Seite 2: Kernschmelze

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Partielle Kernschmelze und Wasserstoffexplosionen

Das radioaktive Isotop Cäsium 137 ist eines der Spaltprodukte von Uran 235, dessen Kern in einen schwereren (Massenzahl um 140) und einen leichteren Trümmerkern (Massenzahl um 95) zerfällt. Die Spaltprodukte sind im Normalfall in den Brennstäben eingeschlossen und können aus diesen nicht austreten. Sind die Brennstäbe jedoch nicht mehr vollständig von Wasser bedeckt, passieren drei Dinge. Bei etwa 1100 Kelvin platzen die Brennstabhüllen aus der Legierung Zircaloy auf. Dabei gelangen Spaltprodukte direkt in das Wasser-Dampf-Gemisch im Reaktorkern.

Bei etwa 1500 Kelvin reagiert das Zirkonium im Zircaloy (Anteil: ca. 90 Prozent) dann mit dem umgebenden Wasserdampf in einer so genannten Hydrationsreaktion: Es entsteht freier Wasserstoff, während das Zirkonium allmählich oxidiert – dabei wird zudem weitere Wärme frei, da die Reaktion exotherm verläuft. Der Druck im Reaktordruckbehälter steigt also weiter. Die Spaltprodukte gelangen bereits in den Wasserdampf, der sie, wenn er zur Druckentlastung abgelassen wird, aus dem Containment, dem Sicherheitsbehälter um den Reaktordruckbehälter, heraus transportiert. Auch der Wasserstoff gelangt so nach außen – und explodiert später unter dem Dach des Reaktorhauses von Block 1.

Der Reaktortyp Mark 1 wurde übrigens schon in den 1970er Jahren von Fachleuten heftig kritisiert. 1972 empfahl Stephen Hanauer von der Atomic Energy Commission, den Mark 1 wegen Konstruktionsmängeln des Containments nicht mehr zu genehmigen. Eine Analyse der Nuclear Regulatory Commission kam 1985 zu dem Schluss, dass es im Falle einer Kernschmelze "ziemlich wahrscheinlich" sei, dass das Containment binnen weniger Stunden wegen des enormen Überdrucks berste. Die Sicherheitsbehälter der Mark 1-Reaktoren mussten in der Folge – jedenfalls in den USA – mit einem Notfallventil nachgerüstet werden, um zu hohen Innendruck ablassen zu können. Auf diesem Weg könnte das Wasserstoffgas in die Reaktorhäuser gelangt sein.

Weil die Oxidation von Zirkonium die Stäbe rasant weiter aufheizt, kann die Temperatur binnen weniger Minuten auf 2150 Kelvin steigen, den Schmelzpunkt von Zirkonium. Dies ist der Beginn der Kernschmelze. Dieser mögliche Verlauf ist eigentlich seit dem Atomunfall von Harrisburg bekannt. Zircaloy wird jedoch wegen seiner "guten Materialeigenschaften" noch immer weltweit als Rohrmaterial für Brennelemente verwendet, bestätigt Professor Marco Koch, Reaktor-Experte der Ruhr-Universität Bochum.

Der Begriff "Kernschmelze" ist ein wenig unscharf und wird in verschiedenen Zusammenhängen unterschiedlich verwendet. Wissenschaftler der Abteilung Nukleartechnik am MIT haben in einem inzwischen viel zitierten Blog Posting darauf hingewiesen, dass der eigentliche Kernbrennstoff – das Uranoxid – in Form von keramischen Pellets vorliegt, die erst bei etwa 2800 Grad Celsius schmelzen. Verlässliche Angaben über die Temperatur in den Reaktorkernen liegen zu diesem Zeitpunkt jedoch nicht vor.

Unabhängig davon wird das Eintreten der Kernschmelze von den Verantwortlichen zunächst bestritten. Am Montag Abend, 14. März, räumt die japanische Nuclear und Industrial Safety Agency ( NISA) dann jedoch ein, dass nur eine Kernschmelze die Wasserstoff-Explosion verursacht habe könne. Dabei kann es sich allerdings nur um eine teilweise Kernschmelze handeln, weil die Brennstäbe in Block 1 nach Angaben der japanischen Zeitung Asahi noch zu 1,70 Meter – weniger als die Hälfte – mit Wasser bedeckt waren.

Bei einer Kernschmelze sammelt sich im unteren Bereich des Reaktordruckbehälters eine Pfütze aus sehr heißem, flüssigen Metall. Der Stahl des Reaktordruckbehälters selbst schmilzt typischerweise bei etwa 1700 Grad Celsius - allerdings fängt er, wegen des hohen Innendrucks schon bei einer kritischen Temperatur von rund 700 Grad Celsius an zu kriechen. Bei dieser Verformung besteht die Gefahr, dass die Wand so dünn wird, dass sie an einer Stelle reißt. Wissenschaftler der TU Dresden haben aus der Computersimulation einer Kernschmelze geschlossen, dass ein solches Szenario ohne eine Außenkühlung des Reaktordruckbehälters nicht mehr zu beherrschen ist. Ob eine solche Außenkühlung seit Samstag Abend (12.3.) mit Meerwasser vorgenommen wurde, ist zur Zeit jedoch unklar. Dennoch kann nicht ausgeschlossen werden, dass der Druckbehälter in einem der Blöcke bereits beschädigt ist.

