Der mehrfache Reaktor-GAU in Fukushima Daiichi in Japan

Aktuell

25.05.2011: Konstruktionsfehler in Fukushima
Zahlreiche Unzulänglichkeiten haben die Kastrophe begünstigt. Zum Kommentar

25.05.2011: Nochmal Glück im Unglück in Block 4
Japan ist in Block 4 nur knapp an einer nuklearen Katastrophe vom Ausmaß der in Tschernobyl vorbeigeschrammt, nämlich einer Kernschmelze unter freiem Himmel. Zum Kommentar

06.04.2011: Mehr statt weniger
Die Messwerte für radioaktives Jod steigen immer höher. Hinzu kommt noch langlebiges Cäsium, das bald die Jod-Werte übersteigen wird, da es langsamer zerfällt. Zum Kommentar

31.03.2011: Die ewige Katastrophe
Letztendlich treibt man den Teufel mit dem Beelzebub aus: In der Hoffnung, noch irgendwas zu kontrollieren, verteilt man immer mehr radioaktives Wasser in der Umgebung. Zum Kommentar

29.03.2011: Ein bisschen Plutonium ...
... bringt derzeit die deutsche Medienlandschaft in Wallung. Dabei gibt es in Fukushima wirklich gravierendere Probleme, wie die Messwerte zeigen. Zum Kommentar

27.03.2011: Update des folgenden Artikels:
25.03.2011: Radioaktives Wasser ...
Die hohe Strahlung zeigt, dass das Wasser in direktem Kontakt mit Nuklearbrennstoff gestanden hat. Unklar ist aber, wie es vom Kern in den Turbinenraum gelangen konnte. Zur Analyse

22.03.2011: Wo ist der Atommüll von Block 4?
Die Messwerte sind verdächtig niedrig: Kaum mehr erhöhte Temperaturen in einem Reaktor, dessen Abklingbecken bereits am Kochen war. Die Ruhe vor dem Sturm? Zur Analyse

21.03.2011: Update des folgenden Artikels:
17.03.2011: Kernschmelze im Abklingbecken
Die Zahlen sprechen eine klare Sprache: Im Abklingbecken von Fukushima Daiichi Block 4 gibt es wahrscheinlich kein Wasser mehr. Zur Rechnung

16.03.2011: Kühlung mit dem Wasserwerfer?
Kann es gelingen, die Brennelemente in den Abkühlbecken in Fukushima Daiichi mit einem kräftigen Wasserstrahl zu kühlen? Zum Kommentar

15.03.2011: Wozu ein Containment?
In Fukushima Daiichi hat der Betreiber endgültig die Kontrolle verloren: Gasexplosionen, Feuer, kochendes Wasser. Zum Kommentar

Übersicht

Satellitenfoto des japanischen Atomkraftwerks Fukushima Daiichi vom 16.03.2011 von digitalglobe.

Nach dem Erdbeben der Stärke 9,0 auf der Momenten-Magnituden-Skala (die die früher gebräuchliche Richterskala zumindest für die Angabe der Magnitude von starken Beben weitgehend abgelöst hat) sind in den Atomkraftwerken Fukushima Daiichi (6 Reaktoren) und Fukushima Daini (4 Reaktoren) des Betreibers Tokyo Electric Power Company (kurz TEPCO) alle Blöcke automatisch abgeschaltet worden. Während in Fukushima Daini wohl inzwischen ein stabiler Zustand hergestellt wurde und man sich sogar für ein mögliches schweres Nachbeben samt weiterem Tsunami gerüstet sieht (siehe englisches PDF-Dokument von TEPCO), ist die Situation in Fukushima Daiichi komplett außer Kontrolle geraten. 4 oder 5 von 6 Reaktoren erlitten durch Erdbeben und Tsunami schwere Schäden und setzten erhebliche Mengen an Radioaktivität in die Umgebung frei.

Durch das Erdbeben wurde ein Kühlsysteme von Block 1 so schwer beschädigt, dass es schon wenige Minuten später ausfiel, noch bevor der Tsunami eintraf. Kurz nach dem Tsunami versagte die Notstromversorgung der Blöcke 1 bis 4; der reguläre Strom war schon vorher weg.

Im ungekühlten Block 1 heizte die weiterhin starke Strahlung den Reaktorkern weiter auf. Überdruckventile öffneten und entließen heißen Dampf aus dem Reaktor in den Torus, einen mit kaltem Wasser gefüllten Ring unterhalb des Reaktors. Dadurch sanken Temperatur und Druck im Reaktor wieder ein bisschen, stiegen jedoch parallel im Torus an.

