Reaktorsicherheit

Sicherheitstechnische Anforderungen
Unter Reaktorsicherheit versteht man das sichere Planen, Konstruieren und in Betrieb nehmen von Kernkraftwerken. Für die Gewährleistung der Reaktorsicherheit wird die Umsetzung höchster Sicherheitsanforderungen vorausgesetzt, welche allenfalls mit denen der Luft- und Raumfahrt vergleichbar wären. Jede technische Anlage unterliegt sicherheitsrechtlichen Bestimmungen, dies gilt insbesondere für den Betrieb von Kernkraftwerken (KKW). Sowohl für Kraftwerke, Chemieanlagen, verkehrstechnische Einrichtungen als auch für Anlagen zukünftiger Technologien lassen sich folgende, die Sicherheit betreffenden Problemkreise zeichnen:

Sicherheit vor Schäden an der Anlage selbst: aus Gründen der Effizienz soll ein möglichst störungsfreier Betrieb gewährleistet werden. Reparaturen und Ersatzinvestitionen sind so gering wie möglich zu halten und Schäden werden durch entsprechenden technischen Aufwand vermieden.

Personenschäden: die Dosisbelastung des Personals muss gesetzlichen Anforderungen entsprechend möglichst gering gehalten werden. Es gilt das ALARA – Prinzip: As Low As
Reasonable Achievable, so niedrig, wie sinnvoll erreichbar.

Umgebung: die Bevölkerung muss vor Schäden geschützt sein. Der Schutz umfasst Personenschäden und Landkontamination.

Besondere Anforderungen an die Reaktorsicherheit
Um die oben genannten Ansprüche erfüllen zu können, ist die Planung, der Bau und Betrieb von KKWs mit umfangreichen Kontroll- und Genehmigungsverfahren verbunden. Als Beispiel davon dient etwa das Verfahren der Auslegung, Berechnung, Prüfung und der Überwachung von Druckbehältern. Im Unterschied zu den oben genannten Anlagen ist bei Kernkraftwerken die Gefahr der Radioaktivität zusätzlich zu beachten. In Reaktoren, Hilfsanlagen und an sämtlichen Entsorgungsstationen radioaktiven Mülls sind große Mengen der radioaktiven Strahlung enthalten. Um im K-Fall die Personenschäden möglichst gering zu halten, befinden sich in den USA sämtliche der 60 aktiven KKWs in nur dünn besiedelten Gebieten fernab von Ballungszentren.

Sicherheitsgefährdungen durch KKWs:
1. Durch eine Fehlsteuerung kann eine nukleare Leistungsexkursion ausgelöst werden, welche schlimmstenfalls zur Zerstörung des Reaktors führt.
2. Bei Ausfall der Kühlung kann es aufgrund der Nachwärme zu einer Kernschmelze im Reaktorkern kommen. Dadurch werden unkontrollierte Mengen radioaktiver Stoffe in die Umwelt freigesetzt.
3. Das radioaktive Spaltstoff– und Spaltproduktinventar eines Reaktors verursacht enorme nachhaltige Schäden bei Menschen und anderen Lebewesen. Bestimmte Gebiete sind im Fall einer Katastrophe tausende Jahre nicht mehr bewohnbar.
4. Kernspaltungsprozesse und Brutprozesse produzieren enorm langlebige und gesundheitsgefährdende Endprodukte. Ob eine sichere Langzeitlagerung dessen möglich ist, lässt sich nur schwer nachweisen.

Bedrohung durch Flugzeugabstürze
Spätestens seit den Anschlägen auf das New Yorker World Trade Center werden terroristische Akte und Unfälle durch Flugzeuge nicht mehr ausgeschlossen. Laut einem Bericht des ehemals ranghöchsten Technikexperten im Bereich der Reaktorsicherheit Dieter Majer, könnten deutsche KKWs nicht einmal einer mittelgroßen Militärmaschine standhalten. Ein Flugzeugabsturz auf das Reaktorhauptgebäude würde die Beton-Schutzhülle durchbrechen und könnte im schlimmsten Falle eine Kernschmelze auslösen. Das bei einem Absturz freigesetzte Kerosin beläuft sich bei einer vollgetankten Maschine auf bis zu 300 0000 Liter. Der Treibstoff könnte Explosionen und Brandwellen freisetzten. Zudem stellen die rotierenden Triebwerke eines Flugzeugs eine besondere Gefahr dar, da sich die Turbinen wie Pfeilspitzen durch die Sicherheitsbarrieren bohren könnten. Die Folgen eines solchen Terrorismus-Aktes oder Unfalles sind in jedem Falle unkalkulierbar. Ein systemübergreifender Fehler kann in keinem Falle gänzlich vermieden werden.

