Kernschmelze

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Kernschmelze
Geschmolzener Reaktorkern beim Three-Mile-Island-Unfall.
1. 2B-Anschluss
2. 1A-Anschluss
3. Hohlraum
4. lose Bruchst√ľcke des Kerns
5. Kruste
6. geschmolzenes Material
7. Bruchst√ľcke in unterer Kammer
8. mögliche Uran-abgereicherte Region
9. zerst√∂rte Durchf√ľhrung
10. durchlöcherter Schild
11. Schicht aus geschmolzenem Material auf Oberflächen der Bypass-Kanäle
12. Beschädigungen am oberen Gitter

Als Kernschmelze bezeichnet man einen schweren Unfall in einem Kernreaktor, bei dem sich einige (‚Äěpartielle Kernschmelze‚Äú) oder alle Brennst√§be im Reaktorkern √ľberm√§√üig erhitzen und schmelzen.

Von der Gefahr einer Kernschmelze sind grunds√§tzlich alle zur kommerziellen Stromerzeugung eingesetzten Atomreaktortypen betroffen. Eine Kernschmelze kann auftreten, wenn die Reaktork√ľhlung ausf√§llt. Die Nachzerfallsw√§rme ‚Äď sie entsteht nach Unterbrechung der Kernspaltung unvermeidlich ‚Äď bewirkt dann, dass die Brennelemente sich stark erhitzen. Wenn sie nicht gek√ľhlt werden, schmelzen sie und tropfen auf den Boden des Reaktors.

Bei einem solchen Unfall kann hochradioaktives Material unkontrolliert aus dem Reaktor in die Umgebung gelangen und Mensch und Umwelt gef√§hrden ‚Äď ein Unfall, den man als Super-GAU bezeichnet.

Das in der Kernschmelze entstehende Schmelzgut wird als Corium bezeichnet.[1]

Inhaltsverzeichnis

Ablauf einer Kernschmelze

Störfälle

Eine Kernschmelze kann eintreten, wenn die von den Brennst√§ben erzeugte W√§rmeleistung nicht mehr abgeleitet werden kann. St√∂rf√§lle, die zu einer Kernschmelze f√ľhren k√∂nnen, sind:

Die Reaktion eines Reaktors auf St√∂rf√§lle h√§ngt stark von der Bauform ab. Von der Bauform h√§ngt zum Beispiel ab, ob bei einem St√∂rfall die Kettenreaktion zum Erliegen kommt oder nicht. Wichtig ist hier die Verteilung von Kernbrennstoff, K√ľhlmittel und Moderator. Der Moderator bremst die bei der Kernspaltung frei werdenden Neutronen ab. Ohne Moderator w√§ren die Neutronen viel zu schnell, um in niedrig angereichertem Kernbrennstoff weitere Kernspaltungen auszul√∂sen.

  • Druckr√∂hrenreaktoren verwenden oft Graphit als Moderator. Ein Graphitblock umschlie√üt Druckr√∂hren, in denen sich die Brennst√§be und das K√ľhlmittel Wasser befinden. Da K√ľhlmittel und Moderator hier voneinander getrennt sind, f√ľhrt ein Verlust des K√ľhlmittels nicht zu einer Beendigung der Kettenreaktion. Bei einem Verlust des K√ľhlmittels steigt sogar die Anzahl der Neutronen, die eine Kernspaltung bewirken k√∂nnen, sodass sich die durch die Kernspaltung erzeugte Leistung extrem erh√∂hen kann (positiver Dampfblasenkoeffizient).
  • Brutreaktoren verwenden h√∂her angereicherten Kernbrennstoff und als K√ľhlmittel meist Natrium. Hier ist kein Moderator zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion erforderlich. Auch hier f√ľhrt ein Verlust des K√ľhlmittels nicht zu einer Beendigung der Kettenreaktion, auch hier steigt dann die Leistung an (positiver Dampfblasenkoeffizient).

