Harrisburg - Tschernobyl - Fukushima

Harrisburg — Tschernobyl — Fukushima

Harrisburg — Tschernobyl — Fukushima

Alvin Weinberg sagte es voraus

Har­ris­burg — Tscher­no­byl — Fuku­shi­ma: Die Ket­te die­ser Ereig­nis­se bestä­tig­te die Beden­ken von Alvin Wein­berg, dem Erfin­der des Druck­was­ser­re­ak­tors. Die Kata­stro­phen betra­fen alle bis dahin genutz­ten Reak­tor­ty­pen, den Druck­was­ser­re­ak­tor in Three Mile Island bei Har­ris­burg, den gra­phit­mo­de­rier­ten Reak­tor in Tscher­no­byl und die Sie­de­was­ser­re­ak­to­ren in Fuku­shi­ma. Das Schick­sal der Ener­gie durch Kern­spal­tung schien besie­gelt. Doch im Licht wei­te­rer tech­ni­scher Ent­wick­lun­gen und neu­er Reak­tor­kon­zep­te sowie in Bezug auf den not­wen­di­gen Umbau des Ener­gie­sys­tems auf­grund des Kli­ma­wan­dels kann die­se Form der Ener­gie­ge­win­nung wie­der eine Zukunft besitzen.

Ich weiß, dass ich nichts weiß.”  Sokrates

Inhaltsverzeichnis

  1. Die Ener­gie der Atomkerne
  2. Ener­gie­po­ten­zia­le der Kernspaltung
  3. Rezep­tur der gesteu­er­ten Kern­spal­tung oder „Der Mann mit der Axt”
  4. Tech­no­lo­gie­su­che zur Ener­gie­ge­win­nung mit Kern­spal­tung in der Gene­ra­ti­on I
  5. Leicht­was­ser­re­ak­to­ren der Gene­ra­ti­on II
  6. Har­ris­burg — Tscher­no­byl — Fukushima
  7. Neue Sicher­heits­kon­zep­te und die Gene­ra­ti­on III
  8. Kern­kraft­wer­ke neu gedacht und die Gene­ra­ti­on IV
  9. Die Ener­gie der Son­ne durch Kern­fu­si­on und auf­kom­men­de Technologien

Das Ende der Illusion zur Sicherheit der Reaktoren der Generation II

Risikoeinschätzungen im Zeitenwandel

Die Beden­ken des Kern­phy­si­kers Alvin Wein­berg fan­den also kei­nen Wider­hall. Als Erfin­der des Grund­kon­zepts der Druck­was­ser­re­ak­to­ren wur­de er in den Fol­ge­jah­ren nicht müde, die in die­se Reak­tor­klas­se ein­ge­bau­ten Sicher­heits­ri­si­ken zu beto­nen. Aber das Kon­zept setz­te sich welt­weit durch. 

In Vor­le­sun­gen zur Reak­tor­tech­nik für Stu­den­ten der Kern­phy­sik und Kern­ener­gie tra­fen Pro­fes­so­ren Aus­sa­gen zur Wahr­schein­lich­keit, dass ein Super-GAU ein­tritt. Die­se Bezeich­nung benut­zen Fach­leu­te für den größ­ten anzu­neh­men­den Unfall. Ein GAU kann bei­spiels­wei­se auch in einem Che­mie­werk mit Frei­set­zung von gif­ti­gen Stof­fen vor­kom­men. Die zusätz­li­che Stei­ge­rung des größ­ten anzu­neh­men­den Unfalls mit der Vor­sil­be “Super” wird für ein Ereig­nis im Kern­kraft­werk ange­wen­det. Die Fol­gen bestehen hier in einer weit­räu­mi­gen radio­ak­ti­ven Ver­seu­chung, die grö­ße­re Gebie­te auf Jahr­zehn­te oder gar Jahr­hun­der­te unbe­wohn­bar machen kann. 

Vor ers­ten rea­len Kata­stro­phen gaben Wis­sen­schaft­ler an, dass ein Super-GAU in einem spe­zi­el­len Kraft­werk pro 200.000 Jah­re zu erwar­ten ist. Tief ein­ge­prägt hat sich in mei­ner Erin­ne­rung die Abschät­zung eines Dozen­ten in der Reak­tor­phy­sik-Vor­le­sung mit der Vor­her­sa­ge einer der­ar­ti­gen Kata­stro­phe pro einer Mil­li­on Betriebs­jah­re eines Reak­tors. 

Nach Unfäl­len von Har­ris­burg bis Fuku­shi­ma redu­zier­ten die Fach­leu­te die­sen Wert. Sie erwar­te­ten nun ein der­ar­ti­ges Unglück mit einer Wahr­schein­lich­keit von 1 zu 10.000 Reak­tor­jah­ren. Das heißt, bei den sechs Reak­to­ren von Fuku­shi­ma soll­te maxi­mal ein der­ar­ti­ges Unglück in rund 2.000 Jah­ren eintreten.

Neue Pro­gno­sen gehen inzwi­schen von weni­gen tau­send Reak­tor­jah­ren für einen der­ar­ti­gen Unfall aus. Dies bedeu­tet für die über 100 Leicht­was­ser­re­ak­to­ren der Gene­ra­ti­on II in Euro­pa die Wahr­schein­lich­keit eines Super-GAUs pro 20 bis 40 Jah­re. Somit wäre nach Tscher­no­byl wie­der ein Ereig­nis fäl­lig. Auch die Pra­xis über­traf die frü­he­ren Ein­schät­zun­gen deut­lich. Wid­men wir uns nun der Chro­no­lo­gie der Katastrophen.

 

Katastrophe Teil 1 – Harrisburg (Three Mile Island)

Zuerst traf es den Druckwasserreaktor

Die Unglücks­se­rie star­te­te im Kern­kraft­werk Three Mile Island in der Nähe von Har­ris­burg in Penn­syl­va­nia, USA. Der Stör­fall ereig­ne­te sich am 28. März 1979 und war der schwers­te Unfall in der Geschich­te der ame­ri­ka­ni­schen Kern­ener­gie­nut­zung. Er betraf im Block 2 den welt­weit am meis­ten ver­brei­te­ten Reak­tor­typ, einen Druck­was­ser­re­ak­tor mit einer Leis­tung von 575 Megawatt.

