Fragen und Antworten zu kerntechnischen Aspekten des Unfalls in Fukushima
Fragen und Antworten zu kerntechnischen Aspekten der Ereignisse in Japan

Was passiert bei einer Kernschmelze in einem Atomkraftwerk?

Welche radioaktiven Stoffe können austreten?

In Fukushima Daiichi sind die Blöcke 1 bis 5 mit einem Mark I-Containment ausgestattet. Was ist ein Mark I-Containment?

Wo werden die Informationen zum Reaktorunglück in Fukushima gesammelt?

Was bedeutet die Einstufung des Unfalls in Fukushima Daiichi in die Stufe INES 7?

Wie unterscheidet sich ein Kernschmelzunfall in einem Reaktor mit MOX-Brennelementen von einem mit Uran-Brennelementen?

Nach dem derzeitigen Kenntnisstand ist es in den Reaktorblöcken 1, 2 und 3 des Kernkraftwerks Fukushima Daiichi offenbar zu Kernschädigungen und zu Kernschmelzen gekommen.

Was passiert bei einer Kernschmelze in einem Atomkraftwerk?

Der Reaktorkern eines Atomkraftwerks befindet sich in einem dickwandigen Reaktordruckbehälter. Fällt die Kühlung des Reaktorkerns aus, verdampft durch die Nachzerfallswärme nach und nach das vorhandene Wasser im Reaktordruckbehälter, der Brennstoff erhitzt sich bis auf Schmelztemperatur, es kommt zur Kernschmelze. Die geschmolzene Masse aus den zerstörten Brennelementen sammelt sich im unteren Teil des Reaktordruckbehälters.

Kommt genügend Masse zusammen, schmilzt sich die Kernschmelze durch die Wand des Reaktordruckbehälters und gelangt dadurch in den Sicherheitsbehälter. Dieser Behälter ist Teil des Reaktorgebäudes und hat die Aufgabe, das radioaktive Inventar auch bei Störfällen sicher einzuschließen. Ist der Sicherheitsbehälter nicht gegen eine Kernschmelze ausgelegt, versagt er ebenfalls. Damit wird dann ein Weg für eine Freisetzung radioaktiver Stoffe aus dem geschmolzenen Kern in die Umgebung geschaffen.

Welche radioaktiven Stoffe können austreten?

Bei einer Kernschmelze werden in den zerstörten Brennelementen enthaltene radioaktive Stoffe (Uran, Plutonium und Spaltprodukte wie zum Beispiel Krypton, Strontium und Caesium) zunächst in den Reaktordruckbehälter, bei dessen Beschädigung (zum Beispiel durch den geschmolzenen Kern) in den Sicherheitsbehälter und bei dessen Beschädigung in die Umgebung der Anlage freigesetzt.

Bei einer Freisetzung verhalten sich die Stoffe je nach ihrer chemischen Natur und den Temperatur- und Druckverhältnissen unterschiedlich.
  • Gasförmige Stoffe, (zum Beispiel Edelgase wie Krypton und Xenon) werden bei einer Zerstörung des Sicherheitsbehälters vollständig oder nahezu vollständig freigesetzt. Dies gilt auch für leicht flüchtige Stoffe wie Jod und Cäsium.
  • Weniger flüchtige Stoffe wie Strontium, Uran und Plutonium liegen als Staubteilchen (Aerosole) vor oder sind an Staubteilchen gebunden. Ob von diesen Stoffen ebenfalls das gesamte im Reaktor enthaltene Inventar oder nur Teile freigesetzt werden und wie weit diese transportiert werden, hängt vom konkreten Verlauf der Kernschmelze ab.
Die Wetterbedingungen wie Windstärke, Windrichtung und Niederschläge sind dann bestimmend für die Schutzmaßnahmen für die Bevölkerung.

Die für den 12. und 13.03.2011 bekannt gewordenen Messdaten der Strahlung (Gamma-Ortsdosisleistung) in Fukushima weisen darauf hin, dass bei den Maßnahmen zur Druckentlastung neben Edelgasen auch längerlebige Radionuklide in die Umgebung freigesetzt wurden.
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In Fukushima Daiichi sind die Blöcke 1 bis 5 mit einem Mark I-Containment ausgestattet. Was ist ein Mark I-Containment?