Vor allem aber sank der Wasserspiegel im Reaktorkern immer weiter, da kein neues Wasser über die Notkühlsysteme nachkam. Nach ein paar Stunden ragten die Brennelementspitzen aus dem Wasser, erhitzten sich ungekühlt noch weiter und werden schließlich so heiß, dass sie mit dem Dampf im Reaktor zu brennen begannen. Dadurch stiegen die Temperaturen noch schneller weiter. Die Brennelemente schmolzen, am unteren Rand des Reaktors bildete sich ein glühender See aus Brennelement-Lava ("Corium").

Zugleich bildete sich bei der fatalen Reaktion von Wasser und den Brennelementhüllen Wasserstoff. Ein Teil des Wasserstoffs entwich - vermutlich durch Undichtigkeiten im Deckel des unter hohem Druck stehenden Containments - in den oberen Bereich des Reaktorgebäudes. Dort mischte er sich mit Luft. Ein Funke zündet das Knallgas, und das Dach flog weg. Die Bilder und Videos davon überzeugten auch Nicht-Experten, dass die Probleme in Fukushima Daiichi deutlich über den "normalen Störfall" hinausgehen.

In den Folgetagen kam es auch in den Blöcken 3 und 2 zur Kernschmelze, jeweils ebenfalls verbunden mit einer Wasserstoffexplosion. In Block 4 überhitzte - zum Glück nur kurzzeitig das Abklingbecken, in dem wegen Revisionsarbeiten alle Brennelemente dieses Blocks lagerten: Die komplett verbrauchten der letzten Jahre, aber auch die, die normalwerweise im Reaktor wären. Auch in Block 4 war die Folge eine Wasserstoffexplosion, die das Dach über dem Abklingbecken zerstörte.

Nur in Block 5 und 6, die ebenfalls für Revisionsarbeiten abgeschaltet waren, gab es keine Explosion. Inwieweit hier die Situation wirklich unter Kontrolle gehalten werden konnte, ist unklar. So finden sich auch im Keller des Turbinengebäudes von Block 5 und 6 erhebliche Mengen kontaminierten Wassers, die zumindest für einen der beiden Blöcke ebenfalls eine zumindest partielle Kernschmelze nahelegen.

Genauer Zustand unbekannt

Durch die hohen Temperaturen sind in den Blöcken 1 bis 3 alle Messinstrumente im Reaktordruckbehälter selber mit hoher Wahrscheinlichkeit zerstört worden. Soweit über die Leitungen, die zu einem analogen Messfühler führen, noch ein Wert ausgelesen werden kann, besteht keinerlei Garantie, dass der abgelesene Wert stimmt.

Insbesondere ist unbekannt, ob sich nach der Kernschmelze die Brennstoff-Lava am unteren Rand der Reaktordruckbehälter 1 bis 3 dank der Kühlung wieder verfestigt hat, oder ob es weiterhin flüssige oder zähflüssige Bereiche gibt. Nicht einmal die Angaben zu den genauen Wasserständen sind gesichert.

Problem Wasser

Zur hilfsweisen Notkühlung werden etwa zehn Liter Wasser pro Sekunde in die Anlage eingeleitet. Ein Teil davon verdunstet und entweicht als Dampf, aber der größere Teil kondensiert an kalten Anlagenteilen wieder und sammelt sich als stark radioaktiv belastetes Wasser insbesondere in den Kellern der Turbinengebäude aller sechs Blöcke. Bis heute ist es TEPCO nicht gelungen, dieser Wassermassen Herr zu werden. Das beginnt schon damit, dass für die Aufnahme des Wassers gebaute Behelfstanks oder ein herangeschifftes Floß schlicht und einfach zu klein sind.

Mittelfristig soll eine Entsalzungsanlage das Problem lösen. Mit Hilfe dieser soll das Wasser aus den Kellern von Radioaktivität und Meersalz befreut werden, so dass es erneut als Kühlwasser verwendet werden kann. Dadurch würde das Problem gelöst, dass die Wasserspiegel immer weiter steigen.

Ebenso scheint bis heute kontinuierlich radioaktiv belastetes Wasser aus der Anlage ins Meer zu laufen. Die radioaktive Belastung des Meerwassers mit Cäsium-134 und Cäsium-137 liegt in der Nähe der Reaktoren weiterhin um den Faktor zehn höher als in 15 Kilometern Entfernung. Da Cäsium sehr gut wasserlöslich ist und Meeresströmungen am Tag etliche Kilometer zurücklegen, sollten die Werte sich binnen weniger Tage angleichen, sobald alle Lecks gestopft sind.