Die Stö­rung der Was­ser­pum­pe, die Kühl­was­ser in den Reak­tor lei­tet, lös­te eine Ket­te von Ereig­nis­sen aus. Dies führ­te dazu, dass die Kühl­was­ser­men­ge im Reak­tor sank und die Kern­tem­pe­ra­tur stieg. Zur Sta­bi­li­sie­rung öff­ne­ten auto­ma­tisch Sicher­heits­ven­ti­le, um den Reak­tor­druck zu sen­ken. Lei­der funk­tio­nier­ten die Ven­ti­le nicht wie erwartet.

Der nächs­te Schritt war das auto­ma­ti­sche Abschal­ten des Reak­tors. Dies führ­te jedoch dazu, dass das Kühl­was­ser schnel­ler abkühl­te als die Kern­tem­pe­ra­tur im Reak­tor selbst. Dadurch ent­stand ein Unter­druck im Reak­tor, der das Kühl­was­ser aus dem Reak­tor in den pri­mä­ren Kühl­kreis­lauf saug­te. Ein wei­te­rer Rück­gang des Kühl­was­sers im Reak­tor ver­bun­den mit dem wei­te­ren Anstieg der Kern­tem­pe­ra­tur folgte.

Als nächs­tes begann Was­ser aus dem pri­mä­ren Kühl­kreis­lauf in den sekun­dä­ren Dampf­kreis­lauf zu sickern, was zu einer Über­hit­zung des Dampf­ge­ne­ra­tors und des­sen Abschal­tung führ­te. Damit konn­te kei­ne Wär­me mehr abge­führt wer­den, was die wei­te­re Über­hit­zung des Reak­tors bewirkte.

Ein Unglück veränderte die öffentliche Meinung

Die Kata­stro­phe nahm ihren Lauf. Der stän­dig stei­gen­de Druck im Reak­tor führ­te zum Bruch des Reak­tor­druck­be­häl­ters. Dadurch ent­wich radio­ak­ti­ves Mate­ri­al aus dem Reak­tor in die Umge­bung. Zum Glück gab es kei­ne Todes­fäl­le oder schwe­re Ver­let­zun­gen. Aber grö­ße­re Men­gen radio­ak­ti­ver Stof­fe wur­den in den Gebäu­den und auf dem Gelän­de des Kraft­wer­kes frei­ge­setzt. Glück im Unglück könn­te man sagen. Der Reak­tor brach zwar, aber explo­dier­te nicht. Somit war die Frei­set­zung von Radio­ak­ti­vi­tät auf die nähe­re Umge­bung begrenzt und man durf­te noch vom GAU spre­chen. Der Super-GAU blieb der nächs­ten Kata­stro­phe in Tscher­no­byl vorbehalten.

Das Ein­set­zen von Not­fall­maß­nah­men durch die Nut­zung von Reser­ve­pum­pen und das Ent­lee­ren von Was­ser aus dem pri­mä­ren Kühl­kreis­lauf beho­ben die Pro­ble­me. Auch das Abschal­ten des Reak­tors half, die Kern­tem­pe­ra­tur zu sen­ken und den Druck im Reak­tor zu redu­zie­ren. Es dau­er­te meh­re­re Tage bis zur voll­stän­di­gen Beherr­schung der Situation.

Die Fol­gen des Unfalls waren weit­rei­chend und lang­fris­tig. Es gab erheb­li­che Beschä­di­gun­gen am betrof­fe­nen Reak­tor und eine gro­ße Men­ge radio­ak­ti­ven Mate­ri­als muss­te ent­fernt wer­den. Hohe Kos­ten ent­stan­den für Rei­ni­gung und Ent­sor­gung sowie für die Ent­schä­di­gung der betrof­fe­nen Anwoh­ner und Geschäfts­in­ha­ber. Die­ser Unfall ver­än­der­te lang­fris­tig die öffent­li­che Mei­nung zur Kern­ener­gie und führ­te zu ver­stärk­ten Regu­lie­run­gen und Sicher­heits­maß­nah­men in der Branche.

 

Katastrophe Teil 2 – Tschernobyl

Der Super-Gau tritt ein

Schließ­lich trat der ers­te Super-GAU ein. Am 26. April 1986 explo­dier­te der Reak­tor im Block 4 des Kern­kraft­wer­kes Tscher­no­byl und zer­stör­te das Gebäu­de­dach. Eine zusätz­li­che Beton­hül­le um den Reak­tor gab es nicht. Das gesam­te radio­ak­ti­ve Mate­ri­al des Reak­tors wur­de somit ent­we­der durch die Explo­si­on in die Umge­bung ver­teilt oder lag im Reak­tor als mas­siv strah­len­der Höl­len­schlund frei. 

Am Unglücks­tag hat­te im Block 4 Ana­to­li Ste­pano­witsch Djat­low Dienst. Er war bekannt für sei­ne Erfah­rung und sein tech­ni­sches Wis­sen im Umgang mit den Reak­to­ren. Aller­dings war er auch dafür bekannt, dass er sich oft über Vor­schrif­ten hin­weg­setz­te und Risi­ken ein­ging, um die Pro­duk­ti­on zu stei­gern und Zeit zu sparen.

Am Tag des Unfalls in Tscher­no­byl soll­te Djat­low einen wich­ti­gen Test zur Unter­su­chung des Reak­tor­be­triebs wäh­rend eines Strom­aus­falls durch­füh­ren. Dies geschah aber ohne aus­rei­chen­de Vor­be­rei­tung und ohne kla­re Anwei­sun­gen, was schließ­lich die Explo­si­on des Reak­tors ver­ur­sach­te. Sei­ne Ent­schei­dun­gen und sein Han­deln ver­bun­den mit staat­li­cher Geheim­hal­tung tru­gen maß­geb­lich zu einer der schlimms­ten Kata­stro­phen in der Geschich­te der Kern­ener­gie bei. 

Zur Bewer­tung der RBMK-Reak­to­ren in Tscher­no­byl stei­gen wir etwas tie­fer in die phy­si­ka­li­schen Grund­la­gen und die tech­ni­schen Abläu­fe ein, die das Unglück auslösten.

