Fakten rund um Kernkraftwerke: Atomares ABC
Was ist ein GAU und was ein Super-GAU? Und was ist ein Abklingbecken? Die aktuelle Diskussion ist von Fachwörtern wie Ines oder Kernschmelze geprägt. Wir erklären wichtige Begriffe aus der Welt der Atomforscher und AKW-Betreiber.Angesichts von möglichen Kernschmelzen in mehreren Reaktoren des japanischen Krisen-AKW Fukushima I droht ein Super-GAU. Aber was verbirgt sich eigentlich hinter dem Begriff? Und was ist Ines und was eine Kernschmelze? Ein kleines Glossar erklärt wichtige Begriffe.
Abklingbecken sind mit Wasser gefüllte Pools in Kernkraftwerken, in denen abgebrannte Brennelemente über Jahre aufbewahrt werden, bis die restliche Strahlungsaktivität und Temperatur soweit abgenommen hat, dass sie zur Wiederaufbereitung, Zwischen- oder Endlagerung transportiert werden können. Über die Wasserkühlung wird die Temperatur in den Becken normalerweise unter 25 Grad gehalten. Bei einem kompletten Verdampfen des Wassers können die Brennstäbe ohne Kühlung in Brand geraten. Steigt die Temperatur des Kühlwassers zu weit, kann sich auch die Zirkonium-Hülle der Brennstäbe entzünden.
Maßeinheit für Radioaktivität: In Becquerel (Bq) wird gemessen, wie aktiv eine radioaktive Substanz ist. Es geht um die Anzahl der Kerne, die sich in einer Sekunde umwandeln und dadurch einen Strahlungsimpuls abgeben. Benannt ist die Einheit nach dem Entdecker der Radioaktivität, dem französischen Physiker Antoine Henri Becquerel (1852-1908).
Das Element Cäsium kommt in geringen Mengen in der Natur vor oder entsteht bei der Kernspaltung. Natürliches Cäsium 133 ist ein goldglänzendes Metall im Gestein. Sein radioaktives Isotop, das gefährliche Cäsium 137, fällt bei der Kernspaltung an.
Cäsium 137 kann über die Abluft oder das Abwasser aus Atomanlagen in die Umwelt gelangen und wird von Tieren und Pflanzen aufgenommen. So gelangt es auch in Milch, Fleisch und Fisch.
Hohe Konzentrationen von Cäsium 137 können Muskelgewebe und Nieren des Menschen schädigen. Es verteilt sich im Körper, so dass seine Strahlung den ganzen Organismus trifft. Cäsium hat eine Halbwertzeit von rund 30 Jahren.
GAU ist die Abkürzung für "größter anzunehmender Unfall". Atomkraftwerke dürfen in Deutschland nur ans Netz gehen, wenn sie mit ihrer Sicherheitstechnik für einen solchen GAU oder Störfall ausgerüstet sind.
Die Sicherheitssysteme müssen gewährleisten, dass die Strahlenbelastung außerhalb der Anlage die nach der Strahlenschutzverordnung geltenden Störfallgrenzwerte nicht überschreitet. Bei deutschen Kernkraftwerken mit Druckwasserreaktor wäre ein GAU beispielsweise ein Bruch der Hauptkühlmittelleitung mit massivem Kühlmittelverlust.
Unfälle, die darüber hinausgehen - wie 1986 in Tschernobyl - werden mit dem Begriff "Super-GAU" umschrieben.
Gray (Gy) misst die Intensität der Bestrahlung, wobei die Einheit das Maß der vom Gewebe absorbierten Dosis angibt. Bei einem Gy reagiert der Körper mit Fieber und Durchfall. Wird der ganze Körper einer Strahlung von mehr als 15 Gy ausgesetzt, ist der Tod so gut wie sicher.
Die Einheit ist nach dem britischen Physiker Louis Harold Gray (1905-1965) benannt. Manche Quellen führen den Ursprung auch auf den englichen Naturforscher Stephen Gray (etwa 1666-1736) zurück.
Am 28. März 1979 eriegnete sich im Kernkraftwerk Three Mile Island bei Harrisburg in den USA ein ernster Unfall der INES-Stufe 5. In einem der beiden Reaktorblöcke des Kernkraftwerks kam es zu einer partiellen Kernschmelze. Beim Vorfall von Harrisburg spielten sowohl Konstruktionsmängel als auch menschliches Versagen eine zentrale Rolle. Mehrere Pumpenstörungen führten zu einer Erhitzung des Kerns. Die Kontrolleure laßen die Armaturen falsch ab und stoppten die automatische Notkühlung.
Störfälle oder schwere Unfälle in kerntechnischen Anlagen werden mit Hilfe einer internationalen Bewertungsskala eingestuft. Diese Skala für nukleare Ereignisse heißt Ines (International Nuclear Event Scale).
Sie reicht von 0 (keine oder sehr geringe sicherheitstechnische Bedeutung) bis 7 (schwerste Freisetzung mit Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt in einem weiten Umfeld).
