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Woher kommt das Knallgas in einem Kernkraftwerk?
Veröffentlicht: 25. März 2011

Woher kommt das Knallgas in einem Kernkraftwerk?

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

Eike RothDie Quelle: Wasserstoff

Knallgas ist eine explosionsfähige Mischung von Wasserstoff und Luft bzw. Sauerstoff. Knallgasexplosionen können sehr energiereich sein. In trockener Luft wird die Explosionsfähigkeit ab 4 Volumenprozent Wasserstoffanteil erreicht, Wasserdampf in der Luft verschiebt diese Grenze (deutlich) nach oben.

In einem Leichtwasserreaktor-Kernkraftwerk gibt es grundsätzlich sechs mögliche Quellen für Knallgas:

  • Wasserstoffführende Betriebssysteme,
  • Elektrolyse von Wasser,
  • Radiolyse von Wasser,
  • thermische Zersetzung von Wasser,
  • Zirkon/Wasser-Reaktionen und
  • Kernschmelze/Beton-Reaktionen.
  1. Wie bei allen Kraftwerken gibt es auch bei Kernkraftwerken den betrieblichen Einsatz von Wasserstoff, z. B. bei der Generatorkühlung. Alle wasserstoffführenden Systeme müssen laufend auf Leckagen überwacht werden und Maßnahmen gegen mögliche Knallgasexplosionen sind vorzusehen. Grundsätzlich gibt es da keinen Unterschied zu vielen anderen Industrieanlagen.
  2. Bei der Elektrolyse wird Wasser durch fließenden Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Eine Elektrolyse findet z. B. immer beim Nachladen von Batterien statt. In einem Kernkraftwerk sind die für Batterieladungen vorgesehenen Räume daher an ein eigenes Lüftungssystem angeschlossen (jedenfalls in Deutschland). Andere Elektrolysen gibt es in einem Kernkraftwerk nicht, sie könnten höchstens durch einen elektrischen Defekt zustande kommen. Solche Ereignisse sind mir nicht bekannt geworden.
  3. Die Radiolyse ist eine Zerlegung von Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff durch die Einwirkung von ionisierender Strahlung. Sie findet immer statt, wenn Wasser einem (starken) Strahlungsfeld ausgesetzt ist, in Kernkraftwerken während des Reaktorbetriebes also jederzeit. Mit zunehmender Betriebserfahrung hat man die kritischen Stellen, an denen explosionsfähiges Knallgas entstehen bzw. sich ansammeln kann, erkannt, diese Stellen werden heute gezielt darauf überwacht und im Bedarfsfall wird das Knallgas ausgespült oder durch sogenannte „Rekombinatoren“ zurück in Wasser verwandelt. In der Vergangenheit sind einzelne Fälle unerkannter Knallgasansammlungen aufgetreten und durch Explosionen sind auch Schäden an Komponenten eingetreten. Durch den verbesserten Wissensstand und durch gezielte Nachrüstmaßnahmen können solche Ereignisse in Zukunft wesentlich zuverlässiger verhindert werden.
  4. Die thermische Zersetzung von Wasser („Thermolyse“) läuft normalerweise erst bei Temperaturen oberhalb von etwa 3000 °C. Solche Temperaturen werden in einem Kernkraftwerk auch bei extremen Störfällen nicht erreicht. Allerdings kann die Thermolyse in Anwesenheit von Katalysatoren auch schon bei 800 bis 1000 °C laufen. Ereignisse, bei denen es in einem Kernkraftwerk zu einer Thermolyse von Wasser gekommen wäre, sind mir nicht bekannt. Auch bei der Diskussion extremer Störfälle spielt die Thermolyse meines Erachtens keine Rolle.
  5. Zircaloy, eine Legierung mit rund 90 % Zirkon (auch „Zirkonium“ genannt), wird in Kernkraftwerken vor allem als Hüllrohrmaterial für die Brennstäbe verwendet. Bei ungefähr gleichen mechanischen Eigenschaften wie Stahl absorbiert es wesentlich weniger Neutronen und verbessert dadurch die Brennstoffausnutzung erheblich. Unter normalen Betriebsbedingungen ist Zircaloy chemisch sehr stabil. Bei Temperaturen ab etwa 1000 °C (wie sie in einem Kernkraftwerk nur bei gravierenden Störfällen auftreten können) reagiert es aber mit Wasserdampf. Dabei wird das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten, der Sauerstoff reagiert mit Zirkon zu Zirkonoxid und der Wasserstoff wird freigesetzt. Wenn die Kühlung in einem KKW ausfällt, erhitzen sich die Brennelemente und wenn sie heiß genug sind, läuft diese „Zirkon/Wasser-Reaktion“ massiv ab, dabei werden große Mengen Wasserstoff gebildet. Vermischt der sich mit Luft, entsteht Knallgas, das dann explodieren kann.