Wahrscheinlich kann der Eintrag von radioaktivem Wasser ins Meer erst gestoppt werden, wenn alle Keller leergepumpt sind und zugleich ein geschlossenes Kühlsystem mit Wärmetauschern hergestellt wurde. Denn so lange die Kühlung in einem offenen System zumindest zum Teil per direkter Verdunstung von Wasser erfolgt, lässt sich nicht genau zuordnen, ob und ggfls. wie viel Wasser durch Auslaufen und wie viel Wasser durch Verdunstung verloren geht.

Jahresplan

TEPCO plant, etwa bis zum Jahresende die Anlage weitgehend zu stabilisieren, so dass nur noch vergleichsweise wenig Radioaktivität austritt und eine laufende Kühlung gewährleistet ist. Mindestens so lange bleiben auch die Gebiete um den Reaktor evakuiert. Es ist zudem wahrscheinlich, dass die Kontamination in großen Teilen der 20-Kilometer-Evakuierungszone rund um das Kernkraftwerk so hoch ist, dass diese für längere Zeit unbesiedelt bleiben.

Die Informationspolitik des Betreibers TEPCO über den Unfall war anfangs schlecht. Es scheint aber, dass TEPCO zumindest retroperspektiv zahlreiche Daten vorlegt, die hoffentlich eine vollständige Aufklärung der Ursachen durch unabhängige Experten ermöglichen wird.

Was bedeutet das für Deutschland?

Die direkten Auswirkungen der atomaren Unfälle in Japan auf Deutschland sind gering. Japan ist weit weg und die radioaktive Wolke hat sich auf dem Weg hierher extrem verdünnt. Die aktuellen Messwerte im Bereich von millionstel Becquerel pro Kubikmeter Luft sind unbedenklich. Schon auf einen Hügel zu steigen, erzeugt (durch die Höhenstrahlung) mehr Strahlenbelastung.

Was macht der Wind?

Größtes Glück im Unglück für den Betreiber TEPCO und für die japanische Bevölkerung war, dass der Wind die meiste Zeit Richtung Meer wehte, und damit die freigesetzten radioaktiven Spaltprodukte weg vom Festland trieb. Denn es wurde sogar die Freisetzung von Strahlung bewusst in Kauf genommen, als heiße und unter hohem Druck stehende Gase aus dem Kern der Blöcke 1 bis 3 abgelassen wurden, um noch höhere Drücke und Temperaturen und damit die Gefahr des Versagens des Reaktordruckbehälters abzuwenden.

Doch der Wind wehte zumindest zeitweise in andere Richtung. Besonders die Orte sind stark radioaktiv belastet, in denen es regnete, während eine radioaktive Wolke von Fukushima über sie hinwegzog. Auch das Trinkwasser, das in Japan in der Regel aus Oberflächenwasser gewonnen wird, war betroffen. So wurden in Tokyo zeitweilig über 100 Becquerel pro Liter gemessen.

Aber auch die freigesetzten radioaktiven Spaltprodukte, die der Wind aufs Meer geweht hat oder die direkt mit radioaktivem Wasser ins Meer gelaufen sind, sind nicht weg. Generell besteht die Hoffnung, dass sich die Radioaktivität im Meer recht schnell auf ein sehr großes Volumen verteilt und somit auf ein akzeptables Niveau verdünnt.

Unfall in Zeitlupe

Auffällig an der Medienberichterstattung in den zwei Wochen nach dem Unfall war, dass die Anlage nicht zur Ruhe kam. Das ist für einen unkontrollierten Störfall in einem Kernkraftwerk aber typisch. Anders als zum Beispiel bei der Explosion von Öl- oder Benzintanks in einer Raffinerie setzen die während des laufenden Betriebs der Reaktoren erzeugten radioaktiven Spaltprodukte ihre Energie nur nach und nach frei. Folglich dauert es jeweils Stunden oder Tage, bis Brennelement-Pools oder Reaktoren überhitzen, bis sich explosive Gase ansammeln, oder bis sich die Kern-Lava sich durch den Reaktordruckbehälter schmilzt.

FAQ

Ist die Situation in Japan und Fukushima Daiichi vergleichbar mit dem Super-GAU im Atomkraftwerk von Tschernobyl?

