlich getrennt. Zudem wird stetig in Sicherheitstechnik und Erneuerung investiert. Sechs Barrieren Bei der Kernspaltung entstehen radioaktive Spalt- und Aktivierungsprodukte. Diese stark strahlenden Stoffe dürfen nicht in die Umwelt gelangen. Mehrere Barrieren sorgen dafür: Die Spaltprodukte können das Gefüge der hart gesinterten Brennstoffpellets praktisch nicht verlassen. Die gasdicht verschweissten Hüllrohre der Brennelemente verhindern den Austritt von Spaltprodukten ins Kühlwasser. Die Brennelemente sind im Druckgefäss untergebracht und werden vom Wasser umströmt. Dieses verbleibt im geschlossenen Primärkreislauf. Der ganze Primärkreislauf befindet sich in der aus 30 Millimeter dicken Stahlplatten gasdicht verschweissten Stahldruckschale. Der Unterdruck im Zwischenraum zwischen Stahldruckschale und Betonmantel verhindert den Austritt radioaktiver Gase. Eine Stahlauskleidung dichtet die Innenseite des Betonmantels ab. Abschirmung der radioaktiven Strahlung Der 3 Meter dicke biologische Schild und der Abschirmbeton verhindern den Austritt radioaktiver Strahlung wirksam. Der Betonmantel weist eine Wandstärke von 90 Zentimetern auf. Betriebssicherheit Grösste Beachtung wird der Betriebssicherheit geschenkt. Und dies nicht nur im Normalbetrieb, sondern auch bei allfälligen ausserordentlichen Vorkommnissen, wie zum Beispiel bei unvorhersehbaren Defekten an Anlageteilen. Aus diesem Grund sind die wichtigen Komponenten der Anlage wie Steuerungen und Alarmauslösungen gleich doppelt oder mehrfach vorhanden. Fällt eine aus, steht immer noch eine zweite oder eine dritte zur Verfügung, welche dieselbe Funktion erfüllen kann. Kernkraftwerk Beznau 18 19
Doppelwandiges Sicherheitsgebäude 67,5 m hoch, 38 m Aussendurchmesser Stahldruckschale (3 cm) Zwischenraum mit Unterdruck Stahlauskleidung (0,6 cm) Betonmantel (90 cm) Abschirmbeton Biologischer Schild Brennstoffpellets Hüllrohr Reaktordruckgefäss Brennelemente
Uran als Brennstoff Wie lange reichen die Uranvorräte? Uran ist der Rohstoff für den Betrieb der heutigen Kernkraftwerke. Ein Metall, das fast überall in den Gesteinen der Erde vorkommt und in riesigen Mengen in den Ozeanen. Die bekannten, zu einem Preis von 130 US-Dollar pro Kilogramm wirtschaftlich abbaubaren Uranreserven genügen beim heutigen Verbrauch für die nächsten 100 Jahre. Die effektiven Uranreserven sind wesentlich grösser. Sobald der Marktpreis steigt, lohnt es sich, neue Vorkommnisse zu erschliessen oder alternative Formen der Förderung zu nutzen. Dazu zählt die Gewinnung von Uran aus Phosphaten oder Meerwasser, zwei Verfahren, die bereits erprobt sind. Unter diesen Bedingungen würden die Vorräte für viele Jahrhunderte oder gar Jahrtausende reichen. Weitere Faktoren sind die technologische Entwicklung der Reaktoren, die eine bessere Ausnützung des Brennstoffs gewährleistet, sowie die Wiederaufbereitung, die massgeblich zu einer Ausweitung der Reserven beiträgt. Auch ein allfälliger Preisanstieg lässt sich gut verkraften, da die Kosten für Uran lediglich 5 bis 10 Prozent der Strom-Gestehungskosten bei Kernkraftwerken ausmachen. Hoher Energieinhalt Durchschnittlich werden pro Tonne Erz etwa 1 bis 5 Kilogramm Natururan gewonnen. Der hohe Energieinhalt des Urans aus einer Tonne Natururan kann gleich viel