Harrisburg - Tschernobyl - Fukushima: Konstruktionsmängel und Bedienungsfehler

Die beiden Kernkraftwerke Fukushima 1 (Daiichi) und Fukushima 2 (Daini) des Energieversorgungsunternehmens Tokyo Denryoku (TEPCO) bestehen aus zehn Blöcken. Alle sind Siedewasserreaktoren, von denen drei bereits vor dem Erdbeben außer Betrieb waren. Alle Anlagen beziehen ihr Kühlwasser aus dem Meer. Die Leistung der sieben aktiven Reaktoren beträgt 6227 Megawatt. Siedewasserreaktoren gehören wie Druckwasserreaktoren zu der Gruppe der Leichtwasserreaktoren, die ihre Bezeichnung der Tatsache verdanken, dass sogenanntes leichtes Wasser als Kühlmittel und „Moderator“ verwendet wird. „Leichtes Wasser“ bezeichnet dabei gewöhnliches Wasser, dessen Wasserstoffatome fast vollständig aus Protium, dem leichtesten Wasserstoffisotop, besteht. Wasser als „Moderator“ bremst die bei einer Spaltung von Uran oder Plutonium entstehenden schnellen Neutronen ab. Das ist nötig, um die Kernspaltung fortzusetzen. Schnelle Neutronen tun das nicht, hingegen die verlangsamten Neutronen. So bleibt die erwünschte Kettenreaktion der Kernspaltung in Gang. Radionuklide im Wasserdampf Der Aufbau eines Siedewasserreaktors ist vergleichsweise einfach, hat er doch nur einen Wasser-Dampf-Kreislauf, der sowohl die Wärme aus der Kettenreaktion abführt als auch den Dampf für den Turbinenantrieb liefert. Wasser durchströmt den Reaktorkern von unten nach oben, erhitzt sich, siedet schließlich, so dass Dampf über die Heißdampfleitung den Reaktorkern verlässt. Dieser Dampf wird direkt auf die Turbine geleitet, die den Generator zur Stromerzeugung antreibt. Diese vergleichsweise einfache Konstruktion hat Nachteile: Da der auf die Turbine geschickte Dampf Radionuklide enthält, muss das gesamte Maschinenhaus nach außen hin abgeschirmt werden. Das erschwert Wartungen und erfordert zusätzliche Vorkehrungen zur Kontrolle des radioaktiven Dampfes. Eine weiteres Manko des Siedewasserreaktors ist sein „träges“ Regelverhalten. Da an den Außenwänden der Brennstäbe Dampfblasen entstehen, schwankt die Moderationsfähigkeit des Wassers, was durch Variieren der Leistung der Kühlmittelpumpen ausgeglichen werden muss. Zusätzlich kann der Reaktor über Kontrollstäbe gesteuert werden, die von elektrischen Antrieben von unten in den Reaktor eingefahren werden. Für die Schnellabschaltung steht ein hydraulisch wirkendes System zur Verfügung; in Drucktanks gespeicherte Energie bewegt die Steuerstäbe (Fail-Safe-Prinzip). Der Druckwasserreaktor ist leichter zu warten Fallen bei einem Siedewasserreaktor alle Umwälzpumpen aus, fällt die Leistung auf 30 bis 40 Prozent der Nennleistung. Wird er daraufhin abgeschaltet, muss, wie bei jedem Reaktor, die Nachzerfallswärme abgeführt werden. Beim Siedewasserreaktor kann das durch Ableiten von Dampf in den Turbinenkondensator oder in einen Kondensationsbehälter erfolgen. Auf diesem Weg kann vergleichsweise viel Energie abgeführt werden. In einigen Siedewasseranlagen steht dazu eine Hochdruckpumpe zur Verfügung, die von einer separaten, kleinen Dampfturbine angetrieben wird. Dabei wird zugleich Energie aus dem Reaktor abgeführt wie auch Wasser nachgespeist. Die Regelung dieses