Sicherheitskonzept zur Reaktorsicherheit

Zu Beginn der friedlichen Nutzung von Kernkraft ab Mitte der 1950er-Jahre richteten sich die ausgearbeiteten Maßnahmen eines Sicherheitskonzeptes hauptsächlich gegen Reaktivitätsstörfälle, Kühlmittelverluststörfälle und Ausfälle in der Nachwärmeabfuhr. Die Sicherheitskonzepte wurden später von äußeren Einflüssen ergänzt. Zu den äußeren Einflüssen zählen Erdbeben, Gaswolkenexplosionen und Flugzeugabstürze. Es ist zu erwarten, dass in Zukunft auch innere Sabotagehandlungen berücksichtigt werden müssen.

Das oberste Schutzziel ist Schutz der Umgebung vor hoher Strahlenbelastung. An zweiter Stelle rangiert der Schutz des Personals. Folgende Punkte gewährleisten die Sicherheit von Umgebung und Menschen:

– sicheres und kontrolliertes Abschalten der Kettenreaktion
– Abführen der Nachzerfallswärme und Herabsenken der Temperatur von Brennelementen auf ein unkritisches Niveau
– Schutz gegen feindliche Fremdeinwirkung
– Erhalt der Barrierefunktion, um einen Austausch radioaktiver Stoffe zu minimieren.

Ingenieurtechnische Sicherheitsmaßnahmen
Barrieren zur Rückhaltung der Spaltprodukte am Beispiel eines Druckwasserreaktors (DWR)

Radioaktivität entsteht inmitten der Brennelemente durch Kernspaltung und Kernumwandlungsprozesse. Ein redundantes (mehrteiliges) Barrieresystem dient als Barriere im Hinblick auf einen möglichen Austritt radioaktiver Stoffe und im Normalbetrieb als Begrenzung zwischen den einzelnen Komponenten. Der Aufbau solcher Barrieren ist in Abb. 1 Spaltproduktbarrieren am Beispiel eines DWRs schematisch dargestellt:

a) 1. Barriere (1: Brennstoffpellet, 2: metallische Brennstabhülle)
b) 2. Barriere (3: Primärkreiswände)
c) 3. Barriere (4: Stahlhülle des Schutzgebäudes, 5: Betonhülle des Schutzgebäudes)

Redundante Komponenten
In der Sicherheitstechnik bezeichnet Redundanz das Vorhandensein zusätzlicher Ersatz-Ressourcen. Eine redundante Auslegung funktionsgleicher Komponenten bedeutet das Ausfallrisiko auf ein Minimum zu reduzieren, denn zur Erfüllung einer einzigen Funktion stehen mehrere Ressourcen zur Verfügung. Wenn beispielsweise ein Teilsystem ausfällt (4 x 50 %), würden immer noch drei Teilsysteme zur Verfügung stehen, die 3 x 50 % = 150 % der benötigten Leistung stellen können. So werden parallel arbeitende Pumpen gerne nach folgendem Redundanz-Prinzip konzipiert: 3 x 50 %, 4 x 50 %, 3 x 100 %.

Ein anderes Beispiel für Redundanz ist die mehrfache Auslegung von Sicherheitsventilen bei Druckbehältern. So werden in der Regel drei anstelle von einem solcher Ventile verwendet. Ferner werden Behälterdeckel mit mehr Schrauben fixiert als gemäß der physikalischen Berechnung notwendig wären. Weitere Beispiele für Redundanz finden sich bei Notkühlungssystemen oder der Notstromversorgung.

Diversität
Redundant ausgelegte Anlagen werden baulich vollständig voneinander getrennt. Denn bei sogenannten anlageinternen systematischen Fehlern könnte es dazu kommen, dass sämtliche Ressourcen von dem Ausfall betroffen sind und eine mehrfache Auslegung somit zwecklos wäre. Den Anspruch der räumlichen Trennung bezeichnet man als Diversität. Demnach gilt eine Anlage nur dann als redundant, wenn auch in Common-Mode-Ausfällen ein Funktionserhalt gewährleistet werden kann.

Common-Mode-Ausfall
Ein Common-Mode-Ausfall bezeichnet einen Fehler aus gemeinsamer Ursache heraus. Klassische Beispiele hierfür sind eine falsche Wahl des Materials, eine mangelhafte Konstruktion, ein Bedienungsfehler oder eine Fehleinschätzung. Um einem übergreifenden Ausfall Vorbeuge zu leisten, werden funktionsgleiche Komponenten nicht nur räumlich getrennt, sondern auch physikalisch unterschiedlich konzipiert.

Im Folgenden eine tabellarische Übersicht an Sicherheitsstrategien gegenüber verschiedenen Arten von Ausfällen:

Gefährdung Beherrschung durch Maßnahmen
(1) Einzelfehler Redundanz Mehrfache Auslegung funktinsgleicher Komponenten (K)
(2) systematischer Fehler Diversität unterschiedliche Konstruktionsprinzipien gleicher Ks
(3) systemübergreifender Fehler räumliche Trennung Abstand zwischen den Ks
baulicher Schutz Betonwände, Barrieren zwischen den Ks
(1), (2), (3) und Ausfall der Notversorgung Fail-Safe (sicher trotz Fehler) Reaktorschnellabschaltsystem
menschliches Versagen Automatisierung Notfallsysteme werden automatisch ausgelöst