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

Advertisements

Atomenergie & Japan – Teil 1: Geschichte und Funktionweise von Kernkraftwerken

„Verstehen um zu Urteilen“ lautet die Devise unseres dreiteiligen Artikels, der bis zum Ende der Woche das umstrittene Thema Kernkraft in Japan analysiert. Nahezu ein Jahr ist nach der Katastrophe des 11. März 2011 vergangen. Ein Jahr, um Ereignisse und Fakten zu ordnen, Pläne zu hinterfragen und Bezug auf die Gegenwart zu nehmen. Doch um diese Schritte zu unternehmen, wollen wir die Geschehnisse rekapitulieren und ein gemeinsames Verständnis, sowie die Grundlage für weitere Diskussionen erzeugen. Der erste Teil dieses Artikels bildet daher die Grundlage: Was ist Kernkraft und worin bestehen die Risiken?

Das Atomkraftwerk bei Grohnde in Niedersachsen. Zu sehen sind die beiden typischen Merkmale eines DRW: Die beiden Kühltürme und der kuppelartige Bau, der den Reaktor birgt. (Copyright © Heinz-Josef Lücking, Lizenz: CC BY-SA 3.0)

Geschichte und Nutznießer der Kernkraft
Kernenergie – ein Begriff, der mit dem Atomunfall von Tschernobyl (1986) und spätestens seit der Katastrophe von Fukushima (2011) in unserer Gesellschaft heftig diskutiert wird. Risiko- und Nutzenanalysen von Experten stehen im klaren Kontrast zu den Befürchtungen potentieller Opfer, die sich im Angesicht dieser hoch riskanten Technologie nicht sicher glauben. Die Wahrscheinlichkeit eines Störfalls ist prozentual so gering, dass er gerne vernachlässigt wird. So minimal, das Akteure aus Wirtschaft und Politik das geringe Schadenspotential nur allzu gern als Vorteil verkaufen. Doch setzt der Störfall fern jeglicher Analysen und Vorausberechnungen ein, ist die Katastrophe vorprogrammiert.

Der erste Atommeiler zur Erzeugung elektrischer Energie nahm 1954 mit dem Kernkraftwerk Obninsk nahe Moskau seinen Betrieb auf. Darauf sprossen global bis hin zu den 1960ern weitere Kernkraftwerke aus dem Boden, um in das lokale Stromnetzwerk eingespeist zu werden und den Hunger der Länder nach Energie zu befriedigen. Der Ölschock von 1973 – die künstliche Teuerung des Ölpreises – übernahm die Rolle des Katalysators zum Bau weiterer Kraftwerke, um die Energieabhängigkeit der Nationen so weit wie möglich zu drosseln. Ergebnis dieses Kraftwerk-Booms war die beträchtliche Anzahl von weltweit mehr als 500 Kernkraftwerken, von denen heute laut Statistiken der Internationalen Atomenergie-Organisation (IAEO) noch über 430 in Betrieb sind. Davon sind die USA gegenwärtig die größten Nutznießer mit über 104 Kernreaktoren, während in Europa Frankreich die Spitze aktuell genutzter Kernkraftwerke (58) erklimmt und Japan vor der Katastrophe bereits die Marke von 50 nutzbaren Kraftwerken erreicht hatte.

Grafische Übersicht der weltweit geplanten Nutzung von Atomkraftwerken (2009)

Selbstverständlich finden sich Vor- und Nachteile für diese Technologie, denn ohne sie wäre eine Diskussion über Jahrzehnte gar nicht möglich. Der Leitgedanke, der Wirtschaft und Politik Hand in Hand gehen lässt, ist die rentable, kostengünstige Bereitstellung großer Massen elektrischer Energie auf verhältnismäßig kleinem Raum. All dies sind Fakten, die jedem Energiekonzern das Herz höher schlagen lässt, wenn es um die zukunftsträchtige Energieversorgung einer Nation geht. Dass ein Großteil dieser Pro-Argumente einfach widerlegt werden kann und oftmals von Beschönigungen angetrieben werden, versuchen Atomkraft-Gegner, die sich dem Umweltschutz und der Sicherheit vor katastrophalen Schäden verschrieben haben, zu beweisen. Unser Ziel soll es jedoch nicht sein, das Für- und Wider zu bewerten, sondern für die nötige Aufklärung zu sorgen. All unsere Leser, die sich mit dem Gegenargumenten näher auseinandersetzen wollen, verweisen wir daher auf das Dokument „Risiko Atomkraft“ – herausgegeben von keinem geringerem als der NGO Greenpeace.

Wirkungsweise und Arten von Kernreaktoren
Leitgedanke hinter jedem Kernkraftwerk ist die Nutzung des kontrollierten, radioaktiven Zerfalls von Atomen zur Umwandlung in thermische Energie, die wiederum durch das Zusammenspiel von Dampfturbinen und Generatoren in elektrische Energie umgewandelt wird. Hierzu werden Atomkerne gezielt durch die Hinzuführung von Neutronen angeregt, die zur Spaltung des Kerns führen. Diese Spaltung setzt neben radioaktiven Spaltprodukten enorme Energiemengen frei, die man sich durch die Kernreaktor-Technologie zunutze machen möchte. In großem Maßstab finden hierfür die sogenannten Brennstäbe Verwendung. Gefüllt mit Uran – einem Isotop mit für diese Reaktion günstigen Ausgangsbedingungen -, regen sich die einzelnen Brennstäbe untereinander durch deren Wechselwirkung und den Austausch von Neutronen an. Die erzeugte Wärmeenergie erhitzt das die Brennstäbe umgebende Wasser, das durch die hohen Temperaturen verdampft. Der Wasserdampf treibt Dampfturbinen an, die an Generatoren angeschlossen sind und der Erzeugung von Strom dienen. Das Wasser übernimmt dabei nicht nur die Rolle der Energieübertragung, sondern sorgt gleichermaßen für die nötige Kühlung des Systems.