Nein. In Tschernobyl kam es - bedingt durch Fehler bei der Auslegung und Bedienung des Reaktors - zu einer so genannten nuklearen Aktivitätsexkursion: Binnen Sekunden schoss die nukleare Kettenreaktion auf mindestens das 100-fache des Wertes bei normalem Volllastbetrieb. Dadurch wurde schlagartig alles Kühlwasser verdampft. Auch wenn nur ein klitzekleiner Bruchteil der Energie einer Atombombe freigesetzt wurde, reichte diese durch nukleare Überreaktion ausgelöste Dampf-Explosion, den Reaktorkern zu zerfetzen und einen über tausend Tonnen schweren Betondeckel über dem Reaktor senkrecht zu stellen.

Die von der Aktivitätsexkursion erzeugte Hitze startete zudem die Reaktion von Graphit-Moderator und Zirkonium-Brennstoffhüllen mit dem Kühlwasser. Dabei entstanden Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die sich wenige Sekunden später mit Luft mischten, was eine zweite Explosion auslöste.

Durch beide Explosionen war der Reaktor komplett offen. Graphit-Moderator und Zirkonium-Brennstoffhülsen brannten weiter. Dadurch konnten die flüchtigen radioaktiven Spaltprodukte wie Cäsium und Jod besonders gut entweichen. Eine vergleichbare Situation einer "Kernschmelze unter freiem Himmel" bestand in Fukushima im Abklingbecken von Block 4 nur für kurze Zeit und nur mit partiell freiliegenden Brennelementen und folglich auch niedrigeren Temperaturen.

Sind die Vorgänge in Fukushima Daiichi vergleichbar mit dem Kernschmelz-Unfall im Block 2 des US-amerikanischen Atomkraftwerk "Three Mile Island" nahe Harrisburg am 28. März 1979?

Grundsätzlich Ja. In Three Mile Island versagten die Notkühlsysteme aufgrund von Bedienfehlern, in Fukushima aufgrund der Einwirkungen des Erdbebens und/oder des von diesem ausgelösten Tsunami. In der Folge kam es in Three Mile Island zur partiellen Kernschmelze und es wurden erhebliche Mengen an Radioaktivität in die Umgebung verteilt. Der Reaktor wurde komplett unbrauchbar und musste später in teurer und aufwändiger Arbeit abgebaut und entsorgt werden.

In Harrisburg konnten aber die Bedienfehler, die zum Ausfall des Kühlsystems geführt hatten, nach einiger Zeit korrigiert werden. Die Kühlung per geschlossenen Wasserkreislauf wurde so wiederhergestellt. Die allermeiste Radioaktivität blieb somit im Reaktor, so dass die nahe gelegene Stadt Harrisburg noch einnmal mit dem Schrecken davon kam.

Der Unfall in Fukushima ist im Vergleich zu Three Mile Island sehr viel schwerwiegender. Zum einen sind vier Reaktoren betroffen. Zum anderen konnte die Kühlung nur partiell wiederhergestellt werden.

Sind die MOX-Brennelemente mit Plutonium in Block 3 besonders gefährlich?

Die Steuerung eines Reaktors mit MOX-Brennelementen ist komplexer, da sich Plutonium mit besonders hoher Bestrahldauer (es wurde ja vor der Wiederaufbereitung in einem anderen Kernkraftwerk bereits bestrahlt) im Kern befindet. Dabei bilden sich zunehmend schwerere Plutonium-Isotope (Plutonium 240, Plutonium 241 usw.) und auch weitere Aktiniden, die bei der Berechnung der Aktivität berücksichtigt werden müssen.

Plutonium ist aber nicht flüchtig. So verdampft es erst bei ca. 3 500 °C. Zudem ist das Plutonium in einem Reaktor deutlich weniger radioaktiv als die aus dem Uran und Plutonium erzeugten Spaltprodukte. Insofern ist die zusätzliche Gefährdung durch die MOX-Brennelemente - im Vergleich zu normalen Uran-Brennelementen - gering. Die absolute Gefährdung ist bei beiden Brennelement-Typen natürlich immens.

Kann sich ein ähnlicher Unfall auch in deutschen Kernkraftwerken ereignen

Grundsätzlich Ja. Eine Kernschmelze wird von den Experten als "Größter anzunehmender Unfall" (kurz GAU) eingestuft. Wenn ausreichend viele Designfehler, Wartungsfehler und Bedienfehler zusammenkommen, kann sie eintreten. Ebenso kann ein äußeres Ereignis (Erdbeben, Terror-Anschlag, Flugzeug-Absturz, Austrocknung der zum Kühlen verwendeten Flüsse etc.) zum Auslöser werden.

