Hydraulikölaufbereitung in Kernkraftwerken

Hydrauliksysteme in Kernkraftwerken arbeiten unter Bedingungen, bei denen ein Ausfall keine Option ist. Die Hydraulik der Steuerstäbe, die Antriebe der Sicherheitsventile und die Notabschaltmechanismen müssen innerhalb genau definierter Zeitgrenzen reagieren – und das Betriebsmedium in all diesen Systemen ist Hydrauliköl. Daher ist die Hydraulikölaufbereitung in Kernkraftwerken keine routinemäßige Wartungsaufgabe, sondern eine grundlegende Sicherheitsanforderung, die unmittelbar mit der Zuverlässigkeit des Reaktors und der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften verbunden ist.
Im Gegensatz zu Industrieanlagen, in denen verunreinigtes Öl hauptsächlich zu Anlagenverschleiß und ungeplanten Stillständen führt, wirken sich die Folgen in einem Kernkraftwerk direkt auf die Steuerbarkeit des Reaktors aus. Partikel kleiner als 8 Mikrometer – mit bloßem Auge unsichtbar und von herkömmlichen integrierten Filtern nicht erfassbar – lagern sich im Laufe der Zeit in den Bohrungen von Präzisionsventilen und den Komponenten der Stellantriebe ab. Dadurch verlängern sich die Reaktionszeiten und die Wahrscheinlichkeit eines Funktionsausfalls steigt. Feuchtigkeit fördert Korrosion und mikrobielles Wachstum. Eine zunehmende Ölsäurezahl greift Metalloberflächen und Gummidichtungen von innen an. Alle drei Probleme entwickeln sich schleichend und unbemerkt. Deshalb sind eine systematische Überwachung des Ölzustands und eine regelmäßige Ölaufbereitung unverzichtbar.

Systeme, die auf sauberes Hydrauliköl angewiesen sind

Drei Gerätekategorien in Kernkraftwerken reagieren besonders empfindlich auf die Qualität des Hydrauliköls.
Die Hydraulik der Steuerstäbe regelt die nukleare Kettenreaktion durch das Einfahren oder Herausziehen der Steuerstäbe. Jede Verzögerung infolge von zähflüssigem oder verunreinigtem Öl beeinträchtigt unmittelbar die Leistungsregelung des Reaktors und insbesondere den SCRAM – die Notabschaltung des Reaktors.
Zu den Antrieben sicherheitstechnischer Systeme gehören Notkühlsysteme für den Reaktorkern und Absperrventile des Sicherheitsbehälters. Diese Komponenten müssen unabhängig vom Betriebszustand der Anlage innerhalb der vorgeschriebenen Qualifikationszeiten ansprechen. Gealtertes Hydrauliköl zählt zu den häufigsten Ursachen für verzögertes oder ausbleibendes Ansprechen sicherheitsrelevanter Systeme.
Ventilantriebe im Primär- und Sekundärkreislauf erfordern eine präzise Positionierung und schnelle Reaktionszeiten. Schlammablagerungen an Ventilsitzen und Steuerbohrungen führen unmittelbar zu Leckagen, ungenauer Positionierung und erhöhtem Wartungsaufwand.

Hydrauliköltypen in Kernkraftwerken – und ihre Kompatibilität mit Aufbereitungsanlagen