Diese Sequenz der Ereignisse in Block 1 wiederholt sich auch in den anderen beiden Blöcken: In Block 3 kommt es am Montag um 11:01 Uhr Ortszeit (NISA) zu einer Wasserstoff-Explosion, in Block 2 am Dienstag um 6:10 Uhr. Besonders heikel ist die Situation in Block 2: Trotz Einspeisen von Meerwasser liegen die Brennstäbe dort am frühen Dienstag morgen, 15. März, fast völlig frei, wie die japanische Tageszeitung Nikkei berichtet. TEPCO gibt bekannt, dass bei der Explosion das Containment beschädigt worden sei, so dass radioaktives Gas von dort nach außen entweichen könne.

Sorgen macht manchen Experten zudem, dass der Reaktor 3 mit so genannten Mischoxid-Brennelementen (MOX) betrieben wird. Die enthalten neben Uran auch reaktortaugliches Plutonium 239 und Plutonium 241. Anders als Uran 235 lässt sich Plutonium sehr gut durch ungebremste, schnelle Neutronen spalten. In einer Brennelement-Schmelze könnten also Zonen entstehen, in denen die kritische Masse wieder überschritten wird und erneut eine Kettenreaktion einsetzt. Wie groß die Gefahr einer solchen „Rekritikalität“ ist, darüber sind sich die Experten uneinig.

Am Mittwoch, den 16. März, eskaliert die Situation in den Reaktordruckbehältern der Blöcke 1, 2 und 3 zwar nicht weiter. Wie die von der NISA täglich veröffentlichten Daten in der untenstehenden Tabelle zeigen, ist die Lage in den Reaktoren weit entfernt von der Normalität. Zum Vergleich: In Block 1 von Fukushima II Daini liegt der Wasserspiegel elf Meter über dem oberen Ende der Brennstäbe – in Fukushima I ist es bisher nicht gelungen, mehr Wasser in den Druckbehälter zu pumpen. Beunruhigend sind vor allem die Druckverhältnisse in Block 1 – der Innendruck des Druckbehälters würde in einem ordnungsgemäß heruntergefahrenen Reaktor wie Fukushima II Daini Block 1 bei einem bar liegen.

Parameter	Einheit	Fukushima I Block 1	Fukushima I Block 2	Fukushima I Block 3
Innendruck des Reaktor- kessels	bar(= 100 kPa = 0,1 MPa)	2,95 (18.3. 22:00) 3,06 (19.3. 16:50) 2,88 (20.3. 15:00) 2,99 (21.3. 14:25) 3,17 (22.3. 15:30) 4,81 (23.3. 16:00) 5,40 (24.3. 17:00) 4,53 (25.3. 16:30) 4,81 (26.3. 13:00) 5,17 (27.3. 09:00)	0,96 (18.3. 22:00) 0,92 (19.3. 16:30) 0,85 (20.3. 15:00) 0,78 (21.3. 14:25) 0,79 (22.3. 15:30) 0,65 (23.3. 14:00) 0,65 (24.3. 17:00) 0,85 (25.3. 14:00) 0,74 (26.3. 13:00) 0,83 (27.3. 0:00)	1,17 (18.3. 22:00) 1,87 (19.3. 17:25) 2,63 (20.3. 16:00) 1,46 (21.3. 14:55) 1,37 (22.3. 10:35) 1,35 (23.3. 09:10) 1,39 (24.3. 18:00) 1,37 (25.3. 16:10) 1,39 (26.3. 11:15) 1,33 (27.3. 10:10)
Wasserstand, gemessen vom oberen Ende der Brennstäbe	Meter	-1,80 (18.3. 22:00) -1,75 (19.3. 16:50) -1,75 (20.3. 15:00) -1,75 (21.3. 14:25) -1,80 (22.3. 15:30) -1,75 (23.3. 16:00) -1,65 (24.3. 17:00) -1,65 (25.3. 16:30) -1,65 (26.3. 13:00) -1,65 (27.3. 09:00)	-1,40 (18.3. 22:00) -1,30 (19.3. 16:30) -1,40 (20.3. 15:00) -1,35 (21.3. 14:25) -1,30 (22.3. 15:30) -1,25 (23.3. 14:00) -1,40 (24.3. 17:00) -1,40 (25.3. 14:00) -1,20 (26.3. 13:00) -1,20 (27.3. 09:00)	-2,30 (18.3. 22:00) -2,30 (19.3. 17:25) -2,00 (20.3. 16:00) -2,03 (21.3. 14:55) -2,35 (22.3. 10:35) -2,30 (23.3. 09:10) -2,30 (24.3. 18:00) -2,30 (25.3. 16:10) -2,30 (26.3. 11:15) -2,30 (27.3. 10:10)
Innendruck des Sicherheits- behälters (Contaiment)	bar	1,80 (18.3. 22:00) 1,80 (19.3. 16:50) 1,70 (20.3. 15:00) 1,60 (21.3. 14:25) 1,75 (22.3. 15:30) 3,60 (23.3. 16:00) 4,00 (24.3. 17:00) 2,75 (25.3. 16:30) 2,75 (26.3. 13:00) 2,70 (27.3. 09:00)	1,40 (18.3. 22:00) 1,35 (19.3. 16:30) 1,25 (20.3. 15:00) 1,20 (21.3. 14:25) 1,10 (22.3. 15:30) 1,10 (23.3. 14:00) 1,10 (24.3. 17:00) 1,20 (25.3. 14:00) 1,10 (26.3. 13:00) 1,10 (27.3. 09:00)	1,60 (18.3. 22:00) 2,10 (19.3. 17:25) 2,90 (20.3. 16:00) 1,10 (21.3. 14:55) 1,00 (22.3. 10:35) 1,00 (23.3. 09:10) 1,07 (24.3. 18:00) 1,08 (25.3. 16:10) 1,07 (26.3. 11:15) 1,08 (27.3. 10:10)