10 Jahre Fukushima Teil 4: Das Wasser

26.02.2021

© Greg Webb / IAEA (Excerpt of the original; CC BY-NC-ND 2.0)

Neben der Bergung der hochradioaktiven Kernschmelze aus den betroffenen Reaktorblöcken stellt die Entsorgung enormer Mengen an kontaminiertem Wasser die größte Herausforderung bei der Sanierung des Standorts Fukushima Daiichi dar. Über eine Million Tonnen davon lagern in großen Tankarealen auf dem Anlagengelände. Während dort der Platz für neue Tanks bald erschöpft sein wird, vergrößert sich die Menge des Wassers mit jedem Tag. 

Lesen Sie auch "Teil 1: Unfallablauf - Wegmarken einer Katastrophe", "Teil 2: Radiologische Folgen", "Teil 3: Der Rückbau" sowie "Teil 5: Lessons Learned" unserer Reihe "10 Jahre Fukushima".

Erste Priorität: Kühlung der Reaktoren

Einsatz von Feuerwehr-Equipment zur Kühlung der Reaktoren (Quelle: TEPCO)Nachdem das Erdbeben und vor allem der nachfolgende Tsunami am frühen Morgen deutscher Zeit des 11. März 2011 zu einem vollständigen Stromausfall und weitreichenden Zerstörungen in den Anlagen gesorgt hatten, gab es für das Anlagenpersonal nur noch ein Ziel: Die Kühlung der Reaktoren musste wiederhergestellt werden – zunächst, um ein Schmelzen der Reaktorkerne zu verhindern; später, um die bereits eingesetzte Kernschmelze und die dadurch verursachten Freisetzungen von radioaktiven Stoffen in die Umwelt zu minimieren bzw. ganz zu stoppen. Am Morgen des 12. März gelang es zunächst an Block 1, mit Feuerlöschpumpen Wasser von außen in den Reaktor einzuspeisen. An den Blöcken 2 und 3, die anders als der vierte Block  ebenfalls zum Zeitpunkt des Erdbebens in Betrieb waren, gelang dies an den beiden folgenden Tagen. 

Seitdem wird bis zum heutigen Tag kontinuierlich Wasser in die zerstörten Reaktoren gepumpt. In den ersten Monaten und Jahren diente dies vor allem dazu, ein erneutes Aufheizen des Kernbrennstoffs und, dadurch bedingt, weitere Kernschäden zu verhindern. Daneben soll das Wasser auch dafür sorgen, dass die von dem hochradioaktiven Kernmaterial ausgehende starke Gammastrahlung abgeschirmt wird. Die Menge des täglich eingepumpten Wassers konnte zwischenzeitlich reduziert werden, weil die Nachzerfallsleistung naturgegeben mit der Zeit abnimmt. Waren es in den ersten Monaten nach dem Unfall noch bis zu rund 750 Tonnen, die täglich in die Blöcke 1 bis 3 eingespeist wurden, sind es aktuell noch etwas über 200 Tonnen pro Tag.

Durch das Einpumpen von Wasser konnten zwar die Kernschmelzen gestoppt werden. Dafür war es nun das Wasser selbst, das große Mengen an radioaktiven Stoffen aus den Reaktoren gelangen ließ. Auf seinem Weg durch die Reaktordruckbehälter und die Reaktorgebäude nimmt es sogenannte Spaltstoffe auf. Dabei handelt es sich um Radionuklide wie Jod-131, Cäsium-137 und Strontium-90, die während der Kernspaltung im Kernbrennstoff entstehen. Durch bestehende Rohrleitungs- bzw. Kabelkanäle gelangt das so kontaminierte Wasser in die angrenzenden Maschinenhäuser. Dabei vermischt es sich mit Grundwasser, das von außen in die Gebäude und Kanäle eintritt, sodass sich die Menge an kontaminiertem Wasser kontinuierlich erhöht. 

