Kernreaktorunfall von Fukushima

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1 Kernreaktorunfall von Fukushima Seminararbeit im Rahmen des Masterseminares im Sommersemester 2013 vorgelegt von Eva-Maria Lauth Betreuung: Dr. Patrick Achenbach 1

2 Inhaltsverzeichnis 1 Überblick Auslegung des Standorts gegen Erdbeben und Tsunamis Unfallablauf 5 3 Radiologische Folgen des Unfalls INES Einstufung des Unfalls Kontamination des Seewassers Strahlenexposition des Personals Strahlenexposition der Bevölkerung Bewältigung der Unfallfolgen 9 5 Kurzer Vergleich Tschernobyl-Fukushima 10 1 Überblick Am 11. März 2011 ereignete sich um 16:45 Uhr Ortszeit vor der Küste der japanischen Hauptinsel Honshu ein Erdbeben der Stärke 9,0. Es ist somit das schwerste Beben seit Beginn entsprechender Aufzeichnungen in Japan. Das Erdbeben löste einen Tsunami aus, der etwa eine Stunde später die Küste traf. Im unmittelbaren Einwirkungsbereich dieser Naturkatastrophe liegen 5 der insgesamt 17 japanischen Kernkraftwerksstandorte und somit 15 der insgesamt 54 Reaktoren. Es handelt sich dabei um die Standorte Higashi-Dori, Onagawa, Fukushima Daiichi, Fukushima Daini und Tokai, wie man der nachfolgenden Abbildung entnehmen kann. Abbildung 1: Das Epizentrum des Erdbebens 2

3 Am schwersten betroffen war der Standort Fukushima Daiichi des Betreibers Tokyo Electric Power Company, kurz Tepco. Das Kernkraftwerk besteht aus 6 Siedewasserreaktorblöcken, welche zusammen mit ihren Turbinen-, Neben- und Hilfsgebäuden auf einem niedrigen Plateau direkt an der Pazifikküste liegen. Die 6 Blöcke haben zusammen eine Leistung von insgesamt Megawatt elektrische Leistung. Das Design der Siedewasserreaktoren entspricht dem BWR-3 von General Electric bei Block 1, Block 2 bis 5 sind vom Typ BWR-4 und Block 6 vom Typ BWR-5. Des Weiteren besitzen alle Blöcke einen Sicherheitsbehälter, ein sogenanntes Containment. Mit dem Bau der Anlage wurde Ende der 60iger Jahre begonnen und es ist somit das älteste Kernkraftwerk des damaligen Elektrizitätsversorgungsunternehmen Tokyo Denryoku, heute Tepco. Zum Zeitpunkt des Unfalls waren die Blöcke 1 bis 3 in Betrieb, während sich die Blöcke 4, 5 und 6 in Revisionsstillstand befanden, das heißt außer Betrieb waren. Die Brennelemente in Block 4 waren aus dem Reaktor entladen und befanden sich vollständig im Brennelementlagerbecken innerhalb des Reaktorgebäudes, während die Blöcke 5 und 6 bereits wieder beladen waren. Somit befanden sich in den 6 Abklingbecken der jeweiligen Blöcke, in dem Lagerbeckengebäude, sowie dem Trockenlager etwa abgebrannte Brennelemente, was Tonnen Kernbrennstoff entspricht. Dazu kommen dann noch circa Brennelemente in den Reaktorkernen, was nochmal 480 Tonnen Kernbrennstoff entspricht. Abbildung 2: Das Design des Siedewasserreaktors von Block 1 Das Reaktorgebäude besteht in seinem unteren Teil aus einer massiven Stahlbetonkonstruktion. Im oberen Bereich befindet sich das Brennelementlagerbecken, auch Abklingbecken genannt, in dem die abgebrannten Brennelemente vor ihrem Abtransport für einen Zeitraum von etwa 3 bis 5 Jahren unter Wasser gelagert werden. Über dem nach oben hin offenen Becken befindet sich der sogenannte Beckenflur, welcher eine Hühlkonstruktion aus Stahl ist. 3

