Atomenergie & Japan – Teil 2: Was geschah bei Fukushima Daiichi?

Im zweiten Teil unseres Artikels werden wir noch einmal die Ereignislage des Kernkraftwerks Fukushima Daiichi seit der Schnellabschaltung der Kernreaktoren am 11. März 2011 aufarbeiten. Für diese Analyse fassen wir sämtliche wichtigen Ereignisse, die mit dem Ausfall der Reaktoren unmittelbar in Verbindung stehen, zusammen. Die Zusammenfassung bezieht ihre Informationen in großem Maße auf die von der Wikipedia bereit gestellte „Chronik der Nuklearkatastrophe von Fukushima„. Wir entschieden uns zwecks des besseren Verständnisses und einer lückenlosen Zusammenfassung ebenfalls für eine chronologische Analyse. Sollten Sie darauf Wert legen, das Ereignis in all seiner Breite zu erfassen, empfehlen wir Ihnen einen Blick auf unsere genannten Quellen zu werfen. Außerdem empfiehlt es sich, die speziell auf Fukushima ausgerichtete Dokumentation der vom ZDF produzierten Wissenschaftssendung „Abenteuer Forschung“ mitzuverfolgen, die am Ende dieser Analyse im Videoformat eingebettet wurde.

Das Atomkraftwerk Fukushima I. Im Vordergrund der Reaktorblock 1. (Copyright © Kawamoto Takuo, Lizenz: CC BY 2.0)

Japans Kernkraftwerk Fukushima Daiichi (Fukushima I) befindet sich 250 Kilometer nordöstlich der Millionenmetropole Tokio in der Präfektur Fukushima. Im Jahre 1971 wurde es erstmals in Betrieb genommen und ist daher das älteste Kernkraft des privaten Energiekonzerns Tokyo Electric Power Company (TEPCO). Der Kraftwerk-Komplex besteht aus sechs Reaktoren: Die Reaktorblöcke 1 bis 4 sind von den beiden Blöcken 5 und 6 räumlich getrennt, befinden sich jedoch allesamt in unmittelbarer Nähe zum Pazifik, dessen Meerwasser als sekundärer Wasserkreislauf zur Kühlung des Reaktors genutzt wird.

Alle sechs Reaktorblöcke basieren auf Siedewasserreaktoren, wie wir sie in unserem letzten Artikel vorgestellt haben. Der Reaktordruckbehälter, indem die Kernspaltung abläuft, ist von einer massiven Betonwand umgeben, die als primärer Sicherheitsbehälter dient. Die einzelnen Reaktorblöcke basieren auf einer Betonkonstruktion, die neben dem Druckbehälter auch ein Abklingbecken für verbrauchte Brennelemente beherbergt. Der obere Teil des Blocks ist eine Stahlkonstruktion mit Arbeitsbereichen und bildet zusammen mit der Betonkonstruktion den zweiten Sicherheitsbehälter.

Das Kraftwerksgelände wurde mit einer nur 5,70 Meter hohen Schutzmauer vor potentiellen Flutwellen für sicher erklärt, da der Baugrund der Reaktorblöcke 1 bis 4 um 10 Meter über dem Meeresspiegel erhöht wurde. Diese Fehlentscheidung, den Schutz nicht für außergewöhnlich drastische Seebeben auszubauen, sowie die unvorteilhafte Lage der Notstromgeneratoren und andere elektrischer Systeme im Untergeschoss der Reaktorgebäude, waren neben dem eigentlichen Beben Hauptursachen der Nuklearkatastrophe.

Der Querschnitt eines Kernreaktors, wie er in Fukushima I verbaut wurde.

Am Freitag, dem 11. März 2011, ereignete sich das Tohoku-Erdbeben um 14.46 Uhr Ortszeit und führte innerhalb weniger Sekunden durch die automatisierten Schutzmaßnahmen zum Abschalten der Kernreaktoren in Fukushima I. Von der Schnellabschaltung waren die Blöcke 1 bis 3 betroffen, während die restlichen Blöcke aufgrund von Wartungsarbeiten nicht in Betrieb waren. Ungeachtet der verheerenden Flutwelle erfuhr die Mehrheit der Reaktorblöcke durch das Seebeben eine Erschütterung über ihren Belastungsgrenzen. Die Folgen sind geplatzte Rohrleitungen, die nach Vermutungen des Bedienungspersonals den Kühlkreislauf beschädigten, sowie ein Defekt der Schaltanlagen. Die Stromversorgung des Kernkraftwerks brach daraufhin zusammen und startete 12 der insgesamt 13 Notstromaggregate. Weitere Folgen des Bebens sind der Ausfall von Kommunikationssystemen, der Gebäude-Beleuchtung, elektrischen Türöffnern und Messgeräten zur Auswertung der aktuellen Strahlenbelastung des Personals.

