Konsequenzen für die Aufräumarbeiten nach Seebeben und Tsunami in Japan im März 2011

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1 Konsequenzen für die Aufräumarbeiten nach Seebeben und Tsunami in Japan im März 2011 für das KKW Fukushima Daiichi Dr.-Ing. L. Mohrbach, Dipl.-Ing. T. Linnemann April 2012

2 Nord- Honshu Stromversorgungssystem Systemgrenze Automatic Shutdown March 11, :46 JST 50 Hz Nördlicher Inselbereich, 60 Hz Südlicher Inselbereich. Drei Frequenzumrichter mit begrenzter Gesamtleistung von nur etwa 1 GW. A Ausfall f ll zahlreicher hl i h kkonventioneller ti ll Kraftwerke durch das Seebeben. Units 2/4 18 Units Unit 1 Units 2/3/5/6 Shutdown or failure 60 H Hz 50 Hz Automatische Schnellabschaltung aller ll KKW (11 Blöcke, Blö k 4 St Standorte) d t ) im nordöstlichen Teil von Honshu. Gesamtleistung (Tepco): 60 GW Im März 2011 verfügbar: 50 GW Ausfall (Naturereignis): 19 GW Verbleibende Leistung: 31 GW Gesamtlast (Tepco): 41 GW Versorgungslücke: V lü k 10 GW VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 2

3 Nord-Honshu Satellitenaufnahmen Überlagerte Fotos, vor (2010) und am Tag nach der Naturkatastrophe Japanisches Meer Sendai Blau Wolken. Gelb funktionierende Beleuchtung vor und nach der Katastrophe. Rot Stromausfälle einen Tag nach der Katastrophe im Vergleich zu Daten aus dem Jahr Tokio Pazifik Grün Wolken über Regionen mit funktionierender Beleuchtung nach der Katastrophe oder keine Beleuchtung im Jahr 2010 (vor Katastrophe). Lichtspektrum: sichtbar und infrarot. Ausgedehnte Stromausfälle entlang der Nordostküste von Honshu. Etwa 4 Millionen Haushalte ohne Strom, 550 km 2 überflutet ( Bodensee). VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 3 Quelle: Nasa Earth Observatory, 2011

4 Tohoku-Seebeben Epizentrum 38,3 N und 142,4 O Entfernungen Onagawa 90 km F-Daiichi 160 km F-Daini 170 km Tokai 260 km Sendai 150 km Magnitude 9,0 (Maß für die am Epizentrum freigesetzte Energie) Energie). Intensität 11 (Maß für die Stärke der Erschütterungen an einem Ort, nach h jjapanischer i h Sk Skala: l 7). 7) VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 4 Quelle:GRS, 2011 F: Fukushima JST: Japan Standard Time (Ortszeit)

5 Tohoku-Seebeben Tektonik 83 mm/a Wassertiefe Z 3 bis 8 km Tiefe Hypozentrum ZH 25 bis 30 km Maximalversatz Dmax,H 17 bis 25 m 1) D Meeresbodenversatz DM < 15 m Rissgeschwindigkeit v 2 km/s Bruchfläche A 500 km 200 km Abschätzung des bewegten Wasservolumens: V A ¼ D 500 km 200 km 2,5 m = 250 km3 Vertikalversatz D 7 bis10 m Konsequenz: Plötzliche Verlagerung eines großen Wasservolumens (5 mal Bodensee) Tsunami. VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 5 Quelle: Dr. Hein Meidow, Köln, ) im tiefen Untergrund