Die Stufe 7 wurde bislang erst ein Mal verhängt: für den Störfall von Tschernobyl. Den Vorfall in Fukushima hat die Internationale Atomenergiebehörde IAEA mit einer 4 auf der Ines-Skala bewertet, als ein "Unfall mit lokalen Folgen".
Bei einem Störfall kann es zu einer Belastung der Schilddrüse durch Aufnahme von radioaktivem Jod über die Luft und die Nahrung kommen. Um das zu verhindern, werden Jod-Tabletten an die Bevölkerung verteilt: Nach Einnahme der Tabletten kann die Schilddrüse kein radioaktives Jod mehr aufnehmen.
Dies gilt besonders für Kinder, bei denen der Jodstoffwechsel der Schilddrüse am größten ist. Die in jeder Apotheke erhältlichen Jod-Tabletten sind allerdings ungeeignet. Es muss sich um spezielle Tabletten handeln, deren Konzentration deutlich höher ist.
Zu einer Kernschmelze kann es nach Herunterfahren des Reaktors kommen, weil kurz vor dem Abschalten entstandene Spaltprodukte weiter zerfallen. Durch die Steuerstäbe und andere Neutronenfänger kann nur erreicht werden, dass die Kernspaltung von Uran gestoppt wird. Der Zerfall der bereits entstandenen Spaltprodukte läuft automatisch weiter und kann nicht aufgehalten werden. Daher muss nach dem kontrollierten Abschalten über Wochen ein intaktes Kühlsystem gewährleistet sein, dass die entstehende Nachwärme abführt.
Funktioniert diese Kühlung nicht, können die Brennelemente so heiß werden, dass sie schmelzen und sich durch die Schutzhüllen des Reaktors bis in das Erdreich und zum Grundwasser durchschmelzen. Möglich ist auch, dass es durch den Kontakt der heißen Schmelze mit Wasser zu Wasserstoff- oder Dampfexlosionen kommt.
Radioaktivität wird in Becquelrel (Bq), Sievert (Sv) und Gray (Gy) gemessen.
Die Notstromversorgung der Kühlpumpen in Fukushima ist nach dem Erdbeben und Tsunami ausgefallen. Die für diesen Fall eingeplanten Dieselgeneratoren gaben kruze Zeit später den Geist auf. Über Batterien konnte die Kühlung noch eine gewisse Zeit gewährleistet werden. Laut Nachrichtenagentur Bloomberg hielten die ersten Batterien acht Stunden. In deutschen Reaktoren stehen laut Atomforum mehr Dieselgeneratoren zur Verfügung. Zudem gibt es Anschlussstellen für externe Generatoren.
Das radioaktive und hochgiftige Schwermetall Plutonium wird in Atomreaktoren als Brennstoff eingesetzt. Es kommt in der Natur nur in Spuren vor. Es entsteht aber in jedem Atomreaktor und auch bei Atomwaffentests als "Nebenprodukt" der Spaltung von Uran-Atomen. Brisant ist Plutonium vor allem, weil wenige Kilogramm zum Bau einer Atombombe genügen. Es hat eine Halbwertzeit von 24.000 Jahren. Nach dieser Zeit ist also erst die Hälfte der Radioaktivität abgeklungen. Gelangt der Stoff in den Körper, kann Krebs entstehen.
Radioaktivität ist die Eigenschaft mancher Stoffe (Radionuklide), sich unter Freisetzung von Energie spontan in andere Atomkerne umzuwandeln. Diese Energie wird in Form von Alpha-, Beta- oder Gammastrahlung abgegeben.
Radioaktive Stoffe kommen in geringen Konzentrationen in der Natur vor, sie sind aber auch Produkt von Kernumwandlungen in Kernreaktoren. Radioaktivität (von lateinisch radius, Strahl) kann man nicht schmecken, fühlen, sehen oder riechen, wohl aber messen. Radioaktive Strahlung kann äußerst gefährlich sein und Schäden am Erbgut und damit Krebs auslösen.
Im Reaktordruckbehälter sind die radioaktiven Uran-Brennstäbe permanent von Wasser umgeben, das während des Betriebs kühlt. Es macht außerdem als eine Art Bremse die bei der Kernspaltung freigesetzten Teilchen langsamer, um weitere Kernspaltungen zu ermöglichen.
Der obere Teil des Wassers im Druckbehälter wird zum Sieden gebracht. Der Dampf wird über Rohre auf Turbinen geleitet, die Strom erzeugende Generatoren antreiben. Da der Wasser-Dampf-Kreislauf direkt mit dem Reaktor verbunden ist, kann bei Lecks leichter Radioaktivität entweichen.
In Deutschland gibt es sechs Siedereaktoren, allerdings ist hier der Wasser-Dampf-Kreislauf komplett getrennt vom Reaktorbehälter.
