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Kernschmelze, INES und Jod-Tabletten

Hintergründe zur drohenden Kernschmelze im japanischen Kernkraftwerk Fukushima Daiishi

Sonja Heiermann, Björn Lippold
CHEMIE.DE Information Service GmbH

Mit dem Tōhoku-Erdbeben der hohen Stärke von 9,0 auf der Richterskala und dem daraus folgenden Tsunami wurde Japan am 11.3.2011 um 14:46:23 Uhr Ortszeit von einer schweren Katastrophe getroffen. Zu den Folgen gehören auch Beschädigungen und Beeinträchtigungen an den japanischen Kernkraftwerken, die im Falle des Kraftwerks Fukushima Daiichi zu einer Kernschmelze führen können.

Burghard, pixabay.com, CC0

Energiegewinnung durch Kernkraft

Das Grundprinzip eines  Kernkraftwerks ist einfach: Durch eine kontrollierte Kernreaktion wird Wasser erhitzt, um über Turbinen Strom zu erzeugen. In Fukushima ist ein Siedewasserreaktor im Einsatz, der eine Variante des Leichtwasserreaktors ist und „leichtes“ Wasser (H2O) als Reaktorkühlmittel und Moderator verwendet. Der Moderator dient dazu, freigesetzte Neutronen abzubremsen und so die Reaktion zu kontrollieren.

Die Probleme in Fukushima

Die Probleme in Fukushima Daiichi bestanden am Anfang in einem Ausfall der Kühlwasserpumpen. Dadurch lief der Reaktor ungekühlt weiter, was zu einer steigenden Überhitzung führt, die den Druck im Reaktor erhöht und zu einer Kernschmelze führen kann.

Die Gefahr: Kernschmelze

Ursache für eine Kernschmelze ist der Ausfall der Reaktorkühlung. Bei einer Kernschmelze erhitzen sich die Brennstäbe unkontrolliert im Reaktorkern. Zunächst kommt es zu einer Oxidation der Brennstäbe und dann zum Bersten der Hüllrohre. Leichtflüchtige Spaltprodukte werden dabei in den Reaktor freigesetzt. Mit weiterer Erhitzung werden auch die Steuerstäbe zerstört.

Mit weiterer  Aufheizung verstärkt sich die exotherme Oxidation der Brennstabhüllrohre, was zu einer weiteren Aufheizung und der Schmelze führt. Dabei werden große Mengen flüchtiger Spaltungsprodukte im Reaktor freigesetzt, außerdem steigt der Druck im Reaktorbehälter. Die geschmolzene Masse sammelt sich am Boden des Reaktordruckbehälters und kann sich durch dessen Wandung schmelzen, womit radioaktives Material austritt.

Austritt von radioaktivem Material

Die Freisetzung radioaktiver Stoffe unterscheidet sich von gasförmigen Stoffen, die nahezu vollständig freigesetzt werden, über leicht flüchtige Stoffe wie Jod und Cäsium bis hinzu zu schwer flüchtigen Stoffen wie Strontium, Antimon, Uran und Plutonium, die als Aerosole austreten können.

Im Falle der Zerstörung des Sicherheitsbehälters können die Radionuklide mit dem Wind verteilt werden.

Gegenmaßnahmen: Kühlung mit einem Gemisch aus Meerwasser und Borsäure

Die Gegenmaßnahmen in Fukushima Daiichi bestehen in der Kühlung der Reaktoren mit Meerwasser und Borsäure. Zur Steuerung der Kettenreaktion kann dem Kühlwasser von Leichtwasserreaktoren Borsäure zugemischt werden. Bor wirkt als Neutronenfänger  und bremst so die Kettenreaktion, indem es Neutronen abfängt, die die Kettenreaktion vorantreiben. Ziel ist es, das Steigen der Temperatur im Reaktor und so die einsetzende Kernschmelze zu verhindern.

Internationale Bewertungsskala (INES)

Die internationale Bewertungsskala (INES, International Nuclear Event Scale) besteht aus acht Stufen. Während Stufe 0 keine sicherheitstechnische Bedeutung hat, ist mit Stufe 4, wie sie für Block 1 von Fukushima Daiichi ausgerufen wurden, bereits die Einstufungsgrenze vom Störfall zum Unfall überschritten: Es kommt zu einer geringen Freisetzung, und Schäden am Reaktorkern sind vorhanden.

Diese erste Einstufung musste durch das Institute for Science and International Security (ISIS) im Verlauf auf Stufe 6 korrigiert werden. Stufe 6 entspricht nach Beschreibung des Bundesamt für Strahlenschutz einem schweren Unfall, der aufgrund erheblicher Freisetzung den vollen der Katastrophenschutzmassnahmen erfordert.

Bei der höchsten Stufe 7 kommt es zu einem katastrophalen Unfall mit gesundheitlichen Auswirkungen im weiten Umfeld.

Frühere Störfälle

Bereits in der Vergangenheit traten bei  der  Betreibung von Atomanlagen Stör- und Unfälle ein. Der bisher bekannteste Unfall in einer Atomanlage ist die Katastrophe im Kernkraftwerk Tschernobyl vom 26. April 1986, die auf der INES-Skala in die Stufe 7 eingeordnet wurde.

Der Unfall beim Kernkraftwerk Three Mile Island in Harrisburg, Pennsylvania, am 28. März 1979 wurde aufgrund der Kernschmelze mit Stufe 5 der INES-Skala eingestuft.

Der Einsatz von Jod

Bei Unfällen in kerntechnischen Anlagen kann radioaktives Jod aus dem defekten Reaktor entweichen und anstelle des natürlich vorkommenden stabilen Iodisotops J127 vom Körper z.B. über die Atmung, aber auch über die Haut und Nahrungsmittel, aufgenommen werden. Instabile Iod-Isotope reichern sich dann vor allem in der Schilddrüsean, die das Jod für die Hormonbildung braucht, und können dort zu Organschäden führen.

Kaliumiodid-Tabletten mit einem hohen Gehalt des stabilen Iodisotops 127 können nun verhindern, dass radioaktive Iod-Isotope in die Schilddrüse gelangen werden, wenn diese so bereits mit Jod gesättigt ist. Allerdings wird davor gewarnt, Jod ohne behördliche Anweisung einzunehmen. Ferner schützt die Einnahme von Jod-Tabletten nicht vor weiteren radioaktiven Spaltprodukten, wie Cäsium, Plutonium und Strontium, die im Falle eines Atomunfalles freigesetzt werden.

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