4 Abbildung 3: Übersicht über das Containment von Block 1 Im Zentrum des Reaktorgebäudes befindet sich der Reaktordruckbehälter, welcher den Reaktorkern enthält. Im unteren Bereich des Druckbehälters befinden sich zahlreiche Durchführungen für die Steuerstäbe. Der Reaktordruckbehälter befindet sich in der Druckkammer, welche zusammen mit der Kondensationskammer das Containment bildet. Die Kondensationskammer, welche teilweise mit Wasser gefüllt ist, umgibt als ringförmiger Torus die Druckkammer und ist mit dieser über Rohrleitungen verbunden. Über Sicherheitsund Entlastungsventile kann durch Dampfabgabe Wärme aus dem Reaktordruckbehälter in die Kondensationskammer abgeführt werden, welche somit eine Art Druckregler für den Reaktordruckbehälter darstellt. Das gesamte Containment ist mit Stickstoff gefüllt, wodurch die Anwesenheit von Sauerstoff und damit eine Knallgasbildung verhindert wird. 1.1 Auslegung des Standorts gegen Erdbeben und Tsunamis Der Standort Fukushima Daiichi war gegen Erbeben der Stärke 8,0 und ursprünglich gegen Tsunamis mit einer Höhe von bis zu 3,7 Metern ausgelegt gab es eine erneute Tsunami Bewertung bei der eine Auslegungsanforderung von 5,7 Metern ermittelt wurde. Zusätzlich ist durch die Geländehöhe noch eine Sicherheitsreserve von 4,3 Metern gegeben, also insgesamt ein Schutzwall mit einer Höhe von 10 Metern. 4

5 Abbildung 4: Durch Erbeben ausgelöste Tsunamis in Japan Aus der Tabelle wird ersichtlich, dass es in den letzten 513 Jahren 16 große, durch Erbeben ausgelöste Tsunamis mit maximalen Amplituden von mindestens 10 Metern gab, wobei schon geringe Magnituden von 7,4 bis 7,5 M W ausreichten, um diese auszulösen. Betrachtet man hiervon die Häufgikeit, muss man also etwa alle 30 Jahre mit einem großen Tsunami rechnen, gegen den der Standort Fukushima Daiichi nicht ausgelegt war. 2 Unfallablauf Durch die seismische Überwachung wurde in den Reaktorgebäuden 1 bis 3 die Reaktorschnellabschaltung, das sogenannte SCRAM ausgelöst, wodurch die Wärmeerzeugung durch Spaltung gestoppt wurde. Die Wärmeerzeugung durch den radioaktiven Zerfall beträgt nach der Abschaltung selbst noch etwa 6%, nach einem Tag noch etwa 1% und nach 5 Tagen dann noch circa 0,5%, was einer Wärmeleistung von rund 6,9 Megawatt entspricht. Infolge des Bebens brach die externe Stromversorgung für das gesamte Kernkraftwerksgelände zusammen, wodurch die Notstromdieselgeneratoren der einzelnen Blöcke auslegungsgemäß starteten und die Versorgung der sicherheitstechnisch wichtigen Verbraucher übernahmen. Ab 15:35 Uhr trafen die ersten Tsunamiwellen die Standortküste und überschwemmten das Anlagengelände, wobei die maximale Höhe mit circa 14 Metern abgeschätzt wurde. Die Reaktorgebäude 1 bis 4 wurden dabei bis zu 5 Meter tief überschwemmt, während die 3 Meter höher gebauten Blöcke 5 und 6 nur bis zu einen Meter tief. Aufgrund der Überschwemmungen kam es dann zum Ausfall der Notstromdieselgeneratoren in allen Blöcken und damit der Spannungs- und Stromversorgung der Notkühlsysteme. Einzig das Notstromaggregat von Block 6 blieb in Betrieb und konnte später auch für die Stromver- 5