Grafische Übersicht eines Siedewasserreaktors. (Copyright © Robert Steffens, Lizenz: CC BY-SA 3.0)

Um trotz der automatischen Kühlung potentiellen Störfällen vorzubeugen, wurde in allen Kernkraftwerke eine Vielzahl von Sicherungsmaßnahmen integriert. Diese wirken direkt auf die Neutronenaktivität ein und versuchen sie einzudämmen, sodass die Wechselwirkung der Brennstäbe zum Erliegen kommt. Bekannte Mittel sind etwa das Hinzufügen von Borsäure in das Kühlwasser oder das automatische Einfahren der sogenannten Steuerstäbe zwischen die Brennstäbe. Das eigentliche Risiko besteht darin, dass trotz der Unterbrechung der Kettenreaktion die Brennstäbe weiterhin Energie und damit Wärme produzieren. Eine kontinuierliche Kühlung ist deshalb unverzichtbar. Die Anfälligkeit eines Kernreaktors erklärt sich daher, dass für eine unablässige Kühlung Energie bereitstehen muss, um die Pumpen des Kühlsystems anzutreiben. Setzt die Kühlung aus, erhitzen sich die Brennstäbe auf eine derart hohe Temperatur, dass die Kühlflüssigkeit verdampft, sich das radioaktive Material regelrecht durch die Außenwände frisst und in Kontakt mit der Systemumwelt kommt. Es entsteht eine Kernschmelze, dicht gefolgt von dem gefürchteten „größten anzunehmenden Unfall“ (GAU), der sich durch die Überschreitung der angenommenen Folgen zum Super-GAU entwickeln kann. Die Katastrophe ist vorprogrammiert.

Angesichts der verfügbaren Technologien von Atomkraftwerken unterscheidet man in Leicht- und Schwerwasserreaktoren, Graphitreaktoren, Brutreaktoren und diverse Sondertypen. Jede Art birgt seine eigenen Vor- und Nachteile im Risiko eines Störfalls und der effizienten Nutzung des Spaltmaterials. Da für unsere Betrachtung nur Leichtwasserreaktoren in Frage kommen und dieser Typ die Mehrheit heutiger Kernkraftwerke ausmacht, gehen wir auf die übrigen Reaktortypen nicht weiter ein. Eine Übersicht ist bei Wikipedia zu finden.

Eine Wasserdampfturbine in Originalgröße, wie sie im Kühlsystem von Kernreaktoren Verwendung findet. (Copyright © Wittkowsky, Lizenz: CC BY-SA 3.0)

Der Leichtwasserreaktor trägt seinen Namen durch die Nutzung von normalem, leichtem Wasser, das in das Kühlsystem des Reaktors eingespeist wird. Dies macht die Nutzung von angereichertem Uran zur Förderung der Kernspaltung notwendig. Hierzu zählen der Siedewasserreaktor (SWR), als auch der Druckwasserreaktor (DWR). Der DWR wird bei den heutigen in Betrieb stehenden Reaktoren am häufigsten verwendet. In Europa und besonders Deutschland und Frankreich wurde er fast ausschließlich gebaut, während Japan von der SWR-Technologie profitieren möchte.

Der wichtigste Unterschied beider Reaktortypen besteht in der Wirkungsweise des Kühlsystems. Während beim Siedewasserreaktor das Wasser zum Antreiben der Turbinen mit den Brennstäben in Kontakt kommt und unter anderem die Reinigung der Turbinen erschwert, verfügt der Druckwasserreaktor über mehrere Wasserkreisläufe. Das durch die Brennstäbe erhitzte Wasser sorgt für die Erhitzung eines zweiten Wasserkreislaufs, der für das Antreiben der Turbinen genutzt wird. Somit wird der Kreislauf des mit Spaltprodukten belasteten Wassers klein gehalten, ohne durch das gesamte System zu strömen.

Ein weiterer Nachteil der Siedewasserreaktoren ist der Verbau der Steuerstäbe. Diese sitzen technisch bedingt zumeist am Boden des Reaktors und müssen bei einem Störfall durch Energiezufuhr zwischen die Brennstäbe geschoben werden. Bei einem Druckwasserreaktor wurde das Problem auf die Weise gelöst, dass die Steuerstäbe während des normalen Betriebsablaufs elektronisch über den Brennstäben arretiert sind. Kommt es zu einem Ausfall der Energieversorgung, unterbricht der Stromkreis und die Steuerstäbe fallen automatisch zwischen die Brennstäbe. Eine Weiterentwicklung des DWR stellt der Europäische Druckwasserreaktor (EWR) dar. Dieser ähnelt dem gängigen DWR, wurde jedoch auf die Gefahr einer Kernschmelze hin mit zusätzlichen Sicherungsmaßnahmen wie der Integrierung einer Auffangwanne ausgestattet.

Die grafische Darstellung eines Druckwasserreaktors mit getrennten Wasserkreisläufen. (Copyright © San Jose, Lizenz: CC BY 3.0)

Mit dieser Erläuterung von Kernreaktoren hoffen wir, die nötige Basis geschaffen zu haben, um uns dem zweiten Teil unseres Artikels zu widmen: Ursache und Ablauf der Katastrophe von Fukushima Daiichi. Sollten Sie uns auf bestimmte Themen hinweisen wollen, bei unseren Ausführungen einen Fehler bemerkt oder gewisse Zusammenhänge näher erklärt haben, so stehen wir Ihnen unter fukushima247@googlemail.com gerne zur Verfügung. Alternativ können Sie auch ein Kommentar hinterlassen.

Quellen: IEAE | physikblog.eu