Aber auch wenn ein Reaktor abgeschaltet werden kann und die Kettenreaktion zum Erliegen kommt, ist das Risiko einer Kernschmelze damit noch nicht beseitigt. W√§hrend des Betriebes des Reaktors entstehen ca. 6,5 % der Leistung aus dem radioaktiven Zerfall der Spaltprodukte, die bei der Kernspaltung entstehen (Nachzerfallsw√§rme)[2]. Ein Reaktor mit 1300 MW elektrischer Leistung erzeugt knapp 4000 MW W√§rmeleistung im Reaktorkern. Ca. 260 MW dieser Leistung stammen aus der Nachzerfallsw√§rme. Die Nachzerfallsw√§rme sinkt im Laufe der Zeit. Eine Stunde nach dem Abschalten des Reaktors betr√§gt die Nachzerfallsw√§rme noch ca. 1,6 % der W√§rmeleistung (65 MW), einen Tag nach dem Abschalten noch 0,8 % (32 MW), selbst mehrere Monate nach dem Abschalten wird noch ca. 0,1 % der Leistung (4 MW) aus dem Zerfall der Spaltprodukte erzeugt. Diese Leistung muss abgef√ľhrt werden. Gelingt dies nicht, heizt sich der Reaktorkern immer weiter auf, bis er schlie√ülich schmilzt.

Beispiel: Kernschmelze durch K√ľhlungsausfall bei einem Leichtwasserreaktors

F√§llt die K√ľhlung aus (z. B. Ausfall der Notstromversorgung w√§hrend eines Stromausfalls im √∂ffentlichen Netz), kann sich etwa folgendes Szenario abspielen[3] [4]

√úberdruck

Bei einem K√ľhlungsausfall kann die im Reaktorkern erzeugte W√§rme nicht mehr abtransportiert werden. Auch wenn es gelingt, den Reaktor abzuschalten, reicht die Nachzerfallsw√§rme aus, um den Reaktorkern stark aufzuheizen.

  • Steigt die Temperatur im Reaktorkern √ľber die normale Betriebstemperatur, steigt der Druck im Reaktordruckgef√§√ü an. Dieser Druckanstieg kann Werte erreichen, die die Stabilit√§t des Reaktordruckgef√§√ües gef√§hrden. Um ein Bersten des Reaktordruckgef√§√ües zu verhindern, muss Druck aus dem Reaktordruckgef√§√ü in das umgebende Containment abgelassen werden. Da die W√§rmeproduktion aus dem Zerfall der Spaltprodukte anh√§lt, werden immer wieder kritische Dr√ľcke im Reaktordruckgef√§√ü erreicht, so dass immer wieder Druck in das Containment abgelassen werden muss.
  • Hierdurch steigt der Druck im Containment. Bei mehrmaligem Druck-Ablassen aus dem Reaktordruckgef√§√ü k√∂nnen im Containment kritische Druckwerte entstehen, die die Stabilit√§t des Containments gef√§hrden. Somit muss auch aus dem Containment Druck abgelassen werden. Abh√§ngig vom Bautyp des Reaktors erfolgt das Druckablassen entweder in ein umgebendes Reaktorgeb√§ude oder direkt in die Atmosph√§re (Venting).
  • Durch das Druckablassen aus dem Reaktordruckgef√§√ü (Venting), geht K√ľhlwasser verloren. Wenn es nicht gelingt, K√ľhlwasser nachzuspeisen, sinkt der Pegel des K√ľhlmittels im Reaktordruckgef√§√ü. Dies kann schlie√ülich dazu f√ľhren, dass die Brennst√§be nicht mehr vollst√§ndig mit Wasser bedeckt sind, so dass der obere Bereich der Brennst√§be aus dem K√ľhlwasser hervorragt und nur noch von Wasserdampf umgeben ist. Wasserdampf f√ľhrt W√§rme wesentlich schlechter ab als fl√ľssiges Wasser. Somit heizen sich die Brennst√§be in diesem Bereich besonders stark auf.