6 sorgung von Block 5 herangezogen werden. Somit standen für die Blöcke 1 bis 3 nur noch die Batterien für etwa 8 bis 10 Stunden zur Verfügung. Die Kühlung des Brennelementlagerbeckens in Block 4 war nach Ausfall der Notstromversorgung komplett eingestellt. Durch die Nachzerfallswärme wurde im Reaktor weiter Dampf produziert, wodurch es zu einem Druckanstieg im Reaktordruckbehälter kam. Nach Erreichen eines bestimmtes Drucks wurde über die Sicherheits- und Entlastungsventile Wasserdampf in die Kondensationskammer geleitet. Dies führte zu einem Sinken des Wasserpegels im Reaktorkern. Druck und Temperatur stiegen daraufhin in der Kondensationskammer weiter an und aufgrund der Verbindung von Druck- und Kondensationskammer somit im gesamten Containment. Nachdem etwa 50% des Kerns freigelegt waren, überschritten die Hüllrohrtemperaturen 900 C und es kam infolgedessen zu ersten lokalen Kernschäden und zum Bersten der Brennstabhüllrohre. Dabei wurden flüchtige Spaltprodukte wie Iod aus den Brennstäben freigesetzt. Mit weiter sinkendem Füllstand des Kühlmittels überschritten die Hüllrohrtemperaturen dann C, wobei die Steuerstäbe zerstört und flüssig wurden. Dies führte zum Beginn der Zirkonium Oxidation Zr + 2H 2 O ZrO 2 + 2H 2. Hierbei reagiert das Zirkonium, welches eine hohe Neutronendurchlässigkeit aufweist und somit die Brennstoffausnutzung erheblich verbessert, mit dem Wasserdampf und spaltet das Wasser in Sauer- und Wasserstoff auf. Der Sauerstoff reagiert dann mit dem Zirkonium zu Zirkoniumoxid. Da es sich um eine exotherme Reaktion handelt, wird zusätzlich noch Wärme produziert. Der Wasserstoff gelangte dann zusammen mit dem Wasserdampf und den flüchtigen Spaltprodukten in die Kondensationskammer, in der Temperatur und Druck weiter anstiegen. Bei Temperaturen ab etwa C kam es schließlich zum Aufschmelzen der Brennstoffhülle und der Edelstahlstrukturen. Dabei wurde das Uranoxid durch metallische Schmelzgeschmische verflüssigt und der Schmelzpunkt verlagerte sich weit unterhalb von C. Im weiteren Verlauf stiegen die Temperaturen weiter an, wobei es ab etwa C dann zur Zerstörung der Brennstabstrukturen und zur Bildung von Trümmeransammlungen kam. Ab Temperaturen von C begann schließlich das Uran-Zirkonium Eutektikum zu schmelzen. Dies ist eine Mischung von Stoffen beziehungsweise von Legierungen. Wichtig hierbei ist, dass das Eutektikum einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Einzelstoffe selbst haben kann. Zu diesem Zeitpunkt wurde mit der Einspeisung von Meerwasser begonnen, wobei Block 1 dann bereits 28 Stunden ohne Kühlung war, Block 2 rund 3 und Block 3 circa 8 Stunden. Während die flüchtigen Spaltprodukte zusammen mit dem Wasserdampf und dem Wasserstoff in die Kondensationskammer gelangten, verblieben Uran und Plutonium im Reaktorkern. Es kam dabei zur Bildung von Aerosolen durch Spaltproduktkondensation. 6