Nicht alle Hydrauliköle, die in kerntechnischen Anlagen eingesetzt werden, sind identisch. Dieser Unterschied ist bei der Auswahl der Aufbereitungstechnik von entscheidender Bedeutung.
Je nach System und Sicherheitsklassifizierung kommen in Kernkraftwerken verschiedene Arten von Hydraulikflüssigkeiten zum Einsatz. Mineralöle – raffinierte Hydraulikflüssigkeiten auf Erdölbasis – werden überwiegend in allgemeinen Hydraulikkreisen, einigen Steuerstabantrieben und Ventilantrieben eingesetzt, bei denen das Brandrisiko durch andere Maßnahmen beherrscht wird. Synthetische Hydraulikflüssigkeiten sowie schwer entflammbare Flüssigkeiten, insbesondere phosphatesterbasierte Öle, werden in Systemen verwendet, die sich in der Nähe heißer Oberflächen oder Zündquellen befinden, beispielsweise in bestimmten Turbinenregelungen und sicherheitsrelevanten Antrieben. In speziellen Anwendungen kommen außerdem Wasser-Glykol-Flüssigkeiten und andere wasserbasierte Hydraulikmedien zum Einsatz.
Dies ist für die Hydraulikölaufbereitung in Kernkraftwerken besonders wichtig, da Aufbereitungsanlagen nicht mit allen Fluidtypen kompatibel sind. Phosphatester erfordern beispielsweise speziell ausgelegte Anlagen mit geeigneten Dichtungen, Filtermedien und Werkstoffen. Herkömmliche Mineralölanlagen werden durch den Kontakt mit diesen Fluiden beschädigt. Zudem kann eine Kreuzkontamination zwischen verschiedenen Fluidtypen sowohl das Öl als auch die geschmierten Komponenten zerstören.
Die GlobeCore-Anlagen der Serien CMM-LT und CMM-R sind ausschließlich für Mineralöle mit einer kinematischen Viskosität von maximal 70 cSt ausgelegt. Vor dem Einsatz einer GlobeCore-Anlage in einer kerntechnischen Anlage muss der Fluidtyp anhand der Anlagendokumentation oder einer Laboranalyse eindeutig bestätigt werden. Der Einsatz einer Mineralöl-Aufbereitungsanlage für ein inkompatibles Fluid beschädigt die Anlage, kontaminiert das System und kann sicherheitsrelevante Komponenten gefährden.
In Kernkraftwerken, in denen sowohl Mineralöl- als auch schwer entflammbare Hydraulikflüssigkeiten verwendet werden, müssen für jeden Fluidtyp separate Aufbereitungsanlagen bereitgestellt werden. Eine eindeutige Kennzeichnung und organisatorische Maßnahmen müssen eine Verwechslung ausschließen.

Anlagen zur Hydraulikölaufbereitung in Kernkraftwerken

Eine wirksame Ölaufbereitung kombiniert drei sich ergänzende Verfahren, die jeweils unterschiedliche Verunreinigungen beseitigen.
Die Filtration entfernt feste Partikel – Metallabrieb, Oxidrückstände und andere Feststoffe – mithilfe mehrstufiger Filterelemente mit Filterfeinheiten von 5, 3, 1 oder 0,3 Mikrometern. Kerntechnische Hydrauliksysteme erfordern in der Regel einen Reinheitsgrad nach ISO 4406 Klasse 12 oder besser. Standardfilter mit einer Filterfeinheit von 8 bis 25 Mikrometern lassen gerade den kritischsten Partikelgrößenbereich unbehandelt. Deshalb sind spezielle Ölaufbereitungsanlagen erforderlich.
Die Vakuumentwässerung entfernt freies und gelöstes Wasser. Das erwärmte Öl wird in eine Vakuumkolonne geleitet, in der sich Feuchtigkeit und gelöste Gase unter Unterdruck vom Öl trennen und abgesaugt werden. Gleichzeitig werden die Kavitationsbeständigkeit des Öls wiederhergestellt und Gase entfernt, die Pumpengeräusche, Druckschwankungen und beschleunigte Oxidation verursachen.
Die Adsorptionsregeneration reduziert den Säuregehalt des Öls. Während der Alterung entstehen durch Oxidation saure Verbindungen, die sowohl das Öl als auch die geschützten Bauteile angreifen. Durch das Durchleiten des Öls über Adsorberkolonnen, beispielsweise mit Fullererde, werden diese sauren Alterungsprodukte sowie Farbstoffe selektiv entfernt. Dadurch wird die Gesamtsäurezahl (TAN) nahezu auf den Wert von Frischöl zurückgeführt. Bei ausgewählten Anlagen können nach der Regeneration Inhibitoren wieder zugesetzt werden, sodass die Schutzeigenschaften des Öls vollständig wiederhergestellt werden.

