Online-Analyse von Borsäure im Kühlwasser von Druckwasserreaktoren

Borsäure wird verwendet, um Neutronen im Primärkreislauf von Druckwasserreaktoren (DWR) zu absorbieren und so die Reaktivität des Reaktors zu steuern. Daher ist eine nahezu kontinuierliche Überwachung der Borsäurekonzentrationen von entscheidender Bedeutung. Die Konzentration der Borsäure wird in der Regel mit manuellen Laboranalysemethoden überwacht. Manuelle Analysen sind jedoch zeitaufwändig und abhängig vom Bediener. Mit dem 2060 TI Process Analyzer ist eine schnelle und zuverlässige automatisierte Online-Analyse möglich.

In dieser Process Application Note wird die Online-Analyse von Borsäure in nuklearen DWRs erläutert. Die intelligente Software IMPACT des 2060 TI Process Analyzers kann sich automatisch auf den sich verändernden Prozessbereich einstellen und gewährleistet durch die Veränderung der Konzentration des Titriermittels in der Bürette ein Höchstmaß an Genauigkeit über den gesamten Messbereich (hoch-niedrig). In Verbindung mit dem „Chemical and Volume Control System“ des Kraftwerks (CVCS) wird die Echtzeitüberwachung sowie die frühzeitige Erkennung potenzieller Probleme ermöglicht und die Reaktorsteuerung für einen sicheren und effizienten Betrieb optimiert.

Etwa 9 % des weltweiten Stroms stammen aus Kernenergiequellen [1]. Druckwasserreaktoren (DWRs) sind eine der gebräuchlichsten Arten von Kernreaktoren zur Stromerzeugung [1]. Der sichere und effiziente Betrieb von DWRs ist entscheidend, um eine zuverlässige Energieversorgung zu gewährleisten und gleichzeitig die Umwelt zu schonen.

In Druckwasserreaktoren (PWR) wird Borsäure als Neutronenabsorber (B-10 Isotop, ¹⁰B) dem Wasser des Hauptkühlsystems zugefügt, um die Kernreaktion zu steuern. Bor besitzt eine hohe Affinität, Neutronen zu binden, sodass eine Erhöhung oder Absenkung der jeweiligen Konzentration die Neutronenaktivität entsprechend beeinflusst. Durch die Einstellung der Borsäurekonzentration im Kühlmittel können die Betreiber die Leistung des Reaktors präzise steuern.

Bor wird im Primär- und Sekundärkreislauf sorgfältig kontrolliert (Abbildung 1). Obwohl diese Kreisläufe so konzipiert sind, dass sie hochgradig geschützt sind, können potenzielle Risiken wie Unfälle, Lecks oder Verschüttungen dazu führen, dass kontaminiertes Wasser in die Umwelt freigesetzt wird, was sich letztendlich auf nahe gelegene Wasserquellen auswirkt.

Die Borkonzentration im Primärkühlmittel variiert je nach Stufe des Brennstoffkreislaufs zwischen 0 und 2.000 mg/L oder mehr [2]. Dies liegt deutlich über dem empfohlenen Höchstwert für Trinkwasser, der laut Weltgesundheitsorganisation (WHO) bei 2,4 mg/l [3] und nach EU-Standards bei 1 mg/l liegt [4]. 

Das CVCS ist für die Regelung der Borkonzentrationen im Reaktorkühlmittel verantwortlich. Dieses System passt die Menge an Borsäure, die dem Primärkreislauf zugeführt wird, sorgfältig an, um eine optimale Reaktivität aufrechtzuerhalten und einen sicheren Reaktorbetrieb zu gewährleisten.

Der 2060 TI Process Analyzer (Abbildung 2) bietet einen deutlichen Vorteil gegenüber herkömmlichen Laboranalysemethoden im nuklearen Bereich. Die Automatisierung der Analytik ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung der Borkonzentrationen im DWR in Echtzeit, ohne dass manuelle Labortests erforderlich sind.

Darüber hinaus gewährleistet die Selbstkalibrierungsfunktion des Analysators eine gleichbleibende Genauigkeit, ohne dass häufige manuelle Einstellungen erforderlich sind.

Durch die nahtlose Integration in die Steuerungssysteme von Kernkraftwerken ermöglicht der 2060 TI Process Analyzer automatische Anpassungen auf der Grundlage der gemessenen Borkonzentrationen. Diese Automatisierung verbessert die Betriebseffizienz und trägt zur Aufrechterhaltung einer optimalen Reaktorleistung bei.

Die Online-Überwachung von Borsäure im Kühlwasser ist mittels potentiometrischer Titration möglich. Die intelligente IMPACT-Software, die vom 2060 TI Process Analyzer verwendet wird, kann sich automatisch an unterschiedliche Borsäurewerte anpassen und die Titriermittelkonzentrationen umschalten, um sicherzustellen, dass über den gesamten Messbereich die höchste Genauigkeit erreicht wird.

1. Nuclear Power in the World Today - World Nuclear Association. https://world-nuclear.org/information-library/current-and-future-generation/nuclear-power-in-the-world-today (accessed 2024-08-20).
2. Mesquita, A. Z.; Reis, I. C.; de Almeida, V. F.; et al. Boron-10 Effect on the Reactivity of the IPR-R1 Triga Research Reactor. Annals of Nuclear Energy 2019, 132, 64–69. DOI:10.1016/j.anucene.2019.04.023
3. Boron, a key challenge for reverse osmosis systems, successfully treated with LG Chem TFN membranes GWI. https://www.globalwaterintel.com/articles/boron-a-key-challenge-for-reverse-osmosis-systems-successfully-treated-with-lg-chem-tfn-membranes-lg-chem (accessed 2024-08-19).
4. EU’s drinking water standards. https://www.lenntech.com/applications/drinking/standards/eu-s-drinking-waterstandards.htm (accessed 2024-08-19).

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