    Von allem Anfang an war bewusst, dass der neutronenphysikalische Vorteil von Zircaloy mit dem Nachteil der möglichen Zirkon/Wasser-Reaktion und daher der potentiellen Knallgasbildung erkauft wird. Dennoch war die Entscheidung für Zircaloy auch aus heutiger Sicht nachvollziehbar, da bei einem schwerwiegenden Störfall Wasserstoff auch durch eine mögliche Wechselwirkung des geschmolzenen Reaktorkerns mit Beton entsteht (siehe unten) und daher das „Wasserstoff-Problem“ ohnehin beherrscht werden muss. Wird es aber beherrscht, kann man auch mit der Möglichkeit einer Zirkon/Wasser-Reaktion leben.
  6. Wird ein Reaktorkern längere Zeit nicht gekühlt, erhitzen sich die Brennstäbe immer mehr, bis sie schließlich schmelzen. Die Schmelze sammelt sich am Boden des Reaktordruckgefäßes und wenn weiter nicht gekühlt wird, durchschmilzt sie dieses und fällt dann auf den Beton darunter. Bei der Reaktion des heißen geschmolzenen Reaktorkerns mit dem Beton entsteht unter anderem wieder Wasserstoff. Vermischt der sich mit Luft, kann wieder Knallgas entstehen.

Bei einem schweren Störfall werden daher sowohl durch die Zirkon/Wasser-Reaktion als auch durch die Kernschmelze/Beton-Reaktion größere Mengen Wasserstoff erzeugt. Beide Vorgänge spielen sich im Inneren des Sicherheitsbehälters („Containment“) ab.

Planmäßige Beherrschung

Um die Bildung von explosionsfähigem Knallgas im Sicherheitsbehälter möglichst zu verhindern, sind in diesem „Rekombinatoren“ vorhanden, die Wasserstoff und Sauerstoff wieder miteinander verbinden (zu Wasser).

Bei schweren Störfällen kann aber auch der Druck im Sicherheitsbehälter auf unzulässige Werte ansteigen. Wird Wasserstoff in größeren Mengen gebildet (siehe oben, Zirkon/Wasser-Reaktion und Kernschmelze/Beton-Reaktion), trägt der erheblich zum Druckaufbau bei. Um den Sicherheitsbehälter vor einer Zerstörung durch Überdruck zu schützen, wird notfalls eine „gefilterte Druckentlastung“ vorgenommen. Dabei wird ein Ventil geöffnet und das im Sicherheitsbehälter enthaltene Gasgemisch (mit oder ohne Wasserstoff) wird gezielt über spezielle Rohrleitungen und Filter (zum Abtrennen von im Gasgemisch enthaltenen radioaktiven Substanzen) zum Kamin geleitet und über diesen abgegeben (jedenfalls ist das in Deutschland so und diese Rohrleitungen und Filter sind auch so ausgeführt, dass sie auch nach einem Erdbeben noch funktionsfähig sind). Sollte am Kaminaustritt noch Wasserstoff vorhanden sein, verteilt der sich in der offenen Atmosphäre rasch auf unbedenkliche Konzentrationen.