Entstehung von Wasserstoff

  • Werden in den freiliegenden Brennstab-Bereichen Temperaturen von √ľber 900 ¬įC erreicht, nimmt die Festigkeit der Brennstabh√ľllrohre ab. Die Brennst√§be beginnen zu bersten. Gasf√∂rmige und leicht fl√ľchtige radioaktive Spaltprodukte entweichen aus den Brennst√§ben in das Reaktordruckgef√§√ü. Muss weiterhin Druck aus dem Reaktordruckgef√§√ü und aus dem Containment abgelassen werden, gelangen verst√§rkt radioaktive Stoffe in die Umwelt.
  • Die H√ľllrohre der Brennst√§be bestehen aus einer Zirkonium-Legierung. Bei Temperaturen oberhalb von 1000 ¬įC f√§ngt das Zirkonium an, mit dem umgebenden Wasserdampf zu reagieren. Es bildet sich Zirkoniumoxid und Wasserstoff. Diese chemische Reaktion ist exotherm, das hei√üt, es wird hierdurch zus√§tzliche Energie frei, die die Brennst√§be aufheizt. Bei steigender Temperatur nimmt die Reaktion an St√§rke zu, die Wasserstoffproduktion steigt.
  • Durch die zus√§tzliche Aufheizung des Wasserdampfs und die Bildung von Wasserstoff steigt der Druck im Reaktordruckgef√§√ü erheblich an. Um das Reaktordruckgef√§√ü nicht zu besch√§digen, muss dieser √úberdruck in das Containment abgegeben werden. Wegen des Berstens der Brennst√§be ist die Konzentration gasf√∂rmiger und leichtfl√ľchtiger Spaltprodukte im K√ľhlwasser angestiegen und damit steigt beim Druck-Ablassen auch die radioaktive Belastung im Containment.
  • Durch das Ablassen von wasserstoffhaltigem Wasserdampf in das Containment, besteht die Gefahr, dass sich aus dem Wasserstoff und dem im Containment vorhandenen Luftsauerstoff ein z√ľndf√§higes Knallgas-Gemisch bildet. Kommt es zu einer Explosion dieses Knallgas-Gemisches, kann nicht nur das Containment, sondern auch das Reaktordruckgef√§√ü besch√§digt werden. Aus diesem Grund ist bei einigen Reaktortypen das Containment mit einem sauerstofffreien Schutzgas ausgef√ľllt. Auch wenn eine Knallgas-Explosion im Containment vermieden werden kann, steigt durch das Ablassen des wasserstoffhaltigen Dampfes der Druck im Containment, so dass kritische Druckwerte erreicht werden k√∂nnen.
  • L√§sst man den √úberdruck aus dem Containment ab, steigt einerseits die radioaktive Belastung der Umgebung, da wegen der berstenden Brennst√§be verst√§rkt radioaktive Substanzen ins Containment gelangen. Andererseits kommt au√üerhalb des Containments der Wasserstoff mit dem Luftsauerstoff in Ber√ľhrung. Es kann zu der Bildung eines explosionsf√§higen Knallgas-Gemisches kommen und in der Folge zu Wasserstoff-Explosionen.

Zerstörung der Brennelemente

  • Steigt die Temperatur der frei liegenden Brennstab-Enden weiter an, so bersten ab 1170 ¬įC die Brennst√§be in verst√§rktem Ma√üe. Die Freisetzung von Spaltprodukten in den Reaktorkern erh√∂ht sich. Ebenso intensiviert sich mit steigenden Temperaturen die Bildung von Wasserstoff an den H√ľllrohren der Brennst√§be, ab Temperaturen von 1270 ¬įC wird sie relativ stark, mit der Folge, dass Wasserstoff- und Spaltprodukt-haltiger Dampf h√§ufiger in das Containment abgelassen werden muss, Da die Reaktion der Brennstabh√ľllen mit dem Wasserdampf zus√§tzliche W√§rme erzeugt, beschleunigt sich die Aufheizung der Brennst√§be.
  • Ab Temperaturen zwischen 1210 ¬įC und 1450 ¬įC beginnen die Steuerst√§be zu schmelzen. Neutronen k√∂nnen hier nun nicht mehr abgefangen werden. Eine Kettenreaktion unterbleibt nur deshalb, weil in diesen Bereichen das Wasser verdampft ist und somit kein Moderator mehr vorliegt.
    W√ľrde es jetzt gelingen, wieder mehr Wasser in den Reaktordruckbeh√§lter einzuspeisen, m√ľsste dringend darauf geachtet werden, dass dieses Wasser mit gen√ľgend Neutronen-abfangenden Stoffen wie Bor versetzt ist. Denn durch eingespeiste Wasser st√ľnde wieder ein Moderator zur Verf√ľgung, wegen der geschmolzenen Steuerst√§be w√§re aber kein Neutronenabsorber mehr vorhanden. Ohne Bor-Beimischung w√ľrde die Kettenreaktion unkontrolliert beginnen, mit der Gefahr, dass hierdurch der Reaktorkern st√§rker besch√§digt oder gar zerst√∂rt wird.
    Ist im unteren Bereich des Reaktorkerns noch fl√ľssiges Wasser vorhanden, verfestigt sich hier die Steuerstabschmelze wieder.
  • Ab Temperaturen von ca. 1750 ¬įC beginnen die H√ľllrohre der Brennst√§be zu schmelzen. Die Pellets mit Kernbrennstoff, die sich im Inneren der Brennstabrohre befinden, k√∂nnen dann frei werden und sich zusammen mit den geschmolzenen Brennstabh√ľllen nach unten bewegen. Kommt das geschmolzene Brennstab-Material in k√ľhlere Bereiche, z. B. in das weiter unten noch vorhandene Wasser, kann es sich wieder verfestigen.
  • Ab Temperaturen von ca. 2250 ¬įC werden die Strukturen der Brennelemente zerst√∂rt, Brennstoff-Pellets, geschmolzene H√ľllrohre und alle weiteren Brennelement-Materialien sind nicht mehr stabil und fallen nach unten. Diese Brennelement-Tr√ľmmer sammeln sich auf noch stabilen Brennelement-Teilen, die noch im Wasser stehen, bzw. fallen auch ganz nach unten auf den Boden des Reaktordruckgef√§√ües. Kernbrennstoffs sammelt sich somit im unteren Bereich des Reaktordruckgef√§√ües, wo sich u. U. noch Wasser befindet.