Schematischer Überblick über das in den Reaktorblöcken 1-5 in Fukushima verwendete Mark-I-Containment (Sicherheitsbehälter)
Schematischer Überblick über das Mark-I-Containment (Sicherheitsbehälter).
(Für größere Ansicht bitte Grafik anklicken.)

Mark I ist die Bezeichnung einer Sicherheitsbehälter-Baulinie, dem sogenannten Containment, für Siedewasserreaktoren des amerikanischen Herstellers General Electric.

Insgesamt existieren weltweit 32 Reaktorblöcke mit einem Mark I-Containment, davon 23 in den USA. Dieses Containment wird mit Reaktoren verschiedener Baulinien und Leistungen verwendet. Der Mark I-Sicherheitsbehälter wurde in den 1960er Jahren konzipiert und war das erste in größerer Stückzahl kommerziell realisierte Containment für Siedewasserreaktoren.

Der Sicherheitsbehälter umschließt die nuklearen Anlagenteile des Primärkühlkreislaufes (Reaktordruckbehälter, Kühlmittelpumpen und entsprechende Rohrleitungen, beim Druckwasserreaktor auch Dampferzeuger und Brennelement-Lagerbecken) und stellt damit die technisch letzte Barriere gegen das Austreten des radioaktiven Inventars des Reaktors dar. Eine besondere Funktion hat er bei der Beherrschung von Kühlmittelverluststörfällen: Im Falle eines Kühlmittellecks sammelt sich das ausgetretene Kühlwasser im Sumpf des Sicherheitsbehälters und kann von dort in den Kühlkreislauf zurückgespeist werden.

Die zentrale Komponente des Mark I-Containments ist ein als Druckkammer bezeichneter birnenförmiger Stahlbetonbehälter. Sein zylindrischer Teil beherbergt den Reaktordruckbehälter nebst dessen biologischer Abschirmung aus Beton sowie die Zwangsumwälzpumpen; der darunterliegende kugelförmige Teil enthält die den Reaktordruckbehälter tragende Betonkonstruktion sowie die Steuerstab-Antriebe.

Das Mark I-Containment verfügt über ein Druckabbausystem in Form einer Kondensationskammer. Diese ist als ein torusförmiger Stahlbehälter (die Form ähnelt einem Schwimmreifen) ausgeführt, der unterhalb der birnenförmigen Druckkammer liegt, und mit diesem über eine Reihe von Rohren verbunden ist. Diese beidseitig offenen Rohre tauchen in die Wasservorlage in der Kondensationskammer ein. Gerät im Falle einer Leckage Dampf in die Atmosphäre der Druckkammer, so wird der Dampf durch die Rohre in die Wasservorlage der Kondensationskammer getrieben und dort kondensiert.

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Wo werden die Informationen zum Reaktorunglück in Fukushima gesammelt?

Die ehemalige japanische Behörde NISA (Nuclear and Industrial Safety Agency) informierte über die Schäden an den japanischen Kernkraftwerken. Die Informationen der NISA finden Sie auf der Internetseite der NSR - Nuclear Regulation Authority, Japan. Eine weitere Informationsquelle zu dem Unfall in Fukushima bietet der japanische Verband JAIF - Japan Atomic Industrial Forum (nur in Englisch).

International sammelt die Internationale Atomenergiebehörde (IAEA – International Atomic Energy Agency) in Wien Informationen zum Unfall in Fukushima und informiert darüber im Internet (nur in Englisch). Die IAEA ist eine autonome wissenschaftlich-technische Organisation, die mit den Vereinten Nationen durch ein Sonderabkommen verbunden ist.

Das Fukushima Informationsportal der GRS – Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit mbH - bietet ebenfalls Informationen zur aktuellen Situation in Japan.

Was bedeutet die Einstufung des Unfalls in Fukushima Daiichi in die Stufe INES 7?

