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Kernschmelze

Als Kernschmelze bezeichnet man einen schweren Unfall in einem Kernreaktor, bei dem sich einige („partielle Kernschmelze“) oder alle Brennstäbe übermäßig erhitzen und schmelzen. Von der Gefahr einer Kernschmelze sind alle Leistungsreaktortypen betroffen, deren Reaktorkern Metallteile wie beispielsweise Brennstab-Hüllrohre enthält.

Eine Kernschmelze kann auftreten, wenn die Reaktorkühlung und auch jede Notkühlung ausfällt. Die Nachzerfallswärme – sie entsteht nach Unterbrechung der Kernspaltung unvermeidlich – bewirkt dann, dass die Brennelemente sich stark erhitzen, schmelzen und das Schmelzgut (Corium) am Boden des Reaktors zusammenläuft.[1]

Falls bei einem solchen Unfall auch das Reaktorgefäß zerstört wird, kann hochradioaktives Material unkontrolliert in die Umgebung gelangen und Mensch und Umwelt gefährden – ein Unfall, den man als Super-GAU bezeichnet.

Inhaltsverzeichnis

Verursachung und Ablauf


Störfälle

Eine Kernschmelze kann eintreten, wenn die von den Brennstäben erzeugte Wärmeleistung nicht mehr über die Kühl- und Notkühlsysteme abgeleitet werden kann. Voraussetzung dafür ist entweder ein Ausfall der Kühlsysteme oder eine Überlastung durch einen Störfall, der nicht durch eine Reaktorschnellabschaltung abgefangen werden konnte.

Auch, wenn der Reaktor wegen zu hoher Wärmeleistung oder wegen Kühlungsausfall ausgeschaltet wurde, ist das Risiko einer Kernschmelze nicht beseitigt. Während des Betriebes des Reaktors entstehen ca. 6,5 % der Leistung aus dem radioaktiven Zerfall der Spaltprodukte (Nachzerfallswärme).[2] Ein Reaktor mit 1300 MW elektrischer Leistung erzeugt knapp 4000 MW Wärmeleistung; etwa 260 MW dieser Leistung stammen aus der Nachzerfallswärme. Die Nachzerfallswärme sinkt nach dem Abschalten des Reaktors nur allmählich. Nach einer Stunde beträgt sie noch ca. 1,6 % der Wärmeleistung des Normalbetriebs (65 MW), einen Tag nach dem Abschalten noch 0,8 % (32 MW), mehrere Monate nach dem Abschalten noch ca. 0,1 % der Leistung (4 MW). Diese Leistung muss abgeführt werden. Gelingt dies nicht, heizt sich der Reaktorkern immer weiter auf, bis er schließlich schmilzt. Die Kernschmelze kann ohne Kühlung kaum vermieden werden.

Beispiel: Kernschmelze durch Kühlungsausfall bei einem Leichtwasserreaktor

Fällt die Kühlung aus (z. B. Ausfall der Notstromversorgung während eines Stromausfalls im öffentlichen Netz bei ausgeschaltetem Reaktor und Ausfall der zwei unabhängigen Stromversorgungsaggregate), kann sich etwa folgendes Szenario abspielen:[3]

Überdruck

Bei einem Kühlungsausfall kann die im Reaktorkern erzeugte Wärme nicht mehr abtransportiert werden. Auch wenn es gelingt, den Reaktor abzuschalten, reicht die Nachzerfallswärme aus, um den Reaktorkern stark aufzuheizen.

Entstehung von Wasserstoff

Zerstörung der Brennelemente

Teil-Kernschmelze

Vollständige Kernschmelze

Folgen


Eine besonders schwerwiegende Variante des Unfallablaufs ist die Hochdruckkernschmelze. Diese tritt – aufgrund des höheren Systemdruckes vor allem bei Druckwasserreaktoren – ein, wenn es in der ersten Zeit nicht gelingt, den Druck im Reaktor stark abzusenken. Die glühend heiße Schmelze des Reaktorkerns kann dann die Wand des Reaktorbehälters stark schwächen und unter gleichzeitigem, auch explosionsartigem Druckanstieg, zum Beispiel begleitet durch eine Knallgasexplosion, aus dem Reaktorbehälter entweichen. Der hohe erzeugte Druck im Containment führt gegebenenfalls zu Leckagen, wodurch radioaktives Material in die Umgebung gelangen kann. Entsprechende Szenarien wurden 1989 in der „Deutschen Risikostudie Kernkraftwerke Phase B“[4][5] veröffentlicht und führten zu umfassenden Diskussionen (siehe Artikel Kernkraftwerk). Um die Risiken einer Explosion zu mindern, wurden z. B. in deutschen Druckwasserreaktoren die vormals nur passiv ansprechenden Reaktor-Druckentlastungsventile durch von der Warte aus steuerbare ersetzt, womit sehr hohe Drücke im Reaktorsystem gesteuert und rechtzeitig abbaubar werden sollen.[6]