Teil-Kernschmelze

  • Die Tr√ľmmerberge aus Brennstoff-Pellets, geschmolzenen Brennstabh√ľllen und anderen Brennelement-Materialien k√∂nnen sich oben auf noch unzerst√∂rte Brennelement-Teile legen, Tr√ľmmer k√∂nnen zwischen die Brennst√§be fallen oder sich am Boden des Reaktordruckgef√§√ües sammeln.
    Da diese Tr√ľmmer das Durchstr√∂men von K√ľhlfl√ľssigkeit behindern, werden die Brennstoff-Pellets im Inneren der Tr√ľmmerberge wesentlich schlechter gek√ľhlt als in intakten Brennelementen. Die W√§rme, die durch den Zerfall der Spaltprodukte erzeugt wird, kann kaum noch abgef√ľhrt werden, die Tr√ľmmerberge heizen sich in ihrem Inneren weiter auf.
  • Werden Temperaturen von √ľber 2850 ¬įC erreicht, beginnen die Brennstoff-Pellets zu schmelzen. Es bildet sich eine Kernschmelze. Befindet sich im unteren Bereich des Reaktordruckgef√§√ües noch Wasser oder gelingt es, in das Reaktordruckgef√§√ü wieder Wasser einzuspeisen, kann unter Umst√§nden das Schmelzen der Brennelemente zun√§chst auf den Bereich des Reaktorkerns beschr√§nkt werden, der aus dem Wasser herausragt. Es entsteht eine Teil-Kernschmelze. Das geschmolzene Material bildet einen Schmelzklumpen, der in seinem Inneren durch den Zerfall der Spaltprodukte aufgeheizt wird und der nur von au√üen √ľber seine Oberfl√§che gek√ľhlt werden kann.
  • Die von solch einem Schmelzklumpen erzeugte W√§rmeleistung h√§ngt davon ab, wie gro√ü der Schmelzklumpen ist, also welche Menge an zerfallenden Spaltprodukten in ihm enthalten sind. Die erzeugte W√§rmeleistung h√§ngt weiterhin davon ab, welche Zeit zwischen der Abschaltung des Reaktors und der Bildung der Schmelze vergangen ist. Mit zunehmender Zeit sinkt die erzeugte W√§rmeleistung.
    Die von einem Schmelzklumpen abgegebene W√§rmeleistung h√§ngt von der Gr√∂√üe der Oberfl√§che des Schmelzklumpens ab, sie h√§ngt von der G√ľte des W√§rme√ľbergangs an der Oberfl√§che des Schmelzklumpens ab und von der Temperatur an der Oberfl√§che des Schmelzklumpens.
    Es bildet sich ein Gleichgewichtszustand zwischen der im Inneren erzeugten und der an der Oberfl√§che abgegebenen W√§rmeleistung. Ein schlechter W√§rme√ľbergang an der Oberfl√§che des Klumpens f√ľhrt dazu, dass eine relativ hohe Oberfl√§chentemperatur erforderlich ist, um die erzeugte W√§rmeleistung √ľber die Oberfl√§che abzugeben. Bei gutem W√§rme√ľbergang, wie z. B. an der Grenze zu fl√ľssigem Wasser, reicht eine relativ niedrige Oberfl√§chentemperatur, um die erzeugte W√§rmeleistung abzugeben. Liegt die Oberfl√§chentemperatur