Energie erzeugt werden wie aus 10 000 Tonnen Erdöl macht auch die Erschliessung von Vorkommen mit relativ geringem Urangehalt rentabel. Natururan besteht zur Hauptsache aus einer Mischung von zwei Atomen, die sich lediglich in ihren physikalischen Eigenschaften unterscheiden. Nur Uran-235, das im Natururan in einer Konzentration von 0,7 Prozent vorliegt, kann in Leichtwasserreaktoren gespalten werden. Der Rest besteht aus nicht spaltbarem Uran-238. Für den Betrieb von Kernreaktoren muss der Anteil an spaltbarem Uran-235 von 0,7 Prozent auf 3 bis 5 Prozent erhöht, d.h. angereichert werden. Nach seiner Gewinnung wird das Erz gemahlen. Mit Säure wird das Uran aus dem Erz herausgelöst und anschliessend zu Urankonzentrat (U 3 O 8 ) weiterverarbeitet. Dieses wird wegen seiner gelben Farbe auch «gelber Kuchen» (yellow cake) genannt. Der nächste Verarbeitungsschritt ist die Umwandlung (Konversion) des Urankonzentrats in das gasförmige Uranhexafluorid (UF 6 ). Kernkraftwerk Beznau 20 21
Von der Anreicherung zum Brennelement Für den darauffolgenden Veredelungsschritt, die Anreicherung, werden vor allem Gaszentrifugen eingesetzt. Nach der Anreicherung wird das Uranhexafluorid in das pulverförmige Uranoxid (UO 2 ) verwandelt, zu Pellets gepresst und bei ca. 1700 C gesintert, das heisst zu keramischem Material umgeformt. Bei der Herstellung von Brennstäben werden diese Pellets in Zirkonium- Hüllrohre abgefüllt. Die Brennstäbe werden gasdicht verschweisst, angepasst auf den jeweiligen Kraftwerkstyp zu unterschiedlich grossen Brennelementen zusammengesetzt und nach einer sehr kritischen Ausgangskontrolle seitens Werkvertreter zum Kernkraftwerk geliefert. Dort können sie ohne weitere Verarbeitung zur Energieherstellung eingesetzt werden. Zwei Brennstoffpellets aus Uranoxid (UO 2 ) liefern ein Jahr lang Strom für einen 4-Personen-Haushalt.
Sorgfältiger Umgang mit Abfällen Im Kernkraftwerk Beznau fallen Abfälle von unterschiedlich starker Radioaktivität an. 99 Prozent der Radioaktivität verbleiben in den bestrahlten Brennelementen, die während mindestens sechs Monaten im wassergekühlten Brennstofflagerbecken aufbewahrt werden. Anschliessend werden diese in Lagerbehälter umgeladen und ins Zwischenlager des Kernkraftwerks Beznau (Zwibez) gebracht. Hier werden schwachaktive Abfälle aufbewahrt, bevor sie in ein geologisches Tiefenlager abtransportiert werden. Feste radioaktive Betriebsabfälle werden im zentralen Zwischenlager in Würenlingen (Zwilag) mit einem Hochleistungsplasmabrenner bei hohen Temperaturen thermisch zersetzt oder aufgeschmolzen. Dabei wird das Volumen verkleinert und unter Zumischung von glasbildenden Stoffen die Endlagerfähigkeit verbessert. Kontrollstand des Zwischenlagers Beznau für schwachaktive Abfälle. Eingelagerte Fässer mit schwachaktiven Abfällen im Zwischenlager Beznau. Kernkraftwerk Beznau 22 23