Rezeptur und Bauart der Tschernobyl-Reaktoren

Die in Tscher­no­byl betrie­be­nen RBMK-Reak­to­ren gehö­ren zu einem aus­schließ­lich in der ehe­ma­li­gen Sowjet­uni­on ein­ge­setz­ten Reak­tor­typ, der in den 1970er und frü­hen 1980er Jah­ren gebaut wur­de. Sieb­zehn der­ar­ti­ge Anla­gen ent­stan­den in Russ­land, der Ukrai­ne sowie in Bela­rus und Litau­en. Inzwi­schen erfolg­te die Still­le­gung oder Moder­ni­sie­rung der meis­ten Reak­to­ren. Ein Ein­blick in die Funk­ti­ons­wei­se die­ser Reak­to­ren ist wich­tig, um die Ursa­chen der Kata­stro­phe zu ver­ste­hen. Zur Erin­ne­rung keh­ren wir zum Kapi­tel „Leicht­was­ser­re­ak­to­ren der Gene­ra­ti­on II“ zurück und fas­sen mit Hil­fe der Abbil­dung zum RBMK-Reak­tor zusammen.

Der Reak­tor nutzt Uran-235-Pel­lets in Brenn­stä­ben. Die­se Stä­be befin­den sich in Druck­röh­ren aus Zir­kon, durch die Was­ser zum Wär­me­trans­port und zur Küh­lung fließt. Als Mode­ra­tor die­nen­de Gra­phit­blö­cke umschlie­ßen die­se Röh­ren. In wei­te­ren Boh­run­gen kön­nen Steu­er­stä­be zur Leis­tungs­re­ge­lung ein- und aus­ge­fah­ren wer­den. Um eine Ent­zün­dung des Gra­phits zu ver­mei­den, befin­det sich die­ser in einem gas­dich­ten Behäl­ter mit einer Schutz­at­mo­sphä­re aus Heli­um und Stickstoff.

Wei­te­re Risi­ken der Reak­to­ren in Tscher­no­byl muss­ten hin­zu­kom­men, um die Kata­stro­phe aus­zu­lö­sen. Einer der Haupt­fak­to­ren war das Reak­tor­de­sign. RBMK-Reak­to­ren besit­zen einen posi­ti­ven Dampf­bla­sen­ko­ef­fi­zi­en­ten. Dies bedeu­tet, dass bei einem Anstieg der Dampf­bla­sen­bil­dung im sie­den­den Was­ser die Leis­tung des Reak­tors zunimmt. Die­ses Merk­mal macht den Reak­tor anfäl­lig für insta­bi­le Zustände.

Schließ­lich führ­te auch ein Pro­blem mit dem Sicher­heits­sys­tem des Reak­tors zur Kata­stro­phe. Die Reak­to­ren waren mit einem Not­ab­schalt­sys­tem aus­ge­stat­tet, das jedoch unzu­rei­chend war und in eini­gen Fäl­len sogar den Betrieb des Reak­tors ver­schlim­mer­te, statt ihn zu stop­pen. Wir kom­men noch dar­auf zurück.

Der­ar­tig vor­be­rei­tet wid­men wir uns den Ereig­nis­sen vom 26. April 1986 im Reak­tor-Block 4 des Kern­kraft­wer­kes Tschernobyl.

Ein Sicherheitstest mit Folgen [Chernobyl, 2019]

Es begann mit einem Sicher­heits­test. Als der Reak­tor von Block 4 im Jahr 1983 in Betrieb genom­men wur­de, waren die Arbei­ten nicht wirk­lich abge­schlos­sen. Die Abnah­me vor Jah­res­en­de muss­te erfol­gen, um den ver­ab­schie­de­ten Plan ein­zu­hal­ten. Orden für die füh­ren­den Betei­lig­ten wink­ten, aber ein Sicher­heits­test stand noch aus. Er soll­te nun am 26. April 1986 nach­ge­holt wer­den. Es ging um die Fra­ge, wie der Reak­tor bei Strom­aus­fall noch zuver­läs­sig gekühlt wer­den kann. Denn ohne Küh­lung rei­chen auch nach einer Abschal­tung die wei­ter­hin spon­tan statt­fin­den­den Kern­spal­tun­gen, um den Reak­tor zu über­hit­zen. Somit ist die Küh­lung auch bei Strom­aus­fall zwin­gend not­wen­dig. Doch die erfor­der­li­chen Sicher­heits­maß­nah­men für den Not­be­trieb des Kühl­kreis­lau­fes galt es noch zu testen.

Bei Strom­aus­fall soll­ten Die­sel­ge­ne­ra­to­ren ansprin­gen, um die Pum­pen im Kühl­kreis­lauf wei­ter zu betrei­ben. Doch lie­fer­ten die­se Not­ge­ne­ra­to­ren erst nach einer Minu­te genü­gend Strom. Bis dahin konn­te es zu spät sein, um die Über­hit­zung zu ver­hin­dern. Die vor­ge­schla­ge­ne Lösung für die­ses Pro­blem bestand dar­in, dass Nach­lau­fen der Tur­bi­nen nach einem Strom­aus­fall zu nut­zen, um die Kühl­pum­pen solan­ge zu betrei­ben, bis die Not­strom­ag­gre­ga­te ein­setz­ten. Die­ser Test schlug im ers­ten Ver­such fehl. Eben­so schei­ter­ten der zwei­te und der drit­te Ver­such. 

Das Risiko menschlichen Versagens

Der vier­te Ver­such soll­te am 26. April 1986 wäh­rend einer Nacht­schicht im regu­lä­ren Reak­tor­be­trieb erfol­gen. War­um aus­ge­rech­net in einer Nach­schicht? Der ursprüng­li­che Ter­min lag am 25. April in der Tag­schicht. Doch dann erreich­te die Besat­zung ein Anruf des Netz­be­trei­bers mit der Bit­te, kei­ne wei­te­re Leis­tungs­ab­sen­kung durch das Kraft­werk auf­grund hoher Strom­be­dar­fe vor­zu­neh­men. Doch die Lei­tung des Kraft­wer­kes woll­te den Test nun unbe­dingt und ver­schob des­halb den vier­ten Ver­such in die Nacht­schicht. Der Direk­tor des Kraft­wer­kes übte auf den Chef­inge­nieur der Schicht Ana­to­li Djat­low Druck aus. Auf teil­wei­se uner­fah­re­ne Unter­ge­be­ne gab Djat­low die­sen Druck wei­ter. So kam es zum tra­gi­schen Ablauf, den die Unter­su­chungs­kom­mis­si­on detail­liert im fol­gen­den Jahr vor Gericht vor­trug. [Cher­no­byl, 2019] 

Um Mit­ter­nacht fand ein Schicht­wech­sel statt. Ohne kla­re Anwei­sun­gen und ohne ein­deu­ti­ges Hand­buch wur­de eine für die­sen Ver­such nicht geschul­te Besat­zung über­ra­schend mit der Auf­ga­be kon­fron­tiert, den Test durch­zu­füh­ren. Hin­zu kam die man­gel­haf­te Füh­rungs­kom­pe­tenz des Chef­inge­nieurs, der kei­ne Ein­wän­de sei­ner Mit­ar­bei­ter gel­ten ließ. Die Hand­lun­gen zur Absen­kung der Reak­tor­leis­tung dele­gier­te Djat­low an Leo­nid Top­t­unow, ein 25-jäh­ri­ger Inge­nieur mit vier Mona­ten Berufserfahrung.