INES-Skala

Systematik der internationalen Bewertungsskala (INES)
(für eine größere Ansicht auf die Grafik klicken)

INES (International Nuclear and Radiological Event Scale) ist die Bewertungsskala der Internationalen Atomenergiebehörde (IAEA) in Wien. Die Mitgliedsländer der internationalen Verträge (Japan ist ein solcher Unterzeichnerstaat) haben sich verpflichtet, Zwischenfälle oder meldepflichtige Ereignisse der INES-Stufe 2 (Störfall) oder größer in Kernkraftwerken bei der IAEA zu melden.

Die Einstufung in INES 7 bedeutet nach internationalem Standard eine schwerste Freisetzung von Radioaktivität mit Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt über längere Zeiträume und in einem weiten Umfeld.

Die Einstufung in INES 7 gibt jedoch keine Auskunft darüber, wie viele Menschen am Ende betroffen sein werden und welche langfristigen Auswirkungen auf die Umwelt entstehen. Was in Japan noch passiert und wie viel Radioaktivität insgesamt freigesetzt wird, kann noch nicht angegeben werden. Um den Menschen vor Ort zu helfen und die Kontamination der Umwelt so gering wie möglich zu halten, müssen weitreichende Maßnahmen angegangen werden, die sich an den konkreten Messergebnissen, Erkenntnissen und Fakten ausrichten.

Mit der Einstufung in INES 7 ist mit dem Unfall im Kernkraftwerk Fukushima Daiichi das erste Mal nach Tschernobyl eine Havarie in einem Atomkraftwerk in die höchste Stufe eingeordnet worden. Technisch gesehen handelt es sich in Fukushima um einen anderen Verlauf der Ereignisse als bei Tschernobyl:
  • In Tschernobyl wurde Radioaktivität in große Höhen geschleudert und großflächig verbreitet.
  • Bei Fukushima gibt es vor allem in der Region um Fukushima und an bestimmten Stellen, teilweise auch außerhalb des Evakuierungsradius, sehr hohe Belastungen mit radioaktiven Stoffen.
Einen Vergleich der beiden Unfälle finden Sie im Artikel Fallout im Vergleich.

Wie unterscheidet sich ein Kernschmelzunfall in einem Reaktor mit MOX-Brennelementen von einem mit Uran-Brennelementen?

Mischoxid-Brennelemente (MOX-Brennelemente) wurden im Reaktor 3 des Kraftwerk Fukushima Daiichi eingesetzt. MOX-Brennelemente enthalten als Brennstoff nicht nur Uran, sondern auch einige Prozent Plutonium. Da sich im Betrieb des Reaktors stets Plutonium aus dem Uran neu bildet, enthalten auch reine Uran-Brennelemente nach einiger Zeit Plutonium. Es wird dabei nicht nur gebildet, sondern dann auch selber gespalten und trägt zur Energiegewinnung bei. Insgesamt ergibt sich somit eine andere Zusammensetzung des Reaktorkerns. Bei einem Reaktor, der mit MOX-Brennelementen beladen ist, enthält der Kern etwa zwei- bis fünfmal so viel Plutonium wie ein längere Zeit in Betrieb befindlicher Reaktorkern aus Uran. Außerdem enthält der Kern nach einiger Betriebszeit deutlich höhere Anteile an sogenannten Transuranen wie Neptunium, Americium und Curium.

Entsprechend dem höheren Anteil an Plutonium, Neptunium, Americium und Curium in den Brennelementen werden bei einer Kernschmelze auch größere Mengen dieser Stoffe freigesetzt und können in die Umgebung gelangen. Plutonium, Neptunium, Americium und Curium liegen in diesem Fall wie Uran als Staubteilchen vor oder sind an Staubteilchen gebunden.

Alle diese Stoffe werden erst bei Temperaturen deutlich oberhalb 2.000° Celsius in nennenswertem Umfang aus der Schmelze freigesetzt. Bei einem Kernschmelzunfall spielen die Unterschiede zwischen einem Uran-Kern und einem MOX-Kern für die Auswirkungen auf die Umgebung eine eher geringe Rolle.