Große Freisetzungen in den Pazifik

Bis Anfang April 2011 sammelten sich so in den Untergeschossen der Gebäude und in den sich anschließenden Kanälen rund 60.000 Tonnen an stark kontaminiertem Wasser an. Von dort gelangte es durch Leckagen aus Leitungsschächten, Wartungstunneln und Gebäuden in das umgebende Erdreich sowie den Ozean. Dies führte zum einen zu einer weiteren Erhöhung der Ortsdosisleistung auf dem umgebenden Gelände, was die Arbeiten zusätzlich erschwerte; zum anderen gelangten größere Mengen an Radionukliden (insbesondere Jod-131 und Cäsium-137) unkontrolliert ins Meer. In der Folge kam es vor allem im Bereich des Hafenbeckens zu einem massiven Anstieg der entsprechenden Nuklidkonzentrationen im Meerwasser; teilweise wurden dort Überschreitungen der gesetzlichen Grenzwerte um das bis zu Tausendfache gemessen.

Verschraubte Tanks mit 1.000 m³ Volumen zur Lagerung von kontaminiertem Wasser (Quelle: TEPCO)Um eine weitere unkontrollierte Freisetzung zu verhindern, pumpte TEPCO zunächst mit Zustimmung der Aufsichtsbehörde rund 10.000 Tonnen schwächer belastetes Wasser aus den bereits bestehenden Tanks des Abfalllagers in den Pazifik, um anschließend dort das aus den Maschinenhäusern abgepumpte Wasser zu lagern. Außerdem wurde damit begonnen, zusätzliche Tanks zu errichten. Dabei handelt es sich um Tanks mit einem Volumen von bis zu 1.000 Tonnen, die aus verschraubten Segmenten bestehen. Diese Tankvariante wurde gewählt, weil sie in kürzerer Zeit aufgebaut werden kann als verschweißte Tanks. Der Zeitgewinn war aus zwei Gründen relevant: Einerseits mussten möglichst schnell Lagerkapazitäten für die täglich steigende Menge an kontaminiertem Wasser geschaffen werden, andererseits konnten die mit dem Aufbau der Tanks Beschäftigten wegen der nach wie vor hohen Ortsdosisleistungen auf dem Anlagengelände nur kurze Zeit vor Ort arbeiten, um die gesetzlichen Dosisgrenzwerte einzuhalten.

In den folgenden Monaten und Jahren kam es dennoch immer wieder zu Freisetzungen kontaminierten Wassers in den Pazifik. Ein großer Teil davon gelangte über eine Vielzahl von bereits vorhandenen Gebäudedurchführungen und undichten Stellen in das Grundwasser und weiter ins Meer. So wurden bis Mitte der 2010er-Jahre in Grundwasserproben, die auf dem Gelände zwischen den Maschinenhäusern und dem Hafenbecken entnommen wurden, teilweise deutlich erhöhte Radionuklidkonzentrationen gemessen. Daneben kam es aber bis 2014 auch immer wieder zu Leckagen aus Lagertanks bzw. den angeschlossenen Leitungssystemen. Wegen dieser Leckagen und mit Blick auf die geringere Standfestigkeit bei Erdbeben beschloss TEPCO Anfang 2014, die verschraubten Tanks durch verschweißte zu ersetzen. Die Umlagerung der Wässer in die geschweißten Tanks konnte im März 2019 abgeschlossen werden. 

Insgesamt gelangte auf diesen Wegen eine Menge an Radionukliden in den Pazifik, die nach Angaben des United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (UNSCEAR) in etwa 10 % (für Jod-131) bzw. 50 % (für Cäsium-137) der beim Unfall in die Atmosphäre freigesetzten Menge entspricht. Damit handelt es sich laut der Internationalen Atomenergie-Organisation (IAEO) um die größte durch einen Unfall verursachte Freisetzung von Radionukliden in einen Ozean.