6 Tohoku-Seebeben Beschleunigungen Fukushima Beschleunigung 1 ) in cm/s 2 Horizontal Vertikal 14:46 Uhr N-S O-W 11. März 2011 Daiichi Daiichi Daiichi Auslegungsüberschreitend 3D-Resultierende: g Daiichi Daiichi Daiichi Maximalbeschleunigungen in cm/s Auslösender Grenzwert 1 0,1 Auslegung Daini Daini Daini Daini Auslegung Resa 2 ) Gemessene Beschleunigungen g waren um bis zu 26 % höher als die Auslegungswerte für Fukushima Daiichi ( 10 % für Onagawa). VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 6 Quellen: Nied, Wano Tokio, Tepco 1 ) maximal, gemessen 2 ) Resa: Reaktorschnellabschaltung

7 Tohoku-Seebeben Meeresbodenverlauf 3D-Illustration vertikal gedehnt Spezielle Meeresbodentopologie plus Interferenz der Flutwellen. Lokal stark variierende Auftreffhöhen der Flutwellen an der Küste. VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 7 Quelle: National Oceanic Atmospheric Administration, 2011

8 Fukushima Daiichi Standort-Lageplan Fukushima Daiichi und Daini (10 Blöcke): 8946 MWe Weltweit größtes Kernkraftwerk (bis zum Unfall) Nr. Leistung Status t ) MWe Betrieb MWe Betrieb MWe Betrieb MWe Revision MWe Revision MWe Revision 1 ) vor dem Seebeben VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 8 Quelle: Tepco, 2011

9 Fukushima Daiichi Auftreffen einer Flutwelle Auftreffende Flutwelle 46 m Sieben Flutwellen, überlagerte Teilwellen. Schwere Beschädigungen an allen Einlaufbauwerken. 4 to 5 m Überflutungshöhe im Bereich der Blöcke 1 bis 4. Überflutung der Reaktorgebäude und Maschinenhäuser. VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 9 Quelle: Tepco, 2011

10 Fukushima Daiichi Flutwellen Nachfolgende Flutwellen: Überlagerung mehrerer Teilwellen VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 10 Quelle: Tepco, 2011

11 Fukushima Daiichi Flutwellen Überfluteter Schutzwall VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 11 Quelle: Tepco, 2011

12 Fukushima Daiichi Überflutung des Standortes VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 12 Quelle: Tepco, 2011

13 Fukushima Daiichi Überflutung des Standortes Gebäude und Komponenten neben Block 4 Ortszeit 15:42 15:43 15:44 Zerstörtes Tor ~ 15:46 15:57 VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 13 Quelle: Tepco, 2011

14 Überflutung der Pumpen im Maschinenhaus Quelle: IEEE Spectrum VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 14

15 Fukushima Daichi Höhenprofil Höhenangaben Schutzwall gegen Flutwellen Ursprüngliche Auslegung g maximale Wellenhöhen von 3,1 m Nachbesserung 2002 maximale Wellenhöhen von 5,7 m Sicherheitsreserve 4,3 m durch Geländehöhe von 10 m VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 15 Quelle: Janti, 2011

16 Fukushima Daichi Schäden Vor Tsunamis Nach Tsunamis und H 2 -Explosionen Schweröltanks Fehlende Tanks Verlagerter Tank? VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 16 Quelle: Wano Barrwood, 2011

17 Fukushima Daichi Schäden Abluftkamin Intaktes Tepco-Logo Überflutung bis zu dieser Linie Beschädigtes Tor Pumpen Offenes Tor Kabeltunnel l Einlauf VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 17 Quelle: Janti, Digital Globe, 2011

18 Fukushima Daichi Schäden Trümmer Meerwasserpumpen p Auto Trümmer Mit kontaminiertem Wasser gefüllte Schächte und Kabelkanäle VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 18 Quelle:

19 Fukushima Daichi Design von Block 1 Abklingbecken Beckenflur Stahlhüllkonstruktion Reaktorgebäude Betoncontainment Reaktordruckbehälter Reaktor-Design: BWR-3 Containment-Design: Mark-I Primäres Containment Drywell Kondensationskammer Wetwell VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 19 Quelle:NRC, General Electric,