In der ers­ten Stun­de des 26. April gab Djat­low die Anwei­sung, die Leis­tung des Reak­tors zu sen­ken, um danach den Strom­aus­fall zu simu­lie­ren. Ziel war, nach der Abschal­tung zu mes­sen, ob die Tur­bi­nen im Aus­lauf noch eine Minu­te lang genü­gend Span­nung zum Betrieb der Kühl­pum­pen lie­fer­ten, bis die Die­sel­ge­ne­ra­to­ren ein­satz­be­reit waren.

Der Regelkreis eines RBMK-Reaktors

Die Auf­ga­be der Besat­zung bestand nun dar­in, den Reak­tor unter die­sen Bedin­gun­gen im Gleich­ge­wicht zu hal­ten, also mit ver­schie­de­nen Maß­nah­men die Spalt­ra­te des Reak­tors – sei­ne Reak­ti­vi­tät — zu steu­ern. Dazu schau­en wir uns den Regel­kreis des RBMK-Reak­tors an.

  1. Uran in genü­gend kri­ti­scher Men­ge erhöht ste­tig die Reak­ti­vi­tät, da rund drei­mal so viel Neu­tro­nen frei­ge­setzt wer­den, wie zur Kern­spal­tung benö­tigt. Eine Ket­ten­re­ak­ti­on kommt in Gang.
  2. Das Bor in den Steu­er­stä­ben ver­rin­gert durch den Ein­fang von Neu­tro­nen die Reaktivität.
  3. Das zur Küh­lung ein­ge­setz­te Was­ser ver­rin­gert die Hit­ze im System.
  4. Das Was­ser nimmt die mit der Kern­spal­tung frei­wer­den­de Wär­me auf und beginnt unter Nor­mal­druck bei 100 Grad Cel­si­us zu sie­den und bil­det Bla­sen. Im RBMK-Reak­tor gibt es einen soge­nann­ten posi­ti­ven Dampf­bla­sen­ko­ef­fi­zi­en­ten. 
  5. Mit wach­sen­der Anzahl von Dampf­bla­sen nimmt die Reak­ti­vi­tät zu. Somit ent­steht mehr Hit­ze, womit noch mehr Dampf­bla­sen im Was­ser gebil­det werden.
  6. Die­sem ver­stär­ken­den Pro­zess der Dampf­bla­sen wirkt wie­der­um der nega­ti­ve Tem­pe­ra­tur­ko­ef­fi­zi­ent des RBMK-Reak­tors ent­ge­gen. Die Reak­ti­vi­tät des Uran-Brenn­stof­fes ver­rin­gert sich, wenn er hei­ßer wird.

Die­ser schein­bar funk­tio­nie­ren­de Regel­kreis besitzt aber ein Pro­blem. Durch die Kern­spal­tung ent­steht Xenon. Die­ses Ele­ment ver­rin­gert die Reak­ti­vi­tät. Es wird des­halb auch als Reak­tor­gift bezeich­net. Im vol­len Leis­tungs­be­reich ver­brennt Xenon, aber nicht im gedros­sel­ten Betrieb. Auf­grund des geplan­ten Tests lief der Reak­tor aber schon seit 10 Stun­den mit hal­ber Maxi­mal­leis­tung. Xenon sam­mel­te sich an. Das Gleich­ge­wicht im Regel­kreis­lauf ging ver­lo­ren. In die­sem Zustand mach­te sich die Besat­zung dar­an, die Reak­tor­leis­tung wei­ter zu drosseln.

Auf­grund der Xenon-Ver­gif­tung ging die Leis­tung des Reak­tors statt der vor­ge­se­he­nen 700 Mega­watt auf weni­ge Mega­watt zurück. Laut Vor­schrift war der Reak­tor nun für 24 Stun­den voll­stän­dig abzu­schal­ten. Aber Djat­low wies die Besat­zung im Gegen­satz dazu an, die Leis­tung des Reak­tors wie­der hoch­zu­fah­ren, um den Test trotz­dem durchzuführen.

Der unaufhaltsame Gang der Ereignisse

Die Ereig­nis­se nah­men ihren Lauf. Es gab kei­nen Weg zurück. Der Reak­tor lief nur noch bei einer Rest­leis­tung von 30 Mega­watt, aber trotz­dem ent­stand zusätz­li­ches Xenon. Hin­zu kam nun, dass der Reak­tor nicht mehr heiß genug war, um aus­rei­chend Was­ser zu ver­damp­fen. In die­sem Zustand lässt sich die Leis­tung nur dann erhö­hen, wenn sehr lang­sam über eine Zeit­span­ne von 24 Stun­den vor­ge­gan­gen wird. Doch Djat­low for­der­te eine sofor­ti­ge Leistungserhöhung.

Somit zog die Besat­zung die Steu­er­stä­be schnell zur Hälf­te aus dem Kern. Doch durch die Xenon-Ver­gif­tung änder­te sich die Leis­tung nicht. Sich der Gefahr nicht bewusst, zogen die Inge­nieu­re bis auf sechs Steu­er­stä­be alle 211 Stä­be voll­stän­dig her­aus. Inzwi­schen war auch der Brenn­stoff erkal­tet. Wir erin­nern uns. Der Reak­tor besitzt einen nega­ti­ven Tem­pe­ra­tur­ko­ef­fi­zi­en­ten. Bei stei­gen­der Tem­pe­ra­tur sinkt die Reak­ti­vi­tät, aber mit fal­len­der Tem­pe­ra­tur steigt sie, was nun der Fall war.