Viele der Schwächen des Reaktortyps von Fukushima sind auch in der deutschen Siedewasser-Reaktor-Baulinie SWR 69 anzutreffen: So haben Sicherheitsbehälter und Containment nur ein kleines Volumen, und können somit einen Kernschmelzunfall nur kurze Zeit beherrschen. Zudem sind die Brennelement-Lagerbecken und die Notstrom-Generatoren kaum geschützt: Weder durch das Containment noch durch andere Sicherheitsgebäude.

Kurz nach dem Unfall in Fukushima wurden alle in Deutschland noch in Betrieb befindlichen SWR-69-Reaktoren abgeschaltet: Brunsbüttel, Isar 1, Philippsburg 1 und Krümmel. Es ist wahrscheinlich, dass diese abgeschaltet bleiben. Sicher sind diese Kernkraftwerke aber erst dann, wenn alle Brennelemente so weit abgeklungen sind, dass diese in Castor-Transportbehälter umgeladen und aus der Anlage entfernt werden können. Das wird frühestens in einigen Jahren der Fall sein.

Wie wahrscheinlich ist ein vergleichbarer Unfall in Deutschland?

Nach den bisherigen Erfahrungen (1979 Three Mile Island in Harrisburg, 1986 Tschernobyl, 2011 Fukushima 4x) ereignet sich ein schwerer Unfall ca. alle 1 500 Reaktorbetriebsjahre. Wenn man für deutsche Kernkraftwerke ein wesentlich höheres Sicherheitsniveau von z.B. einem schweren Unfall alle 10 000 oder 20 000 Reaktorbetriebsjahre annimmt, ergibt sich für die bis zum Fukushima-Unfall in betrieb befindlichen 17 Kernkraftwerke ein Risiko von ca. 1 : 1 000, dass im nächsten Jahr hierzulande ein Unfall passiert. Dieses Risiko steigt mit steigendem Alter und Laufzeit der Kernkraftwerke, und sinkt, soweit Kraftwerke stillgelegt oder modernisiert werden.

Droht ein GAU?

Er droht nicht mehr, er ist bereits eingetreten.

Handelt es sich um einen Super-GAU?

Nein. Vor der Katastrophe von Tschernobyl wurde ein Kernkraftwerksunfall, bei dem sich die Radioaktivität nach einer Kernschmelze nach und nach den Weg nach außen bahnt, als "Größter anzunehmender Unfall", kurz GAU, angesehen. Genau das passierte in Fukushima. Ein GAU ist ein Unfall, der über den Auslegungsstörfall, der noch beherrscht werden kann, hinausgeht. Das GAU-Szenario dient insbesondere dazu, Evakuierungs- und andere Notfallpläne zu erstellen.

Gibt es Konstruktionsfehler im Reaktor?

Ja, siehe auch den ausführlichen Artikel zum Thema. Kritisch sind insbesondere die Lage in einem Erdbeben- und Tsunami-Gebiet, der kleine Sicherheitsbehälter, die geringe Redundanz und die Lage der Abklingbecken außerhalb des Containments.

Sind die Evakuierungen in Japan sinnvoll?

Ja. Sie waren eher zu gering als zu groß

Was passiert als nächstes?

TEPCO hat einen 9-Monats-Plan, der bis Anfang nächsten Jahres reicht. Bis dieser abgearbeitet ist, wird weiterhin Radioaktivität freigesetzt, wenn auch weniger als in den ersten beiden Wochen nach der Havarie.

Kommentare

Über den Autor

Kai Petzke, Luftschifferweg 26, 13591 Berlin, ist diplomierter theoretischer Physiker. Das Doktorstudium brach er 1999 ab, um sich voll dem von ihm ins Leben gerufenen Verbraucherportal teltarif.de widmen zu können.

Mein Ziel ist hier, neutral und korrekt zu informieren. Weder hänge ich Weltuntergangsszenarien an, noch liegt mir daran, die Folgen einer Kernschmelze kleinzureden. Die meisten Medien bemühen sich zwar ebenfalls um eine neutrale Berichterstattung, scheitern aber oft an den technischen Details. Diese Site soll daher ein Zusatzangebot zu den klassischen Medien sein.