CMM-LT-Serie – Filtration, Entwässerung und Entgasung

Die Anlagen der CMM-LT-Serie übernehmen den mechanischen und physikalischen Teil der Hydraulikölaufbereitung in Kernkraftwerken: Partikelentfernung, Trocknung und Entgasung in einem einzigen Durchgang. Das Öl gelangt zunächst durch einen 200-Mikrometer-Vorfilter unter Vakuum in die Anlage, strömt anschließend durch eine beheizte Vakuumkolonne, in der Feuchtigkeit und Gase über die Kolonnenfüllung abgeschieden werden, und verlässt die Anlage über Feinfilter bis zu einer Filterfeinheit von 0,3 Mikrometern. Der erreichte Reinheitsgrad entspricht ISO 4406 Klasse 12-14.
Die Anlagen sind kompakt und auf Rädern montiert, wodurch sie direkt an den Einsatzorten innerhalb des Kraftwerks verwendet werden können. Ein zweistufiges Vakuumsystem mit Vorvakuum- und Boosterpumpen erzeugt das für eine effektive Entwässerung erforderliche tiefe Vakuum. Zur Sicherheitsausstattung gehören Füllstandssensoren in der Vakuumkolonne, ein Schaumbekämpfungssystem für stark verschmutzte Öle, ein Ölleckagesensor in der Auffangwanne sowie zwei Ölabscheider zum Schutz des Vakuumsystems vor Öleintrag.
⚠ Wichtig: Die Anlagen der CMM-LT-Serie sind ausschließlich für Mineralöle mit einer maximalen Viskosität von 70 cSt ausgelegt. Sie sind nicht für synthetische, esterbasierte oder schwer entflammbare Hydraulikflüssigkeiten geeignet.

CMM-R-Serie – Säureentfernung und Ölregeneration

Wenn der Säuregehalt des Öls die zulässigen Grenzwerte überschreitet, stellen Regenerationsanlagen der CMM-R-Serie die chemischen Eigenschaften des Öls durch Adsorption wieder her. Das Öl wird durch Adsorberkolonnen geleitet, welche saure Alterungsprodukte, polare Verbindungen und Verfärbungen aufnehmen. Das Adsorptionsmaterial kann direkt in der Anlage bis zu 500-700 Mal thermisch reaktiviert werden, bevor ein Austausch erforderlich ist. Dies entspricht mehreren Jahren Betriebsdauer. Das verbrauchte Adsorptionsmaterial stellt keine Umweltgefahr dar.
Die Produktreihe reicht von kompakten manuell betriebenen Anlagen (CMM-6R Lite, CMM-10R Lite) bis hin zu vollautomatischen Modellen mit optionaler Entgasung und Fernsteuerung (CMM-6R, CMM-12R, CMM-24R). Die CMM-24R arbeitet kontinuierlich im Parallelbetrieb: Während zwölf Kolonnen das Öl regenerieren, werden die anderen zwölf reaktiviert. Dadurch entfallen Unterbrechungen durch zyklischen Betrieb.
⚠ Wichtig: Die Anlagen der CMM-R-Serie verarbeiten ausschließlich Mineralöle mit einer maximalen Viskosität von 70 cSt. Vor dem Einsatz muss die Kompatibilität mit der jeweiligen kerntechnischen Hydraulikölformulierung überprüft werden.

Warum dies in einem Kernkraftwerk entscheidend ist

Branchenstatistiken zeigen, dass 20 bis 25 % aller Störungen an Energieanlagen auf Mängel in Ölsystemen zurückzuführen sind. In einem Kernkraftwerk hat diese Zahl eine Bedeutung, die weit über Wartungskosten hinausgeht. Verunreinigtes Hydrauliköl in einem sicherheitsrelevanten System stellt einen latenten Fehler dar, der möglicherweise erst im Ernstfall sichtbar wird.
Eine systematische Hydraulikölaufbereitung in Kernkraftwerken, unterstützt durch regelmäßige Ölprobenahmen und Laboranalysen, beseitigt diese Risikokategorie. Die Kombination aus Filtration und Entwässerung mit CMM-LT-Anlagen sowie Säureentfernung durch CMM-R-Anlagen bietet Betreibern einen vollständigen Aufbereitungsprozess, der das Hydrauliköl während seiner gesamten Einsatzdauer innerhalb der Spezifikation hält, die Häufigkeit des Ölwechsels reduziert und einen wesentlichen Unsicherheitsfaktor für die Zuverlässigkeit sicherheitskritischer Systeme beseitigt.