In wel­chem Zustand befand sich der Reak­tor in die­ser Pha­se? Die Steu­er­stä­be waren drau­ßen. Trotz­dem lie­fer­te der Reak­tor nur eine Leis­tung von rund 200 Mega­watt. Das Xenon ließ kei­ne wei­te­re Leis­tungs­er­hö­hung zu. Hin­zu kam, dass das Not­kühl­sys­tem auf­grund des geplan­ten Tests nicht funk­tio­nier­te. Im Gleich­ge­wicht wur­de der Reak­tor jetzt nur noch durch das Xenon sowie das Was­ser gehal­ten. In die­ser Situa­ti­on befahl Djat­low die Aus­füh­rung des Tests, obwohl dafür 700 Mega­watt vor­ge­schrie­ben waren.

Die Pum­pen wur­den somit aus­ge­stellt und beför­der­ten kein Was­ser mehr durch den Reak­tor. Die vor­letz­te Brem­se war gelöst. Da nun kein Kühl­was­ser mehr durch den Reak­tor floss, erhöh­te sich die Reak­tor­leis­tung. Das Mit­tel zum Abtrans­port der dabei ent­ste­hen­den Wär­me, das Was­ser, fehl­te. Es ver­blieb nur das Rest­was­ser im Reaktor.

Der AZ-5-Knopf

Mit der gestie­ge­nen Leis­tung ver­dampf­te das rest­li­che im Reak­tor ver­blie­be­ne Was­ser. Es ent­stand eine rie­si­ge Dampf­bla­se. Die abge­schal­te­ten Pum­pen beför­der­ten kein neu­es Was­ser in den Reak­tor. Auf­grund des posi­ti­ven Dampf­bla­sen-Koef­fi­zi­en­ten der RBMK-Reak­to­ren erhöh­te der ent­stan­de­ne Dampf die Reak­ti­vi­tät. Damit stieg die Hit­ze im Reak­tor, was wie­der­um mehr Dampf und in der Fol­ge eine noch höhe­re Reak­ti­vi­tät bewirk­te. Durch die jetzt wie­der gestie­ge­ne Leis­tung ver­brann­te das ange­häuf­te Xenon. Die letz­te Brem­se ver­lor somit sei­ne Wir­kung und der Reak­tor fuhr unge­bremst in die Kata­stro­phe. Nichts konn­te die stei­gen­de Leis­tung mehr auf­hal­ten, da alle Mit­tel zur Sen­kung der Reak­ti­vi­tät fehlten.

Ent­setzt stell­te die Besat­zung den plötz­li­chen Leis­tungs­an­stieg des Reak­tors fest. Es blieb ihnen nur noch das Drü­cken des Knop­fes zur Not­ab­schal­tung. Sein Name lau­tet AZ‑5. Mit der Bedie­nung die­ses Schal­ters fah­ren sofort alle Steu­er­stä­be in den Reak­tor ein, um die Ket­ten­re­ak­ti­on des Urans zu been­den. Aber die­se Schnell­ab­schal­tung hat­te in Tscher­no­byl einen ent­schei­den­den Man­gel. Die Steu­er­stä­be sol­len mit dem ent­hal­te­nen Bor die Reak­ti­vi­tät ver­rin­gern. Aber beim Ein­fah­ren der Steu­er­stä­be erhöht sich kurz die Reak­ti­vi­tät, da die Spit­zen der Steu­er­stä­be aus Gra­phit bestehen. Gra­phit dient in RBMK-Reak­to­ren als Mode­ra­tor, um Neu­tro­nen für die Kern­spal­tung zu ver­lang­sa­men. Das zusätz­li­che Gra­phit stell­te also zusätz­li­che Neu­tro­nen für die Kern­spal­tung bereit.

War­um“ fragt der Rich­ter den wis­sen­schaft­li­chen Lei­ter der Unter­su­chungs­kom­mis­si­on Pro­fes­sor Legas­sow bezüg­lich des Zwecks von Gra­phit an den Steu­er­stä­ben. Er ant­wor­tet: „War­um? Aus dem­sel­ben Grund, war­um unse­re Reak­to­ren nicht mit Sicher­heits­be­häl­tern umhüllt sind wie die im Wes­ten und aus dem­sel­ben Grund, war­um unser Kern­brenn­stoff nicht sau­ber ange­rei­chert ist. Aus dem­sel­ben Grund, wes­halb wir welt­weit die ein­zi­gen Her­stel­ler von was­ser­ge­kühl­ten, gra­phit­mo­de­rier­ten Reak­to­ren mit posi­ti­ven Dampf­bla­sen-Koef­fi­zi­en­ten sind …. Es ist bil­li­ger.“ [Cher­no­byl, 2019] 

Das Finale und die Folgen

Mit Gra­phit an der Spit­ze der Steu­er­stä­be stieg die Reak­tor­leis­tung schlag­ar­tig an. Das gesam­te ver­blie­be­ne Was­ser ver­dampf­te unmit­tel­bar, dehn­te sich aus und ver­form­te die Ein­lass­ka­nä­le der Steu­er­stä­be. Die Stä­be blie­ben ste­cken. Das Gra­phit an den Spit­zen ver­stärk­te die Reak­ti­vi­tät zusätz­lich. Aber das Bor der Steu­er­stä­be ver­blieb außer­halb des Reak­tor­kerns und konn­te die Reak­ti­vi­tät nicht sen­ken. Der Reak­tor 4 von Tscher­no­byl war nun eine Atom­bom­be. Sei­ne Maxi­mal­leis­tung betrug 3000 Mega­watt. Der Leis­tungs­mes­ser zeig­te zum Schluss 33.000 Megawatt!

Mit die­ser extrem zuneh­men­den nuklea­ren Ket­ten­re­ak­ti­on explo­dier­te der Reak­tor­in­halt qua­si als klei­ne Atom­bom­be und spreng­te den Reak­tor­de­ckel weg. Somit gelang­te Sau­er­stoff in den Reak­tor, in dem die Hit­ze aus Was­ser Was­ser­stoff abspal­te­te. Der Sau­er­stoff reagier­te mit Was­ser­stoff und dem über­hitz­ten Gra­phit als Zünd­fun­ken in einer zwei­ten Explo­si­on. Die­se Explo­si­on zer­stör­te das Dach des Reak­tor­ge­bäu­des. Zurück blieb ein zer­stör­tes Gebäu­de sowie ein bren­nen­der, offe­ner Reak­tor. 

