Publikationsrepositorium - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Bei einem Kühlmittelverluststörfall (Loss of coolant Accident LOCA) eines Druckwasserreaktors (DWR) können sich in der Anfangsphase an den Sumpfansaugsieben des Notkühlsystems Mineralwolleablagerungen aus dem Isolationsmaterial der Anlagenkomponenten bilden und dadurch die Notkühlung beeinträchtigen. Im weiteren Verlauf des Störfalles verursacht das borsäurehaltige Primärkühlmittel eine Korrosion an Einbauten im Containment, die überwiegend aus feuerverzinktem Stahl bestehen. Feste Korrosionsprodukte bewirken in diesem Falle durch Anlagerung an die Mineralwolleablagerungen einen Anstieg des Differenzdrucks über den Sumpfansaugsieben, der bis zur Blockade und dem Ausfall der Notkühlung führen kann.
Zur Untersuchung der chemischen Aspekte dieses Vorgangs wurde im HZDR eine Laborversuchsanlage (KorrVA) errichtet, in welcher die Korrosion verzinkter Materialproben unterschiedlicher Größe und Geometrie bei verschiedenen Anströmbedingungen des borsäurehaltigen Kühlmittels und bei Temperaturen bis 70°C untersucht werden kann. Volumen, Durchfluss, Größe von Proben und Sumpfansaugsieb sowie dessen Belegung wurden skaliert an den Verhältnissen eines typischen DWR-Sumpfes nach einem LOCA.
Dabei sind verschiedene Einflüsse auf die Korrosion zu beobachten, die von der Zusammensetzung des Mediums (Borsäurekonzentration, pH-Anhebung durch LiOH-Zusatz), Temperatur des Mediums, Größe und Geometrie der Probe sowie auch von der Anströmung durch das Medium abhängen und einen unterschiedlichen Differenzdruckverlauf bewirken.
Ausgehend vom Schichtaufbau der Feuerverzinkung konnte der Ablauf der Korrosion aufgeklärt werden, wobei zunächst lösliche Korrosionsprodukte des Zinks entstehen und erst nach Freilegung von Stahl Rost gebildet wird, der sich am Faserbett anlagern kann. Die Ergebnisse, die auf den Analysen von Lösungen und Ablagerungen auf den Faserbetten und den Untersuchungen der Metallproben nach Ende der Versuche beruhen, stehen in Übereinstimmung mit dem Differenzdruckanstieg als technisch wichtigem Parameter, der im Wesentlichen durch Rost verursacht wird. Die anfangs starke Korrosion unter Bildung von Zinkionen bedingt eine Zunahme des pH-Werts, die aber zu einer wesentlichen Verringerung der Korrosionsrate führt. Bei ausreichender Zinkmenge kommt die Korrosion nahezu zum Erliegen. Im weiteren Verlauf bilden sich aber auch an der Oberfläche des Zinks weiße Korrosionsprodukte.
Entscheidend für den Ablauf der Korrosion sind neben dem Angebot an Zinkoberfläche besonders die Strömungsverhältnisse und die Zusammensetzung des Primärkühlmittels nach lokaler Freilegung des Basismaterials. Verursacht wird eine Verblockung des Faserbetts nicht nur durch eine Bildung von Rost sondern erst durch dessen Transport und Ablagerung am Fasermaterial.