Anmerkung des Herausgebers: Diese Geschichte wurde am Montag, den 10. Juni um 16:45 Uhr aktualisiert. SOMMERZEIT.
In der neuen HBO-Miniserie "Tschernobyl" decken russische Wissenschaftler den Grund für eine Explosion in Reaktor 4 des Kernkraftwerks Tschernobyl auf, die radioaktives Material in ganz Nordeuropa ausspuckte.
Bei diesem Reaktor, der als RBMK-1000 bezeichnet wurde, wurde nach dem Unfall von Tschernobyl ein grundlegender Fehler festgestellt. Und doch sind in Russland immer noch 10 Reaktortypen in Betrieb. Woher wissen wir, ob sie sicher sind?
Die kurze Antwort lautet: Wir nicht. Diese Reaktoren wurden modifiziert, um das Risiko einer weiteren Katastrophe im Tschernobyl-Stil zu verringern, sagen Experten, aber sie sind immer noch nicht so sicher wie die meisten Reaktoren im westlichen Stil. Und es gibt keine internationalen Sicherheitsvorkehrungen, die den Bau neuer Anlagen mit ähnlichen Mängeln verhindern würden.
"Es gibt eine ganze Reihe verschiedener Reaktortypen, die derzeit in verschiedenen Ländern in Betracht gezogen werden und sich erheblich vom Standard-Leichtwasserreaktor unterscheiden. Viele von ihnen weisen Sicherheitslücken auf, die die Konstrukteure herunterspielen", sagte Edwin Lyman, a leitender Wissenschaftler und stellvertretender Direktor des Projekts für nukleare Sicherheit bei der Union of Concerned Scientists.
"Je mehr Dinge sich ändern", sagte Lyman zu Live Science, "desto mehr bleiben sie gleich."
Reaktor 4
Im Zentrum der Katastrophe von Tschernobyl stand der Reaktor RBMK-1000, der nur in der Sowjetunion verwendet wurde. Der Reaktor unterschied sich von den meisten Leichtwasser-Kernreaktoren, dem Standarddesign, das in den meisten westlichen Ländern verwendet wurde. (Einige frühe US-Reaktoren am Standort Hanford im US-Bundesstaat Washington hatten ein ähnliches Design mit ähnlichen Fehlern, wurden jedoch Mitte der 1960er Jahre repariert.)
Leichtwasserreaktoren bestehen aus einem großen Druckbehälter mit Kernmaterial (dem Kern), das durch eine zirkulierende Wasserversorgung gekühlt wird. Bei der Kernspaltung spaltet sich ein Atom (in diesem Fall Uran) und erzeugt Wärme und freie Neutronen, die in andere Atome zerfallen, wodurch sie sich spalten und Wärme und mehr Neutronen freisetzen. Die Wärme wandelt das zirkulierende Wasser in Dampf um, der dann eine Turbine dreht und Strom erzeugt.
In Leichtwasserreaktoren fungiert das Wasser auch als Moderator, um die laufende Kernspaltung im Kern zu kontrollieren. Ein Moderator verlangsamt freie Neuronen, so dass sie mit größerer Wahrscheinlichkeit die Spaltreaktion fortsetzen und die Reaktion effizienter gestalten. Wenn sich der Reaktor erwärmt, wird mehr Wasser zu Dampf und es steht weniger zur Verfügung, um diese Moderatorrolle zu spielen. Infolgedessen verlangsamt sich die Spaltreaktion. Diese negative Rückkopplungsschleife ist ein wichtiges Sicherheitsmerkmal, das die Reaktoren vor Überhitzung schützt.
Der RBMK-1000 ist anders. Es wurde auch Wasser als Kühlmittel verwendet, jedoch mit Graphitblöcken als Moderator. Die Variationen in der Reaktorkonstruktion ermöglichten es, weniger angereicherten Brennstoff als gewöhnlich zu verwenden und während des Betriebs betankt zu werden. Da jedoch die Kühlmittel- und Moderatorrollen getrennt waren, wurde die negative Rückkopplungsschleife von "mehr Dampf, weniger Reaktivität" unterbrochen. Stattdessen haben RBMK-Reaktoren einen sogenannten "positiven Hohlraumkoeffizienten".
Wenn ein Reaktor einen positiven Hohlraumkoeffizienten hat, beschleunigt sich die Spaltreaktion, wenn sich das Kühlwasser in Dampf verwandelt, anstatt sich zu verlangsamen. Das liegt daran, dass durch das Kochen Blasen oder Hohlräume im Wasser entstehen, die es Neutronen erleichtern, direkt zum spaltverstärkenden Graphitmoderator zu gelangen, sagte Lars-Erik De Geer, ein Kernphysiker, der aus der schwedischen Verteidigungsforschungsagentur ausgeschieden ist.