Abdichten und Abpumpen

Setzen der letzten Stahlrohre zur Fertigstellung des Grundwasser-Absperrbauwerks an der Kaimauer (Quelle: TEPCO)Um die täglich neu entstehenden Mengen an kontaminiertem Wasser zu reduzieren und dessen Austritt in das Grundwasser bzw. den Pazifik möglichst zu verhindern, ergriff TEPCO ab April 2011 verschiedene Maßnahmen. So wurden zunächst an verschiedenen Stellen im Hafenbecken schwimmende Sperren aus Vliesstoffen errichtet, um einen Eintrag von kontaminierten Sedimenten aus den Kühlwassereinläufen in das Hafenbecken bzw. von dort aus in das offene Meer zu unterbinden. Ab April 2012 wurde mit dem Bau einer wasserundurchlässigen Barriere an der Kaimauer des Hafenbeckens begonnen. Bis zu dessen Fertigstellung im Herbst 2015 wurden dazu entlang der Kaimauer fast 600 Stahlrohre mit etwa einem Meter Durchmesser und 30 Metern Länge fast 20 Meter tief in den Meeresboden gerammt und anschließend gegeneinander abgedichtet. In der Folge konnte einerseits ein Anstieg des Grundwasserspiegels und andererseits ein deutliches Absinken der Nuklidkonzentrationen im Hafenbecken gemessen werden. 

Parallel dazu wurden die Reaktorgebäude an verschiedenen Stellen abgedichtet. Dazu gehörte auch, dass Rohrleitungstunnel und sich anschließende Schächte zwischen den Maschinenhäusern und dem Hafenbecken mit speziellen, besonders fließfähigen Zementmischungen verfüllt wurden. Zuvor waren Versuche fehlgeschlagen, das sich in den Schächten angesammelte Wasser einzufrieren und so durch eine Art „Eispfropfen“ den weiteren Wasseraustritt zu verhindern.

Dass Grundwasser in die Untergeschosse der Reaktor- und Maschinenhäuser eindringt, ist hingegen grundsätzlich gewollt: Dadurch, dass der Grundwasserspiegel außerhalb der Gebäude höher ist als der Wasserstand in ihnen, wird ein unkontrollierter Austritt des kontaminierten Wassers aus den Gebäuden vermieden. Um den Grundwasserzutritt und damit die Menge des insgesamt anfallenden kontaminierten Wassers zu reduzieren, wurden aber an verschiedenen Stellen bereits bestehende Drainagepumpen wieder in Betrieb genommen und – in deutlich größerer Zahl – neue errichtet. Mit dem sogenannten Groundwater Bypass werden täglich bis zu 700 Tonnen Grundwasser, das von einer Anhöhe aus auf die Anlage zuströmt, auf der seeabgewandten Seite der Gebäude abgepumpt. Dieses Wasser wird zwischengelagert, auf Kontaminationen hin untersucht, ggf. gereinigt und anschließend nach entsprechender Freigabe in das Meer eingeleitet. Dabei wird die Fördermenge so begrenzt, dass der Grundwasserspiegel außerhalb der Gebäude höher bleibt als der Wasserstand in ihnen. Zwischen den Gebäuden und dem Hafenbecken wird ebenfalls Grundwasser abgepumpt. Wegen der Konzentration der darin enthaltenen Radionuklide wird dieses Wasser nicht in den Pazifik geleitet, sondern wie das aus den Gebäuden abgepumpte Wasser zunächst in Tanks gelagert.

Arbeiten an Leitungen des Kühlsystems des „Eiswalls“ (Quelle: TEPCO)Die mit Abstand größte und aufwändigste Maßnahme zur Minimierung des Grundwasserzuflusses und damit des Anfalls an kontaminierten Wasser war die Errichtung des sogenannten „Eiswalls“ (von TEPCO als »Land-side Impermeable Wall« oder auch »Frozen Soil Wall« bezeichnet). Dabei handelt es sich um eine rund 1.500 Meter lange und mehrere Meter tiefe Barriere aus gefrorenem Erdreich, die die Reaktorblöcke 1 bis 4 umschließt und so den Zu- bzw. Austritt von Grundwasser deutlich reduzieren soll. Zu seiner Errichtung wurden von Mitte 2014 bis Anfang 2016 in einem Abstand von rund einem Meter Bohrungen bis zu einer Tiefe von 30 Metern in das Erdreich eingebracht. In diesen insgesamt über 1500 Bohrungen wurden Gefrierrohre installiert, durch die eine auf -30 °C abgekühlte Salzlauge geleitet wird. Dieses Verfahren war bereits aus dem Tiefbau bekannt und bewährt. Der Eiswall soll so ausgelegt sein, dass er auch einem Erdbeben standhält. 