7 Einige dieser Aerosole verblieben an der Oberfläche und der Wasservorlage der Kondensationskammer, die übrigen gelangten zusammen mit dem Xenon in die Atmosphäre des Sicherheitsbehälters. Dort kam es dann zu einer Oberflächenkontamination infolge von Aerosolablagerungen. Somit war das Containment die letzte Barriere zwischen den Spaltprodukten und der Umgebung. Durch den folgenden Druckanstieg im Containment wurde eine Druckentlastung, ein sogenanntes Venting erforderlich. Der Nachteil dieses Prozesses ist die Freisetzung von Wasserstoff, Edelgasen und geringen Aerosolmengen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit von Wasserstoffexplosionen bei Leckagen im Gebäude bei Versagen des Venting Systems. Eine weitere Möglichkeit zur Freisetzung der Spaltprodukten ist ein Leitungsbruch im Reaktorgebäude. Die Folge dieser Vorgänge war eine Wasserstoffexplosion in Reaktorgebäude 1 am um 16:00 Uhr. Durch diese Explosion entstand in dem Reaktorgebäude von Block 2 eine Öffnung, ein sogenanntes blowout panel, welche möglicherweise eine Anreicherung von brennbaren Gasen zu einer explosionsfähigen Mischung verhinderte. Des Weiteren kam es zu Wasserstoffexplosionen in den Blöcken 3 und 4, wobei davon ausgegangen wird, dass sich der Wasserstoff, welcher sich in Block 3 gebildet hat, durch Lüftungssysteme in das Reaktorgebäude von Block 4 gelangen konnte. Infolgedessen kam es zu einer Zerstörung der Stahlkonstruktion der Reaktorgebäude 1, 3 und 4. Die Betonstrukturen der Gebäude sind vermutlich nicht oder nicht stark beschädigt. 3 Radiologische Folgen des Unfalls 3.1 INES Einstufung des Unfalls Die Internationale Bewertungsskala für nukleare Ereignisse, kurz INES, ist eine Festlegung für sicherheitsrelevante Ereignisse in kerntechnischen Anlagen. Sie besteht aus 8 Stufen von 0 bis 7, wobei 0 ein Ereignis ohne oder mit geringer sicherheitstechnischer Bedeutung und 7 ein katastrophaler Unfall ist. Die Stufen 1 bis 3 werden als Störungen beziehungsweise als Störfälle bezeichnet; höher eingestufte gelten als Unfälle. Die Einstufung wurde sowohl für den gesamten Standort als auch für die einzelnen Blöcke mehrfach angepasst. Maßgebliche Kriterien für INES Stufe 7 sind schwerste Freisetzungen, meist komplette Zerstörung der Anlage und Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt in einem weiten Umfeld. Bis zu dem Unfall von Fukushima gab es erst einen, der mit INES Stufe 7 bewertet wurde. Dabei handelt es sich um den Kernreaktorunfall von Tschernobyl aus dem Jahre Zur Einstufen des Unfalls in Fukushima wurde das Iod Äquivalent aus den verfügbaren Messergebnissen ermittelt. Dieser Wert fasst die radiologische Bedeutung aller freigesetzten Nuklide zusammen. Die dabei ermittelten Werte 3, und 6, Becquerel liegen deutlich über den für INES Stufe 7 relevanten Wert von etwa Becquerel. Somit wurde der gesamte Standort aufgrund der kumulierten Freisetzung, die etwa 1/10 derer von Tschernobyl beträgt, mit Stufe 7 bewertet. Die Blöcke 1 bis 3 wurden ebenfalls 7

