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Sicherheit

Fehlende Alternativen

Wie es zu den Wasserstoff-Explosionen in den Kernreaktoren von Fukushima kam.

Fehlende Alternativen Fehlende Alternativen
ENERGLOBE.DE, Denny Rosenthal

Wasserstoff war Ursache mehrerer schwerer Explosionen im japanischen Kernkraftwerk Fukushima. Das Metall, das die Brennstoffe umhüllt, hat mit heißem Dampf reagiert und dabei das leicht entzündliche Gas produziert. Bereits seit Jahrzehnten arbeiten Forscher daran, Wasserstoff im Reaktor aufzuspüren und sicher zu entfernen.

Eine hochexplosive Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff führte im Kernkraftwerk im japanischen Fukushima zu schweren Detonationen. Quelle für die großen Mengen Wasserstoff war ein Bestandteil des Reaktors selbst. Die Brennelemente sind mit Hüllrohren aus dem Metall Zirkonium ummantelt. Dass Wasserstoff wie in Fukushima durch Oxidation dieses Metalls entsteht, ist ein bekannter Mechanismus bei schweren Unfällen, erläutert Joachim Knebel gegenüber ENERGLOBE.DE. Er ist Leiter der Abteilung für Nukleare Sicherheitsforschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Seit den 80er Jahren arbeiten Forscher an Gegenmaßnahmen, damit sich Wasserstoff nicht unkontrolliert im Kernreaktor bildet. Im normalen Betrieb eines Reaktors, insbesondere vom Typ Siedewasserreaktor, entsteht Wasserstoff nur in kleinen Mengen, und zwar durch strahlungsbedingte Spaltung des Wassers – auch Radiolyse genannt. Das sei normal und der Wasserstoff werde kontrolliert abgezogen, erklärt Knebel. In Fukushima entwickelten sich allerdings große Mengen des Gases.

Zirkonium bindet Sauerstoff

Nach dem Abschalten eines Kernreaktors muss dieser gekühlt werden, da weiter Wärme produziert wird, solange radioaktive Isotope zerfallen. Ohne Kühlung erhitzen sich die Kernbrennstäbe und es kann zu chemischen Reaktionen zwischen Materialien im Reaktor und dem noch vorhandenen Wasserdampf kommen.

Der Brennstoff ist in Hüllrohren eingeschlossen, die aus einer Zirkoniumlegierung bestehen. Diese weist besondere Eigenschaften auf, um der hohen Bestrahlung während des Normalbetriebes Stand zu halten. Ab einer Temperatur von rund 950 Grad beginnt das Metall jedoch zu oxidieren, also Sauerstoff zu binden. Dieser Sauerstoff kommt hauptsächlich aus dem Wasserdampf. Nach der Reaktion bleibt deshalb Wasserstoff übrig.

Große Mengen Wasserstoff möglich

Bei der Oxidation von einem Kilogramm Zirkonium werden rund zwei Kilowattstunden als Wärmeenergie frei. Das heizt den Reaktor weiter auf und verstärkt den Prozess zusätzlich. Diese chemische Reaktion ist die Hauptursache für den Wasserstoff, der in Fukushima zu den Explosionen führte. Ein Kilogramm des Metalls kann 50 Gramm oder einen halben Liter Wasserstoff bilden; in einem Siedewasserreaktor gehören 50 Tonnen Zirkonium zum Inventar der Anlage – riesige Mengen an Wasserstoff sind zumindest theoretisch denkbar.

Sobald bei einer Druckentlastung des Primärsystems das Gemisch aus Wasserdampf und Wasserstoff in die Umgebung abgeblasen wird, entsteht in der Luftatmosphäre eine explosive Mischung mit dem Sauerstoff der Luft. Jetzt braucht es nur einen kleinen Funken, um eine Explosion auszulösen. Auf die Masse bezogen kann Wasserstoff, wenn er perfekt mit der Luft vorgemischt wird, die von TNT um das 10 bis 30fache übersteigen. Nimmt man für einen realistischen Vergleich die Luftmasse hinzu, so bleibt eine ähnliche Wirkung einer Wasserstoff-Luft-Mischung mit TNT. Gelangt Wasserdampf in diesen explosiven Mix, verringert das jedoch die Zündfähigkeit. „Ab einem Anteil von 60 Prozent Wasserdampf lässt sich das Gemisch nicht mehr entzünden“, weiß Ulrich Schmidtchen, Sprecher vom Deutschen Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband.

Explosion in Brunsbüttel

Fukushima war jedoch nicht der einzige Fall, bei dem Wasserstoff zu einer Explosion innerhalb eines Kernkraftwerks führte. Am 14. Dezember 2001 ereignete sich im Kernkraftwerk Brunsbüttel ein ernster Zwischenfall: „Eine kritische Menge an radiolytisch erzeugtem Wasserstoff–Sauerstoff-Gemisch sammelte sich in der Deckelspülleitung an“, so Knebel. Die Explosion zerstörte die Leitung in drei Metern Länge und in unmittelbarer Nähe zum Reaktordruckbehälter. Alle deutsche Meiler wurden danach auf ähnliche Problemfälle überprüft – erst im Februar 2003 ging der Reaktor in Brunsbüttel wieder in Betrieb. Der Betreiber Vattenfall, damals noch die Hamburgischen Elektrizitätswerke, versuchte den Vorfall anfangs zu verschweigen. Mit fatalen Folgen: Konzernintern spricht man heute von einem Kommunikations-GAU.

Die Forscher versuchen bis heute zu erkunden, wo und wie viel Gas sich in einem Reaktor bildet. „Ein Großteil des heutigen Know-hows zu Wasserstoff wurde in der nuklearen Forschung entwickelt“, so Schmidtchen. Im Wesentlichen gibt es drei Methoden, um den Wasserstoff zu orten und kontrolliert zu zünden: Durch Temperaturmessung, durch Spülung der Leitung mit Wasserdampf oder Stickstoff oder den Einsatz von Rekombinatoren. Das sind Platin-Katalysatoren, in denen der Wasserstoff mit Zufuhr von Sauerstoff kontrolliert in Wasser umgewandelt wird. Die ersten beiden Maßnahmen sind Lehren aus dem Unfall von Brunsbüttel.

Strahlenfänger ohne Alternative

„Zirkonium wird in jedem Leichtwasserreaktor weltweit verwendet“, erläutert Knebel. Wissenschaftler haben die Eigenschaften diverser Metalle als Alternativen untersucht und verglichen. Doch Zirkonium hält einfach mehr radioaktive Strahlen aus als andere Materialien. Das ist besonders wichtig, da das Metall die Brennstäbe direkt umhülle. Trotz der Katastrophe in Japan gebe es keine andere Alternative. Knebel stellt fest: „Zirkonium hat sich als das beste Strukturmaterial im Reaktorkern von Leichtwasserreaktoren bewährt.“

Weitere Informationen:

Seite des Karlsruher Institut für Technologie mit Infos rund um das Erdbeben und den Tsunami in Japan sowie die Folgen für die nuklearen Anlagen in Fukushima: www.kit.edu

„Größter bekannt gewordener Störfall in Deutschland“ aus den Umweltnachrichten, Ausgabe: 95 / März 2002: www.umweltinstitut.org

»DIE KRISE DER IDEE VON EINER WELTORDNUNG

(IST) DAS ULTIMATIVE INTERNATIONALE

PROBLEM VON HEUTE«

Henry Kissinger,„World Order”, August 2014