unterhalb der Schmelztemperatur, bleibt die Oberfl√§che des Klumpens fest und der Klumpen bleibt stabil. Ist der W√§rme√ľbergang schlecht, wie z. B. an der Grenze zu Luft oder Wasserdampf, muss die Oberfl√§chentemperatur relativ hoch sein, um die W√§rmeleistung abzugeben. Wird die Schmelztemperatur an der Oberfl√§che √ľberschritten, ist der Klumpen insgesamt fl√ľssig und bewegt sich nach unten.
  • Gelingt es, nach Bildung einer Teil-Kernschmelze Wasser einzuspeisen und hierdurch die Schmelze so weit zu k√ľhlen, dass sie an der Oberfl√§che fest wird, ist die Ausbreitung der Kernschmelze zun√§chst gestoppt. Im Inneren bleibt der Schmelzklumpen aber fl√ľssig. Diese K√ľhlung muss √ľber Monate aufrechterhalten bleiben, zumindest so lange, bis die durch den Zerfall der Spaltprodukte erzeugte W√§rmeleistung so weit zur√ľckgegangen ist, dass der Schmelzklumpen auch ohne effektive K√ľhlung fest bleibt. Sinkt allerdings die Effektivit√§t der K√ľhlung oder wird die K√ľhlung unterbrochen, wird die Oberfl√§che des Schmelzklumpens wieder fl√ľssig, und der Klumpen wandert weiter nach unten.
  • An der Oberfl√§che einer gek√ľhlten Teil-Kernschmelze laufen die gleichen Prozesse ab wie an √ľberhitzen Brennst√§ben. Werden Oberfl√§chentemperaturen von 900 ¬įC √ľberschritten, bildet sich aus dem in der Schmelze vorhandenen Zirkonium und Wasserdampf Wasserstoff, der abgelassen werden muss. Hierbei besteht wieder das Risiko von Knallgas-Explosionen.
  • Gelingt es nicht, eine Teil-Kernschmelze ausreichend zu k√ľhlen, wandert die Schmelze nach unten. Trifft die Schmelze auf noch vorhandenes Wasser, verdampft dieses in st√§rkerem Ma√üe. Die Kernschmelze erfasst immer gr√∂√üere Bereiche des Reaktorkerns, die Gr√∂√üe des Schmelzklumpens w√§chst. Mit zunehmender Gr√∂√üe steigt die Menge an W√§rme erzeugenden Spaltprodukten, die erzeugte W√§rmeleistung w√§chst proportional zum Volumen. Die Oberfl√§che des Schmelzklumpens w√§chst allerdings nicht in gleichem Ma√üe, das hei√üt, die pro Oberfl√§che erzeugte Leistung w√§chst, die Oberfl√§chentemperatur des Schmelzklumpens steigt. Um die Ausbreitung der Schmelze zu stoppen, das hei√üt, die Oberfl√§chentemperatur unter den Schmelzpunkt abzusenken, sind immer st√§rkere K√ľhlanstrengungen erforderlich. Bei sehr gro√üen Schmelzklumpen kann es im Extremfall passieren, dass die erzeugte W√§rmeleistung so gro√ü wird, dass selbst unter Wasser die Oberfl√§chentemperatur den Schmelzpunkt √ľberschreitet, so dass der Schmelzklumpen auch unter Wasser fl√ľssig w√§re.