Um ein Versagen des Containments auch bei weniger hohen Drücken zu verhindern, wurde vielerorts das so genannte Wallmann-Ventil vorgeschrieben, mit dem Gas und Dampf gefiltert in die Atmosphäre abgelassen werden kann. Zur Vermeidung von Knallgasexplosionen müssen deutsche KKW zudem mit Einrichtungen zum Wasserstoffabbau ausgerüstet sein; diese bewirken entweder durch Zünder („Töpfer-Kerzen“) eine kontrollierte Verbrennung (Deflagration) oder mittels Katalysatoren die Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser.

Die genannten Begleiterscheinungen der Kernschmelze wie Dampf- und Wasserstoffexplosionen treten bei einer Kernschmelze typischer-, aber nicht notwendigerweise auf.

Auch ohne eine Explosion werden die regulären Kühleinrichtungen durch eine Schmelze voraussichtlich unbrauchbar. Da durch weitere Erhitzung ein Durchschmelzen des äußeren Schutzbehälters droht, muss der geschmolzene Kern unter allen Umständen provisorisch gekühlt werden, um schlimmere Schäden für Mensch und Umwelt zu vermeiden. Diese Kühlung ist gegebenenfalls über Monate hinweg nötig, bis die verbleibende Nachzerfallswärme keine nennenswerte Temperaturerhöhung mehr bewirkt.

Laut einer Studie des Max-Planck-Instituts für Chemie aus 2012 ist das Risiko von Kernschmelzen wie in Tschernobyl und Fukushima in den 440 Kernreaktoren wesentlich höher als bisher geschätzt.[7][8] Diese können einmal in 10 bis 20 Jahren auftreten, also 200-mal häufiger als in US-Schätzungen 1990 angenommen.

Vermeidung von Kernschmelzen


Wegen der verheerenden potenziellen Folgen einer Kernschmelze wird mittlerweile, vor allem im asiatischen Raum, der Betrieb inhärent sicherer Reaktoren, speziell von dezentralen Hochtemperaturreaktoren (HTR) mit reduzierter Leistung, erprobt. Kritiker der HTR-Technologie verweisen darauf, dass es bei HTR-spezifischen Störfalltypen wie Wasser- oder Lufteinbruch zu katastrophalen Radioaktivitätsfreisetzungen kommen kann und eine inhärente Sicherheit trotz Vermeidung von Kernschmelzen daher nicht gegeben ist.[9] Für alle derzeit in Europa betriebenen kommerziellen Kernreaktoren gilt, dass das Risiko einer Kernschmelze durch zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen zwar signifikant verringert, aber nicht prinzipiell ausgeschlossen werden kann.

Bei neueren Reaktorkonstruktionen sollen spezielle Vorrichtungen, so genannte Core-Catcher, den Reaktorkern bei einer Kernschmelze auffangen, die Freisetzung des Spaltstoffinventars verhindern und somit die Folgen einer Kernschmelze eindämmen. Außerdem sind die Sicherheitsbehälter von Druckwasserreaktoren der dritten Generation (z. B. Europäischer Druckwasserreaktor) mit einer Wandstärke von 2,6 m gegen Wasserstoffexplosionen ausgelegt. Als Schwachpunkt verbleibt bei diesen Konzepten die o. g. Hochdruckkernschmelze, bei der ein spontanes Versagen des Druckbehälters zur Zerstörung aller Barrieren führen könnte.

Liste bekannter Kernschmelzunfälle


Unfälle mit Kernschmelze werden auf der Internationalen Bewertungsskala für nukleare Ereignisse (INES) ab Stufe 4 geführt.

Totale Kernschmelzen

Bei einer totalen Kernschmelze wird der Reaktorkern vollständig zerstört und der Reaktor so weit beschädigt, dass eine Reparatur ausgeschlossen ist.

Partielle Kernschmelzen

Bei einer partiellen Kernschmelze bleibt der Reaktorkern teilweise intakt. Einzelne Brennstäbe oder ganze Brennelemente schmelzen oder werden durch Überhitzung schwer beschädigt. Die meisten Anlagen werden nach einem solchen Unfall stillgelegt (gerade ältere Kernreaktoren); einige wurden in der Vergangenheit repariert und weiter betrieben.

Liste weniger bekannter Kernschmelzen


Daneben erlitten einige russische atomgetriebene U-Boote Kernschmelzen. Bekannt wurde dies von den U-Booten K-278 Komsomolez (1989), K-140 und K-431 (10. August 1985).

