Primärkreislauf in DWR

Diagram of three-circuit water-steam reactor

Druckwasserreaktoren (DWR) werden generell zusätzlich zu den zwei in anderen Wärmekraftwerken (z. B. Siedewasserreaktoren (BWR) oder kohlebetriebenen und Erdwärmekraftwerken) enthaltenen Wasserkreisläufen mit einem dritten ausgestattet. In diesem sogenannten Primärkreislauf nimmt das Wasser die durch Kernspaltung erzeugte Wärme auf und transportiert sie zum sekundären Kreislauf. Dieser zusätzliche Kreislauf stellt sicher, dass radioaktives Material darin verbleibt und nicht in den zweiten Kreislauf gelangt und somit potenziell die Umwelt gefährdet.

Dieser zusätzliche Wasserkreislauf bringt einige spezifische Anforderungen in Hinblick auf chemische Analysen und Überwachung mit sich.


Bestimmung von Borsäure ...

Das Wasser im Primärkreislauf von DWR enthält gelöste Borsäure. Zweck dieser Borsäure, und hier insbesondere des 10B-Isotops, ist es, als Neutronenabsorber zu fungieren: Die Borsäure bindet die freigesetzten Neutronen, welche die nukleare Kettenreaktion in Gang halten und für den energetischen Wirkungsgrad des Reaktors verantwortlich sind. Da die Konzentration eine so große Rolle spielt, ist die Bestimmung der Borsäure im Primärkreislauf aus Sicht der Reaktorsicherheit und des Wirkungsgrads extrem wichtig.

... im Labor

Borsäure, eine schwache Säure mit einer Säurekonstante von Ka1 5.75·10-10, ist schwierig zu titrieren. Um eine Titration zu erleichtern, müssen der Borsäure Polyalkohole, wie beispielsweise Mannitol, hinzugefügt werden, was zu einer Bildung von Komplexen mit einer höheren Säurestärke führt, die sich wie eine einwertige Säure verhalten und mithilfe einer NaOH-Lösung titriert werden können.

Soll Borsäure manuell titriert werden, bedeutet diese Komplexbildung einen hohen Arbeitsaufwand und erfordert ein exaktes Pipettieren der Probe, destilliertes Wasser sowie eine Mannitollösung, um genaue Ergebnisse zu erzielen. Aus diesem Grund ist eine automatisierte Titration sicherlich die bessere Wahl.

Metrohm verfügt über ein vollautomatisiertes System zur Bestimmung von Borsäure.

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... und direkt im Prozess

Die Brennelemente können während des Betriebs in DWR nicht ausgetauscht werden. Aus diesem Grund muss zu Beginn eines Arbeitszyklus vor Ort eine Brennstoffreserve vorhanden sein. Der mit diesem Reservebrennstoff verbundene Leistungsüberschuss im Reaktor wird durch die Anpassung der Borsäurekonzentration im Reaktor gesteuert. Wenn der Brennstoff abbrennt, muss die Konzentration der Borsäure verringert werden, um den Reaktor weiterlaufen zu lassen. Die Einstellung der korrekten Konzentration im Primärkreislauf ist deshalb unabdingbar für den sicheren und effizienten Betrieb eines DWR.

Dies kann nur durch eine strikte Überwachung der Borsäurekonzentration erreicht werden. Die Analysengeräte 2026 Titrolyzer und ADI 2045TI von Metrohm Process Analytics ermöglichen Ihnen die Bestimmung der Borsäurekonzentration quasi ohne Unterbrechung mittels potentiometrischer Titration.

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Bestimmung von Lithium

Chromatogram of a lithium determination

Die dem Primärkreislauf des DWR beigefügte Borsäure senkt den pH-Wert und erhöht somit das Korrosionspotenzial. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wird dem Primärkreislauf ein Alkalisierungsmittel, in den meisten Fällen monoisotopes Lithiumhydroxid (7Li), zugesetzt. Aus diesem Grund muss die Lithiumkonzentration ebenfalls überwacht werden. Das kann mittels Ionenchromatographie im Zusammenspiel mit intelligenter Partial-Loop-Injektionstechnik (MiPT) erfolgen.

> Erfahren Sie mehr über die Bestimmung von Lithium mittels Ionenchromatographie

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Bestimmung von Metallkationen im Primärkreislauf

Einige Metallkationen müssen im Primärkreislauf eines DWR ebenfalls überwacht werden. Nickel ist beispielsweise ein wichtiges Legierungsmetall, das die Korrosionsbeständigkeit von Stahl erhöht. Allerdings fördert das Nickel in ionischer, gelöster Form die Korrosion, was regelmäßige Prüfungen der Nickelkonzentration erforderlich machen.

Verbrauchtes Zink wird oftmals hinzugefügt, um die Radioaktivität an Bauteiloberflächen zu senken und die Korrosion von Metallflächen zu verringern. Dieses Kation muss deshalb ebenfalls regelmäßig überwacht werden.

Mithilfe der Ionenchromatographie können diese Kationen auch bis in den Sub-µg/L-Bereich bestimmt werden. Aufgrund der vorhandenen Borsäure und des Lithiumhydroxids macht die Analyse dieser Kationen eine Kombination aus Inline-Anreicherung und Matrixeliminierung erforderlich.

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Detail of turbine

Turbinen- und Schmieröle

Turbinen- und Schmieröle sind in Kraftwerken extremen Bedingungen ausgesetzt. In zahlreichen internationalen Normen sind die Anforderungen und Prüfverfahren für die betriebliche Wartung der Turbinen festgelegt.

Die Norm ASTM D 4378 gibt vor, dass die Säure- und Basenzahlen durch potentiometrische Titration und der Wassergehalt durch Karl-Fischer-Titration bestimmt werden müssen.

Metrohm titration Karl Fischer titration

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