Vollständige Kernschmelze

  • Wird das gesamte Brennelement-Material von der Kernschmelze erfasst, spricht man von einer vollst√§ndigen Kernschmelze. Das geschmolzene Material sammelt sich dann auf dem Boden des Reaktordruckgef√§√ües. Ein Durchschmelzen des Reaktordruckgef√§√ües l√§sst sich nur noch verhindern, wenn das Reaktordruckgef√§√ü von au√üen gek√ľhlt wird. Z. B. indem das umgebende Containment, geflutet wird.
  • Sind K√ľhlma√ünahmen f√ľr das Reaktordruckgef√§√ü nicht erfolgreich, kann die Kernschmelze die Wand des Reaktordruckbeh√§lters aufschmelzen und unter das Reaktordruckgef√§√ü auf die innere Betonschicht des Containments tropfen. Das Verhalten in Beton h√§ngt hierbei stark davon ab, ob der Beton in die Schmelze integriert wird oder nicht.
    Wird der Beton aufgeschmolzen und verbindet sich der geschmolzene Beton mit der Schmelze, steigt hierdurch die Gr√∂√üe des Schmelzklumpens und die Gr√∂√üe seiner Oberfl√§che, ohne dass die erzeugte W√§rmeleistung zunimmt. Hierdurch sinkt die Oberfl√§chentemperatur. Ist die Betonschicht gen√ľgend dick, k√∂nnte die Gr√∂√üe des Klumpens so weit anwachsen, dass an der Oberfl√§che die Schmelztemperatur unterschritten wird. Die Schmelze w√§re gestoppt.
    Verbinden sich aber der geschmolzene Beton nicht mit der Brennstab-Schmelze, z. B. indem er als ‚ÄěSchlacke‚Äú auf der Brennstab-Schmelze schwimmt, dann bleibt die Gr√∂√üe des zu betrachtenden Klumpens unver√§ndert, die Oberfl√§chentemperatur des Klumpens √§ndert sich nicht. Die Schmelze w√ľrde sich weiter durch den Beton nach unten bewegen. Der Schmelzklumpen w√ľrde das Betonfundament durchqueren, alle darin enthaltenen radioaktiven Stoffe w√ľrden in das Erdreich gelangen.
  • M√∂glichkeiten die solche Schmelze zum Stoppen zu bringen w√§ren
    • Oberfl√§chenvergr√∂√üerungen (z. B. √ľber flache Wannen, in die sich solch ein Klumpen ergie√üt) (Core-Catcher). Durch die Vergr√∂√üerung der Oberfl√§che kann eine Senkung der Oberfl√§chentemperaturen erreicht werden, im Gut-Fall w√ľrde an der Oberfl√§che der Schmelzpunkt unterschritten und die Schmelze w√ľrde an der Oberfl√§che erstarren.
    • Aufteilen in m√∂glichst viele kleine Schmelzklumpen. Hiermit ist ebenfalls eine Vergr√∂√üern der Oberfl√§che verbunden, die Oberfl√§chentemperatur sinkt, im Idealfall unter den Schmelzpunkt.

Folgen

Eine besonders schwerwiegende Variante des Unfallablaufs ist die Hochdruckkernschmelze. Diese tritt ein, wenn es in der ersten Zeit nicht gelingt, den Druck im Reaktor stark abzusenken. Die gl√ľhend hei√üe Schmelze des Reaktorkerns kann dann die Wand des Reaktorbeh√§lters stark schw√§chen und unter gleichzeitigem, auch explosionsartigem Druckanstieg, zum Beispiel durch eine Knallgasexplosion oder schnelle Verdampfung des Wassers (physikalische Explosion), aus dem Reaktorbeh√§lter entweichen. Der hohe erzeugte Druck im Containment f√ľhrt gegebenenfalls zu Leckagen, wodurch radioaktives Material in die Umgebung gelangen kann.

Entsprechende Szenarien wurden 1989 in der ‚ÄěDeutschen Risikostudie Kernkraftwerke Phase B‚Äú [5][6] ver√∂ffentlicht und f√ľhrten zu umfassenden Diskussionen (siehe Artikel Kernkraftwerk). Um die Risiken einer Explosion zu mindern, wurde nach dem Super-GAU in Tschernobyl in Deutschland das so genannte Wallmann-Ventil vorgeschrieben, mit dem Gas gefiltert in die Atmosph√§re abgelassen werden kann. Zur Vermeidung von Knallgasexplosionen m√ľssen Reaktoren zudem mit Rekombinatoren (sog. ‚ÄěT√∂pfer-Kerzen‚Äú) ausgestattet sein, welche die Wasserstoffkonzentration im Reaktor verringern.

Die genannten Begleiterscheinungen der Kernschmelze, wie Dampf- und Wasserstoffexplosionen, gehen typischerweise mit einer Kernschmelze einher, setzen sie aber nicht notwendigerweise voraus.

Auch ohne eine Explosion sind die regul√§ren K√ľhleinrichtungen durch eine Schmelze in der Regel unbrauchbar. Da durch die weitere Erhitzung ein Durchschmelzen des √§u√üeren Schutzbeh√§lters droht, muss der geschmolzene Kern durch provisorische Ma√ünahmen unter allen Umst√§nden gek√ľhlt werden, um schlimmere Sch√§den f√ľr Mensch und Umwelt zu vermeiden. Diese K√ľhlung ist gegebenenfalls √ľber Monate hinweg aufrechtzuerhalten, bis die Spaltprodukte weit genug zerfallen sind, dass die verbleibende Nachzerfallsw√§rme keine Temperaturerh√∂hung mehr verursacht.

