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Warum kann in einem Brennelement-Lagerbecken ein Feuer entstehen?
Veröffentlicht: 22. März 2011

Warum kann in einem Brennelement-Lagerbecken ein Feuer entstehen?

Von Dr. Eike Roth
(eike.roth@energie-fakten.de, Lebenslauf)

Eike Roth„Brennstoff“ und „Brennelemente“ in einem Kernkraftwerk

In einem Kernkraftwerk wird Energie nicht durch einen Verbrennungsprozess, sondern durch Kernspaltungen gewonnen. Trotzdem bezeichnet man in Analogie zu den Verhältnissen bei fossilen Energieformen das Uran als (nuklearen) „Brennstoff“. Beim Leichtwasserreaktor wird Uran in oxydischer Form (Urandioxyd: UO2) verwendet, das ist bereits eine Verbindung mit Sauerstoff und kann daher gar nicht brennen. Dieses UO2 wird zu Tabletten verpresst und in ca. 4 m lange und etwa fingerdicke Metallrohre („Hüllrohre“ genannt) eingefüllt, die dann an beiden Enden dicht verschweißt werden. Ein solches Ding heißt „Brennstab“.

Brennstab Thumb
Brennstab: Hüllrohr mit Brennstofftabletten (Pellets);
Zur Anschauung geöffnetes Muster (ohne Uran);
Zum Größenvergleich mit 1 Euro Münze.

Mehrere Brennstäbe (je nach Reaktorauslegung etwa 50 bis 200 Stück) werden zur besseren Handhabung zu einem „Brennelement“ zusammengefasst. Ein Reaktor hat mehrerer hundert solcher Brennelemente. Ein Brennelement verbleibt typischerweise 3 bis 5 Jahre im Reaktor. Anschließend aus dem Reaktor entladene Brennelemente werden als „abgebrannte Brennelemente“ bezeichnet. (Ein Bild eines Brennelementes können Sie unter wkk-ev.de ansehen.)

Warum muss ein Kernkraftwerk nach dem Abschalten weiter gekühlt werden?

Im Reaktorbetrieb finden die Kernspaltungen im Inneren der Brennstäbe statt, dort entstehen daher auch die „Spaltprodukte“ (Bruchstücke der Urankerne). Bei einer Kernspaltung wird sehr viel Energie freigesetzt. Ein Teil davon wird gewissermaßen in den Spaltprodukten zwischengespeichert, physikalisch sagt man, dass sie sich nach der Spaltung in einem „angeregten Zustand“ befinden. Ihre Energie geben sie dann unter Aussendung von Strahlung (Alpha-, Beta- oder Gamma-Strahlen) mit der Zeit ab (man spricht vom „radioaktiven Zerfall“ der Spaltprodukte). Diese Energie wird größtenteils innerhalb des Brennstabes in Wärme umgewandelt. Weil diese Energie aus dem radioaktiven Zerfall frei wird, heißt sie „Zerfallswärme“, und weil dieser Prozess nicht nur im Reaktorbetrieb, sondern auch nach Abschalten des Reaktors (Unterbinden der Kettenreaktion von Kernspaltungen) abläuft, heißt sie auch „Nachzerfallsenergie“ oder „Nachwärme“. Jede Wärmeerzeugung möchte die Temperatur anheben. Damit das nicht passiert (und die Brennstäbe dann letztlich schmelzen) muss gekühlt werden, auch noch nach Jahren nach dem Entladen aus dem Reaktor („Nachwärmeabfuhr“). Die dafür notwendigen Anlagen zu „Abfuhr der Nachwärme“ sind mehrfach vorhanden.

Das Lager für abgebrannte Brennelemente

In der Praxis bringt man die „abgebrannten Brennelemente“ in das „Lager für abgebrannte Brennelemente“, welches sich im allgemeinen direkt neben dem Reaktor im Reaktorgebäude befindet. Es ist das ein wassergefülltes Becken, größenordnungsgemäß etwa 10 mal 10 m groß, in dem die Brennelemente etwa 5 m hoch mit Wasser überdeckt werden. Dieses Wasser hat zwei Funktionen: Es soll die Nachwärme aufnehmen (die abgebrannten Brennelemente kühlen) und es soll die von diesen Brennelementen ausgehende Strahlung so stark abschirmen, dass man am Beckenrand keine zu hohe Strahlenbelastung mehr erhält und dort beliebige Arbeiten durchführen kann. Da das Wasser die Nachwärme aufnimmt, muss es selbst laufend gekühlt werden, weil es sich sonst aufwärmt und nach einiger Zeit auch verdampft. Dann werden die Brennelemente nicht mehr gekühlt, sie werden immer heißer und schließlich schmelzen sie auch, zuerst die Hüllrohre und später auch das UO2. Die Spaltprodukte und auch Teile vom Uran werden dann frei gesetzt.

Die Brennelement-Lagerbecken sind typischerweise Betonbecken, die bei manchen Reaktoren verfliest, meist aber mit einer Stahlwand ausgekleidet sind (wobei zwischen Betonwand und Stahlauskleidung meist noch ein kleiner Spalt gelassen und auf Leckagen überwacht wird). In den Becken befinden sich die Brennelemente, die in metallischen Käfigen abgelegt sind, und Wasser. Eine Brandlast in ihnen gibt es normalerweise nicht und daher kann da normalerweise auch nichts brennen.