In Verbindung mit der Reduzierung der täglich in die Reaktoren 1 bis 3 eingespeisten Wassermenge konnte mit den genannten Maßnahmen die Menge des täglich anfallenden kontaminierten Wassers nach Angaben von TEPCO deutlich verringert werden. Die Menge, die täglich zusätzlich in Tanks gelagert werden muss, sank nach Angaben von TEPCO von ca. 450 bis 500 Tonnen (bis Ende 2014) auf inzwischen rund 150 Tonnen.

Behandlung des kontaminierten Wassers

Parallel zum Aufbau von Tanks zur Lagerung des kontaminierten Wassers ließ TEPCO bereits in den ersten Monaten Anlagen errichten, mit denen dem Wasser neben Salz und sonstigen Rückständen wie Öl auch Radionuklide entzogen werden können. Ein wesentlicher Grund dafür bestand darin, dass die stetig anwachsende Zahl an befüllten Tanks eine zusätzliche Strahlenbelastung des in deren Umfeld tätigen Personals mit sich brachte. Durch die Verringerung der Nuklidkonzentrationen im Wasser wurde diese reduziert. Gleichzeitig wird ein Teil des behandelten Wassers für die Kühlung der Reaktoren wiederverwendet, um so durch einen quasi-geschlossenen Kreislauf die insgesamt anfallende Wassermenge möglichst niedrig zu halten.

Von Mitte 2011 bis zum Herbst 2014 wurden mehrere unterschiedliche Anlagen errichtet bzw. ausgebaut. Zwei von ihnen dienen dazu, dem Wasser Cäsium und Strontium zu entziehen. Drei weitere („ALPS“) entziehen dem Wasser darüber hinaus noch 60 weitere Radionuklide. Die Effektivität der Anlagen ist nach Angaben von TEPCO zwar sehr hoch: Die Nuklidkonzentrationen sollen durch die Behandlung je nach Nuklid auf ein Hundertstel bzw. bis zu einem Tausendstel des Ausgangswert reduziert werden können. Das von TEPCO formulierte Ziel, das Wasser soweit zu reinigen, dass die nuklidspezifischen Grenzwerte eingehalten werden, wurde bislang aber nur für rund ein Viertel der Gesamtmenge des gelagerten Wassers erreicht.

Vereinfachtes Schema des „Wasserkreislaufs“ auf dem Kraftwerksgelände (Quelle: TEPCO)

Das gesamte Wasser enthält außerdem nach wie vor radioaktives Tritium. Als Isotop des Wasserstoffs wird  es Bestandteil von Wassermolekülen und kann dadurch mit gängigen Verfahren zur Wasserbehandlung nicht entzogen werden. Zwar ist eine Abtrennung mit aufwändigen Verfahren im Labormaßstab grundsätzlich möglich; ein von der japanischen Regierung gefördertes Programm, in dem verschiedene ausländische Unternehmen eine Machbarkeit im industriellen Maßstab zeigen sollten, endete jedoch ohne nutzbare Ergebnisse.

Wohin mit dem Wasser?

Bis heute sind insgesamt rund 1,25 Millionen Tonnen (Stand: Februar 2021) an kontaminiertem Wasser angefallen. Durch den täglichen Zuwachs steigt auch der Bedarf an Tankkapazitäten und, damit verbunden, an entsprechenden Flächen auf dem Anlagengelände, auf denen weitere Tanks errichtet werden können. Weil nach Aussagen von TEPCO die maximal verfügbaren Tankkapazitäten von rund 1,37 Millionen Tonnen voraussichtlich im Sommer 2022 erschöpft sein sollen, hat eine von der japanischen Regierung eingesetzte Expertenkommission in den vergangenen Jahren untersucht, ob und ggf. wie das Wasser entsorgt werden kann.