20 Sicherheitssysteme zur Druckentlastung RDB-Sicherheitsventile Containment-Venting Luft Sicherheitsventil Abluftkamin Dampf Wasser Filter Abluftrohre SGTS V til Ventil N2 Bypass Berstscheibe Abluftpfad p mit "gehärteten" g Rohren für hohe Drücke (Störfallbedingungen) VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 20 RDB: Reaktordruckbehälter, SGTS: Standby Gas Treatment System

21 Prinzipieller Unfallablauf Luft Komplettausfall der externen Stromversorgung g g ((Erdbeben). ) Komplettausfall der Notstromdiesel und Batterien (Tsunami). Sicherheitsventil Ausdampfen der Reaktorkerne durch die Nachzerfallswärme. Sinkende Wasserspiegel in den Reaktoren. Abblasen von Wasserdampf über Sicherheitsventile in die Kondensationskammer. N2 Dampf Temperatur- und Druckanstieg in der Kondensationskammer. VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 21

22 Druckentlastung des Contaiments Druckentlastung von Hand Vorteile Abgabe von Energie Energie, Druckabbau auf 4 bar. Nachteile Freisetzung von H2, Edelgasen und geringen Aerosolmengen (z.b. Iod und Cäsium 0,1 %). Möglichkeit von H2-Explosionen bei Leckagen im Gebäude bei Versagen des Venting-Systems. Leckagen? H2 N2 FP VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 22

23 Fukushima Daichi Kurzfassung Unfallablauf Blöcke 1 bis 4 Keine H2-Rekombinatoren für Unfallbedingungen (alle Blöcke), Wasserstoffexplosionen im Beckenflurbereich (1, 3, 4), zerstörte Leichtbauwände im Beckenflurbereich (1, 3, 4), weitgehend intakte Betonstrukturen, partielle Kernzerstörungen (1 bis 3). ausdampfende Lagerbecken (alle). H2 N2 FP Block 4 VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 23

24 Unfallablauf: Explosion Block 4 Explosion und Feuer im unteren Teil des Stahlbetongebäudes, obwohl kein Brennstoff im Reaktor war! Wasserstoff? Zündquelle? VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 24

25 Luftaufnahme März 2011 Abluftkamin Abluftrohr Rohrbruch 3 4 Vermuteter H 2 - Freisetzungspfad aus Block 3 in das Reaktorgebäude von Block 4 Kabel und Feuerwehrschläuche VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 25 Source:

26 Wiederauffüllen der Lagerbecken 150 t Meerwasser am 22. März per Putzmeister-Betonpumpe von oben ins Lagerbecken von Block 4 (3 Stunden lang, später wiederholt). Nennkapazität 120 t/h, 58 m langer Ausleger, 12 Personen, fernbedient VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 26 Quelle: Tepco, 22. März 2011

27 Kamerainspektion Lagerbecken Block 4 (via Betonpumpe) VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 27 Quelle: Tepco, April 28, 2011

28 Ausfall Lagerbeckenkühlung durch Siphoning? Konstruktion: Becken ohne Wanddurchdringungen. Wasserstandskontrolle per Skimmer Tank. Pumpe startet füllstandsabhängig. U-förmige Speiseleitung. Strömungsrichtung Lagerbecken Skimmer Tank Potenzieller Kühlmittelverlust:. Erdbeben: Sloshing + Wiederauffüllen Tsunami: Ausfall aller Pumpen und Ventile Fehlfunktion von Rückschlagventilen Offenes Sytem nach unten Gravitationsbedingte Rückströmungen: Siphoning. Gleichzeitiges Leersaugen aller vier Becken, beschleunigt in Block 4 wegen höherer Leistung. Stop nach Explosionsvakuum auf Beckenflur wegen Dampfbildung im U VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 28 Beckenkühlpumpe Rohrleitungen zu Wassertanks und anderen Nach- und Notkühlsystemen unterhalb des Abklingbeckens Quelle: sim.de, Christoph Müller, 15. August 2011