Nach nur zwei Minuten, um 14.48 Uhr Ortszeit, wurden die Reaktoren 1 bis 3 heruntergefahren und die Steuerstäbe vollkommen zwischen die Brennstäbe geschoben. Die Kühlung der Reaktoren war ab diesem Zeitpunkt vollständig von den elektrisch betriebenen Kühlwasserpumpen und den Notstromgeneratoren abhängig. Mit zu erwähnen sei an dieser Stelle, dass der komplette Komplex von Fukushima I nicht an das vorhandene Tsunami-Warnssystem angeschlossen war und demzufolge keine Frühwarnung erhielt. Aufgrund des mangelnden Ausbaus der Schutzmauern im Meer reichten bereits die ersten, etwa vier Meter hohen Wellen aus, die hinter den Mauern angebrachten Meerwasserpumpen zu zerstören. Als schwerwiegende Folge zeichnete sich der Ausfall der regulären Kühlung aller Reaktoren, der Abklingbecken und der neun wassergekühlten Notstromgeneratoren ab. Nachdem der Tsunami die Anlage erreicht hatte, fegte dieser angesichts seiner 13 bis 15 Meter hohen Wellen über die Schutzmauern hinweg und ließ die mehrere Meter unter Wasser stehenden Reaktorblöcke 1 bis 4 zurück. Diese Überschwemmung hatte den Ausfall aller Notstromgeneratoren zur Folge, sodass die Kühlung von Reaktoren und Abklingbecken nicht mehr aufrecht erhalten werden konnte.

Eine Luftaufnahme des Atommeilers Fukushima Daiichi aus dem Jahre 1975. (Copyright © Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism of Japan)

Die folgenden Stunden sind von zahlreichen Pannen und Versorgungslücken geprägt, während das Personal darum bemüht war, die Notkühlung mit Notstrombatterien aufrechtzuerhalten. Die Kühlung konnte nur noch wenige Stunden gewährleistet werden und fiel gegen 17.00 Uhr Ortszeit vollkommen aus. Die Reaktoren begannen sich allmählich zu erhitzen und sorgten durch die Überschreitung ihrer Grenzwerte zur Dekalibrierung der Messinstrumente. Von da an war die Einschätzung des Kühlwasserstands und die Temperatur innerhalb des Druckbehälters ausschließlich von Vermutungen und Schätzungen geprägt. Der Kernkraftwerksbetreiber TEPCO meldete einen nuklearen Notfall an das Wirtschaftsministerium und die japanische Atomaufsichtsbehörde und forderte die Unterstützung durch mobile Notstromgeneratoren. Die Arbeiter versuchten manuell, den Druckbehälter durch die Öffnung von Ventilen zu entlasten, da die Brennstäbe zur Überhitzung neigten und das Kühlwasser unkontrolliert verdampfte. Außerdem versuchte man der mangelnden Kühlung durch Feuerlöschpumpen Abhilfe zu schaffen. Erste Vermutungen gingen zu dieser Zeit bereits von freiliegenden Brennstäben aus, die aufgrund der starken Temperaturentwicklung zu schmelzen begannen. Um 19.03 Uhr rief die japanische Regierung mit Hinblick auf die Meldung TEPCOs den nuklearen Notstand aus, beteuerte aber, es handle sich um reine Vorsichtsmaßnahmen und es trete kein radioaktives Material aus.

Die Reaktorblöcke 2 und 3 verharrten in einem stabilen Zustand, da die Notkühlung durch das Eintreffen mobiler Notstromgeneratoren gewährleistet werden konnte. Der Druck im Druckbehälter von Block 1 stieg hingegen weiter an. Infolge der freiliegenden Brennstäbe liefen unterschiedliche chemische und physikalische Prozesse im Reaktor ab und führten zur Bildung von Wasserstoff. Der Druckbehälter konnte der Belastung nicht mehr standhalten und gab durch entstehende Lecks radioaktives Material und Wasserstoff in den Sicherheitsbehälter ab. Da der Anstieg der Temperatur und das Verdampfen des Kühlwassers nicht unterbunden werden konnte, stieg auch im Sicherheitsbehälter der Druck. Im Vordergrund des Personals stand die Aufgabe, für eine Druckentlastung des Sicherheitsbehälters zu sorgen. Jedoch war unklar, ob eine Entlastung als ungefährlich eingestuft werden konnte, da die Freisetzung von radioaktivem Material befürchtet wurde. Außerdem ließen sich die elektrischen Ventile durch den Zusammenbruch der Stromversorgung nur manuell betätigen. Der Druck des Sicherheitsbehälters erreichte einen Wert fern seines zulässigen Grenzbereichs und ließ durch nachgebende Dichtungen radioaktive Partikel in das Reaktorgebäude entweichen. Infolgedessen ließ die japanische Regierung im Umkreis von drei Kilometern das Gebiet um das Kernkraftwerk evakuieren.

