Was bei einer Kernschmelze genau passiert
(dpa) Die Lage im Inneren der japanischen Unglücksreaktoren ist unklar. Nach dem Ausfall der Kühlung als Folge des verheerenden Erdbebens sowie des anschließenden Tsunamis heizten sich die betroffenen Reaktorkerne auf - und tun es dem Anschein nach weiter. Damit droht eine Kernschmelze, die eventuell bereits begonnen hat. Eine exakte Ferndiagnose ist nicht möglich, betonen die Forscher der Abteilung Reaktorsicherheit, Systeme und Umwelt (RSU) an der Universität Stuttgart. Dennoch lässt sich im Prinzip erklären, was in den betroffenen Siedewasserreaktoren vor sich geht.
Das Hauptproblem ist die große Wärmeentwicklung, erklären die Physiker. Diese entsteht auch noch, nachdem der Reaktor abgeschaltet ist, also die nukleare Kettenreaktion gestoppt wurde. Ursache ist der natürliche Zerfall der im Betrieb gebildeten radioaktiven Spaltprodukte.
Wenn die Wasserkühlung ausfällt, heizt sich der Kernbrennstoff immer weiter auf, bis die Materialien irgendwann bei Temperaturen zwischen 2000 und 2800 Grad Celsius schmelzen. Ziel muss es daher sein, so erklären die Stuttgarter, den Kern mit allen Mitteln durch Einleitung von Wasser zu kühlen. Das Problem: Wasser verdampft bei diesen Temperaturen heftig. Der Dampf erhöht den Druck im Reaktor, was das weitere Einpumpen von Wasser erschwert. «Je heißer der Kern oder die Kernschmelze, umso schwieriger wird die Wassereinspeisung und Kühlung gegen den Druck im Reaktordruckbehälter.»
Um dennoch Wasser in den Reaktor zu bringen, muss Dampf durch Öffnen von Ventilen in den Sicherheitsbehälter und schließlich über das Gebäude in die Umgebung abgeblasen werden. Aber: Der Dampf ist radioaktiv belastet. Ihn abzulassen birgt das Risiko, die nahe und ferne Umgebung zu kontaminieren.
Zudem kann im Kern bei Temperaturen über 1000 Grad Celsius durch chemische Reaktion des Metalls der Brennstabhüllen mit Dampf Wasserstoffgas entstehen. Kommt dieses mit Sauerstoff im Reaktorgebäude in Kontakt, kann es explodieren - wie in Japan mehrfach geschehen. Die Explosionen zerstörten die Reaktorgebäude. Ähnliches droht bei der Wassereinspeisung in den überhitzten Kern.
Die Experten für Reaktorsicherheit vermuten und hoffen aber, dass eine sogenannte intermittierende Kühlung Erfolg bringen kann: kühlendes Wasser einleiten, verdampfen lassen, Dampf ablassen, wieder Wasser einleiten - und so fort. «Wenn das funktioniert, kommt man mit der Temperatur hoffentlich irgendwann so weit herunter, dass man wieder einen Kühlkreislauf einrichten kann.» Dieser müsste voraussichtlich über Monate aufrechterhalten werden. Dafür könnte eine Kühlleistung von zunächst rund zehn Megawatt nötig sein.
Ähnliches gilt für die Brennelemente in Abklingbecken. Diese großen Bassins in Kernkraftwerken enthalten Wasser, das die abgebrannten oder bei Wartungsarbeiten aus dem Reaktor genommenen heißen Brennelemente kühlen soll. Fällt dort die Kühlung aus, heizen die Brennelemente das Wasser ebenfalls auf, lassen es kochen und damit verdampfen. Dies könnte ebenfalls erklären, warum auf den Fernsehbildern immer wieder weißer Dampf zu sehen ist. Auch hier muss fortgesetzt gekühlt werden, um Freisetzung von Radioaktivität zu verhindern. Die Betreiber haben unter anderem Wasser mit Hubschraubern herbeigeschafft.
Im schlimmsten Fall kommt es aber doch zur vollständigen Kernschmelze im Reaktor. Dann fließt eine Mischung aus geschmolzenem Kernbrennstoff und geschmolzenen metallischen Strukturen auf den stählernen Boden des Reaktor-Druckbehälters. Dieser wird letztendlich versagen, wenn keine Kühlung gelingt, heißt es bei der Abteilung Reaktorsicherheit. Dann gelangt das heiße Gemisch aus Uran und metallischem Material auf Betonstrukturen, bei weiterem Durchschmelzen auf die Umschließung des Sicherheitsbehälters aus Stahl und schließlich ins Betonfundament.
«Es ist dann alles von den weiteren Barrieren im Gebäude abhängig», sagen die Physiker. Womöglich könne das mehrere Meter dicke Fundament aus Beton dem geschmolzenen Kern durch Verdünnung und Abkühlung Einhalt gebieten - aber auch das ist lediglich eine Vermutung der Stuttgarter. Manche moderne Kernkraftwerke haben riesige gekühlte Betonwannen, sogenannte Kernfänger, als letzte Barriere im Untergrund - die Konstruktionszeichnungen von Fukushima zeigen eine solche Einrichtung nicht.
Als letzte Kühlmöglichkeit wäre auch das Auffüllen des Bereichs unter und um den Reaktor-Druckbehälter mit Wasser denkbar. Allerdings erscheint dies den Experten bei den Fukushima-Reaktoren aufgrund der dazu benötigten langen Zeit nicht realistisch. Möglich sei, dass die Schmelze die dünneren Seitenwände des Gebäudes durchschmilzt. Dann ist bei diesem Reaktortyp ein Kontakt mit Wasser in der Kondensationskammer möglich. In beiden Fällen kann das Wasser zur Kühlung führen. Es droht aber auch die Gefahr einer Dampfexplosion, bei der die heiße Schmelze das Wasser schlagartig verdampft.
Die Folgen für die Umwelt und die Menschen hängen entscheidend davon ab, auf welchem Weg und in welchem Umfang die Radioaktivität freigesetzt und verteilt wird. Durch explosive Vorgänge wie bei Dampf- oder Wasserstoff-Explosionen könnten die Schmelze, Trümmer, Reaktorteile und Staub in die weite Umgebung verteilt werden. Vermutlich würde eine große Wolke voller radioaktiver Partikel entstehen. Abhängig von der Stärke einer möglichen Explosion würde sie niedriger oder höher in die Atmosphäre aufsteigen und könnte sich damit kleiner oder größer ausbreiten.
Weniger gravierend wäre wohl das Durchschmelzen des Fundaments, wobei sich die Schmelze letztendlich im Fundament oder im Gestein darunter verfestigt, erklären die Stuttgarter Forscher. Damit werde allerdings das Erdreich und in der Folge auch das Grundwasser radioaktiv belastet - oder der Pazifik.
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