29 Überprüfung Anti- Siphoning in Frankreich: INES-2 VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 29

30 Computerberechnungen zu Kernschäden Ergebnisse Coderechnungen (MAAP, MELCOR) Block 1 Blöcke 2 und 3 RDB RDB Wasser Sprühsystem Wasser Geschmolzen, Erstarrt t Oi Originalkerngeometriei ti VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 30

31 Fragen Ist Fukushima Daiichi eine Frage des Restrisikos der Kernenergie? Datum Zielregion Erdbeben 1 ) Tsunami 2 ) Japan M = 9,0 23 m Kurilen M = 8,3 11 m Japanisches Meer M = 7, m Noshiro M = 7, m Kii-Halbinsel M = 8,1 10 m Schon Erdbeben mit geringen Magnituden Sanriku M = 8,4 30 m von 7,4 bis 7,5 können große Tsunamis mit Tokaido M = 7,9 12 m Amplituden von mehr als 10 m auslösen! Kurilen M = 8,2 12 m Sanriku M = 7,6 38 m Nankaido M = 8,4 28 m Kurilen M = 7,5 12 m Ryukyu-Inseln M = 7,4 85 m Japan M = 8,4 11 m Tokaido-Kashima M = 8,2 10,5 m Sanriku M = 8,0 25 m Nankaido M = 8,6 17 m Tatsächliche Auslegungsbasis M 7,4 > 10 m Analyse historischer Daten 16 große Tsunamis mit maximalen Amplituden von mindestens 10 m in den letzten 513 Jahren. Tatsächliche Häufigkeit 16 1 f = 0,0312 a a 30 a Somit muss (irgendwo in Japan) alle etwa 30 Jahre mit einem großen Tsunami gerechnet werden! Standortspezifische Häufigkeit Abhängig von der Topografie etc. etwa alle 100 bis Jahre. Nein, es wurde vielmehr ein hohes spezifisches Risiko unterschätzt! VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 31

32 Wie konnte es dazu kommen? Ausgabe vom 26. März 2011 Japanese Rules for Nuclear Plants Relied on Old Science By NORIMITSU ONISHI and JAMES GLANZ 1) Viertältester t Standort t in Japan (sechziger Jahre). 2) Deterministische Erdbebenauslegung (Faktor 3 zu Normalgebäuden). 3) Bemessungs-Tsunami: Chile 1960 Magnitude 9,4 Höhe in Japan 3 m. 4) Anlagenauslegung: 5,7 m (Molen gegen Taifune), 10 m Höhe über Meer. 5) Noch nie hat ein Tsunami ein Kernkraftwerk getroffen. 6) 1981 Aufsichtsbehörde Nisa passt Erdbebenauslegung an (nicht Tsunami). 7) 1995 Erdbeben Kobe: Sitzungen von Betreibern boykottiert. 8) 2002 Japan Society of Civil Engineers: Tsunami-Richtlinien für KKW. 9) 2006 erste neue Tsunami- Betrachtung, immer noch keine Probabilistik, aber: VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 32 Quelle: New York Times, 26. März 2011

33 In Vergessenheit geratene, historische Warnhinweise Hunderte Markierungssteine Bau nicht unterhalb dieses Steins! Bei Erdbeben, achte auf Tsunamis! Publikation in den 1980er Jahren Yogan-Erdbeben im Jahr 869. Großer Tsunami mit Überflutung mehrerer Kilometer landeinwärts, nördlich von Fukushima Daiichi. Warnung der Autoren, dass ein großer Tsunami in dieser Region zu erwarten und überfällig ist. VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 33 Quelle: AP, Spiegel Online, 19. April 2011