Die Maßeinheit Sievert (Sv) gibt die biologische Wirkung der radioaktiven Strahlung auf Menschen, Tiere oder Pflanzen an. Sie setzt die Masse des betroffenen Objekts in Bezug zur aufgenommenen Energie. Im Gegensatz zur Einheit Gray gibt sie eine Äquivalentdosis an. Sie berücksichtigt die biologische Wirksamkeit der einzelnen Strahlungsarten, sodass die Werte im Gegensatz zu Energiedosen in Gray von der Strahlungsquelle unabhängig vergleichbar werden.
Die Äquivalentdosis ergibt sich durch Multiplikation der Energiedosis in Gray mit einem Qualitätsfaktor (relative biologischen Wirksamkeit). Beta- und Gamma-Strahlung haben den Qualitätsfaktor 1, Neutronen den Qualitätsfaktor 10 und Alpha-Strahlung 20.
Sievert hat die früher übliche Einheit Rem seit der Katastrophe von Tschernobyl vor etwa 25 Jahren abgelöst. Namensgeber ist der schwedische Physiker Rolf Sievert (1896-1966).
Radioaktive Strahlen können Körperzellen zerstören und tödlich sein. Die Schäden hängen von der Dauer, Art und Stärke der Strahlung ab. Experten unterscheiden zwischen akuten Strahlenschäden und Spätfolgen. Bereits niedrig dosierte Strahlen können das Erbgut verändern und damit langfristig Krebs auslösen, etwa Leukämie und Schilddrüsenkrebs. Hohe Strahlendosen führen zu Fieber, Übelkeit, Verbrennungen von Haut und Mundraum, Haarausfall, inneren Blutungen und schlimmstenfalls zum Tod.
Ist der GAU der "größte anzunehmende Unfall", so geht der Super-GAU noch darüber hinaus. Es entsteht ein Szenario, bei dem stärkere Belastungen auftreten als bei einem Störfall. Es kommt hier zu einer Katastrophe, die nicht mehr beherrscht werden kann. Dies ist der Fall, wenn der Reaktorkern schmilzt oder der Druckbehälter birst - wie bei dem bislang größten bekanntgewordenen Unfall in einem Atomkraftwerk 1986 in Tschernobyl.
Am 26. April 1986 ereignete sich in Tschernobyl der bislang schwerste nukleare Störfall. Im Block 4 des Kernreaktors kam es zu einer Kernschmelze und Explosion. Als bisher einziges Ereignis wurde der Unfall auf der Ines-Skala mit dem Höchstwert 7 (katastrophaler Unfall) eingestuft. In der Folge waren große Mengen Cäsium entwichen und hatten halb Europa radioaktiv verseucht. Der radioaktive Niederschlag ging auch in Deutschland nieder.
Uran ist ein Metall, von dem sämtliche Isotope radioaktiv sind. Natürlich in Mineralen auftretendes Uran besteht zu etwa 99,3 % aus dem Isotop Uran-238 und zu 0,7 % aus Uran-235. In Kernkraftwerken wird angereichertes Uran mit einem höheren Anteil von Uran-235 verwendet, weil dies sich besser zur Energiegewinnung eignet. Uran kommt in der Natur nur in Form von sauerstoffhaltigen Mineralen vor. Die Halbwertszeiten der Uranisotope liegen zwischen 1 Mikorsekunde und 4,468 Mrd. Jahren. Von den 25 Isotopen kommen nur die vier langlebigsten in der Natur vor.
Die Sicherheitsventile der Reaktoren in Fukushima müssen wegen der zerstörten Elektronik immer wieder per Hand geöffnet werden, um Wasserdampf abzulassen. Der Dampf entsteht beim Verdunsten des Kühlwassers. In den ersten Tagen waren diese Druckentlastungen die einzige Quelle radioaktiver Teilchen und kruzfristiger Anstiege der Strahlenbelastung. Ohne das Öffnen der Ventile könnten die Reaktorenbehälter bersten. Die notwendige Maßnahme birgt Gefahren: Wasserstoffexplosionen wie bei Block 1 können die unmittelbare Folge sein.
Radioaktiver Zerfall (oder auch Kernzerfall) findet bei instabilen Atomkernen statt, die sich spontan unter Energieabgabe umwandeln. Die freiwerdende Energie wird in fast allen Fällen als ionisierende Strahlung in Form von energiereichen Teilchen und Gammastrahlung abgegeben.
Es werden drei Zerfallsarten unterschieden: Der Alpha-, Beta- und Gamma-Zerfall. Für schwere Isotope wie Uran-238 gibt es ganze Zerfallsreihen, in denen immer wieder instabile Atomkerne entstehen bevor die Reihe nach insgesamt 14 Zerfällen bei stabilem Blei-206 endet.
Andere Radionuklide, wie etwa Jod-131 - gegen das die japanische Bevölkerung mit Jodtabletten geschützt wird -, zerfallen direkt in stabile Kerne. Die Zeit, die ein einzelner Kern braucht, um zu sich zu zerlegen, ist schwer vorherzusagen. Daher werden bei allen Radionukliden Halbwertszeiten angegegen. Bei Jod-131 kann man etwa davon ausgehen, dass die Hälfte der Ausgangmenge nach acht Tagen zerfallen ist.
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stern.de, 17.03.2011
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