8 mit Stufe 7 bewertet, Block 4 mit Stufe 3 und die Blöcke 5 und 6 wurden nicht bewertet, da in diesen eine ausreichende Kühlung der Brennelemente sichergestellt werden konnte. In den ersten Tagen des Unfalls wurden aufgrund von Explosionen, Druckentlastungen und anderen Prozessen erhebliche Mengen radioaktiver Stoffe freigesetzt. Die Gesamtfreisetzung in die Umgebungsluft von Iod-131 beträgt dabei, nach Abschätzungen der japanischen Regierung Becquerel und die von Cäsium Becquerel. Aufgrund der relativ kurzen Halbwertszeit von 8 Tagen war Iod-131 nur in den ersten Wochen nach dem Unfall radiologisch relevant. Aktuell, Anfang 2013 werden nach wie vor radioaktive Stoffe freigesetzt, allerdings in deutlich geringerem Umfang. Abbildung 5: Ortsdosisleistung am Standort Fukushima Daiichi Wie man anhand von Abbildung 5 erkennen kann, gab es in den ersten 3 Tagen zunächst relativ kleine Freisetzungen, zum Beispiel durch gezielte Druckentlastungen der Sicherheitsbehälter der Blöcke 1 und 2. Die erste große Freisetzung fand am infolge der Wasserstoffexplosion und des Brands in Block 4 statt. Die Spitzenwerte der Strahlenbelastung lagen kurzzeitig bei msv mit der Tendenz einer erst sehr stark und dann asymptotischen Abnahme. 3.2 Kontamination des Seewassers Anfang April 2011 gelangte hoch radioaktiv belastetes Wasser durch einen Riss unkontrolliert in den Pazifik. Abschätzungen zufolge handelte es sich dabei um etwa 500 Tonnen Wasser mit einer Gesamtaktivität von rund Becquerel. Zusätzlich wurden mit Zustimmung der Behörden weitere Tonnen schwach kontaminierten Wassers mit einer Gesamtaktivität von etwa 1, Becquerel in das Meer abgepumpt, um Platz für stärker belastetes Wasser zu schaffen. Dies hatte zur Folge, dass die Konzentration von Iod und Cäsium im Meerwasser stark anstieg. Messungen ergaben dabei eine Aktivität von Iod mit 80 Bq/l und von Cäsium mit 26 Bq/l, womit die zulässigen Aktivitätsgrenzwerte um das fache überschritten wurden. Dadurch wurde die Aktivitätskonzentration in Fisch und Meeresfrüchten stark erhöht. In unmittelbarer Umgebung zur Anlage 8

9 wurde Werte von mehr als Bq/kg für Fisch gemessen, der zulässige Grenzwert liegt allerdings bei 100. Aktuell können radiologisch relevante Konzentrationen nur noch in direkter Nähe zur Anlage nachgewiesen werden. 3.3 Strahlenexposition des Personals Seit Beginn des Unfalls bis November 2012 waren insgesamt Personen im Einsatz. Davon waren von Tepco selbst und externes Personal. Der Grenzwert der effektiven Dosis wurde mehrfach angepasst und von 100 auf 250 msv angehoben. Von den Personen hatten 171 Arbeiter eine Exposition von mehr als 100 msv, wobei die maximale Strahlenexposition einer dieser Personen etwa 680 msv betrug. Laut einer Studie der World Health Organization haben Arbeiter mit einer höheren Exposition ein größeres Risiko an Krebs zu erkranken, insbesondere diejenigen, die während des Unfalls große Mengen an radioaktivem Iod inhaliert haben. Insgesamt ist die Strahlenexposition des Personals in Fukushima geringer als in Tschernobyl und es besteht kein Zusammenhang zwischen Strahlenexposition und Todesursache der durch den Unfall getöteten Arbeiter. 3.4 Strahlenexposition der Bevölkerung Infolge des Unfalls von Fukushima wurden bis Ende August 2011 rund Personen evakuiert. Es gibt keinen bestätigten Fall ernsthafter Gesundheitsfolgen in der allgemeinen Bevölkerung. Nach Einschätzungen der Fukushima Medical University sind Gesundheitsfolgen durch die äußere Strahlenexposition nicht zu erwarten. Unklar sind jedoch die gesundheitlichen Auswirkungen durch Aufnahme von radioaktivem Iod in der Schilddrüse. Hier bedarf es einer Langzeitüberwachung. Man rechnet aufgrund der Erfahrungen von Tschernobyl mit keinem signifikanten Anstieg der Schilddrüsenkrebsfälle bis Bewältigung der Unfallfolgen Die Maßnahmen der ersten Monate hatten zunächst zwei Ziele, nämlich erstens die Kühlung des Kernbrennstoffs zu stabilisieren und zweitens die Freisetzung der radioaktiven Stoffe zu reduzieren und somit den Strahlenschutz der Beschäftigten zu verbessern. Des Weiteren wurde ein Zeitplan zur Stilllegung und zum Abbau der Blöcke 1 bis 4 erstellt. Dieser umfasst 3 Phasen, welche sich über einen Zeitraum von 30 bis 40 Jahren erstrecken. In der ersten Phase soll die Freisetzung der radioaktiven Stoffen weiter vermindert werden und mit der Vorbereitung zur Bergung der Brennelemente aus dem Brennelementlagerbecken begonnen werden. Diese Phase umfasst etwa 2 Jahre. In Phase 2 sollen dann die Brennelemente aus den Lagerbecken der Blöcke 1 bis 4 entfernt und das gesamte angesammelte Inventar an kontaminierten Wässern behandelt worden sein. Außerdem soll mit der Bergung des Kernbrennstoffs aus den Reaktorkernen begonnen werden, welche in Phase 3 schließlich abgeschlossen werden soll. 9