34 Geplante Schutzmaßnahmen Anforderungen der japanischen Aufsichtsbehörde (Nisa) Verbesserung der Notfallmaßnahmen (Notstromdiesel, Stromkabel...) Neue Überflutungsbarrieren mit wasserdichten Türen. Nach Umsetzung der Tsunami-Schutzmaßnahme KKW Kashiwazaki Kariwa Status quo Neue Barriere Neue Barriere Neue wasserdichte Türen 12 m hoch VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 34 Quelle: Tepco, 2011 Nisa: Nuclear and Industrial Safety Agency, KKW: Kernkraftwerk

35 INES- Einstufung ab 11. April 2011 Fukushima Daiichi Block INES-Level nicht bewertet 6 nicht bewertet Fukushima Daini Block INES-Level nicht bewertet 4 3 INES 7 wegen der kumulierten Freisetzung ( 1/10 Tschernobyl) VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 35

36 Opfer in Fukushima Lineare Dosis-Wirkungsbeziehung (konservative ICRP-Empfehlung) 200 msv = ein zusätzlicher, später Krebssterbefall unter 100 Erwachsenen. Vorläufige Angaben bis Mitte Juli Tote 1 in Daini Erdbeben bedingt, 2 in Daiichi zunächst vermisst, am 3. April 2011 tot aufgefunden (Tsunami), 1 in Daiichi kollabiert bei Aufräumarbeiten (älter als 60 Jahre). 20+ Personen verletzt (hauptsächlich durch Wasserstoffexlosionen). 88 Personen mit Strahlendosen von 100 bis 150 msv (inklusive 3 Arbeiter, die am 1. April 2011 versucht hatten, im überfluteten Block Daiichi-2 Kabel zu verlegen). 14 Personen mit 150 bis 200 msv, 3 Personen mit 200 bis 250 msv, 6 Personen mit mehr als 250 msv (Maximaldosis: 670 msv), 3538 Arbeiter im März (April: 3254, Mai: 4772, bis September: 18000). VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 36

37 Radiologische Auswirkungen Zusammenfassung zu Strahlendosen: 9 Personen mit 200 bis 670 msv, 102 Personen mit 100 bis 200 msv, alle anderen Personen weniger als 100 msv. Was bedeutet das für die Gesundheit der Arbeiter? Natürliches Krebssterberisiko der Gesamtbevölkerung: 25 % Krebssterberisiko der rauchenden Bevölkerung: 35 % Das Krebssterberisiko b ik der Raucher ist um 10 % höher! Erhöhtes Krebssterberisiko nach linearer Dosis-Wirkungsbeziehung: 200 msv: + 1 % 670 msv: +34% 3,4 VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 37

38 Beispiele für weitere Maßnahmen 11. September 2011: Zusätzliches Kühlsystem für Block Juli 2011: Neue Umhüllung für Block September 2011 VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 38

39 Wasser Management VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 39

40 Grundwasser Neue Spundwand (Okt. 2011) Betonierung Hafenboden (Feb. 2012) Existierende Wand Abschirmwand VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 40

41 Dekontaminierungsmassnahmen VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 41

42 Evakuierungszonen und Strahlenpegel in 1m Höhe Wiederfreigabe der km- Zone am 1. Oktober 2011 Ständiger Aufenthalt in den roten und gelben Bereichen: > 20 msv/a (Grenzwert) VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 42

43 Dekontaminationstechniken Strippable paint High- pressure washing Surface chipping Self-propelled brushing VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 43

44 Unterwasser- Inspektion Block 4, März Brennelemente, davon 548 aus dem letzten Kern (ausgeladen Ende 2011) Wiedereinladen der 548 Brennelemente in den Reaktor? VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 44

45 Kontaktdaten Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr.-Ing. Ludger Mohrbach Dipl.-Ing. Thomas Linnemann VGB PowerTech e.v. Klinkestraße 27-31, Essen, Germany Telefon: +49-(0) (Zentrale) Telefax: +49-(0) Vertretungsberechtigter Vorstand: Prof. Dr. Gerd Jäger Registergericht: Amtsgericht Essen Registernummer: VR VGB PowerTech e.v. Das Ereignis in Fukushima Folie 45