Im Störfall aber doch. Um das zu verstehen, müssen wir uns zunächst das Material der Hüllrohre näher anschauen. Üblicherweise besteht es aus Zircaloy, einer Zirkoniumlegierung mit ähnlicher Festigkeit wie Stahl, aber mit sehr viel kleinerer Absorption von Neutronen, daher stört es im Reaktor weniger als Stahl. Zircaloy ist wie gesagt ein Metall und kann normalerweise nicht brennen. Es möchte zwar gerne mit Sauerstoff reagieren (ähnlich wie Eisen gerne rosten will), wird daran aber durch eine dünne geschlossene Oxidschicht an seiner Oberfläche zuverlässig gehindert. Wird Zircaloy aber sehr heiß (wenn ich mich richtig erinnere, beginnt das so etwa ab 800 °C), wird die schützende Oxidschicht zerstört, der Sauerstoff aus der Luft kann zum Zirkonium dazu kommen und dieses kann richtig zu brennen anfangen, wobei nochmals zusätzlich Wärme freigesetzt wird.

Was geschah in Fukushima?

Im Block 4 des Kernkraftwerks Fukushima scheint genau das passiert zu sein. Zwar ist alles noch vorläufig, weil die Informationen nur recht spärlich fließen und zum Teil auch widersprüchlich sind, aber allem Anschein nach ist als Folge von Erdbeben und Tsunami die Kühlung für die Brennelement-Lagerbecken ausgefallen. Auf Grund der großen Wassermassen und der nur mehr relativ geringen Nachwärme der abgebrannten Brennelemente ist die Wassertemperatur zunächst nur langsam gestiegen und erst nach einigen Tagen hat das Wasser zu sieden angefangen. In dieser Phase, als auch die Strahlenbelastung in der Anlage noch einigermaßen niedrig war, hätte eigentlich eine provisorische Kühlung relativ leicht herstellbar sein müssen. Eine grobe Abschätzung zeigt, dass wahrscheinlich einige Liter kalten Wassers pro Sekunde schon genügt hätten. Warum das nicht erfolgt ist bzw. nicht erfolgen konnte, ist zur Zeit nicht beantwortbar.

Solange die Brennelemente noch teilweise im Wasser waren, ist der nicht mehr geflutete Teil von ihnen durch den vorbeistreichenden Dampf noch weiter gekühlt worden und das hat vermutlich ausgereicht, um größere Schäden an den Brennelementen zu verhindern. Als der Wasserstand aber bis unter die Brennelemente gefallen ist, ist auch die Dampfkühlung weggefallen und die Brennelemente sind schnell immer heißer geworden, bis die schützende Oxidschicht des Zircaloy zerstört wurde und das Zirkonium mit klar sichtbarer Flamme zu brennen begonnen hat. Nach manchen Meldungen konnte der Brand durch aktive Feuerlöschaktionen unterbunden werden, andere Informationen sprechen davon, dass das Feuer von selbst ausgegangen ist. Wahrscheinlich hat es mindestens zwei solcher Brände gegeben.

Mit der Zerstörung der Hüllrohre ging natürlich auch deren Rückhaltefähigkeit für die zunächst in ihnen eingeschlossenen Spaltprodukte verloren, was zu der beobachteten Freisetzung von Radioaktivität führte. Heute (21.03.2011) ist die Radioaktivität in der Anlage so groß, dass eine Kühlung der Lagerbecken nur mehr aus großer Ferne erfolgen kann. Nach zunächst noch einigen Schwierigkeiten scheint es mittlerweile aber gelungen zu sein, mit Hochdruckwasserwerfern so viel Meerwasser über die Anlagen drüber zu schütten, dass ausreichend viel davon in die Lagerbecken gekommen ist. Diese konnten abgekühlt und wieder mit Wasser gefüllt werden. Die Freisetzung von Radioaktivität aus dieser Quelle konnte damit ganz wesentlich eingedämmt werden.

Droht nun eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion von Kernspaltungen im Brennelemente-Becken?

Ein paar Anmerkungen muss ich noch zum Problem einer möglichen erneuten sich selbst erhaltenden Kettenreaktion von Kernspaltungen in einem Brennelement-Lagerbecken machen: Im Uran ist hauptsächlich das Isotop 235 spaltbar . Um dieses Isotop zu spalten, werden langsame Neutronen benötigt, bei der Kernspaltung entstehen aber schnelle Neutronen. Damit eine Kettenreaktion aufrecht erhalten werden kann, müssen die Neutronen abgebremst werden. Genau das ist die eine der beiden Hauptaufgaben des Wassers (die andere ist die Kühlung). Ohne Wasser gibt es daher keine sich selbst erhaltende Kettenreaktion. Mit Wasser kommt es auf die Zahl und die Art der gelagerten Brennelemente an. Bei nur voll abgebrannten Brennelementen, dürfte eine sich sich selbst erhaltende Kettenreaktion auch unmöglich sein, die Brennelemente enthalten einfach zu wenig spaltbares Uran. Sind aber auch teilabgebrannte oder gar frische Brennelemente im Lagerbecken vorhanden, ist eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion jedenfalls theoretisch möglich, ob sie auch praktisch möglich ist, hängt vor allem vom Abbrandzustand der Brennelemente und von deren Anordnung im Lagerbecken ab. Vorsichtshalber sollte in solchen Fällen immer auch etwas Borsäure dem eingespeisten Wasser beigesetzt werden, das fängt die Neutronen ein und verhindert dadurch eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion. Probleme mit Kettenreaktionen in den Lagerbecken sind aus Fukushima keine bekannt geworden.

Siehe auch

Diese Antwort entstand auf die Fragen von Lesern und wurde am 22. März 2011 veröffentlicht.

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