10 Des Weiteren wurde unter anderem die Stromversorgung verbessert, das heißt falls es zum Ausfall einer Stromversorgungsquelle kommt, kann dieser durch mehrere anderen Quellen kompensiert werden. Zur Vorsorge gegen Wasserstoffexplosionen wurde Stickstoff in die Sicherheitsbehälter und Reaktordruckbehälter eingespeist, außerdem gibt es verschiedene Anlagen zur Aufbereitung der kontaminierten Wässer. Hinzu kommt die Versiegelung des Meeresbodens vor den Einlaufbauwerken der Blöcke 1 bis 4 und 5 bis 6, um zu verhindern, dass radioaktive Stoffe in das offene Meer gelangen, sowie die Errichtung von Einhausungen über den Blöcken 1, 3 und 4, die aufgrund von Wasserstoffexplosionen teilweise zerstört wurden. Damit soll verhindert werden, dass weiter radioaktive Stoffe aus dem Inneren der Reaktorgebäude in die Umwelt gelangen und sie bieten zusätzlich einen Schutz vor witterungsbedingten Einwirkungen. 5 Kurzer Vergleich Tschernobyl-Fukushima Der Kernreaktorunfall von Tschernobyl ereignete sich in der Nacht vom 25. auf den 26. April Es kam dabei zu einer nuklearen und chemischen Explosion des Reaktorkerns und einem mehrtägigen Brand des graphitmoderierten, wassergekühlten Siedewasserreaktors. Ursache hierfür waren ein Designfehler des Reaktors und ein Bedienungsfehler der Mannschaft, also menschliches Fehlverhalten. Dadurch kam es zu einer unkontrollierten Kettenreaktion. Aufgrund des offenen Reaktorkerns wurden alle Radionuklide freigesetzt, auch Strontium und Plutonium wurden in großen Mengen in der näheren Umgebung zur Anlage nachgewiesen. Durch den Unfall wurden große Teile der Ukraine, Weißrusslands und Europas kontaminiert, während es in Fukushima nur zu einer kleinräumigen Verfrachtung über Nordjapan und einer großräumigen über dem Pazifik kam. Hierbei wurden viele Radionuklide zurückgehalten. Es kam primär zur Freisetzung von Edelgasen, Iodund Cäsiumnukliden, wie man der nachfolgenden Abbildung entnehmen kann. Abbildung 6: Freisetzungen von Radionukliden Anhand des Diagramms sieht man, dass die Freisetzungen von radioaktiven Stoffen in Tschernobyl etwa um einen Größenordnung höher sind als in Fukushima. 10

11 Literatur [1] GRS Fukushima Daiichi 11. März 2011 Unfallablauf/ Radiologische Folgen, 2.Auflage 2013 [2] ROLF MICHEL SSK Klausurtagung, 2012 [3] VAHLBRUCH UND WALTHER, Schillerschule 2012, 2012 [4] ATW, Das schwere Tohoku- Seebeben in Japan und die Auswirkungen auf das Kernkraftwerk Fukushima Daiichi, 2011, Heft 4/5, April/Mai [5] L. MOHRBACH UND T. LINNEMANN Konsequenzen für die Aufräumarbeiten nach Seebeben und Tsnuami in Japan im März 2011, April 2012 [6] BUNDESAMT FÜR STRAHLENSCHUTZ Die Katastrophe im Kernkraftwerk Fukushima nach dem Seebeben vom 11. März 2011, März