Die Not­ab­schal­tung wirk­te wie ein Zün­der. Der Besat­zung wur­de die­ser Man­gel ver­heim­licht. Aber dies war nur das letz­te Glied einer Serie von Fehl­ent­schei­dun­gen und von Macht­aus­übung. Die Fol­gen der Kata­stro­phe waren ver­hee­rend. Die Explo­si­on und das Feu­er ver­ur­sach­ten eine radio­ak­ti­ve Wol­ke, die sich über ganz Euro­pa aus­brei­te­te. Sie hin­ter­ließ die Umge­bung um das Kern­kraft­werk für Jahr­hun­der­te schwer ver­strahlt. Die Stadt des Kraft­wer­kes Prip­jat muss­te eva­ku­iert werden.

In unmit­tel­ba­rer Fol­ge der Explo­si­on star­ben zwei Mit­ar­bei­ter sofort. Wei­te­re an Lösch­ar­bei­ten und zur Scha­dens­be­gren­zung betei­lig­te Mit­ar­bei­ter, Feu­er­wehr­leu­te und Sol­da­ten star­ben an der Strah­len­krank­heit in den fol­gen­den Wochen. Schät­zun­gen gehen von 30 bis 50 Todes­fäl­len aus. Letzt­end­lich ist es deren Ein­satz zu ver­dan­ken, dass die Kata­stro­phe nicht in eine nuklea­re Explo­si­on unge­kann­ten Aus­ma­ßes mündete.

Die lang­fris­ti­gen Aus­wir­kun­gen mit indi­rek­ten Fol­gen wie Krebs und ande­re Krank­hei­ten kom­men hin­zu. Laut der offi­zi­el­len Schät­zung der Inter­na­tio­na­len Atom­ener­gie­be­hör­de (IAEA) star­ben bis 2005 ins­ge­samt 4.000 Men­schen an den Fol­gen. Ande­re Schät­zun­gen lie­gen deut­lich höher und gehen von bis zu 90.000 Todes­fäl­len aus. 

 

Katastrophe Teil 3 – Fukushima

Die Schwachstelle der Leichtwasserreaktoren

Mit einer gewis­sen Über­heb­lich­keit kom­men­tier­ten Exper­ten des Wes­tens das Unglück von Tscher­no­byl. Schuld sei­en die ver­al­te­te und kos­ten­spa­ren­de Bau­wei­se der rus­si­schen RBMK-Reak­to­ren sowie mensch­li­ches Ver­sa­gen. In die­sem Aus­maß wäre ein Super-GAU in west­li­chen Län­dern mit Leicht­was­ser­re­ak­to­ren sehr unwahr­schein­lich. Doch die Ereig­nis­se in Fuku­shi­ma belehr­ten uns bald eines Besseren.

Das am 22. März 2011 vor der Ost­küs­te Japans statt­fin­den­de Erd­be­ben mit der Stär­ke 9,1 führ­te zu einer der schlimms­ten nuklea­ren Kata­stro­phen in der Geschich­te der Kern­ener­gie. Der vom Erd­be­ben ver­ur­sach­te Tsu­na­mi lös­te im Kern­kraft­werk Fuku­shi­ma Dai­i­chi eine Ereig­nis­ket­te bis zum Super-GAU aus. Nach einem Druck­was­ser­re­ak­tor in Har­ris­burg und dem gra­phit­mo­de­rier­ten Reak­tor von Tscher­no­byl traf es die­ses Mal Sie­de­was­ser­re­ak­to­ren. Das Kraft­werk war für eine Tsu­na­mi-Höhe von 6 Metern aus­ge­legt. Aller­dings erreich­ten die anflu­ten­den Wel­len des viert­stärks­ten jemals gemes­se­nen Erd­be­bens eine Höhe von 14 Metern. Sie über­flu­te­ten somit das Kraftwerksgelände.

Das Erd­be­ben ver­ur­sach­te einen Aus­fall der Strom­ver­sor­gung, was zur Abschal­tung der Reak­to­ren führ­te und die Not­strom­ge­ne­ra­to­ren akti­vier­te. Die Auf­ga­be der Gene­ra­to­ren bestand dar­in, das Kühl­sys­tem der Reak­to­ren auf­recht­zu­er­hal­ten. Aller­dings wur­den die Gene­ra­to­ren durch den Tsu­na­mi über­flu­tet, was nun den Aus­fall der Reak­tor­kühl­sys­te­me bewirk­te. Aber auch im abge­schal­te­ten Zustand des Reak­tors lau­fen spon­ta­ne Spal­tungs­pro­zes­se des Uran-Brenn­stoffs wei­ter. Bei­spiels­wei­se besitzt ein Reak­tor mit einer Maxi­mal­leis­tung von einem Giga­watt immer­hin noch eine Rest­leis­tung von 30 Mega­watt. Dies erzeugt aus­rei­chend Wär­me, um die Tem­pe­ra­tur im Reak­tor ohne Küh­lung ste­tig stei­gen zu lassen.

Der regu­lä­re Kühl­kreis­lauf mit zuge­hö­ri­gen Kühl­mit­tel­pum­pen funk­tio­nier­te also nicht mehr. Um die Über­hit­zung der Brenn­stä­be zu ver­hin­dern, pump­te die Beleg­schaft See­was­ser in die Reak­to­ren. Zunächst wur­de dazu ver­sucht, die Pum­pen der Feu­er­lösch­sys­te­me des Kraft­werks zu nut­zen. Als dies jedoch auf­grund der beschä­dig­ten Infra­struk­tur nicht funk­tio­nier­te, kamen mobi­le Pum­pen zum Ein­satz. Die Arbei­ter beför­der­ten das Meer­was­ser in Tanks, von wo es dann in die Reak­to­ren gelei­tet wurde.

Auch Wasser kann Explosionen bewirken

Die Küh­lung der Reak­to­ren mit Meer­was­ser war eine Ver­zweif­lungs­tat, aber sie reich­te nicht. Da der Kühl­kreis­lauf nicht funk­tio­nier­te, konn­te zwar Was­ser ein­ge­pumpt wer­den, aber die Ablei­tung des sich erwär­men­den Was­sers war nicht gewähr­leis­tet. Dadurch stieg die Tem­pe­ra­tur in den Reak­to­ren weiter.