Abwässer Aus Betrieb, Labor, Duschen, Wäscherei usw. Ionenaustauscherharze Aus chemischer Wasserreinigung Brennbares Material Schutzmittel, Reinigungsmaterial usw. Schmelzbare Gegenstände Pumpen, Ventile, Rohrleitungen, Isoliermaterialien usw. Abgebrannte Brennelemente Reinigung mit chemischer Fällung, zentrifugieren, feinstfiltrieren Verbrennung in der Verbrennungs- und Schmelz anlage im Zwilag Einschmelzen in der Verbrennungs- und Schmelzanlage im Zwilag Mindestens sechs Monate Lagerung im wassergefüllten Brennstofflagerbecken Mit Kunststoff verfestigt, in Fässer abgefüllt Rückstand (Schlamm) mit Beton verfestigt, in Fässer abgefüllt Asche mit Glas in Kokillen verfestigt, in Fässer abgefüllt Schmelze in Kokillen verfestigt, in Fässer abgefüllt Transport ins Zwibez für die Zwischenlagerung Aus dem Betrieb des KKB ergeben sich jährlich rund einhundert 200-Liter-Fässer mit verfestigten schwachaktiven Rückständen mit einem Volumen von rund 20 Kubikmeter. Sie werden bis zum Abtransport in geologische Tiefenlager im KKB oder im Zwilag zwischengelagert. Stark radioaktive Rückstände werden verglast und in Spezial behälter abgefüllt aus dem KKB rund 1,5 Kubikmeter pro Jahr
Fernwärme für die Region Das Refunda Refuna Fernwärme-Leitungsnetz Fernwärme-Leistungsnetz Heisser Vorlauf Reserveheizwerke Ausgekühlter Rücklauf Druckerhöhungsstationen Die Regionale Fernwärme Unteres Aaretal (Refuna) versorgt in 11 Gemeinden der Region rund 15 000 Bewohner mit Wärme aus dem Kernkraftwerk Beznau. Die Anschlussleistung betrug im Jahr 2010/11 rund 81 Megawatt. Damit können jährlich 12 000 Tonnen Heizöl eingespart werden. Im Winter 1983/84 wurde das Paul Scherrer Institut (PSI) an das umweltfreundliche Heizsystem angeschlossen. Ein Jahr danach folgten die ersten Privatkunden. Heute beträgt die Trassenlänge des Hauptnetzes 31 und die der Ortsnetze 103 Kilometer. Leuggern Kernkraftwerk Beznau Hauptpumpenstation Paul Scherrer Institut (PSI) Kleindöttingen Aare Klingnau Döttingen Endingen Die Wärmeauskopplung erfolgt zwischen dem Hochund dem Niederdruckteil der Turbine, wo 127 C heisser Dampf entnommen und einem Wärmetauscher zugeführt wird. Dort wird die im Dampf enthaltene Wärme an das Fernheiznetz übergeben, dessen Wasser sich dabei auf 120 C erwärmt. Da jedes der beiden Kraftwerke eine solche Wärmeauskopplung besitzt, steht jederzeit Fernwärme zur Verfügung, also auch während der alljährlichen Revision. Bei der Wärmeauskopplung reduziert sich die elektrische Leistung des Kraftwerks um bis zu 7,5 Megawatt. Riniken Rüfenach Villigen Stilli Aare Würenlingen Siggenthal Station Limmat Die Hauptleitungen sind 31 Kilometer, die Ortsleitungen 103 Kilometer lang. ABB Turgi Refuna-Rohrbrücke über den Aarekanal. Kernkraftwerk Beznau 24 25
Energie mit allen Sinnen! Besucherzentrum Axporama Besucherzentrum Axpo Axporama Schlossweg 16 CH-5315 Böttstein T +41 56 250 00 31 F +41 56 250 00 35 axporama@axpo.com www.axpo.com/erleben Kostenlose Führungen für angemeldete Gruppen. Bitte um frühzeitige Kontaktaufnahme. Werkbesichtigung Kernkraftwerk Beznau Besuchergruppen können das KKB unter kundiger Führung besichtigen. Interessenten wenden sich an das Besucherzentrum Axporama. Ihre Anmeldung sollte mindestens zwei Wochen vor dem gewünschten Termin erfolgen. Axporama 8 I 9 Axporama_Imagebroschuere_100715.indd 8 15.07.10 18:08 Kernkraftwerk Beznau 26 27
Das Besucherzentrum Axporama liegt in der Nachbarschaft des Kernkraftwerks Beznau. Die Ausstellung bietet einen spannenden Einblick in die Welt der Energie und umfassende Informationen zum Strommix der Axpo.
Axpo Kernkraftwerk Beznau Beznau CH-5312 Döttingen T +41 56 266 71 11 F +41 56 266 77 01 www.axpo.com 5.2014 3000