Was geschah in Fukushima?

Hinsichtlich Fukushima muss ich vorab auf die unvollständige und unsichere Informationslage hinweisen (Stand 23.03.2011). Alle folgenden Aussagen stehen daher unter dem Vorbehalt, ggf. noch korrigiert werden zu müssen.

In Fukushima ist es sehr wahrscheinlich infolge Ausfalls der Kühlung und Überhitzung der Brennelemente zu intensiven Zirkon/Wasser-Reaktionen in den Reaktordruckgefäßen der Blöcke 1 bis 3 gekommen. Durch Sicherheitsventile wurden die Reaktordruckgefäße in die Sicherheitsbehälter entlastet. In den Sicherheitsbehältern konnte der Wasserstoff kein Knallgas bilden, weil die Sicherheitsbehälter in Fukushima nicht mit Luft, sondern mit Stickstoff gefüllt sind („ineritsiert“). Aber als Folge des Störfalls ist der Druck in den Sicherheitsbehältern bedrohlich angestiegen, weswegen bei allen drei Blöcken die Druckentlastung der Sicherheitsbehälter vorgenommen wurde. Wieweit diese Druckentlastung über Filter erfolgte (oder jedenfalls planmäßig hätte über Filter erfolgen sollen), ist nicht bekannt. Die Leitung, über die die Druckentlastung erfolgte, muss zwangsweise durch das jeweilige Reaktorgebäude hindurch führen, weil das Reaktorgebäude bei allen Anlagen den Sicherheitsbehälter rundherum umgibt. Auf welchem Weg im Reaktorgebäude und wohin die Leitung genau führt, ist mir nicht bekannt, möglicherweise aber führt sie nur bis durch die Außenwand des Reaktorgebäudes in die Atmosphäre. Zur Druckentlastung und Verhinderung einer Knallgasexplosion genügt das. Allem Anschein nach ist in dieser Leitung aber ein Leck aufgetreten (erdbebenbedingt?) und das Gasgemisch aus dem Sicherheitsbehälter ist nicht oder zumindest nicht vollständig in die Atmosphäre abgeleitet worden, sondern zumindest teilweise in das Reaktorgebäude ausgetreten. Dort konnte der Wasserstoff mit dem Sauerstoff aus der Raumluft Knallgas bilden und das ist dann explodiert.

Zusätzlich sind in Fukushima in den Reaktorgebäuden – außerhalb der Sicherheitsbehälter – die Lagerbecken für abgebrannte Brennelemente angeordnet. Über deren Zustand ist bei den Blöcken 1 und 2 nichts bekannt. In den Blöcken 3 und 4 (in letzterem waren zum Zeitpunkt des Erdbebens alle Brennelemente aus dem Reaktor in das Lager für abgebrannte Brennelemente entladen) ist die Kühlung der Lagerbecken ausgefallen, das Wasser ist verdampft und die Brennelemente sind sehr heiß geworden. Allem Anschein nach sind durch die Zirkon/Wasser-Reaktion größere Mengen Wasserstoff freigesetzt worden. Der Wasserstoff hat sich dann mit der Luft aus dem Reaktorgebäude zu Knallgas vermischt und dieses ist explodiert. Als Folge der Explosion sind vermutlich durch herabfallende Trümmer Schäden an den Brennelementen und möglicherwiese auch am Lagerbecken entstanden, doch liegen hierüber keine näheren Informationen vor. Dafür wurde über mehrfache Brände im Bereich der Lagerbecken berichtet, möglicherweise haben die in Abwesenheit von Wasserdampf frei in der Luft stehenden Zircaloy-Hüllrohre gebrannt (siehe Warum kann in einem Brennelement-Lagerbecken ein Feuer entstehen?).

Siehe auch

Diese Antwort entstand auf die Fragen von Lesern und wurde am 25. März 2011 veröffentlicht.

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