Aggregats kann aus Batterien erfolgen, so dass für begrenzte Zeit eine Kernkühlung auch ohne Diesel-Notstromgeneratoren möglich ist. Beim Druckwasserreaktor, dem häufigsten Reaktortyp weltweit, werden die Steuerstäbe von oben in den Reaktor eingefahren, was bei einer Notabschaltung allein über Schwerkraft möglich ist. Und Druckwasserreaktoren verfügen über zwei getrennte Wasser-Dampf-Kreisläufe. So gibt das im Reaktorkern erhitzte Wasser (Primärkreislauf) in einem Dampferzeuger seine Wärme an einen getrennten Kreislauf (Sekundärkreislauf) ab. Dadurch ist der „Turbinen“-Kreislauf frei von radioaktiven Partikeln, was das Warten der Anlage erleichtert. Und anders als beim Siedewasserreaktor wird der Betriebsdruck des Wassers so hoch gewählt (150 bar, 330 Grad), dass es im Reaktor nicht siedet. Das ermöglicht eine gleichmäßige Benetzung der Brennstäbe und damit eine homogene Wärmeverteilung, was ein gutmütiges Regelverhalten bewirkt. Tschernobyl: Konstruktionsmängel in Kombination mit Bedienungsfehlern Am 28. März 1979 kam es im Druckwassereaktor des Kernkraftwerks Three Mile Island bei Harrisburg zum ersten Unfall, in dessen Verlauf es zu einer partiellen Kernschmelze kam. Ursache war damals eine Verkettung von Ereignissen. So waren zwei Hauptspeisepumpen im Sekundärkreislauf ausgefallen. Durch falsch gestellte Ventile liefen die Pumpen der Notkühlung viel zu spät an, so dass über einen längeren Zeitraum die vom Primärkreis gelieferte Nachzerfallswärme nicht abgeführt werden konnte. Etwa ein Drittel des Reaktorkerns wurde zerstört oder schmolz. Konstruktionsmängel in Kombination mit Bedienungsfehlern waren die Ursache des Super-GAU von Tschernobyl am 26. April 1986. Während der Simulation eines totalen Stromausfalls kam es zu gravierenden Verstößen gegen die Sicherheitsvorschriften, deren Wirkung durch die besondere Bauweise des Reaktors gesteigert wurde. Besteht doch der „Tschernobyl-Reaktor“ der russischen Reaktorlinie RBMK-1000 aus etwa 1700 Tonnen Graphitziegeln, die zu einem zylindrischen Block von sieben Meter Höhe und zwölf Meter Durchmesser aufgeschichtet waren. In senkrechten Bohrungen steckten Druckröhren, die jeweils zwei Brennelemente aufnehmen. Umschlossen wurde der Graphitblock durch einen Stahlbehälter, der allerdings nicht als Druckbehälter ausgeführt war. Er war nicht in der Lage, austretende Radioaktivität zurückzuhalten. Die Wärme, die bei den Kernspaltungen in den Brennelementen entsteht, wird von dem durch die Druckröhren strömenden Wasser abtransportiert. Das beginnt dabei zu sieden. Ein Dampfabscheider trennt das Wasser-Dampf-Gemisch. Nur der Dampf gelangt zur Turbine. Das Wasser wird in die Druckröhren zurückgeführt. Beim Reaktorunfall 1986 stieg durch die Bedienungsfehler die Zahl der Kernspaltungen innerhalb weniger Sekunden sehr schnell an. In den Druckrohren schnellte die Temperatur auf mehr als 3000 Grad in die Höhe. Darauf platze ein Teil der Rohre durch den entstehenden hohen Dampfdruck im Kühlkreislauf. Der Graphit begann zu brennen, die stählerne Ummantelung wurde abgesprengt. Innerhalb der ersten zehn Tage nach dem Unfall verbrannten 250 Tonnen Graphit, rund ein Drittel des gesamten Blocks.