Somit erhöh­te sich mit stei­gen­der Tem­pe­ra­tur im Reak­tor­kern auch die Tem­pe­ra­tur des ein­ge­lei­te­ten Was­sers. Was­ser lässt sich durch ver­schie­de­ne Mecha­nis­men in Was­ser­stoff und Sau­er­stoff auf­spal­ten. Dies funk­tio­niert sowohl durch Elek­tro­ly­se, also die Spal­tung auf Basis einer elek­tri­schen Span­nung, als auch durch einen ther­mo­che­mi­schen Pro­zess. Hohe Tem­pe­ra­tu­ren kön­nen Was­ser in sei­ne ato­ma­ren Bestand­tei­le zer­le­gen. In Abhän­gig­keit von der Was­ser­ver­un­rei­ni­gung und vom Druck kann die­ser Pro­zess bei Tem­pe­ra­tu­ren über 1700 Grad Cel­si­us begin­nen. In Druck­was­ser­re­ak­to­ren star­tet der Pro­zess der Was­ser­spal­tung erst bei höhe­ren Tem­pe­ra­tu­ren. Das Kraft­werk in Fuku­shi­ma nutz­te aber Sie­de­was­ser­re­ak­to­ren, deren Betrieb bei Nor­mal­druck erfolg­te, so dass eine Spal­tung schon bei nied­ri­ge­ren Tem­pe­ra­tu­ren mög­lich ist.

Der aus­tre­ten­de Was­ser­stoff wur­de anfangs in den Abga­sen der Reak­tor­ge­bäu­de gesam­melt und in explo­si­ons­ge­schütz­te Tanks gelei­tet. Spä­ter waren eini­ge der Tanks jedoch über­füllt, wodurch sich Was­ser­stoff in den Reak­tor­ge­bäu­den ansam­mel­te. Was­ser­stoff reagiert mit dem Sau­er­stoff der Luft in einer Knall­gas­ex­plo­si­on. Das Unglück des deut­schen Luft­schif­fes Hin­den­burg im Jahr 1937 und sei­ne Fol­gen sind bekannt. Es kam, wie es kom­men musste.

Am 12. März 2011 explo­dier­te das Gebäu­de des Reak­tors 1. Es wird ange­nom­men, dass sich Was­ser­stoff in den Gebäu­den auf­grund einer Fun­ken­bil­dung der Tur­bi­nen oder Gene­ra­to­ren ent­zün­de­te. Dies führ­te zur Explo­si­on des Gebäu­des und zur Frei­set­zung von radio­ak­ti­vem Mate­ri­al in die Umgebung.

Am 13. März explo­dier­te Reak­tor 1. Es folg­te am 14. März die Explo­si­on von Reak­tor 3 und am 15. März von Reak­tor 2. Ursa­che war jeweils eine Knallgasreaktion.

Schutzhüllen aus Beton – das Containment

Reak­to­ren sind heu­te im Gegen­satz zu Tscher­no­byl durch Beton­hül­len, das soge­nann­te Con­tain­ment, von den übri­gen Gebäu­den abge­schirmt. Der Was­ser­stoff sam­mel­te sich in ande­ren tech­ni­schen Berei­chen an. Die Explo­sio­nen fan­den somit außer­halb der Reak­to­ren als auch außer­halb der Reak­tor­schutz­hül­len statt. War­um trat nun so mas­siv radio­ak­ti­ves Mate­ri­al in die Außen­welt aus? Dafür gibt es meh­re­re Ursachen.

Die ers­te Ursa­che lern­ten wir schon ken­nen. In Fuku­shi­ma wur­den Sie­de­was­ser­re­ak­to­ren ein­ge­setzt. Gegen­über Druck­was­ser­re­ak­to­ren besit­zen sie nur einen Was­ser­kreis­lauf mit zuflie­ßen­dem Kühl­was­ser und nach der Erhit­zung im Reak­tor mit abströ­men­dem Was­ser­dampf zum Antrieb der Tur­bi­nen. Zur Erin­ne­rung kön­nen sie zum Kapi­tel „Leicht­was­ser­re­ak­to­ren der Gene­ra­ti­on II“ zurück­blät­tern. Sie­de­was­ser­re­ak­to­ren besit­zen eine direk­te Ver­bin­dung zwi­schen dem Reak­tor­in­ne­ren und dem Tur­bi­nen­raum über die zuge­hö­ri­ge Rohrleitung.

Nach den Explo­sio­nen muss­te Meer­was­ser ste­tig zur wei­te­ren Küh­lung ein­ge­lei­tet wer­den. Da die Kühl­kreis­läu­fe defekt waren, floss das im Reak­tor kon­ta­mi­nier­te Was­ser in die ande­ren Gebäu­de­be­rei­che und in das Abkling­be­cken. Mit anstei­gen­den Was­ser­men­gen wur­de Was­ser in Außen­tanks gelei­tet, gelang­te aber auch in die Umwelt.

Die Explo­sio­nen beschä­dig­ten aber auch die Con­tain­ment-Struk­tu­ren der Reak­to­ren 1, 2 und 3. Das Con­tain­ment von Reak­tor 1 nahm den gerings­ten Scha­den. Die Con­tain­ment-Struk­tu­ren der Reak­to­ren 2 und 3 waren stär­ker betrof­fen. Infol­ge­des­sen trat Radio­ak­ti­vi­tät aus und kon­ta­mi­nier­te die Umgebung.

Die Reak­tor­be­häl­ter inner­halb des Con­tain­ments hiel­ten den Explo­sio­nen weit­ge­hend stand. Aller­dings gab es eine Aus­nah­me. In Reak­tor 2 wur­de der Deckel des Druck­be­häl­ters teil­wei­se abge­sprengt. Tei­le davon fan­den die Ein­satz­kräf­te spä­ter in der Umge­bung. Es ist jedoch unklar, ob dies durch eine Was­ser­stoff­ex­plo­si­on oder durch ande­re Ursa­chen, wie z.B. eine Über­hit­zung oder einen Druck­an­stieg im Reak­tor­be­häl­ter, ver­ur­sacht wur­de. Die­se Explo­si­on beför­der­te radio­ak­ti­ves Mate­ri­al aus dem Reak­tor­in­ne­ren in die Außenwelt.