Die Bezeichnung China-Syndrom


In den USA wird ein Reaktorunfall mit einer Kernschmelze, die sich ungebremst durch das Beton-Fundament und in das Grundwasser zu fressen vermag, umgangssprachlich als „China-Syndrom“ bezeichnet.

Häufig wird die Herkunft des Ausdrucks damit erklärt, dass die Volksrepublik China von den USA aus betrachtet nach populärer Meinung ungefähr auf der entgegengesetzten Seite der Erde (Antipode) liegt (was tatsächlich nicht der Fall ist, da sich beide Staaten nördlich des Äquators befinden) und man meint, dass sich der geschmolzene Reaktorkern in Richtung China tief in die Erde hineinschmelze. Die Bezeichnung wurde durch den Film Das China-Syndrom populär.

Andere Vermutungen zielen auf die Bildung einer porzellanähnlichen Hülle um den geschmolzenen Reaktorkern ab (Porzellan heißt auf Englisch china).

Siehe auch


Weblinks


WiktionaryWiktionary: Kernschmelze – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise


  1. C. Journeau, E. Boccaccio, C. Jégou, P. Piluso, G. Cognet: Flow and Solidification of Corium in the VULCANO facility. In: 5th World conference on experimental heat transfer, fluid mechanics and thermodynamics, Thessaloniki, Greece. 2001 (plinius.eu [PDF]). Flow and Solidification of Corium in the VULCANO facility (Memento des Originals vom 20. Juli 2011 im Internet Archive) i Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.
  2. Kernspaltung und Nachzerfallswärme. (Memento vom 3. April 2011 im Internet Archive). Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) mbH, März 2011.
  3. Was ist eine Kernschmelze? (Memento vom 3. April 2011 im Internet Archive) Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) mbH, 18. März 2011.
  4. Deutsche Risikostudie Kernkraftwerke – Phase B. In: GRS.de. 1989, abgerufen am 20. März 2011.
  5. Deutsche Risikostudie Kernkraftwerke – Zusammenfassung. In: GRS.de. 1989, abgerufen am 20. März 2011.
  6. Michael Sailer: Sicherheitsprobleme von Leichtwasserreaktoren, Darmstadt 1990.
  7. Der nukleare GAU ist wahrscheinlicher als gedacht. In: Pressemitteilung des MPI für Chemie. 22. Mai 2012, abgerufen am 23. Mai 2012.
  8. J. Lelieveld, D. Kunkel, M. G. Lawrence: Global risk of radioactive fallout after major nuclear reactor accidents. In: Atmos. Chem. Phys. Band 12, Nr. 9, 12. Mai 2012, S. 4245–4258, doi:10.5194/acp-12-4245-2012 (PDF; 10,7 MB [abgerufen am 19. September 2012]).
  9. R. Moormann: AVR prototype pebble bed reactor: a safety re-evaluation of its operation and consequences for future reactors. (Memento vom 19. Juli 2011 im Internet Archive) Kerntechnik (2009).
  10. Chernobyl Accident. In: World Nuclear Association. 14. März 2011, abgerufen am 14. März 2011 (englisch).
  11. H. Wagner: Der Reaktorunfall in Idaho. In: Physikalische Blätter, Bd. 17, 1961, doi:10.1002/phbl.19610170906 .
  12. Thomas P. McLaughlin u. a.: A Review of Criticality Accidents. (PDF) Los Alamos National Laboratory, Mai 2000, S. 97, abgerufen am 4. Februar 2017 (englisch).
  13. Fermi, Unit 1. In: U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC). 18. März 2011, abgerufen am 18. März 2011 (englisch).
  14. Nuclear Power Reactor Details – LUCENS. In: International Atomic Energy Agency (IAEA). 14. März 2011, archiviert vom Original am 4. Juni 2011; abgerufen am 14. März 2011 (englisch).
  15. a b Accidents: 1960’s. In: Nuclear Age Peace Foundation. 14. März 2011, abgerufen am 14. März 2011 (englisch).
  16. Nuclear Power in Switzerland. In: World Nuclear Association. 14. März 2011, abgerufen am 14. März 2011 (englisch).
  17. Nuclear Power in France. In: World Nuclear Association. 14. März 2011, abgerufen am 14. März 2011 (englisch).
  18. Nuclear Power in Slovakia. In: World Nuclear Association. 14. März 2011, abgerufen am 14. März 2011 (englisch).
  19. Three Mile Island Accident. In: World Nuclear Association. 14. März 2011, abgerufen am 14. März 2011 (englisch).
  20. AKW Fukushima: Tepco meldet Kernschmelze in Reaktor 2 und 3. Bei: Spiegel.de. 24. Mai 2011.



Kategorien: Reaktorsicherheit | Nuklearunfall



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