Wie es zu einer Kernschmelze kommt – Vom Brennstab zum Fallout

Was ist eine Kernschmelze?

Eine Kernschmelze ist ein schwerer Reaktorunfall, bei dem sich der Reaktorkern so stark erhitzt, dass die Brennelemente zu schmelzen beginnen. Es handelt sich nicht um eine Explosion im Sinne einer Atomwaffe – kein Reaktor kann wie eine Bombe detonieren –, aber es können enorme Mengen an radioaktivem Material in die Umwelt freigesetzt werden. Drei große Kernschmelzen haben das öffentliche Verständnis des nuklearen Risikos geprägt: Three Mile Island (1979), Tschernobyl (1986) und Fukushima Daiichi (2011).

Die Ursache: Nachzerfallswärme

Auch nachdem die Betreiber Steuerstäbe eingefahren und die Spaltungs-Kettenreaktion gestoppt haben, erzeugt der Brennstoff weiterhin Wärme. Diese Nachzerfallswärme – die durch den anhaltenden radioaktiven Zerfall von Spaltprodukten entsteht – beträgt anfänglich etwa 5–6 % der vollen thermischen Leistung des Reaktors. Das mag bescheiden klingen, aber für einen großen Leistungsreaktor bedeutet dies Dutzende Megawatt Wärme, die sich nicht abschalten lässt. Wenn das Kühlsystem in diesem Stadium ausfällt, steigen die Temperaturen unaufhaltsam an.

Jedes Kernschmelzszenario lässt sich letztlich auf dasselbe Problem zurückführen: Die Wärmeproduktion übersteigt die Wärmeabfuhr. Der Auslöser kann ein Kühlmittelverluststörfall (ein Rohrbruch, der Wasser aus dem Kern abfließen lässt), ein Stromausfall, der die Kühlmittelpumpen stoppt, oder – wie in Tschernobyl – ein unkontrollierter Leistungsschub sein, der die Kühlkapazität überfordert.

Wie sich eine Kernschmelze entwickelt – Schritt für Schritt

Eine Kernschmelze ist kein einzelnes Ereignis, sondern eine Kaskade von Fehlern, von denen jeder die Temperaturen weiter erhöht:

1. Versagen der Brennstabhülle (~600 °C): Die Rohre aus Zirkoniumlegierung, die die Brennstofftabletten umschließen, beginnen sich aufzublähen und zu platzen, wodurch die erste Barriere gegen die Freisetzung von Strahlung durchbrochen wird.
2. Schnelle Oxidation (~1.230 °C): Dampf reagiert mit der Zirkoniumhülle, wodurch Wasserstoffgas entsteht und zusätzliche Wärme freigesetzt wird, die die Nachzerfallswärme selbst übersteigen kann. Die Ansammlung von Wasserstoff ist gefährlich – sie verursachte die Explosionen, die die Dächer der Reaktorgebäude in Fukushima wegsprengten.
3. Kernschmelze (~1.430 °C und darüber): Steuermaterialien verflüssigen sich und fließen nach unten. Wenn die Temperaturen über 2.800 °C steigen, schmilzt der Urandioxid-Brennstoff selbst zu einer geschmolzenen Masse, die als Corium bezeichnet wird – eine intensiv radioaktive Lava, die sich durch den stählernen Reaktordruckbehälter brennen kann.
4. Bedrohung des Containments: Wenn Corium den Behälter durchbricht und mit Wasser in Kontakt kommt, können Dampfexplosionen die Betonstruktur des Containments gefährden – die letzte Barriere zwischen radioaktivem Material und der Außenwelt.

Tiefenstaffelung: Vier Barrieren

Reaktorkonstrukteure gehen davon aus, dass jedes einzelne Sicherheitssystem ausfallen kann. Das Prinzip der Tiefenstaffelung schichtet mehrere unabhängige Barrieren zwischen radioaktivem Brennstoff und der Umwelt:

• Brennstoffkeramik: Urandioxid-Pellets sind von Natur aus widerstandsfähig gegen hohe Temperaturen.
• Brennstoffhülle: Rohre aus Zirkoniumlegierung versiegeln jeden Brennstab.
• Reaktordruckbehälter und Kühlsystem: Ein Stahldruckbehälter mit bis zu 30 cm dicken Wänden enthält den Kern.
• Containment-Gebäude: Eine Stahlbetonkonstruktion mit mindestens einem Meter dicken Wänden, die so ausgelegt ist, dass sie Innendrücken von 275–550 kPa standhält.

Eine Kernschmelze wird nur dann zu einer großflächigen Katastrophe, wenn alle vier Barrieren durchbrochen werden. In Three Mile Island hielt das Containment stand und die Freisetzungen in die Umwelt waren minimal. In Tschernobyl hatte der Reaktor kein robustes Containment-Gebäude, und der explosive Leistungsschub verteilte den Brennstoff direkt in die Atmosphäre.

Messung des Schweregrads: Die INES-Skala

Die Internationale Bewertungsskala für nukleare Ereignisse (INES), die 1990 von der IAEO eingeführt wurde, bewertet nukleare Ereignisse auf einer logarithmischen Skala von 0 bis 7 – wobei jede Stufe etwa zehnmal schwerwiegender ist als die vorherige. Three Mile Island wurde mit Stufe 5 (Unfall mit weiterreichenden Folgen) bewertet, während Tschernobyl und Fukushima beide die maximale Stufe 7 (schwerer Unfall) erhielten. Tschernobyl setzte jedoch etwa zehnmal mehr Radioaktivität frei als Fukushima, was die Grenzen der Skala bei der Unterscheidung zwischen Ereignissen an ihrem oberen Ende verdeutlicht.

Moderne Schutzmaßnahmen

Die heutigen fortschrittlichen Reaktorkonstruktionen beinhalten passive Sicherheitssysteme, die sich auf Schwerkraft, natürliche Konvektion und Druckgas anstelle von Pumpen oder menschlichen Bedienern verlassen. Der Westinghouse AP1000 beispielsweise kann seinen Kern nach dem Abschalten unbegrenzt ohne externe Stromversorgung kühlen – eine Eigenschaft, die manchmal als „walk-away safe“ bezeichnet wird. Diese Konstruktionen zielen darauf ab, die Abfolge von Fehlern, die zu einer Kernschmelze führen, physisch unmöglich zu machen, nicht nur unwahrscheinlich.

Vier Jahrzehnte nach Tschernobyl sind Kernschmelzen nach wie vor seltene, aber folgenschwere Ereignisse. Das Verständnis der Physik, die dahinter steckt – Nachzerfallswärme, Wasserstofferzeugung, Containment-Versagen – ist für jeden, der die Risiken und Vorteile der Kernenergie bewertet, unerlässlich.