Kurzdarstellung
Der Reaktorunfall in Fukushima Daiichi



Am 11. März 2011 trat mit einem Seebeben der Stärke 9,0 (Magnitude) und einer dadurch ausgelösten Serie von Flutwellen (Tsunamis) an der Nordostküste Japans eine verheerende Naturkatastrophe auf. Vier Kernkraftwerksstandorte waren dort betroffen, am schwerwiegendsten der Standort Fukushima Daiichi (Bild 1), ca. 250 km nördlich von Tokio. Dort befinden sich sechs Siedewasserreaktoren amerikanischer Bauart mit einer elektrischen Nettoleistung von insgesamt 4.547 Megawatt, die zwischen 1971 und 1979 in Betrieb genommen wurden und zur ältesten Generation der in Japan gebauten Kernkraftwerke gehören.

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Bild 1: Standort Fukushima Daiichi vor dem Erdbeben und Tsunami
Quelle: VGB,TEPCO, 2011



Unfallhergang - was ist passiert?

In Folge des Seelbebens fiel am Standort Fukushima Daiichi bei allen Reaktoren die externe Stromversorgung aus. Es kam zur Schnellabschaltung der Reaktoren 1 bis 3, die zum Zeitpunkt des Erdbebens in Betrieb waren. Die Reaktoren 4 bis 6 waren für Revisionen abgeschaltet. Im Block 4 war der Reaktorkern vollständig in das Brennelementlagerbecken entladen.

Der erste von mehreren Flutwellen eines durch das Seebeben ausgelösten Tsunamis traf 41 Minuten nach dem Seebeben am Standort ein. Bis dahin war in allen Reaktoren die Stromversorgung über Notstromdiesel sowie die Nachkühlung der Reaktorkerne und Brennelementlagerbecken gewährleistet. Das Erdbeben verursachte keine signifikanten sicherheitsrelevanten Schäden an den Anlagen. Die Reaktoren, die am Netz waren, schalteten sich planmäßig ab.

Nach dem Auftreffen der größten, mehr als 14 Meter hohen Flutwelle versagten allerdings 12 der insgesamt 13 Notstromdiesel am Standort, die zum Großteil in den nicht gegen Wassereinbruch geschützten Kellern der Maschinenhäuser untergebracht waren. Da die Reaktoren 1 bis 4 etwa zehn Meter oberhalb des Meeresspiegels auf dem Gelände errichtet worden waren und die Reaktoren 5 und 6 etwas höher auf 13 Meter Höhe oberhalb des Meeresspiegels, stand das Anlagengelände im Bereich der Reaktoren 1 bis 4 während der größten Flutwelle für einige Minuten 4 bis 5 m unter Wasser. Dadurch drang Wasser in die Kellerräume der Maschinenhäuser ein, in denen neben den ungeschützten Notstromdieseln auch die Schaltanlagen für die Wechsel- und Gleichstromversorgung sowie Batterien untergebracht waren. Dadurch fiel die Stromversorgung der Nachkühlsysteme aus, die insbesondere zur Abfuhr der Nachwärme aus den Reaktoren 1 bis 3 sowie aus den Lagerbecken 1 bis 4 notwendig gewesen wären. Auch die Nebenkühlwasserversorgung fiel aus und der Kühlwassereinlauf wurde zerstört, wodurch die Hauptwärmesenke verloren ging.

Die Notfallmaßnahmen waren nicht ausreichend, um Schäden an den Reaktorkernen der aktiven Blöcke 1 bis 3 zu vermeiden. Wegen einer teilweise über mehrere Stunden fehlenden bzw. unzureichenden Kühlwassereinspeisung kam es in diesen drei Blöcken teilweise bzw. vollständig zur Freilegung der  Reaktorkerne und zur Überhitzung der Brennstoffhüllrohre. Chemische Reaktionen führten zur Bildung von Wasserstoff und so zu einem weiteren Druckanstieg im Containment (Sicherheitsbehälter) der Reaktoren. Die Reaktorgebäude 1 und 3 wurden im oberen Bereich durch eine Explosionen von Wasserstoff schwer beschädigt, der vermutlich durch Undichtigkeiten des Containments dorthin gelangte (Bild 2).

Mit dem Versagen der Notstromdiesel war auch die Kühlung der Brennelementlagerbecken der Reaktoren 1 bis 4 ausgefallen. In den Reaktoren 5 und 6 war die Brennelementkühlung in den Lagerbecken nicht nachhaltig beeinträchtigt, da einer von drei Notstromdieseln des Reaktors 6 den Tsunami überstand und so die Energieversorgung für eine Kühlung sicherte.