Radioaktive Verseuchung der Umgebung

Die japa­ni­sche Regie­rung gab an, dass die Explo­si­on von Reak­tor 2 eine grö­ße­re Men­ge an radio­ak­ti­vem Mate­ri­al frei­setz­te. Dies betrifft Iso­to­pe wie Jod-131, Cäsi­um-137 und Stron­ti­um-90. Die Schild­drü­se des Men­schen sam­melt gern Jod, womit mit der Auf­nah­me von radio­ak­ti­vem Jod die Gefahr von Schild­drü­sen­krebs besteht. Als Gegen­mit­tel und zur Sät­ti­gung der Schild­drü­se mit Jod wird des­halb bei ent­spre­chen­den Gefah­ren die Ein­nah­me von Jod­ta­blet­ten emp­foh­len. Cäsi­um und Stron­ti­um sam­melt der Kör­per in Kno­chen. Ins­be­son­de­re Cäsi­um besitzt ähn­li­che Eigen­schaf­ten wie Kal­zi­um. Mit die­sen bei­den radio­ak­ti­ven Iso­to­pen droht Knochenkrebs.

Aber die Gefahr war mit der Küh­lung der Reak­to­ren nach den Explo­sio­nen nicht gebannt. Das Ver­fah­ren war nicht aus­rei­chend und es droh­te in den Reak­tor­blö­cken 1, 2 und 3 mit der wei­ter stei­gen­den Tem­pe­ra­tur im Reak­tor­kern das Schmel­zen des Uran-Brenn­stof­fes. Fach­leu­te spre­chen von der Kern­schmel­ze, die bei 2500 bis 2800 Grad Cel­si­us star­tet. Im schlimms­ten Fall kann es bei der Kern­schmel­ze zu einem über­kri­ti­schen Zustand und damit zu einer ato­ma­ren Explo­si­on kom­men. Der Kern­brenn­stoff kann aber auch durch die Beton­plat­te unter dem Reak­tor schmel­zen und damit in das Grund­was­ser gelan­gen sowie über das Fließ­was­ser gan­ze Regio­nen unbe­wohn­bar machen.

Laut Betrei­ber konn­te die Kern­schmel­ze im Reak­tor 2 ver­hin­dert wer­den. Doch im Reak­tor 3 betraf die begin­nen­de Kern­schmel­ze 33 Pro­zent sowie im Reak­tor 2 rund 55 Pro­zent des Brenn­stof­fes. Nach einem län­ge­ren Kühl­pro­zess konn­te die Kern­schmel­ze gestoppt werden.

Langfristige Folgen

Das Abküh­len des Brenn­stoffs nach einer Kern­schmel­ze kann meh­re­re Jah­re dau­ern. Heu­te ist der Brenn­stoff in den beschä­dig­ten Reak­to­ren weit­ge­hend abge­kühlt. Die Lage in Fuku­shi­ma blieb jedoch lan­ge ein erns­tes Pro­blem, da die Gefahr des Kon­tak­tes zwi­schen Brenn­stoff und Grund­was­ser wei­ter bestand.

Der Abkühl­pro­zess muss­te des­halb fort­ge­setzt wer­den. Der Betrei­ber Tep­co nutz­te in den Jah­ren nach dem Unfall meh­re­re Kühl­me­tho­den, wie zum Bei­spiel die Ein­sprit­zung von Stick­stoff in den Reak­tor, um eine mög­li­che Explo­si­on von Was­ser­stoff­gas zu ver­hin­dern. Tep­co hat auch damit begon­nen, das geschmol­ze­ne Mate­ri­al aus den beschä­dig­ten Reak­to­ren zu holen. Die Ent­fer­nung und Ent­sor­gung die­ser Mate­ria­li­en ist eine lang­wie­ri­ge und schwie­ri­ge Auf­ga­be. Kei­ne Robo­ter­elek­tro­nik hält der har­ten Strah­lung im Reak­tor­kern län­ge­re Zeit stand. Letzt­end­lich dau­ern die Arbei­ten an den hava­rier­ten Reak­to­ren wei­te­re Jahr­zehn­te. 

Außer­dem besteht immer noch ein gewis­ses Risi­ko für den Aus­tritt radio­ak­ti­ver Mate­ria­li­en in die Umge­bung, ins­be­son­de­re bei Unfäl­len oder Natur­ka­ta­stro­phen. 

Die Frei­set­zung von radio­ak­ti­vem Mate­ri­al aus Reak­tor 2 und den ande­ren Reak­to­ren von Fuku­shi­ma hat­te erheb­li­che Aus­wir­kun­gen auf die Umwelt und die Gesund­heit der Men­schen in der Regi­on. Dies führ­te zu einer lang­fris­ti­gen radio­ak­ti­ven Kon­ta­mi­na­ti­on der Umge­bung, zu not­wen­di­gen Eva­ku­ie­run­gen und zur Ein­rich­tung einer Sperr­zo­ne. Das am höchs­ten belas­te­te und des­halb zur Sperr­zo­ne erklär­te Gebiet umfasst rund 400 Qua­drat­ki­lo­me­ter. 

Mit der Ereig­nis­ket­te Har­ris­burg — Tscher­no­byl — Fuku­shi­ma schien das Schick­sal der Ener­gie durch Kern­spal­tung besie­gelt. Alvin Wein­berg hat­te genü­gend vor den Risi­ken der Leicht­was­ser­re­ak­to­ren gewarnt. Doch im Licht wei­te­rer tech­ni­scher Ent­wick­lun­gen und neu­er Reak­tor­kon­zep­te sowie in Bezug auf den not­wen­di­gen Umbau des Ener­gie­sys­tems auf­grund des Kli­ma­wan­dels kann die­se Form der Ener­gie­ge­win­nung wie­der eine Zukunft besit­zen. Wir wid­men uns dazu den nächs­ten Kapiteln.

Quellen

[Cher­no­byl, 2019] Cher­no­byl. Regie: Johan Reck; Pro­du­zent: San­ne Woh­len­berg; Pro­duk­ti­ons­fir­ma: Sis­ter Pic­tures, The Migh­ty Mint. 2019, Fol­ge 5.

 

Har­ris­burg — Tscher­no­byl — Fuku­shi­ma” — Lei­men / Hei­del­berg — 05. April 2023

Andre­as Kieß­ling, ener­gy design

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