Von dort aus, sagte er zu Live Science, baut sich das Problem auf: Die Spaltung wird effizienter, der Reaktor wird heißer, das Wasser wird dampfender, die Spaltung wird noch effizienter und der Prozess geht weiter.
Vor der Katastrophe
Als das Werk in Tschernobyl mit voller Leistung lief, war dies kein großes Problem, sagte Lyman. Bei hohen Temperaturen neigt der Uranbrennstoff, der die Spaltreaktion antreibt, dazu, mehr Neutronen zu absorbieren, wodurch er weniger reaktiv wird.
Bei geringer Leistung werden RBMK-1000-Reaktoren jedoch sehr instabil. Im Vorfeld des Unfalls von Tschernobyl am 26. April 1986 führten die Betreiber einen Test durch, um festzustellen, ob die Turbine der Anlage während eines Stromausfalls Notausrüstung betreiben konnte. Für diesen Test musste die Anlage mit reduzierter Leistung betrieben werden. Während die Leistung gesenkt wurde, wurden die Betreiber von den Kiewer Energiebehörden angewiesen, den Prozess anzuhalten. Eine konventionelle Anlage war außer Betrieb gegangen, und die Stromerzeugung in Tschernobyl war erforderlich.
"Das war der Hauptgrund, warum am Ende alles passiert ist", sagte De Geer.
Die Anlage lief 9 Stunden mit Teilstrom. Als die Betreiber die Erlaubnis erhielten, den größten Teil des restlichen Weges mit Strom zu versorgen, hatte sich im Reaktor neutronenabsorbierendes Xenon angesammelt, und sie konnten das entsprechende Spaltniveau nicht aufrechterhalten. Die Macht fiel auf fast nichts. Um dies zu verstärken, entfernten die Bediener die meisten Kontrollstäbe, die aus neutronenabsorbierendem Borcarbid bestehen und zur Verlangsamung der Spaltreaktion verwendet werden. Die Bediener reduzierten auch den Wasserfluss durch den Reaktor. Dies verschärfte laut der Nuclear Energy Agency das Problem des positiven Hohlraumkoeffizienten. Plötzlich wurde die Reaktion tatsächlich sehr intensiv. Innerhalb von Sekunden stieg die Leistung auf das 100-fache der Leistung des Reaktors.
Es gab andere Designfehler, die es schwierig machten, die Situation nach dem Start wieder in den Griff zu bekommen. Zum Beispiel wurden die Steuerstäbe mit Graphit bestückt, sagt De Geer. Als die Bediener sahen, dass der Reaktor langsam durcheinander geriet und versuchten, die Steuerstäbe abzusenken, blieben sie stecken. Der unmittelbare Effekt bestand nicht darin, die Spaltung zu verlangsamen, sondern sie lokal zu verbessern, da der zusätzliche Graphit an den Spitzen anfänglich die Effizienz der Spaltreaktion in der Nähe erhöhte. Zwei Explosionen folgten schnell. Wissenschaftler diskutieren immer noch genau, was jede Explosion verursacht hat. Sie können beide Dampfexplosionen aufgrund des schnellen Druckanstiegs im Zirkulationssystem gewesen sein, oder eine kann Dampf gewesen sein und die zweite eine Wasserstoffexplosion, die durch chemische Reaktionen im ausfallenden Reaktor verursacht wurde. Basierend auf dem Nachweis von Xenonisotopen in Cherepovets, 370 Kilometer nördlich von Moskau nach der Explosion, glaubt De Geer, dass die erste Explosion tatsächlich ein Atomgasstrahl war, der mehrere Kilometer in die Atmosphäre schoss.
Änderungen vorgenommen
Die unmittelbaren Folgen des Unfalls waren "eine sehr beunruhigende Zeit" in der Sowjetunion, sagte Jonathan Coopersmith, ein Technologiehistoriker an der Texas A & M University, der 1986 in Moskau war. Zunächst hielten die sowjetischen Behörden die Informationen in der Nähe; Die staatliche Presse begrub die Geschichte und die Gerüchteküche übernahm. Aber weit weg in Schweden entdeckten De Geer und seine Kollegen bereits ungewöhnliche radioaktive Isotope. Die internationale Gemeinschaft würde bald die Wahrheit erfahren.
Am 14. Mai hielt der sowjetische Führer Michail Gorbatschow eine Fernsehansprache, in der er sich über das Geschehene informierte. Es war ein Wendepunkt in der sowjetischen Geschichte, sagte Coopersmith gegenüber Live Science.
"Es hat Glasnost real gemacht", sagte Coopersmith und verwies auf die aufkommende Politik der Transparenz in der Sowjetunion.
Es eröffnete auch eine neue Ära in der Zusammenarbeit für die nukleare Sicherheit. Im August 1986 veranstaltete die Internationale Atomenergiebehörde in Wien einen Gipfel nach dem Unfall, an den sich sowjetische Wissenschaftler mit einem beispiellosen Gefühl der Offenheit wandten, sagte De Geer, der anwesend war.