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Bild 2: KKW-Standort Fukushima Daiichi nach dem Erdbeben, Tsunami und H2-Explosionen
Quelle: Janti, Digital Globe, 2011


Aktuelle Nachrechnungen der Betreibers TEPCO und der Behörde NISA mit Unfallanalysecodes zum Zustand des Brennstoffes deuten darauf hin, dass im Reaktor 1 im ungünstigsten Fall ein Großteil der Brennelemente aufgeschmolzen wurde. Ein Teil der Kernschmelze hat sich demnach zunächst bis auf den Boden des Reaktordruckbehälters und von dort weiter bis auf die rund 2,6 Meter dicke Bodenbetonschicht im Sicherheitsbehälter (Containment) verlagert. In dieser Schicht dürften Wechselwirkungen zwischen der Kernschmelze und dem Beton dazu geführt haben, dass die Kernschmelze durch Vermischung und Verdünnung mit Betonbestandteilen auskühlte und nach einer Eindringtiefe von 70 cm wiedererstarrte. Im Reaktor 2 ist laut Berechnung etwas mehr als die Hälfte des Brennstoffes aufgeschmolzen, im Reaktor 3 sind es knapp zwei Drittel des Brennstoffes. Da die Zeitspanne ohne Wassereinspeisung bei den Reaktoren 2 und 3 deutlich geringer als im Reaktor 1 waren, dürfte die Kernschmelze, so die Berechnung, mit hoher Wahrscheinlichkeit weitgehend in den Reaktordruckbehältern zurückgehalten worden sein.

Radiologische Situation

Insgesamt wurden einige 10.000 Terabecquerel Jod-Äquivalent freigesetzt. Die Freisetzung in Fukushima Daiichi entspricht je nach Informationsquelle 5 bis 20 Prozent der beim Reaktorunfall in Tschernobyl 1986 freigesetzten Menge. An Aerosolen gelangten hauptsächlich Jod und Cäsium in einer Menge von einigen Prozent des Gesamtbestands der drei Blöcke in die Umgebung. Der Wind trug die radioaktiven Stoffe vor allem zunächst nach Osten und später kurzzeitig auch nach Nordwesten. Hohe Kontaminationen konnten im Nordwesten über die 30-Kilometer-Evakuierungszone hinaus punktuell bis in eine Entfernung von etwa 60 Kilometern gemessen werden. Rund 1.500 Quadratkilometer sind von Evakuierungsanordnungen bzw. Evakuierungsempfehlungen betroffen. Das entspricht rund 15 Prozent der Fläche nach dem Unfall von Tschernobyl. In einigen betroffenen Gebieten wurden die Evakuierungen zwischenzeitlich wieder aufgehoben, Dekontaminationsmaßnahmen werden inzwischen großflächig durchgeführt.

Einstufung des Unfalls nach INES-Skala

Die japanischen Behörden haben die Ereignisse aufgrund der gesamtradiologischen Belastung nach Stufe 7 der International Nuclear Event Scale INES (Bild 3) der Internationalen Atomener-gie Agentur (IAEA) bewertet.

INES_Skala
Bild 3: International Nuclear Event Scale (INES)
Quelle: IAEA



Auslegung gegen Naturereignisse

Die Auslegung gegen Erdbeben und Überflutungen für Kernkraftwerke erfolgte in Japan in den 1960er Jahren. Der Erdbebenschutz war strenger ausgelegt und wurde im Laufe der Jahre immer wieder optimiert, während der Schutz gegen Tsunamis lediglich die historische maximale Wellenhöhe am Standort mit einer geringen, nicht systematisch festgelegten Reserve berücksichtigte. Für den Kernkraftwerksstandort Fukushima Daiichi wurde die Ausle-gungshöhe im Jahr 2002 basierend auf „Tsunami Assessment Method for Nuclear Power Plants in Japan (2002)“ der Japan Society of Civil Engineers von etwa 3,2 Meter auf 5,7 Me-ter erhöht. Als Bezug diente ein Tsunami aus dem Jahr 1960 der auf ein Erdbeben der Magnitude 9.4 in Chile folgte. Der Tsunami am 11. März 2011 erreichte am Kernkraftwerkstandort allerdings eine Höhe von mehr als 14 Meter. Derartige Flutwellenhöhen sind nicht selten für die japanischen Küsten. In den Jahren 1993, 1933 und 1896 wurden noch höhere Tsunamiwellen registriert.

Insgesamt haben in den letzten 500 Jahren 16 Tsunamis mit Wellenhöhen über 10m japanische Küsten getroffen,im Mittel also alle 30 Jahre einer. In Fukushima mag die standortspezifische Eintrittswahrscheinlichkeit eines Zunamis mit 14 m Höhe zwar um eine Größenordnung seltener gewesen sein. Sie lag jedoch weit unterhalb der z.B. in Deutschland für die Auslegung betrachteten Eintrittswahrscheinlichkeiten von 10.000 Jahren für Hochwasser oder 100.000 Jahre  für Erdbeben.
Experten sehen in der unzureichenden Auslegung gegen Tsunami die wesentliche Ursache für die Ereignisse.



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