Grafische Auswertung des Druckniveaus innerhalb der Sicherheitsbehälter

Trotz der geglückten manuellen Druckentlastung des Reaktors 1 kam es am 12. März gegen 15.30 Uhr zu einer Wasserstoffexplosion. Der Sicherheitsbehälter blieb intakt, doch wurden Teile des Gebäudes und der oberen Stahlkonstruktion zerstört. Erste Versuchen wurden durchgeführt, den Reaktor 1 mit Meerwasser zu kühlen. Premierminister Naoto Kan ordnete des Weiteren an, die Evakuierungszone auf einen Umkreis von 20 Kilometern auszuweiten. Die Notkühlung fiel bei Reaktor 2 und 3 mehrfach aus und konnte bei Letzterem nicht mehr aufrechterhalten werden. Der Reaktor durchlief daher denselben Prozess, wie Reaktor 1 zwei Tage zuvor. Die Kühlflüssigkeit verdampfte unkontrolliert, die Kernschmelze setzte ein und durch einen hohen Druckaufbau geschah auch in Reaktor 3 am 14. März um 11.00 Uhr Ortszeit eine Wasserstoffexplosion mit ähnlichen Auswirkungen. Am selben Tag konnte auch die Notkühlung von Reaktor 2 nicht aufrechterhalten werden. Die Brennstäbe lagen vereinzelt frei, sodass eine Kernschmelze erfolgte. Vereinzelte kleinere Wasserstoffexplosionen und Brände in den Reaktoren 2 und 4 durchzogen die nächsten Tage, doch entwickelte sich durch die allmähliche Wiederinbetriebnahme der Notkühlungen ein als stabil zu wertender Zustand der Reaktoren.

Zu vernachlässigen ist allerdings nicht, dass alle drei Reaktoren den Prozess einer Kernschmelze durchliefen, wie es TEPCO erst Monate später öffentlich bestätigt. Der exponentielle Anstieg der Strahlenbelastung durch das Ausweichen von radioaktiven Partikeln rund um das Gelände von Fukushima Daiichi war ein enormer Gefahrenfaktor für die Arbeiter. Entwickelte sich die Strahlenbelastung zu Beginn des Unglücks nur mäßig, erreicht diese am 15. März einen bisher unerreichten Höchstwert von 900 Millisievert pro Stunde. Zum Vergleich: Ab einer Gesamtdosis von 500 Millisievert treten akute Strahlenkrankheiten auf, während bei einer Dosis von 1000 Millisievert bereits zehn Prozent der Betroffenen innerhalb der folgenden 30 Tage versterben. TEPCO ordnete daher den Rückzug aller Mitarbeiter vom Gelände an, die nicht unmittelbar mit der Kühlung der Reaktoren beschäftigt waren. Von 800 Tepco-Mitarbeitern verblieben 50 Personen, zusammen mit Soldaten, Helfern von Feuerwehrkräften und anderen Organisationen.

Grafische Übersicht der Strahlenbelastung von Fukushima Daiichi

In den folgenden Wochen und Monaten gelang es den Mitarbeitern schließlich, die Kühlung auf ein Maß zu stabilisieren, dass die Kernschmelzen der Reaktoren 1 bis 3 gestoppt werden konnten. Die Sorge bestand fortwährend, dass sich die Masse aus geschmolzenen Brennstäben in den Betonboden des Reaktorgebäudes frisst und direkten Kontakt mit der Umwelt erzeugt. Zudem musste die Kühlung der Abklingbecken stabilisiert werden, die noch immer aktive Brennstäbe beherbergten. Spätestens mit der Wiederherstellung der Stromversorgung kehrte ein Teil der Normalität zurück, mit der das Personal vor dem Unglück vertraut war. Die Kühlung schien sich zu stabilisieren, sodass die Reaktoren zu ihrem Normalzustand fanden, auch wenn dieser Prozess von langer Dauer geprägt war. Die Kühlkreisläufe ließen sich andererseits nicht instand setzen, da das radioaktiv kontaminierte Wasser eine Wiederinbetriebnahme der Turbinen nicht zuließ. Die externe Kühlung mit Meer- und Süßwasser wurde deshalb zur Routine.