"Es war erstaunlich, wie viel sie uns erzählt haben", sagte er.
Zu den Änderungen in Reaktion auf Tschernobyl gehörten Modifikationen an den anderen RBMK-1000-Reaktoren, die zu diesem Zeitpunkt in Betrieb waren 17. Laut der World Nuclear Association, die die Kernenergie fördert, umfassten diese Änderungen die Zugabe von Inhibitoren zum Kern, um außer Kontrolle geratene Reaktionen bei geringer Leistung zu verhindern, eine Erhöhung der Anzahl der im Betrieb verwendeten Steuerstäbe und eine Erhöhung der Brennstoffanreicherung. Die Steuerstäbe wurden ebenfalls nachgerüstet, damit sich der Graphit nicht in eine Position bewegt, die die Reaktivität erhöht.
Die anderen drei Reaktoren von Tschernobyl waren bis 2000 in Betrieb, wurden jedoch inzwischen geschlossen, ebenso wie zwei weitere RBMK in Litauen, die aufgrund des Beitritts dieses Landes zur Europäischen Union abgeschaltet wurden. In Kursk sind vier RBMK-Reaktoren in Betrieb, drei in Smolensk und drei in St. Petersburg (ein vierter wurde im Dezember 2018 stillgelegt).
Diese Reaktoren "sind nicht so gut wie unsere", sagte De Geer, "aber sie sind besser als früher."
"Es gab grundlegende Aspekte des Designs, die nicht behoben werden konnten, egal was sie taten", sagte Lyman. "Ich würde nicht sagen, dass sie die Sicherheit des RBMK insgesamt auf den Standard erhöhen konnten, den Sie von einem Leichtwasserreaktor im westlichen Stil erwarten würden."
De Geer wies außerdem darauf hin, dass die Reaktoren nicht mit vollständigen Rückhaltesystemen gebaut wurden, wie dies bei Reaktoren im westlichen Stil der Fall ist. Rückhaltesysteme sind Abschirmungen aus Blei oder Stahl, die radioaktives Gas oder Dampf enthalten sollen, damit sie im Falle eines Unfalls nicht in die Atmosphäre entweichen können.
Versehen übersehen?
Trotz der potenziell internationalen Auswirkungen eines Atomkraftwerksunfalls gibt es kein verbindliches internationales Abkommen darüber, was eine "sichere" Anlage darstellt, sagte Lyman.
Das Übereinkommen über nukleare Sicherheit verlangt von den Ländern, dass sie über ihre Sicherheitsmaßnahmen transparent sind, und ermöglicht eine Peer-Review von Anlagen, sagte er, aber es gibt keine Durchsetzungsmechanismen oder Sanktionen. Einzelne Länder haben ihre eigenen Regulierungsbehörden, die nur so unabhängig sind, wie es die lokalen Regierungen ermöglichen, sagte Lyman.
"Wie können Sie in Ländern mit weit verbreiteter Korruption und mangelnder verantwortungsvoller Staatsführung erwarten, dass eine unabhängige Regulierungsbehörde funktionieren kann?" Sagte Lyman.
Obwohl außer der Sowjetunion niemand RBMK-1000-Reaktoren herstellte, beinhalten einige vorgeschlagene neue Reaktorkonstruktionen einen positiven Hohlraumkoeffizienten, sagte Lyman. Beispielsweise haben Reaktoren mit schneller Brut, bei denen es sich um Reaktoren handelt, die bei der Stromerzeugung spaltbareres Material erzeugen, einen positiven Hohlraumkoeffizienten. Russland, China, Indien und Japan haben alle solche Reaktoren gebaut, obwohl Japans nicht in Betrieb ist und für die Stilllegung geplant ist und Indiens 10 Jahre hinter dem Zeitplan für die Eröffnung zurückliegt. (In Kanada gibt es auch Reaktoren mit kleinen positiven Hohlraumkoeffizienten.)
"Die Designer argumentieren, dass sie insgesamt sicher sind, wenn man alles berücksichtigt, so dass das nicht so wichtig ist", sagte Lyman. Aber Designer sollten in ihren Systemen nicht zu selbstsicher sein, sagte er.
"Diese Art des Denkens hat die Sowjets in Schwierigkeiten gebracht", sagte er. "Und es ist das, was uns in Schwierigkeiten bringen kann, wenn wir nicht respektieren, was wir nicht wissen."
Anmerkung des Herausgebers: Diese Geschichte wurde aktualisiert, um festzustellen, dass die meisten, aber nicht alle Steuerstäbe aus dem Reaktor entfernt wurden, und um festzustellen, dass einige frühe Reaktoren in den Vereinigten Staaten ebenfalls einen positiven Hohlraumkoeffizienten hatten, obwohl ihre Konstruktionsfehler behoben wurden .