Vermeidung von Kernschmelzen

Wegen der verheerenden potenziellen Folgen einer Kernschmelze wird mittlerweile, vor allem im asiatischen Raum, der Betrieb angeblich inh√§rent sicherer Reaktoren, speziell von dezentralen Hochtemperaturreaktoren (HTR) mit reduzierter Leistung, erprobt. Kritiker der HTR-Technologie verweisen darauf, dass es bei HTR-spezifischen St√∂rfalltypen wie Wasser- oder Lufteinbruch zu katastrophalen Radioaktivit√§tsfreisetzungen kommen kann und eine inh√§rente Sicherheit trotz Vermeidung von Kernschmelzen daher nicht gegeben ist.[7] F√ľr alle derzeit in Europa betriebenen kommerziellen Kernreaktoren gilt, dass das Risiko einer Kernschmelze durch zus√§tzliche Sicherheitsma√ünahmen 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 eind√§mmen. Au√üerdem sind die Sicherheitsbeh√§lter von Druckwasserreaktoren der dritten Generation (z. B. Europ√§ischer Druckwasserreaktor) mit einer Wandst√§rke von 2,6 m gegen Wasserstoffexplosionen ausgelegt. Als Schwachpunkt verbleibt bei diesen Konzepten die o.g. Hochdruckkernschmelze, bei der ein spontanes Versagen des Druckbeh√§lters zur Zerst√∂rung aller Barrieren f√ľhren k√∂nnte.

Liste bekannter Kernschmelzunfälle

Unf√§lle mit Kernschmelze werden auf der Internationalen Bewertungsskala f√ľr nukleare Ereignisse (INES) ab Stufe 4 gef√ľhrt.

Partielle Kernschmelzen

Bei einer partiellen Kernschmelze bleibt der Reaktorkern noch weitgehend intakt. Einzelne Brennstäbe oder ganze Brennelemente schmelzen oder werden durch Überhitzung schwer beschädigt. Die betroffenen Anlagen werden im Anschluss daran meist stillgelegt, einige auch repariert und weiter betrieben.

  • Am 26. Juli 1959 kam es im Santa Susana Field Laboratory (USA) aufgrund eines verstopften K√ľhlkanals zu einer 30-prozentigen Kernschmelze. Der Gro√üteil der Spaltprodukte konnte abgefiltert werden, es kam aber zur Freisetzung gro√üer Mengen Jod-131.
  • Im Februar 1965 gab es auf dem Atomeisbrecher Lenin einen K√ľhlmittelverlustst√∂rfall. Nach der Abschaltung zum Brennelementetausch wurde, vermutlich durch ein Versehen des Operators, das K√ľhlmittel des zweiten Reaktors entfernt, bevor die Brennelemente entfernt wurden. Als Resultat wurden einige Brennst√§be durch die Zerfallshitze und den Verlust der K√ľhlung geschmolzen oder deformiert.
  • Am 5. Oktober 1966 kam es im Prototyp des Schnellen Br√ľters 'Enrico Fermi 1' in Michigan, USA in einigen Teilen des Reaktorkerns zu einer Kernschmelze aufgrund eines Bruchst√ľckes im K√ľhlkreislauf. Der Reaktor wurde repariert, weiter betrieben und 1972 stillgelegt.[8]
  • Am 21. Januar 1969 kam es im schweizerischen Versuchsatomkraftwerk Lucens (8 MWel) zu einem schwerwiegenden Unfall. Ein durch Korrosion bedingter Ausfall der K√ľhlung f√ľhrte zur Kernschmelze und zum Brennelementebrand mit anschlie√üender Freisetzung aus dem Reaktortank. Die Radioaktivit√§t blieb im Wesentlichen auf die Kaverne und das umliegende Stollensystem beschr√§nkt. Der Reaktor wurde 1969 stillgelegt.[9] Die Aufr√§umarbeiten im versiegelten Stollen dauerten bis 1973. Erst 2003 wurden noch die Abfallbeh√§lter vom Standort entfernt.[10][11]
  • Am 17. Oktober 1969 schmolzen kurz nach Inbetriebnahme des Reaktors 50 kg Brennstoff im gasgek√ľhlten Graphitreaktor des franz√∂sischen Kernkraftwerks Saint-Laurent A1 (450 MWel).[12][13] Der Reaktor wurde daraufhin 1969 stillgelegt. Die heutigen Reaktoren des Kernkraftwerks sind Druckwasserreaktoren.
  • Am 22. Februar 1977 schmolzen im slowakischen Kernkraftwerk Bohunice A1 (150 MWel) wegen fehlerhafter Beladung einige Brennelemente. Die Reaktorhalle wurde radioaktiv kontaminiert.[14] Der Reaktor wurde daraufhin 1977 stillgelegt.[15]
  • 1977 schmolz die H√§lfte der Brennelemente im Block 2 des russischen Kernkraftwerks Belojarsk. Die Reparaturen dauerten ein Jahr, der Block 2 wurde 1990 stillgelegt.
  • Am 13. M√§rz 1980 schmolz im zweiten Block des Kernkraftwerks Saint-Laurent in Frankreich ein Brennelement, wobei innerhalb der Anlage Radioaktivit√§t freigesetzt wurde. Der Reaktorblock wurde repariert, weiter betrieben und 1992 stillgelegt.
  • Am 28. M√§rz 2011 gestand die japanische Regierung ein, dass es nach einer Unfallserie im Kernkraftwerk Fukushima I im Block 1, 2 und 3 zu einer partiellen Kernschmelze gekommen ist.[16]