Der Austritt von kontaminiertem Wasser in den Pazifik beschäftigte TEPCO für einige Wochen, da nicht nur Flora und Fauna davon betroffen, sondern die komplette Schifffahrt um Japan gefährdet war. Erst Anfang Mai wurde man diesem Problem habhaft, in dem Austrittsstellen mit Beton versiegelt und große Wassermengen abgepumpt wurden. Ab Juni wurden die Schäden an den Reaktoren überschaubar. Mittels Computersimulationen konnte errechnet werden, dass alle drei Druckbehälter einen sogenannten „melt-through“ erfahren haben. Dies bedeutet, dass Teile des geschmolzenen Reaktorkerns den Druckbehälter durchbrochen haben, aber vom Sicherheitsbehälter so weit wie möglich aufgehalten wurden. Nach einem weiteren Monat konnte schließlich eine Wasser-Dekontaminationsanlage in Betrieb genommen werden. Dadurch kam man dem Ziel zur Wiederherstellung der Kühlkreisläufe erheblich näher.

Die Reaktoren 1 bis 4 am 16. März 2011 um 9.45 Uhr Ortszeit. (Copyright © Digital Globe, Lizenz: CC BY-SA 3.0)

Im September 2011 kehrte die Normalität in Tohoku allmählich zurück. Die Evakuierungsgrenzen wurden aufgehoben und erste Baumaßnahmen zur Abwehr der Meereskontamination wurden geplant, während sich die Reaktoren 1 bis 3 bei einer stabilen Temperatur von 100°C einfanden. Wenige Wochen später wurde eine Hülle für das Reaktorgebäude 1 fertiggestellt, um die radioaktive Emission um 90 Prozent zu mindern. Zum Ende des Jahres 2011 wurde der „cold shutdown“ bestätigt. Sämtliche Unglücksreaktoren von Fukushima I konnten auf eine Temperatur von stabilen 100°C heruntergekühlt werden. Außerdem bestätigt TEPCO erstmals den Eintritt der Kernschmelzen in allen drei Reaktoren. In Block 1 konnte sich die radioaktive Masse mehr als einen halben Meter in den Beton des 10-Meter-starken Sicherheitsbehälters fressen. Kurz vor der Bestätigung erhielten Journalisten erstmals Zugang zu dem Komplex.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mittels erhöhter Sicherheitsvorkehrungen, auf die wir zu Anfang dieser Analyse zu sprechen kamen, die meisten Schäden hätten vermieden werden können. Der Tsunami machte den Großteil der Sicherheitsvorkehrungen zunichte, unterbrach den bitter notwendigen Stromkreislauf zur Stabilisierung der Kühlung und löste deshalb auf indirektem Wege die Kernschmelze aus. Als Ursache geht also ein Naturphänomen hervor, dem sich Japan seit Jahrhunderten bewusst ist. Dieses Urteil fällen nicht nur wir, es ging auch aus der Auswertung diverser Expertenkommissionen hervor, die den Energiekonzern TEPCO hart kritisierten. Die IAEO veröffentlichte einen Bericht, der die Vorgehensweise, das Krisenmanagement und die Informationspolitik des Konzerns bemängelte. Aufgeführt wurden unter anderem die Unterschätzung des Tsunamirisikos, fehlende Notfallausrüstung und -planung, sowie die unzureichende Sicherheitsauslegung der Reaktoren und Betriebsvorgänge.

Nach einer Erklärung der japanischen Regierung vom 20. März 2011 sollte das Kraftwerk ganz aufgegeben werden, doch lagen bereits Pläne vor, zwei weitere Reaktorblöcke zu errichten. Nach der Katastrophe wurde dieses Vorhaben jedoch verworfen. Auch wenn die Reaktorblöcke 5 und 6 noch funktionsfähig sind, möchte die japanische Regierung das Kernkraftwerk Fukushima I vollständig stilllegen. Bis 2040 sollen die Blöcke 1 bis 4 abgerissen werden.

Weitere Quellen: physikblog.eu

Schreibe einen Kommentar

Trage deine Daten unten ein oder klicke ein Icon um dich einzuloggen:

WordPress.com-Logo

Du kommentierst mit Deinem WordPress.com-Konto. Abmelden / Ändern )

Twitter-Bild

Du kommentierst mit Deinem Twitter-Konto. Abmelden / Ändern )

Facebook-Foto

Du kommentierst mit Deinem Facebook-Konto. Abmelden / Ändern )

Google+ Foto

Du kommentierst mit Deinem Google+-Konto. Abmelden / Ändern )

Verbinde mit %s