Im Fokus der Untersuchungen, deren Ergebnisse im April 2020 veröffentlicht wurden, standen dabei zwei Optionen: Die eine sieht, vereinfacht gesagt, eine Verdampfung des Wassers mit Abgabe des tritiumhaltigen Dampfs in die Atmosphäre vor; die zweite besteht in der Einleitung in den Pazifik. Voraussetzung für beide Varianten ist, dass die übrigen Radionuklide, die in rund 75 % des Gesamtbestands noch in Konzentrationen über den Grenzwerten vorhanden sind, durch erneute Behandlung soweit entzogen werden, dass die Grenzwerte unterschritten werden. Andere Optionen, wie etwa eine Einleitung in den Untergrund in flüssiger oder verfestigter Form, wurden bereits zu einem früheren Stadium verworfen, weil sie nach Ansicht der Kommission mit zu vielen noch ungeklärten technischen Fragestellungen behaftet und einem erheblich größeren Zeitaufwand verbunden wären.

Für die beiden verbliebenen Optionen wurden die unter konservativen Annahmen zu erwartenden maximalen Dosisbelastungen für die Bevölkerung und die maximalen Konzentrationen an Tritium im Meerwasser abgeschätzt. Unter Berufung auf die Ergebnisse favorisieren TEPCO und die japanische Regierung eine Einleitung ins Meer. Diese ist nach Ansicht der Kommission mit einer im Vergleich zur Verdampfung geringeren zusätzlichen Dosisbelastung verbunden; erwartet wird hier eine zusätzliche Dosis von ca. 0,0008 Millisievert pro Jahr (zum Vergleich: die natürliche jährliche Strahlenbelastung liegt in Japan und Deutschland bei rund 2,1 Millisievert).

Trotz dieser Einschätzungen ist das Vorhaben stark umstritten. So befürchten etwa die Fischer aus der betroffenen Region, dass ihre Fangprodukte im Falle einer Einleitung nicht mehr zu vermarkten wären. Auch aus Anrainerstaaten wie Korea und China und von verschiedenen Nichtregierungsorganisationen im In- und Ausland wurden Bedenken angemeldet. Demgegenüber herrscht unter Fachleuten weitgehend Einigkeit, dass eine Einleitung von Wasser in der geplanten Form zu keinen relevanten radiologischen Folgen für Mensch und Umwelt führen würde. Grund dafür sind zum einen die spezifischen physikalischen und strahlenbiologischen Eigenschaften des Tritiums und der große Verdünnungseffekt (siehe auch das Interview mit Dr. Thorsten Stahl, dem Leiter der Abteilung Strahlen- und Umweltschutz der GRS). Zum anderen liegt die Gesamtmenge des Tritiums im Bereich dessen, was in einigen kerntechnischen Anlagen auf der Welt mit entsprechender Genehmigung in einem Jahr abgeleitet wird. Würde das gesamte tritiumhaltige Wasser über zehn Jahre hinweg in den Pazifik eingeleitet, so entspräche nach Berechnungen des Bundesamts für Strahlenschutz die jährliche Tritium-Menge in etwa der jährlichen Ableitung von Tritium mit dem Abwasser aus allen deutschen Kernkraftwerken im Jahr 2016.

Nach aktuellem Stand ist eine endgültige Entscheidung über eine Einleitung noch nicht getroffen. Nach einer Entscheidung wird zunächst ein Genehmigungsverfahren durchzuführen sein. Wegen der weiteren technischen Vorbereitungen wird nach Angaben der japanischen Regierung dann gegebenenfalls in frühestens zwei Jahren mit einer Einleitung begonnen werden können.

Weiterführende Literatur

BfS: Umweltfolgen des Unfalls von Fukushima: Die radiologische Situation in Japan

GRS: Fukushima Daiichi 11. März 2011 - Unfallablauf, Radiologische Folgen (5., überarbeitete Auflage)

IAEO: Review Report (Follow-up Review of Progress Made on Management of ALPS Treated Water and the Report of the Subcommittee on Handling of ALPS treated water at TEPCO’s Fukushima Daiichi Nuclear Power Station – April 2020)

METI: The Subcommittee on Handling of the ALPS Treated Water Report (April 2020)

TEPCO: Treated Water Portal Site