Totale Kernschmelzen

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

  • Am 28. M√§rz 1979 fiel im Reaktorblock 2 des Kernkraftwerks Three Mile Island (880 MWel) bei Harrisburg (Pennsylvania) im nichtnuklearen Teil eine Pumpe aus. Da das Versagen des Notk√ľhlsystems nicht rechtzeitig bemerkt wurde, war einige Stunden sp√§ter der Reaktor nicht mehr steuerbar. Eine Explosion wurde durch Ablassen des freigesetzten radioaktiven Dampfes in die Umgebung verhindert. Untersuchungen des Reaktorkerns, die unfallbedingt erst drei Jahre nach dem Unfall m√∂glich waren, zeigten eine Kernschmelze, bei der etwa 50 % des Reaktorkerns geschmolzen waren und die noch vor dem Durchschmelzen des Reaktordruckbeh√§lters zum Stehen gekommen war.[17] Dieser Unfall wurde auf der Internationalen Bewertungsskala f√ľr nukleare Ereignisse mit der INES-Stufe 5 eingestuft.

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 Kernschmelze, die sich ungebremst ins Beton-Fundament und allenfalls gar bis ins Grundwasser einzuschmelzen vermag, umgangssprachlich als China-Syndrom bezeichnet.

H√§ufig wird die Herkunft des Ausdrucks damit erkl√§rt, dass die Volksrepublik China von den USA aus betrachtet, nach popul√§rer Meinung ungef√§hr auf der entgegengesetzten Seite der Erde (Antipode) liegt (was tats√§chlich nicht der Fall ist, da sich beide Staaten n√∂rdlich des √Ąquators befinden) und man meint, dass sich der geschmolzene Reaktorkern in Richtung China tief in die Erde hineinschmilzt. Diese Bezeichnung wurde durch den Film Das China-Syndrom popul√§r.

Siehe auch

Weblinks

Wiktionary Wiktionary: Kernschmelze ‚Äď Bedeutungserkl√§rungen, Wortherkunft, Synonyme, √úbersetzungen

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ C. Journeau, E. Boccaccio, C. J√©gou, P. Piluso, G. Cognet: Flow and Solidification of Corium in the VULCANO facility. (pdf) 2001.
  2. ‚ÜĎ ‚ÄěKernspaltung und Nachzerfallsw√§rme‚Äú Gesellschaft f√ľr Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) mbH, M√§rz 2011.
  3. ‚ÜĎ ‚ÄěWas ist eine Kernschmelze?‚Äú Gesellschaft f√ľr Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) mbH, 18. M√§rz 2011.
  4. ‚ÜĎ ‚ÄěThe Crisis at Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant‚Äú California Institute of Technology, 30. April 2011.
  5. ‚ÜĎ Deutsche Risikostudie Kernkraftwerke ‚Äď Phase B. Abgerufen am 20. M√§rz 2011.
  6. ‚ÜĎ Deutsche Risikostudie Kernkraftwerke ‚Äď Zusammenfassung. Abgerufen am 20. M√§rz 2011.
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